BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÁO CÁO CUỐI KÌ MÔN HỆ THỐNG NHÚNG Giảng viên hướng dẫn Ts Nguyễn Ngọc Minh Hệ đào tạo Đại học chính quy Mục lục PHẦN 1 THIẾT KẾ MẠ.
BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - - BÁO CÁO CUỐI KÌ MƠN: HỆ THỐNG NHÚNG Giảng viên hướng dẫn: Ts Nguyễn Ngọc Minh Hệ đào tạo: Đại học quy Mục lục PHẦN 1: THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ ĐỘ ẨM HIỂN THỊ LÊN LCD SỬ DỤNG KIT STM32F4 DISCOVERY……………………………………… I Linh kiện sử dụng Kit STM32F407 Discovery LCD 20x4 Module i2c Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 II Lý thuyết liên quan .8 GPIO I2C (inter-integrated circuit) Chuẩn giao tiếp 1-Wire .11 PHẦN 2: Thiết kế máy tính đơn giản hiển thị lên led led đoạn 13 I Giới thiệu linh kiện 13 STM32F103C8T6 13 a Giới thiệu sơ lược 13 b Sơ đồ chức chân STM32F103C8T6 .14 KeyPad 4×4 .16 Led Thanh số .17 II Cơ sở lý thuyết 17 Timer 17 Sơ đồ hệ thống 19 III Demo sản phẩm 21 Hình ảnh mạch cứng .21 Đề Phần 1: Chọn hệ thống nhúng thực tế Thuyết minh giải thích tính thành phần hệ thống nhúng Phần 2: Làm project Cortex M3 Compile build code: Thiết kế máy tính đơn giản, sử dụng ma trận phím 4x4 thực phép tính cộng, trừ, nhân, chia hiển thị kết lên led thanh, kết > 9999 hiển thị chữ "FULL" PHẦN 1: THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ ĐỘ ẨM HIỂN THỊ LÊN LCD SỬ DỤNG KIT STM32F4 DISCOVERY I Linh kiện sử dụng Kit STM32F407 Discovery Kit STM32F407 Discovery loại kit nhiều trường đại học sử dụng giảng dạy vi điều khiển ARM, so sánh ngoại vi sức mạnh STM32 so với dịng ARM hãng khác tầm giá, ARM ST vượt trội cấu hình ngoại vi nhiều Kit STM32F4DISCOVERY thúc đẩy khả vi điều khiển hiệu suất cao STM32F407, cho phép người dùng dễ dàng phát triển ứng dụng có âm Kit bao gồm công cụ gỡ lỗi nhúng ST-LINK, gia tốc số ST-MEMS, micro số, audio DAC với trình điều khiển loa tích hợp lớp D, đèn LED, nút bấm cổng micro-AB USB OTG Các đặc điểm tính chính: - Bộ vi xử lý STM32F407VGT6: 32-bit ARM Cortex – M4 với lõi FPU, nhớ Flash 1Mbyte, RAM 192-Kbyte với kiểu chân LQFP100 - Trình gỡ lỗi ST-LINK / V2 STM32F4DISCOVERY (bản cũ) STLINK / V2-A STM32F407G-DISC1 (phiên mới) - USB ST-LINK với khả kiểm tra lại ba giao diện khác nhau: - Cổng gỡ lỗi - Cổng COM ảo - Lưu trữ khối lượng - Nguồn cung cấp: thông qua USB nguồn điện bên 3V – 5V - Gia tốc kế trục LIS302DL LIS3DSH ST MEMS - Micro số đa hướng dùng cảm biến âm MP45DT02 ST-MEMS - CS43L22 chuyển đổi âm thanh/kỹ thuật số âm cơng suất thấp (DAC) với trình điều khiển loa tích hợp lớp D - Tám đèn LED - LD1 (đỏ/xanh) cho giao tiếp USB - LD2 (đỏ) led báo nguồn 3.3V - Bốn led người dùng, LD3 (màu cam), LD4 (xanh lục), LD5 (màu đỏ) LD6 (màu xanh lam) - đèn led OTG USB LD7 (xanh cây) VBUS LD8 (màu đỏ) dòng điện - Hai nút nhấn (người dùng reset) - USB OTG FS có cổng kết nối micro-AB - Header mở rộng I/O cho LQPF64 để kết nối nhanh với bo mạch gốc dễ dàng sử dụng Hình 1.1 Cấu tạo Kit STM32F407 Discovery LCD 20x4 LCD (Liquid Crystal Display) sử dụng nhiều ứng dụng Vi Điều Khiển LCD có nhiều ưu điểm so với dạng hiển thị khác Nó có khả hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn tài nguyên hệ thống giá thành rẻ… Thông số kỹ thuật - Điện áp hoạt động: 5V - Hiển thị tối đa 20 tự 4 dòng - Chữ đen xanh Hình 1.2 LCD 20x4 Module i2c Hình 1.3 Mạch chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD LCD có q nhiều chân gây khó khăn q trình kết nối chiếm dụng nhiều chân vi điều khiển Module chuyển đổi I2C cho LCD giải vấn đề này, thay sử dụng tối thiểu chân vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 D4) với module chuyển đổi bạn cần sử dụng chân (SCL, SDA) để kết nối Module chuyển đổi I2C hỗ trợ loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 1602, LCD 2004, ), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết vi điều khiển Ưu điểm: - Tiết kiệm chân cho vi điều khiển - Dễ dàng kết nối với LCD Thông số kĩ thuật: - Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC - Hỗ trợ hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780) - Giao tiếp: I2C - Địa mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh ngắn mạch chân A0/A1/A2) - Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H) - Trọng lượng: 5g - Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD ngắt - Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 Hình 1.4 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 đời sau sử dụng thay cho dòng SHT1x nơi khơng cần độ xác cao nhiệt độ độ ẩm Cảm biến sử dụng giao tiếp số theo chuẩn dây Thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động: 5VDC - Chuẩn giao tiếp: TTL, wire - Khoảng đo độ ẩm: 20%-80%RH sai số ± 5%RH - Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C sai số ± 2°C - Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây / lần) - Kích thước: 28mm x 12mm x10m II Lý thuyết liên quan GPIO GPIO viết tắt General Purpose Input Output GPIO “cổng” để vi điều khiển kết nối với ngoại vi bên Chức GPIO xuất tín hiệu (output) nhận tín hiệu vào (input), VD: output có làm sáng tắt bóng LED, input nối với nút nhấn I2C (inter-integrated circuit) I2C chuẩn truyền thông nối tiếp dây gồm dây xung clock (SCL) dây liệu (SDA) Các chip chủ-tớ nối chung với hai đường dây nối với điện trở treo Hình 1.5 Giao diện kết nối I2C Đặc điểm Chỉ cần có hai đường bus (dây) chung để điều khiển thiết bị / IC mạng I2C Không cần thỏa thuận trước tốc độ truyền liệu giao tiếp UART Vì vậy, tốc độ truyền liệu điều chỉnh cần thiết Cơ chế đơn giản để xác thực liệu truyền Sử dụng hệ thống địa bit để xác định thiết bị / IC cụ thể bus I2C Các mạng I2C dễ dàng mở rộng Các thiết bị kết nối đơn giản với hai đường bus chung I2C Phần cứng Bus vật lý I2C Bus I2C (dây giao tiếp) gồm hai dây đặt tên Serial Clock Line (SCL) Serial Data Line (SDA) Dữ liệu truyền gửi qua dây SDA đồng với tín hiệu đồng hồ (clock) từ SCL Tất thiết bị / IC mạng I2C kết nối với đường SCL SDA sau: Hình 1.6 Bus vật lý I2C Cả hai đường bus I2C (SDA, SCL) hoạt động lái cực máng hở (open drain) Nó có nghĩa thiết bị / IC mạng I2C lái SDA SCL xuống mức thấp, lái chúng lên mức cao Vì vậy, điện trở kéo lên (khoảng kΩ đến 4,7 kΩ) sử dụng cho đường bus, để giữ cho chúng mức cao (ở điện áp dương) theo mặc định Lý sử dụng hệ thống cực máng hở (open drain) để không xảy tượng ngắn mạch, điều xảy thiết bị cố gắng kéo đường dây lên cao số thiết bị khác cố gắng kéo đường dây xuống thấp Thiết bị chủ (Master) tớ (Slave) Các thiết bị kết nối với bus I2C phân loại thiết bị Chủ (Master) thiết bị Tớ (Slave) Ở thời điểm có nhất một thiết bị Master trang thái hoạt động trên bus I2C Nó điều khiển đường tín hiệu đồng hồ SCL định hoạt động thực đường liệu SDA Tất thiết bị đáp ứng hướng dẫn từ thiết bị Master Slave Để phân biệt nhiều thiết bị Slave kết nối với bus I2C, thiết bị Slave gán địa vật lý 7-bit cố định Khi thiết bị Master muốn truyền liệu đến nhận liệu từ thiết bị Slave, xác định địa thiết bị Slave cụ thể đường SDA sau tiến 10 hành truyền liệu Vì vậy, giao tiếp có hiệu diễn thiết bị Master thiết bị Slave cụ thể Tất thiết bị Slave khác không phản hồi trừ địa chúng định thiết bị Master dịng SDA Hình 1.7 Kết nối thiết bị Master (chủ) thiết bị Slave (tớ) Giao thức truyền liệu Dữ liệu truyền thiết bị Master thiết bị Slave thông qua đường liệu SDA nhất, thơng qua chuỗi có cấu trúc gồm số (bit) Mỗi chuỗi số gọi giao dịch (transaction) liệu giao dịch có cấu trúc sau: Hình 1.8 Giao thức truyền liệu Chuẩn giao tiếp 1-Wire 1-Wire chuẩn giao tiếp thiết kế bởi Dallas Semiconductor maxim mua lại năm 2001 Maxim hãng sản xuất chip lớn 11 1-Wrire dùng dây để truyền nhận nên có tốc độ thấp Chủ yếu sử dụng cho việc thu thập liệu, truyền nhận liệu thời tiết, nhiệt độ, công việc khơng u cầu tốc độ cao Hình 1.9 Sơ đồ lắp đặt chuẩn giao tiếp 1-Wire Cơ sở truyền nhận: Các tín hiệu sử dụng Restart , write , write , Read Write 1: truyền bit 1: Master kéo xuống khoảng A(us) mức khoảng B Write 0: truyền bit : Master kéo xuống khoảng C trả khoảng D Read : Đọc Bit : Master kéo xuống khoảng A trả delay khoảng E đọc giá trị slave gửi delay F Restart: Chuẩn bị giao tiếp Master ké0 xuống khoảng H nhả lên mức sau cấu hình Master chân In delay I (us) đọc giá trị slave trả Nếu =0 cho phép giao tiếp =1 đường truyền lỗi slave bận Chuẩn 1-Wire điều cần xác thời gian Vậy để tối ưu đường truyền cần định thời để delay xác 12 Các frame byte truyền nhận với Ic có mơt dạng Frame khác cần ý đọc datasheet Bus liệu trạng thái chờ. (khi khơng có liệu đường truyền) phải mức cao bus liệu phải kéo lên nguồn thông qua điện trở Giá trị điện trở tham khảo datasheet thiết bị / thiết bị slave Hình 1.10 Truyền nhận liệu 1-Write 13 PHẦN 2: Thiết kế máy tính đơn giản hiển thị lên led led đoạn I Giới thiệu linh kiện STM32F103C8T6 Hình 2.1 Kit STM32F103C8T6 14 a Giới thiệu sơ lược Bo mạch STM32F103C8T6 blue-pill có lõi ARM 32-bit Cortex-M3 RISC với dao động bên - 16 MHz. Nó chip cơng nghệ flash CMOS. Chip có 37 chân GPIO 10 chân Analog. Nó có số giao thức giao tiếp đại như CAN và USB. Các thiết bị ngoại vi cung cấp khả điều khiển vượt trội bo mạch hoạt động với điện áp thấp, phù hợp cho ứng dụng cơng suất thấp. Nó có watchdog window watchdog timer để bo mạch vận hành xác dịng lệnh b Sơ đồ chức chân STM32F103C8T6 15 Hình 2.2 Sơ đồ chức chân STM32F103C8T6 16 Kiểu chân Tên chân Mô tả Điện áp hoạt động đầu Power – 3,3V Chân cấp nguồn cổng – 5V USB nguồn 5V bên – GND 3. Chân nối đất Chân Analog Chân I / O Ngắt PWM PA0-PA7, PB0-PB1 PA0-PA15, PB0-PB15, PC13-PC15 PA0-PA15, PB0-PB15, PC13-PC15 Chân ADC độ phân giải 10, 12-bit 37 chân I / O đa chức Chân ngắt PA0-PA3, PA6-PA10, 15 chân điều chế độ rộng PB0-PB1, PB6-PB9 xung Giao tiếp liệu TX1, RX1, TX2, RX2, nối tiếp ( UART ) TX3, RX3 Chân RTS, CTS USART MISO0, MOSI0, SCK0, SPI MISO1, MOSI1, SCK1, chân SPI CS0 CAN CAN0TX, CAN0RX I2C SCL1, SCL2, SDA1, SD2 Đèn LED tích hợp PC13 Chân Bus mạng CAN Chân liệu I2C chân xung nhịp Đèn LED thị 17 KeyPad 4×4 Hình 2.3 Keypad 4x4 Bàn phím ma trận Mềm 4x4 Keypad thiết kế với giao diện đơn giản giúp dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển Mặt sau dính thuận tiên để gắn bàn phím nhiều dự án Thơng số kỹ thuật: 16 phím Độ dài cáp: 88mm Nhiệt độ hoạt động: -40°C ~ +70°C Đầu nối chân Kích thước bàn phím: 77*69mm Hình 2.4 Sơ đồ chân Keypad 4x4 18 Led Thanh số Hình 2.5 Led số Led seg 0.56inch (4 số, anot chung) diode có khả phát ánh sang hay tia hồng ngoại, tử ngoại Led cấu tạo từ khối bán dẫn loại p ghép với số bán dẫn loại n Nó dùng để làm phận hiển thị thiết bị điện, điện tử, ứng dụng công nghiệp, hiển thị tỷ giá, lãi xuất Góc nhìn rộng, tương thích với IC tiêu thụ điện thấp Thông số kỹ thuật: Phân loại: led loại anot chung Điện áp: 2.2V Dòng điện: 25mA Số chân led: 12 chân Kích thước: 0.56inch II Cơ sở lý thuyết Timer Có thể hiểu cách đơn giản: timer mạch digital logic có vai trị đếm chu kỳ clock (đếm lên đếm xuống) 19 Dưới timer 16 bit bản, đếm từ -> 65535 (216-1) Mỗi chu kỳ clock, giá trị đếm tăng thêm Và bạn thấy, tần số timer ftimer = tần số APB timer / (Prescaler+1) (fAPBx / (PSC+1)) Vì PSC = nghĩa hệ số chia 1:1 Hình 2.6 Cơ chế làm việc timer Timer cịn hoạt động chế độ counter, nhận xung clock từ tín hiệu ngồi Có thể từ nút nhấn, đếm tăng sau lần bấm nút (sườn lên sườn xuống tùy vào cấu hình) Như bạn thấy, chế độ tín hiệu xung clock điều khiển nút nhấn đồng thời PSC = (bấm đếm nhiêu) 20 ... trừ, nhân, chia hiển thị kết lên led thanh, kết > 9999 hiển thị chữ "FULL" PHẦN 1: THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ ĐỘ ẨM HIỂN THỊ LÊN LCD SỬ DỤNG KIT STM32F4 DISCOVERY I Linh kiện sử dụng Kit STM32F4 07. .. nhúng thực tế Thuyết minh giải thích tính thành phần hệ thống nhúng Phần 2: Làm project Cortex M3 Compile build code: Thiết kế máy tính đơn giản, sử dụng ma trận phím 4x4 thực phép tính cộng, trừ,. .. kéo lên nguồn thông qua điện trở Giá trị điện trở tham khảo datasheet thiết bị / thiết bị slave Hình 1.10 Truyền nhận liệu 1-Write 13 PHẦN 2: Thiết kế máy tính đơn giản hiển thị lên led led đoạn