Thiết kế và thi công máy đo dạng sóng

MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình .iii Phiếu đánh giá khóa luận tốt nghiệp iv Cam đoan v Lời cảm ơn vi Mục lục vii Liệt kê hình vẽ viii Liệt kê bảng vẽ ix Tóm tắt x CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn 1.5 Bố cục CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái quát máy đo dạng sóng 2.1.1 Công dụng máy đo dạng sóng 2.1.2 Oscilloscope số tương tự 2.1.3 Nguyên lý hoạt động máy Oscilloscope 2.2 Giới thiệu phần cứng 2.2.1 Tổng quan ARM 2.2.2 IC LM358 21 2.3.3 ICL 7660 22 2.3.4 Giới thiệu định dạng BMP 23 2.3.5 Chuẩn truyền USB 24 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 26 vii 3.1 Giới Thiệu 26 3.2 Tính tốn thiết kế hệ thống 26 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 26 3.2.2 Tính tốn thiết kế mạch 28 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 37 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 39 4.1 Thi công hệ thống 39 4.2.1 Thi công board mạch 39 4.2 Lập trình hệ thống 42 4.2.1 Lưu đồ giải thuật 42 4.2.2 Lưu đồ chương trình khởi tạo hệ thống 44 4.2.3 Lưu đồ chương trình lưu ảnh 46 4.2.4 Phần mềm Keil C sử dụng cho vi điều khiển 47 4.3 Hướng dẫn sử dụng, thao tác với sản phẩm 55 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 56 5.1 Sản phẩm sau hoàn thành 56 5.1.1 Sản phẩm 56 5.1.1 Kết có sau hoàn thành sản phẩm 56 5.2 Kết chạy sản phẩm 56 5.2.1 Quá trình chạy thực tế sản phẩm 57 5.2.2 Đánh giá kết 64 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65 6.1 Kết luận 65 6.2 Hướng phát triển 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 67 vii LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Ứng dụng ARM Hình 2.2: Sơ đồ khối ARM Cortex 11 Hình 2.3: Các dịng ARM Cortex 12 Hình 2.4: Sơ đồ vùng nhớ ARM Cortex 13 Hình 2.5: Sơ đồ chân STM4F407VGT6 14 Hình 2.6: Các bước để sử dụng ngắt 16 Hình 2.7 FSMC giao tiếp với thiết bị 19 Hình 2.8: Tốc độ chuyển đổi 21 Hình 2.9: Sơ đồ chân IC 22 Hình 2.10: Sơ đồ chân ICL 7660 23 Hình 2.11: Hình ảnh cổng USB 2.0 USB 3.0 25 Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát 27 Hình 3.2: Mạch tín hiệu ngõ vào trước qua mạch cộng 28 Hình 3.3: Mạch cầu phân áp 29 Hình 3.4: Mạch cộng đảo 30 Hình 3.5: Mạch cộng đảo tầng 31 Hình 3.6: Mạch cộng đảo tầng 32 Hình 3.7: Mạch tạo nguồn âm sử dụng IC 7660 33 Hình 3.8: Board STM32F4 DISCOVERY 34 Hình 3.9: Giao tiếp với IC cảm ứng TSC2046 với khối xử lý 36 Hình 3.10: Chân LCD để giao tiếp với khối xử lý 36 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp USB 37 Hình 3.12: Sơ đồ ngun lý tồn mạch 38 Hình 4.1: Sơ đồ bố trí linh kiện dạng 3D 40 Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện lớp 40 Hình 4.3: Mạch sau thi công xong 41 Hình 4.4: Lưu đồ chương trình 43 Hình 4.5: Lưu đồ chương trình khởi tạo hệ thống 45 Hình 4.6: Lưu đồ chương trình lưu ảnh 46 Hình 4.7: Chọn đường dẫn 47 Hình 4.8: Tiến trình cài đặt 48 Hình 4.9: Cài đặt dòng chip 48 viii Hình 4.10: Lựa chọn dòng ARM sử dụng 49 Hình 4.11: Tạo thư mục thêm files 50 Hình 4.12: Thêm đường dẫn file.h vào 50 Hình 4.13: Chọn cách nạp chương trình 51 Hình 4.14: Chỉnh Port 52 Hình 4.15: Chỉnh thiết lập cho mạch nạp 52 Hình 4.16: Biên dịch nạp chương trình 53 Hình 4.17 Giao diện lưới hiển thị dạng sóng 54 Hình 5.1: Sản phẩm sau hồn thành 56 Hình 5.2: Dạng sóng DC từ nguồn pin 9V sản phẩm đo 57 Hình 5.3: Dạng sóng DC đo từ nguồn pin 9V máy đo thực tế 57 Hình 5.4: Dạng sóng sin từ máy phát sóng sản phẩm đo 58 Hình 5.5: Dạng sóng sin từ máy phát sóng đo từ máy đo thực tế 58 Hình 5.6: Dạng sóng vng từ máy phát sóng sản phẩm đo 59 Hình 5.7: Dạng sóng vng từ máy phát sóng đo từ máy đo thực tế 59 Hình 5.8: Dạng sóng tam giác từ máy phát sóng sản phẩm đo 60 Hình 5.9: Dạng sóng tam giác từ máy phát sóng đo từ máy đo thực tế 60 Hình 5.10: Dạng sóng cưa từ máy phát sóng sản phẩm đo 61 Hình 5.11: Dạng sóng cưa từ máy phát sóng đo từ máy đo thực tế 61 Hình 5.12: Hình hiển thị dạng sóng chiều dc từ pin 9V lưu USB 62 Hình 5.13: Hình hiển thị dạng sóng sin lưu USB 62 Hình 5.14: Hình hiển thị dạng sóng vng lưu USB 63 Hình 5.15: Hình hiển thị dạng sóng tam giác lưu USB 63 Hình 5.16: Hình hiển thị dạng sóng cưa lưu USB 64 viii LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Các dòng phát triển ARM .9 Bảng 2.2: Dòng tiêu thụ STM32F4 15 Bảng 2.3: Bảng phân chia số cấp ưu tiên nhóm PreemptionPriority SubPriority.………………… .16 Bảng 2.4 Thông số ICL7660.………………………… .22 Bảng 2.5: So sánh hai chuẩn USB 2.0 USB 3.0 .25 Bảng 3.1: Bảng kết nối cảm ứng:.…………………… 34 Bảng 3.2: Sơ đồ kết nối chân LCD với Board STM32F4 Discovery:.… 34 Bảng 4.1: Danh sách linh kiện:.……………………………………… 39 ix TÓM TẮT Trong đề tài: Thiết kế thi công máy đo dạng sóng có nhiều vấn đề liên quan, vấn đề xử lý tín hiệu ngõ vào, giao tiếp LCD, hiểu lập trình ngắt ADC STM32F407, cách tạo file ảnh định dạng Bitmap, v.v Kết mong muốn sau hoàn thành đề tài máy hoạt động ổn định, đo dạng sóng AC DC với độ xác cao Có thể thay đổi thang đo điện áp tần số để tiện quan sát cải thiện độ xác sử dụng sản phẩm Hơn sản phẩm có thêm chức lưu ảnh thơng qua USB hữu ích việc xem xét dạng sóng x CHƯƠNG TỔNG QUAN Chương TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà đặc biệt kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trị quan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, cơng nghiệp, cung cấp thơng tin Do đó, sinh viên chuyên ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Công Nghiệp phải biết nắm bắt xu hướng vận dụng kiến thức học để phát triển cách có hiệu nhằm góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật giới nói chung phát triển kỹ thuật điện tử, truyền thơng nói riêng Bên cạnh cịn thúc đẩy phát triển kinh tế nước nhà Cùng với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật vấn đề xử lý đo đạc tín hiệu luôn biến đổi cho phù hợp với nhu cầu công nghệ Mặc dù loại máy đo dạng sóng đời từ lâu, loại máy đo dạng sóng khơng ngừng phát triển cải tiến đáp ứng nhu cầu thị trường lĩnh vực khác với tính vơ tiện ích phong phú Từ lý đó, việc ứng dụng loại vi điều khiển để ứng dụng dùng làm máy đo dạng sóng phát triển nhiều Để thực việc đó, người học cần nhiều yếu tố ngơn ngữ lập trình, kiến thức liên quan đến kỹ thuật số, thiết kế mạch ứng dụng điều quan trọng phải có phương tiện, thiết bị phục vụ cho việc học tập, thực hành ứng dụng kiến thức Trên hết việc sở hữu riêng máy đo dạng sóng để phục vụ cho việc học tập nghiên cứu nhà khó khăn giá thành chúng lớn Chính nhóm chúng em định thực đề tài: “Thiết kế thi cơng máy đo dạng sóng” Với việc ứng dụng vi điều khiển vào ứng dụng làm máy đo dạng sóng đáp ứng phần nhu cầu sinh viên việc học tập đồng thời làm tăng hiệu việc nắm bắt kỹ thuật, tiết kiệm thời gian chi phí việc nghiên cứu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.2 MỤC TIÊU Qua trình tìm hiểu, khảo sát, nghiên cứu, đánh giá kèm theo mong muốn áp dụng kiến thức tiếp thu trường cộng thêm nhu cầu máy đo dạng sóng Chính nhóm định chọn đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MÁY ĐO DẠNG SĨNG.” Với mong muốn mang lại thuận tiện đáp ứng nhu cầu phận sinh viên có nhu cầu nghiên cứu học tập 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  Nội dung 1: Tìm hiểu vi điều khiển ARM khiển (Board STM32F4 Discovery)  Nội dung 2: Tìm hiểu cách đo dạng sóng AC, DC  Nội dung 3: Thiết kế thi công mạch đo AC, DC  Nội dung 4: Tiến hành giao tiếp LCD vi điều khiển  Nội dung 5: Nghiên cứu giao tiếp vi điều khiển USB  Nội dung 6: Thiết kế mơ hình  Nội dung 7: Đánh giá kết thực 1.4 GIỚI HẠN Vì thời gian nghiên cứu thực nên sản phẩm làm mắc phải số giới hạn sau: + Ứng dụng chủ yếu việc học tập sản phẩm có độ tin cậy giá trị đo thấp + Tốc độ đáp ứng dạng sóng sai lệch cịn nhiều + Giới hạn đo hạn chế: Sản phẩm đo dải điện áp AC, DC 12V + Còn sai số q trình đo + Dạng sóng cịn nhiễu ảnh hưởng nhiều đến đo giá trị có điện áp thấp 1.5 BỐ CỤC  Chương 1: Tổng Quan  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết  Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống  Chương 4: Thi Cơng Hệ Thống BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP CHƯƠNG TỔNG QUAN  Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá  Chương 6: Kết Luận Hướng Phát Triển Chương 1: Tổng Quan Chương trình bày vấn đề dẫn nhập, lý chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn bố cục đồ án Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Giới thiệu linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, chuẩn truyền, giao thức Chương 3: Tính Tốn Và Thiết Kế Hệ Thống Tính tốn thiết kế, đưa sơ đồ nguyên lí hệ thống Chương 4: Thiết Kế Hệ Thống Thiết kế hệ thống, lưu đồ, đưa giải thuật chương trình Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá Đưa kết đạt sau thời gian nghiên cứu, số hình ảnh hệ thống, đưa nhận xét, đánh giá toàn hệ thống Chương 6: Kết Luận Hướng Phát Triển Trình bày kết luận hệ thống phần làm chưa làm, đồng thời nêu hướng phát triển cho hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC MÁY ĐO DẠNG SÓNG Máy đo dạng sóng “Oscilloscope” thiết bị hiển thị đồ thị, vẽ đồ thị tín hiệu điện Trong hầu hết ứng dụng, đồ thị tín hiệu thay đổi theo thời gian: Trục dọc (Y) biểu diễn điện áp trục ngang (X) biểu diễn thời gian Máy đo dạng sóng coi cơng cụ hữu ích ln song hành chuyên gia nghiên cứu công nghệ đông đảo người làm nghề sản xuất, lắp ráp, sửa chữa thiết bị điện tử viễn thông, CNTT, công nghệ cao chuyên nghiệp 2.1.1 Công dụng Máy sóng:  Nhận dạng tín hiệu (Xung vng, cưa, hình sin, tin hiệu hình, tín hiệu tiếng…)  Xác định rõ giá trị thời gian mức điện áp đường tín hiệu  Tính tốn tần số tín hiệu dao động  Nhận thấy “các phần động” mạch điện biểu diễn tín hiệu  Chỉ thành phần lỗi làm méo dạng tín hiệu  Tìm tín hiệu dịng chiều hay dịng xoay chiều  Chỉ tín hiệu nhiễu có nhiễu thay đổi theo thời gian Sự hữu ích máy sóng khơng bị giới hạn giới thiết bị điện tử Với chuyển đổi thích hợp, Máy đo dạng sóng đo đạc tất kiểu tượng vật lí, âm thanh, áp lực khí, áp suất, ánh sáng nhiệt độ Một kỹ sư tơ dùng Máy đo dạng sóng để đo đạc rung động Một nghiên cứu sinh y khoa dùng máy đo dạng sóng để đo đạc sóng não Các khả lớn! 2.1.2 Oscilloscope số tương tự: Thiết bị điện tử chia làm hai loại: Tương tự số Thiết bị tương tự làm việc với điện áp biến đổi liên tục, thiết bị số làm việc với số nhị phân rời rạc mà biểu diễn mẫu điện áp Các máy Oscilloscope có loại tương tự số: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP PHỤ LỤC if((Pen_Point.X>630)&&(Pen_Point.X130)& &(Pen_Point.Y727)&&(Pen_Point.X117)&& (Pen_Point.Y715)&&(Pen_Point.X285)&& (Pen_Point.Y715)&&(Pen_Point.X185)&& (Pen_Point.Y660)&&(Pen_Point.X230)&& (Pen_Point.Y760)&&(Pen_Point.X230)&& (Pen_Point.Y710)&&(Pen_Point.X370)&& (Pen_Point.Y8) a=1; } if((Pen_Point.X>610)&&(Pen_Point.X360)& &(Pen_Point.Y705)&&(Pen_Point.X300)&&(Pen_ Point.Y