Đề tài BẢNG LED HIỂN THỊ CHỮ

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Đề tài: BẢNG LED HIỂN THỊ CHỮ Giảng viên hướng dẫn: Ths Lê Đức Thuận Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Bình CT040305 Nguyễn Đức Kiên CT040328 Dương Huy Hiếu CT040318 Nhóm Hà Nội, 2022 MỤC LỤC CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan bảng LED hiển thị chữ 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Mục tiêu 1.1.3 Khái niệm bảng LED hiển thị chữ 1.1.4 Nguyên lý cấu tạo bảng LED hiển thị chữ 1.2 Tổng quan Arduino 1.2.1 Giới thiệu Arduino 1.2.2 Ứng dụng Arduino 1.2.3 Arduino Uno R3 1.3 Tổng quan I2C 1.3.1 Giới thiệu giao tiếp I2C 1.3.2 Đặc điểm giao tiếp I2C 1.3.3 Module I2C 1.4 Load Cell 10 1.4.1 Giới thiệu Load Cell 10 1.4.2 Cấu tạo 10 1.4.3 Nguyên lý hoạt động 11 1.4.4 Phân loại 11 1.4.5 Ứng dụng load cell 12 1.4.6 Thông số load cell (5kg) 12 1.5 Module HX711 12 1.5.1 Giới thiệu HX711 12 1.5.2 Sơ đồ chân chức 13 1.5.3 Thông số kỹ thuật 14 1.5.4 Nguyên lý hoạt động 15 1.5.5 Ứng dụng 16 1.6 LCD 1602 16 1.6.1 Giới thiệu LCD 16 1.6.2 Chức chân 16 1.6.3 Thơng số kỹ thuật 17 CHƯƠNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ 18 2.1 Nắm bắt yêu cầu 18 2.1.1 Biểu đồ ca sử dụng hệ thống 18 2.1.2 Đặc tả ca sử dụng 18 2.1.3 Đặc tả bổ sung 20 2.2 Phân tích 20 2.2.1 Phân tích kiến trúc 20 2.2.2 Phân tích ca sử dụng 21 2.3 Thiết kế mạch 23 2.4 Lƣu đồ giải thuật 24 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 25 LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, khoa học cơng nghệ phát triển cách mạnh mẽ, việc ứng dụng thiết bị điện tử vào đời sống trở nên phổ biến hơn, với thời đại mà hệ thống nhúng lên Từ ứng dụng đơn đồng hồ kỹ thuật số, máy chơi nhạc MP3, đến ứng dụng cho xã hội đèn giao thơng, kiểm sốt nhà máy, cửa tự động, ứng dụng mang tính quy mô, tầm cỡ Robot, nhà thông minh, Các hệ nhúng bắt gặp hầu khắp nơi hoạt động thực tiễn đời sống, sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, từ sản phẩm điện tử dân dụng hàng ngày, hệ thống điện tử công nghiệp quân Điểm chung hệ thống điện tử ứng dụng chức tương tác với môi trường Các hệ thống điện tử cần phải có “bộ não”, cho phép tiếp nhận thơng tin từ mơi trường, xử lý đưa tín hiệu điều khiển giúp chúng tương tác cách phù hợp với thông tin tiếp nhận từ môi trường Tìm hiểu hệ thống nhúng vào việc thiết kế hệ thống Đèn Led chạy chữ hiển thị quảng cáo, trang trí đề tài mà bọn em chọn để tìm hiểu tập lớn mơn Cơng Nghệ Phần Mềm Nhúng Khi chọn đề tài, bọn em mong muốn mục tiêu có hội tìm hiểu thực hành cách thiết thực nội dung lý thuyết môn học, đặc biệt công nghệ phần mềm nhúng Và kế đó, áp dụng nguyên cứu vào thực hành cụ thể để hiểu rõ lý thuyết thu góp kinh nghiệm thực hành thực tế Với mục tiêu này, báo cáo nhóm em đƣợc trình bày gồm chƣơng bố cục sau: Chương 1: Cơ sở lý thuyết Chương 2: Phân tích thiết kế Chương 3: Kết thực nghiệm Tuy nhiên, thời gian thực đồ án có hạn kiến thức cịn nhiều hạn chế, nên đề tài nhiều thiếu sót, điểm bất cập vấn đề chưa thể xử lý triệt để Nhóm em mong nhận góp ý q thầy bạn để báo cáo hồn thiện Nhóm em xin chân thành cảm ơn! DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Arduino Uno R3 Hình 1.2 Các cổng vào/ra Arduino Uno R3 Hình 1.3 Sơ đồ bus I2C Hình 1.4 I2C 10 Hình 1.5 Load Cell 10 Hình 1.6 Mạch wheatstone 11 Hình 1.7 HX711 13 Hình 1.8 Sơ đồ chân HX711 13 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý HX711 15 Hình 1.10 LCD 1602 16 Hình 2.1 Biểu đồ ca sử dụng hệ thống 18 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống 20 Hình 2.3 Biểu đồ trình đặt vật mẫu lên cân 21 Hình 2.4 Biểu đồ trình bỏ vật mẫu khỏi cân 22 Hình 2.5 Sơ đồ thiết kế hệ thống 23 Hình 2.6 Lƣu đồ giải thuật cân điện tử loadcell 24 Hình 3.1 Mạch thực tế 25 Hình 3.2 Mặt bàn cân 26 Hình 3.3 Màn hình hiển thị cân điện tử 26 Hình 3.4 Mơ hình cân điện tử 27 Hình 3.5 Khi đặt vật lên cân 28 Hình 3.6 Khi bỏ vật khỏi cân 29 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 Bảng 1.2 Miêu tả chức chân HX711 13 Bảng 2.1 Đặc tả đặt vật mẫu lên cân 18 Bảng 2.2 Đặc tả vật mẫu khỏi cân 19 Bảng 3.1 Kết thực nghiệm đo vật có khối lƣợng < 10g 30 Bảng 3.2 Kết thực nghiệm đo vật có 10g < khối lƣợng < 100g 30 Bảng 3.3 Kết thực nghiệm đo vật có 100g < khối lƣợng < 1kg 30 Bảng 3.4 Kết thực nghiệm đo vật có 1kg < khối lƣợng < 5kg 30 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Ý nghĩa Chú thích A/D Analog/Digital Tương tự/Số ADC Analog-to-Digital Converter Mạch chuyển đổi tương tự số IDE Integrated Development Environment Mơi trường phát triển tích hợp I2C Inter-Integrated Circuit Integrated Circuit IC Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng LCD Serial Data SDA SCL Serial Clock Line VDK Vi điều khiển Xung nhịp đồng hồ CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan đèn LED ma trận chạy chữ 1.1.1 Đặt vấn đề Ngày khu công nghiệp, quan, trường học, lĩnh vực y tế, dân dụng, nông nghiệp,… thiết bị sử dụng đèn LED có vai trị quan trọng Đèn LED chạy chữ có khả cung cấp thơng tin dài, cần thiết dù bảng hiển thị nhỏ Khơng vậy, đèn LED chạy chữ cịn mang tính giải trí cao có tính chi phí thấp so với loại đèn khác 1.1.2 Mục tiêu Hiển thị chữ qua module chung LED Max7219 kết nối Arduino Uno R3 Tạo hội tìm hiểu thực hành cách thiết thực nội dung lý thuyết môn học, đặc biệt lập trình Arduino Bên cạnh áp dụng ngun cứu vào thực hành cụ thể để hiểu rõ lý thuyết thu góp kinh nghiệm thực hành thực tế 1.1.4 Nguyên lý cấu tạo đèn LED ma trận chạy chữ Đầu dò hay cảm biến tải loadcell có độ nhạy cao, đặc trƣng cho nhà sản xuất (Cas, Mettler Toledo, Dibal, A&D, Ohaus, Digi…), có độ bên cao khoảng nhiệt độ hoạt động rộng Ngƣời sử dụng không trực tiếp can thiệp tới đầu dò Thƣờng nhà máy sản xuất khuyến cáo khơng nên cân vật có trọng cân quy định, đa số trƣờng hợp làm loadcell hƣ hỏng 1.1.4.1 Cấu tạo Cấu tạo cân điện tử gồm phận là: - Bộ phận địn cân đƣợc cấu tạo bởi: Strain Gauge Load, Strain Gauge loại điện trở đặc biệt nhỏ móng tay, điện trở thay đổi bị nén hay bị kéo dãn đƣợc mồi nguồn điện ổn định, phận đƣợc dán chết lên Thanh kim lại đầu gắn cố định đầu đƣợc gắn lên đĩa cân - Mạch xử lý tín hiệu điện tử 1.1.4.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động đèn LED ma trận chạy chữ: - - Bảng led hiển thị chữ cấu tạo từ bóng đèn led xếp thành nhiều hàng cột khác Có loại bản: đơn sắc, màu, full color Bạn lựa chọn tùy theo mục đích hiển thị Tập hợp bóng đèn led nối với bảng mạch điện tử kết nối với máy tính để lập trình chạy chữ, hình ảnh… theo ý muốn 1.2 Tổng quan Arduino 1.2.1 Giới thiệu Arduino Arduino bo mạch vi điều khiển nhóm giáo sư sinh viên nước Ý thiết kế đưa vào năm 2005 Mạch Arduino sử dụng để cảm nhận điều khiển nhiều đối tượng khác Nó thực nhiều nhiệm vụ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, nhiều đối tượng khác Ngồi mạch cịn có khả liên kết với nhiều module khác module đọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A, để tăng khả ứng dụng mạch Arduino bao gồm phần cứng (arduino board) phần mềm (arduino IDE): ● Phần cứng gồm board mạch nguồn mở đƣợc thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit ARM, Atmel 32-bit, ● Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino Arduino IDE 1.2.2 Ứng dụng Arduino Arduino có nhiều ứng dụng đời sống, việc chế tạo thiết bị điện tử chất lượng cao Một số ứng dụng kể đến như: ● Lập trình robot: Arduino phần quan trọng trung tâm xử lý giúp điều khiển hoạt động robot ● Lập trình máy bay khơng người lái ● Game tương tác: dùng Arduino để tương tác với Joystick, hình, để chơi trị Tetrix, phá gạch, Mario, nhiều game sáng tạo ● Arduino điều khiển thiết bị ánh sáng cảm biến tốt Là phận quan trọng đèn giao thông, hiệu ứng đèn nháy cài đặt làm bật biển quảng cáo ● Arduino ứng dụng máy in 3D nhiều ứng dụng khác tùy thuộc vào khả sáng tạo người sử dụng 1.2.3 Arduino Uno R3 1.2.3.1 Về Arduino UNO R3 Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, mà người ta thường nói tới dịng Arduino UNO Hiện dòng mạch phát triển tới hệ thứ (R3) Hình 1.1 Arduino Uno R3 Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lý tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… 1.2.3.2 Thông số kỹ thuật Một vài thông số Arduino UNO R3: Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 Vi điều khiển ATmega328 họ bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ đƣợc cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA ● Nó cung cấp tính điều khiển độ sáng tương tự kỹ thuật số & chế độ tắt 150µA, nơi dịng điện tất phân đoạn kéo đến GND ● Dòng điện tối đa cho chân phần 100mA cho chân DIGIT GND 500mA 1.4.4 Nguyên lý hoạt động IC MAX7219 tương tự loại ghi dịch chuyển Việc truyền liệu phía chip thực chút Khi trình truyền liệu kết thúc IC chuyển liệu thành liệu nối tiếp o / p thơng qua chân CS Q trình làm việc vi mạch bao gồm bước khác Ban đầu, chân DIN, CLK & CS cần kết nối để điều khiển IC Chọn điện trở thích hợp cho pin18 để điều khiển hình dựa thơng số khác IC sử dụng theo hai cách cách truyền liệu dạng bit sử dụng thư viện Như đề cập liên quan đến việc truyền liệu Dữ liệu lưu trữ sổ đăng ký nhận liệu hoàn chỉnh Khi q trình gửi liệu hồn tất, cần đặt chân CS để di chuyển tất liệu nhận ghi sang o / p Khi liệu nối tiếp di chuyển qua IC chiếu sáng đèn LED tương đương để hiển thị kết 1.4.5 Ứng dụng Các ứng dụng IC điều khiển hình MAX7219 bao gồm điều sau đây: ● Được sử dụng để kiểm sốt nhiều phân đoạn hiển thị thơng qua số chip kết nối chuỗi nối tiếp ● IC đóng vai trị việc chuyển đổi liệu từ nối tiếp sang song song ● IC điều khiển 64 đèn LED với chân ● Nó sử dụng để giảm việc sử dụng chân I / O xử lý / điều khiển ● Hoạt động SHIFT 11 ● Hệ thống kỹ thuật số ● May chủ ● Kết nối mạng ● Đơn vị nhớ ● Đo lường dụng cụ ● Điện tử kỹ thuật số ● Ma trận LED để điều khiển đèn LED ● Bảng điều khiển Meters ● Bộ điều khiển cơng nghiệp ● Màn hình dựa biểu đồ CHƯƠNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ 2.1 Nắm bắt yêu cầu 2.1.1 Biểu đồ ca sử dụng hệ thống Hình 2.1 Biểu đồ ca sử dụng hệ thống 2.1.2 Đặc tả ca sử dụng Bảng 2.1 Đặc tả nhập chuỗi Ca sử dụng Tác nhân Mô tả Nhập chuỗi Người dùng Người dùng nhập chuỗi cần hiển thị vào code 13 Tiền điều kiện Hệ thống lập trình Luồng kiện Người dùng nhập chuỗi cần hiển thị Nạp chuỗi vào chương trình Luồng kiện phụ - Chuỗi nhập vào có chứa ký tự khơng hợp lệ - Chuỗi nhập có kích thước lớn Bảng 2.2 Đặc tả bật Ca sử dụng Bật Tác nhân Người dùng Mô tả Người dùng bật bảng LED để hiển thị chuỗi nạp vào chương trình Tiền điều kiện Hệ thống lập trình Luồng kiện Luồng kiện phụ Người dùng upload chương trình lập trình vào Arduino MAX7219 điều khiển tín hiệu nhận từ Arduino để bật tắt đèn bảng LED - Lỗi nguồn Bảng 2.2 Đặc tả tắt Ca sử dụng Tác nhân Tắt Người dùng Mô tả Người dùng tắt bảng LED Tiền điều kiện Hệ thống chạy hiển thị Luồng kiện Người dùng tắt/ngắt chương trình Chương trình dừng hiển thị Luồng kiện phụ 2.1.3 Đặc tả bổ sung Những yêu cầu phi chức hệ thống: - Hiển thị có độ xác cao - Có thể chạy 24/7 - Dễ bảo trì thay đổi 2.2 Phân tích 2.2.1 Sơ đồ khối Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống Hệ thống bảng LED hiển thị chữ gồm khối sau: - Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn mạch hoạt động - Khối xử lý trung tâm: Tạo tín hiệu điều khiển khối điều khiển xuất liệu khối hiển thị - Khối điều khiển: Nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm, giải mã, cung cấp nguồn ổn định đủ lớn để chuyển qua khối hiển thị - IC ghi dịch MAX7219 - Khối hiển thị: Nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm khối điều khiển để hiển thị ký tự theo chương trình khối xử lý trung tâm - Matrix 8x8 Orange x4 15 2.2.2 Sơ đồ nguyên lý Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 2.3 Thiết kế mạch Hình 2.5 Sơ đồ thiết kế hệ thống Đầu tiên, IC MAX7219 kết nối với Arduino Uno Chân GND mô-đun phải đƣợc kết nối với chân GND Arduino Chân VCC kết nối với chân 5V Arduino Chân Din kết nối với chân 11 Arduino Chân CS kết nối với chân 10 Arduino Chân CLK kết nối với chân 13 Arduino 2.4 Lưu đồ giải thuật Lưu đồ giải thuật bảng LED hiển thị chữ 17 Hình 2.6 Lưu đồ giải thuật bảng bảng LED hiển thị chữ Mô tả : - Đầu tiên khởi tạo tham số, truyền chữ muốn hiển thị Hiển thị chữ lên hình CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Mơ hình cân điện tử 3.1.1 Mạch thực tế Hình 3.1 Mạch thực tế Mạch xử lý trung tâm gồm Arduino đƣợc kết nối với module để điều khiển hoạt động cân đồng thời cịn có nhiệm vụ cấp nguồn ni cho khối cịn lại 3.1.2 Mơ hình tổng quan 3.1.2.1 Mặt bàn cân 19 Hình 3.2 Mặt bàn cân Mặt bàn cân đƣợc gắn cố định cảm biến, cho tạo khoảng cách cảm biến bàn cân Ngƣời dùng dễ dàng đặt vật lên cân 3.1.2.2 Màn hình hiển thị cân điện tử Hình 3.3 Màn hình hiển thị cân điện tử Tồn thơng tin đo đƣợc hiển thị LCD 1602 để giúp ngƣời đo dễ dàng quan sát kết đo 3.1.2.3 Mơ hình hồn chỉnh Hình 3.4 Mơ hình cân điện tử Mơ hình cân điện tử gồm : - Hộp nhựa chống nƣớc Mặt bàn cân - Loadcell Mạch điện tử Màn hình hiển thị 3.2 Kết thực nghiệm 21 3.2.1 Quá trình đo  Đặt vật lên cân: Hình 3.5 Khi đặt vật lên cân Sau ngƣời dùng hoàn thành q trình đo, thơng số cân nặng đƣợc tất LCD  Bỏ vật khỏi cân: Hình 3.6 Khi bỏ vật khỏi cân Khi bỏ vật khỏi cân hình LCD tự động hiển thị gam 3.2.2 Đánh giá nhận xét kết đo Sau tiến hành phép đo, cân điện tử cho thấy hoạt động ổn định độ xác cao, thực đo hiển thị thông số cách trực quan Dƣới bảng thống kê sau nhóm thực đo phép đo lần 23 Bảng 3.1 Kết thực nghiệm đo vật có khối lƣợng < 10g Số lần đo Khối lƣợng (g) Chính xác (%) 83,33 83.33 99,99 Bảng 3.2 Kết thực nghiệm đo vật có 10g < khối lƣợng < 100g Số lần đo Khối lƣợng (g) Chính xác (%) 65 99,99 64 98.5 65 99,99 Bảng 3.3 Kết thực nghiệm đo vật có 100g < khối lƣợng < 1kg Số lần đo Khối lƣợng (g) Chính xác (%) 452 99,99 453 99,78 452 99,99 Bảng 3.4 Kết thực nghiệm đo vật có 1kg < khối lƣợng < 5kg Số lần đo Khối lƣợng (g) Chính xác (%) 1413 99,92 1412 99,99 1412 99,99 Nhận xét: - Khối lƣợng lớn đo đƣợc: 5kg Khối lƣợng nhỏ đo đƣợc : 1g - Sai số: ±1g Một số yếu tố ảnh hƣởng đến kết quả: o Độ ổn định chƣa hết mức loadcell o Mơi trƣờng có nhiệt độ thay đổi đột ngột, môi trƣờng khô hay ẩm ƣớt o Bất ngờ thả, đặt mạnh vật cần cân lên mặt cân KẾT LUẬN Kết đạt Sau thời gian tìm hiểu thực đề tài “Xây dựng bảng led thị chữ” chúng em đạt kết sau: ❖ Chế tạo thành công mơ hình bảng led thị chữ sử dụng Arduino loadcell ▪ Hệ thống hoạt động trơn chu, ổn định ❖ Đối với nhóm áp dụng nhiều kiến thức bổ ích như: : ▪ Nguyên tắc hoạt động mạch ▪ Hiểu rõ linh kiện vi điều khiển ▪ Cấu tạo, nguyên lý hoạt động loadcell ▪ Có thêm kiến thức lập trình arduino Hạn chế Bên cạnh khơng tránh khỏi khuyết điểm cần khắc phục như: • • Nhiều lần hiển thị sai Tốc độ xử lý chậm Hướng phát triển Với mặt hạn chế đề tài, để đề tài mở rộng áp dụng vào đời sống sau nhóm đưa số hƣớng phát triển đề tài: Tích hợp thêm nhiều chức năng: • 25 ... thuật Lưu đồ giải thuật bảng LED hiển thị chữ 17 Hình 2.6 Lưu đồ giải thuật bảng bảng LED hiển thị chữ Mô tả : - Đầu tiên khởi tạo tham số, truyền chữ muốn hiển thị Hiển thị chữ lên hình CHƯƠNG KẾT... CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan bảng LED hiển thị chữ 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Mục tiêu 1.1.3 Khái niệm bảng LED hiển thị chữ 1.1.4 Nguyên lý cấu tạo bảng LED hiển thị chữ 1.2 Tổng quan Arduino 1.2.1... bảng LED hiển thị chữ gồm khối sau: - Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn mạch hoạt động - Khối xử lý trung tâm: Tạo tín hiệu điều khiển khối điều khiển xuất liệu khối hiển thị - Khối điều khiển: