Đồ án bảng quảng cáo chạy dùng led ma trận ghép từ các led đơn

Giới thiệu chung về hệ thống Với mục đích tìm hiếu về cách thiết kế và xây dựng một bảng quảng cáo điện tử bàng đèn LED đơn giản chúng em xây dựng một hệ thống quang báo với sơ đồ khối n

LỜI MỞ ĐẦU

Quảng cáo luôn là một trong các vẫn đề đóng vai trò quan trọng trong sừ phát triển của một công ty, doanh nghiệp hay thậm chí là một của hàng Quảng cáo tốt sẽ đem lại lợi ích to lớn Cũng chính vì vậy mà không ngạc nhiên khi hàng trăm doanh nghiệp đã đầu tư rất nhiều vào vẫn đề này Một trong những biện pháp được ưu dùng hiện nay đó là sử dụng bảng quảng cáo bằng đèn LED

Vì sự đơn giản, hiện đại, bắt mắt chi phí hợp lý cũng như tín hiệu quả của nó Những bảng thông tin, cổng chào hay những bảng LED quảng cáo với màu sắc sặc sỡ, bắt mắt, gây nhiều chú ý chắc hẳn đã không còn xa lạ đối với người dân, nhất là người dân đô thị

Quảng cáo bằng LED hiện nay được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực Nó không chỉ giới hạn bởi việc hiển thị các dòng chữ, các biển hiệu nhấp nháy mà còn hiển thị các hình đồ hoạ, các hình ảnh đầy đủ màu sắc và đặc biệt là có thể hiển thị được cả video Nó không chỉ giới hạn việc quảng cáo trong nhà (indoor), bán ngoài trời (senmi – outdoor) mà còn có thể quảng cáo ở cả ngoài trời, ngay giữa ban ngày với độ sáng và độ sắc nét cao

Do vậy em chọn đề tài: “ Nghiên cứu xây dựng bảng quảng cáo từ LED

ma trận ” là đề tài môn thực tập tốt nghệp

Sinh viên thực hiện Hoàng Ngọc Tâm

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ

1.1 Lý do chọn đề tài

Điện - Điện tử là một trong những lĩnh vực rất phát triển và đánh giá được tốc độ phát triển về kinh tế cũng như khoa học kĩ thuật của một đất nước Việc phát triển, chế tạo các lọai Chip, các lọai IC tích hợp thông dụng, có ứng dụng nhiều trong thực tế có vai trò to lớn trong quá trình phát triển khoa học kĩ thuật liên quan đến kĩ thuật điện - điện tử - tự động hóa Ở Việt Nam công nghệ chế tạo các lọai Chip vi điều khiển, các công nghệ tích hợp IC chưa được chú trọng phát triển, phần lớn còn ứng dụng và phụ thuộc nhiều vào các công nghệ tiên tiến của các nước phát triển như: Mỹ, Nhật Bản  đặc biệt là tập đoàn điện tử khổng lồ Intel

Vì vậy việc học tập, tìm hiểu nghiên cứu lại những công nghệ phát triển của các nước bạn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với người học và đóng vai trò không nhỏ trong quá trình phát triển nền giáo dục của nước nhà

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đồ án môn học nói riêng và các môn học chuyên ngành Điện tử nói chung là các sinh viên theo học, tìm hiểu và nghiên cứu trong lĩnh vực Điện tử, đồng thời là tất cả những người yêu thích chuyên ngành Điện

tử, vì đây là môn học cơ bản làm nền tảng, trang bị kiến thức cho người học để có thể tự tìm hiểu, nghiên cứu các tài liệu học tập cho các môn học tiếp theo, đồng thời cũng cố kiến thức các môn học đã được học trong thời gian theo học tại trường

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu đề tài của đồ án môn học : Nghiên cứu xây dựng Bảng quảng cáo từ LED ma trận chủ yếu bằng thực nghiệm Vì môn học có tính

chất lý thuyết, và liên quan mật thiết đến thực tế nên việc tìm kiếm tài liệu tiếng Việt liên quan đến đề tài là rất khó khăn nên quá trình hòan thành đồ án môn học

chủ yếu bằng các tài liệu do giáo viên hướng dẫn cung cấp cùng sự giúp đỡ của bạn bè, các sinh viên khóa trên và một số tài liệu trên mạng Internet hoàn thành nhiệm vụ được giao Đề tài này có ý nghĩa rất lớn bởi vì nó mang tính khoa học, tính thực tế và tính kinh tế cao

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP LED MA TRẬN

2.1 Khái quát chung về LED

2.1.1 Lịch sử phát triển LED

Cách đây 13 năm, đèn LED quả là không tưởng cho tới khi khoa học công nghệ xuất hiện Nó đã giải quyết mọi khó khăn còn vướng mắc Kể từ đó, đèn LED đã tạo nên cuộc cách mạng nhanh chóng Chúng hiện đang được lắp đặt trong rất nhiều thiết bị, bao gồm cả hệ thống chiếu sáng của bể bơi, đèn đọc… Đèn LED đã có mặt từ những thập niên 60, nhưng mà hầu hết chỉ dùng hiên thị thời gian của đồng hồ báo thức hay dung lượng pin của máy ghi hình Một thời gian dài, đèn LED đã không được dùng làm nguồn sáng bởi vì chúng chỉ cho ánh sáng đỏ, xanh lá cây và vàng mà không cho ánh sáng trắng Đen năm 1993, công ty hoá chất Nichia của Nhật Bản cho ra đời loại đèn LED xanh dương, là sự kết hợp giữa ánh sáng đỏ và xanh lá cây đổ cho ra ánh sáng trắng

Sự kiện này đã mở ra một lĩnh vực mới về công nghệ LED Đèn LED dựa trên công nghệ bán dẫn ngày càng tăng về độ chiếu sáng, hiệu suất và tuổi thọ, giống như bộ xử lý của máy tính, phát triển ngày càng nhanh và giá thành ngày càng giảm theo thời gian

- Những năm 1960: Phát minh ra đèn Led ánh sáng đỏ

- Những năm 1970: Phát minh ra Led 7 đoạn

- Những năm 1980: Phát minh ra led xanh lá cây

- Những năm 1990: Phát minh ra led xanh dương là cơ sở đê phát triên đèn led ánh sáng trắng

- Những năm 2000: Thời điểm bùng nố đèn Led chiếu sáng

2.1.2 Khái niệm về LED

LED (viết tắt của Light Emitting Diodc, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n

2.1.3 Hoạt động của đèn LED

Hoạt động của đèn LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyễn động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm)

từ khối n chuyển sang Ket quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lồ trống)

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lồ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó)

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên

tử chất bán dẫn

LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1,5 đến 3V Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao Do

đó, LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra

Loại LED điện thế phân cực thuận: Đỏ: 1,4- 1,8V; Vàng: 2 - 2,5V; Xanh lá cây:

10 giờ mỗi ngày, thì bóng có thể sử dụng trong 23 năm

+ Lợi ích kinh tế: Đèn LED tiết kiệm 70-80% năng lượng so với các loại bóng đèn thông thường

+ Tốt cho thị lực của người sử dụng: Ánh sáng của đèn LED dịu mát, hiệu ứng chói mắt thấp và hoàn toàn không nhấp nháy hư của bóng huỳnh quang, vốn bị coi là nguyên nhân gây ra bệnh đau nửa đầu và động kinh

+ Ít ảnh hướng tới môi trường: Do phần lớn năng lượng được chuyên hóa thành quang năng, do đó hiệu ứng nhiệt của đèn LED rất thấp Nó hoàn toàn không tỏa nhiệt vào môi trường Các nghiên cứu khoa học cho thấy một bóng LED trung bình tỏa ra một lượng nhiệt 3,4 btu/h (tương đương với 1W), trong khi một bóng đèn dây tóc có độ sáng tương đương tỏa ra nhiệt lượng khoảng 85 btu/h (tương đương với 25W) Ngoài ra bóng đèn LED không chứa thủy ngân và do đó sẽ ít gây hại cho môi trường hơn

+ Thời gian khởi động nhanh: Không giống với bóng đèn huỳnh quang, đèn LED gần như bật sáng ngay lập tức khi được cấp điện

+ Bền vừng đặc biệt: Do được làm từ chất liệu nhựa cao cấp nên đèn LED có thể chịu đựng các lực va đập mạnh, hoặc các ảnh hưởng bởi thời tiết như mưa, nắng

 Nhược điểm:

+ Chi phí sản xuất cao, lắp đặt thi công phức tạp, tốn nhiều thời gian hơn các loại bóng thông thường khác

+ Toả nhiệt ở chân đèn, gây ảnh hưởng đến các bộ phận liền kề

+ Chưa tiện dụng: Đèn LED vẫn là mặt hàng công nghệ cao phải mua từ đại lý của hãng, bộ điều khiển của hãng nào chỉ chạy với đèn LED của đúng hãng đấy

+ Các LED phát ra tia hồng ngoại được dùng trong các thiết bị điều khiển tù’ xa cho đồ điện tử dân dụng

+ Đèn LED có thế được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như đèn đọc, chiếu sáng

bê bơi, nhất là cho chiếu sáng quảng cáo ngoài trời tại những nơi khó thay lắp,

do có tuổi thọ cao hon nhiều lần so với bóng đèn neon, đồng thời có nhiều mầu sắc phong phú như: đỏ, xanh lá, xanh da trời, mầu hổ phách

Ở nước ta, đòn LED được úng dụng đế tiết kiệm năng lượng, phục vụ cho quảng cáo, chiếu sáng đô thị Điển hình là việc lắp đặt hệ thống đèn LED tại cầu sông Hàn và Thuận Phước (TP Đà Nằng)

2.2 Phương pháp điều khiến đèn LED

Theo yêu cầu của đồ án: Nghiên cứu xây dựng Bảng quảng cáo từ LED đơn Hiển thị được dòng chữ chạy: “KHOA KTCN” Bảng hiển thị màu đỏ, với kích thước 16x64 Vì vậy ta chia ra làm 2 modul nhỏ với kích thước mồi modul

là 16x32 LED tương đương với một LED ma trận có kích thước 16x32 Sau đó

ta điều khiển theo nguyên tắc của LED ma trận

2.2.1 Cơ sở lý thuyết

Dựa trên nguyên tắc như quét màn hình, ta có thể thực hiện việc hiến thị

ma trận đèn bàng cách quét theo hàng và quét theo cột Mỗi LED trên ma trận LED có thể coi như một điểm ảnh Địa chỉ của mồi điểm ảnh này được xác định đồng thời bởi mạch giải mã hàng và giải mã cột, điếm ảnh này sẽ được xác định trạng thái nhờ dừ liệu đưa ra từ bộ vi điều khiển AT 89C52 Như vậy tại mỗi thời điểm chỉ có trạng thái của một điểm ảnh được xác định Tuy nhiên khi xác định địa chỉ và trạng thái của điếm ảnh tiếp theo thì các điểm ánh còn lại sẽ chuyền về trạng thái tat (nếuu LED đang sáng thì sẽ tắt dần) Vì thế đê hiên thị được toàn bộ hình ảnh của ma trận đèn, ta có thê quét ma trận nhiêu lân với tốc

độ quét rất lớn, lớn hơn nhiều lần thời gian kịp tắt của đèn Mắt người chỉ nhận biết được tối đa 24 hình/s do đó nếu tốc độ quét rất lớn thì sẽ không nhận ra được sự thay đôi nhỏ của đèn mà sẽ thấy được toàn bộ hình ảnh cần hiển thị

Sơ đồ khối:

Hình 2.1 Sơ đồ khối dùng ma trận LED

Để thực hiện được quét hàng và quét cột thì ma trận LED được thiết kế như sau:

+ Các LED trên cùng một hàng sẽ được nối các chân dương với nhau

+ Các LED trên cùng một cột sẽ được nối các chân âm với nhau như hình vẽ

Ta có thể mô phỏng một ma trận LED đơn giản 4x4 như sau:

Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế ma trận LED Trạng thái của một LED sẽ được quyết định bởi tín hiệu điện áp đi vào đồng thời cả 2 chân Ví dụ để LED sáng thì điện áp 5v phải đưa vào chân dương

và chân âm phải được nổi đất, LED sẽ tắt khi không có điện áp đưa vào chân dương Với đề tài này, chúng em chia ra làm 2 modul nhỏ với kích thước mỗi modul là 16x32 LED để hiển thị

Sơ đồ nguyên lý ma trận LED 8x8:

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý ma trận LED 8x8

2.2.2 Giới thiệu chung về hệ thống

Với mục đích tìm hiếu về cách thiết kế và xây dựng một bảng quảng cáo điện tử bàng đèn LED đơn giản chúng em xây dựng một hệ thống quang báo với

sơ đồ khối như sau:

Khối điều khiến hiến thị: có chức năng xử lý các dừ liệu mà máy tính truyền tới

đê tạo ra các dữ liệu về mức logic cần cấp cho các LED trong từng cột đồng thời điều khiên quá trình cấp nguồn cho led ma trận Khối này được xây dựng bằng các thủ tục xử lý dữ liệu trên vi điều khiến Khi nhận được dừ liệu về chuỗi ký

tự cần hiến thị thì khối này sẽ tạo dữ liệu về mức logic cần cấp cho LED ma trận Khi nhận được dữ liệu về màu sắc,hiệu ứng hiển thị thì khối này sẽ xác định thủ tục gửi dữ liệu cho các khối chốt dừ liệu hàng và cột

2.3 Sơ đồ khối của mạch hiển thị dùng ma trận LED

Nhiệm vụ của các khối

 Bộ vi điều khiển 89S52

Đây là nơi lưu giừ chương trình điều khiển chính và dữ liệu cho các mạch giải mã hàng và cột AT89C52 là một hệ vi tính 8 bit đơn chip CMOS có hiệu suất cao, công suất nguồn tiêu thụ thấp và có 4Kbyte bộ nhớ ROM Flash xoá được/lập trình được Chip này được sản xuất dựa vào công nghệ bộ nhớ không mất nội dung có độ tích hợp cao AT89S52 có các đặc trưng chuẩn sau: 8Kbyte Flash, 256 byte RAM, 32 đường xuất nhập, ba bộ định thời/đếm 16 bit, một cấu trúc ngắt hai mức ưu tiên và 6 nguyên nhân ngắt, một port nổi tiếp song công, mạch tạo dao động và tạo xung Clock trên Chip Chế độ nghỉ dừng CPU trong khi vẫn cho phép RAM, các bộ định thời/đếm, Port nối tiếp và hệ thống ngắt hoạt động

Mô tả các chân IC 89S52:

Hình 2.4 Sơ đồ chân IC 89S52 -Vcc: Chân cung câp điện

-Port 1: Port 1 là port xuất nhập 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong Khi các logic 1 được ghi lên các chân của port 1, các chân này được kéo lên mức cao bới các điện trở kéo lên bên trong và có thê được sử dụng như là các ngõ vào Khi làm nhiệm vụ là các port nhập, các chân của port 1 đang được kéo xuống mức thấp do tác động bên ngoài sè cấp dòng do có các điện trở kéo lên bên trong

-Port 2: Port 2 là port xuất nhập 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong Khi các logic 1 được ghi lên các chân của port 2, các chân này được sử dụng như là các ngõ vào Khi làm nhiệm vụ port nhập, các chân của port 2 đang được kéo xuống mức thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở kéo lên bên trong Port 2 tạo ra byte cao của bus địa chỉ trong thời gian tìm nạp lệnh

từ bộ nhớ chương trình ngoài, và trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài

sử dụng các địa chỉ 16 bit

-Port 3: Là port xuất nhập 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong Khi các logic 1 được ghi lên các chân của port 3, các chân này được kéo lên mức cao bởi các điện trở kéo lên bên trong và có thể được sử dụng như là các ngõ vào Khi làm nhiệm vụ port nhập, các chân của port 3 đang được kéo xuống mức thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở kéo lên bên trong Port 3 còn được sử dụng làm các chức năng khác của AT89C52:

+ P3.0 gõ vào Port nối tiếp

+P3.1 gõ ra Port nối tiếp

+P3.2 gõ vào ngắt ngoài 0

+P3.3 gõ vào ngắt ngoài 1

+P3.4 gõ vào bcn ngoài của bộ định thời 1

+P3.5 gõ vào bên ngoài của bộ định thời 0

+P3.6 điều khiên ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

+P3.7 điều khiên đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

-RST: Ngõ vào Reset Mức cao trên chân này trong 2 chu kỳ máy trong khi bộ dao động đang hoạt động sẽ Reset AT89S52

Hình 2.5 Mạch Reset tự động khi khởi động máy

Với bài này thực hiện Reset bằng cách nối chân 9 của 89S51 với nguồn 5 V -ALE: ALE là một xung ngõ ra cho phép chốt địa chỉ ALE (Address Latch Enable) cho phép chốt byte thấp của địa chỉ trong thời gian truy xuất bộ nhớ ngoài Chân này cũng được dùng làm ngõ vào xung lập trình (PROG) trong thời gian lập trình cho FlashC

Khi hoạt động bình thường, xung của ngõ ra ALE luôn luôn có tần số bàng 1/6 tần số mạch dao động trên chip, có thể được sử dụng cho các mục đích định thời tù' bên ngoài vàtạo xung Clock Tuy nhiên cần lưu ý là một xung ALE

sẽ bị bó qua trong mồi chu kì truyxuất của bộ nhớ dữ liệu ngoài

Khi cần, hoạt động cho phép chốt byte thấp của địa chỉ sẽ được vô hiệu hoá bằng cách set bit 0 của thanh ghi chức năng đặc biệt có địa chỉ byte là 8E(h) Khi bit này được set, ALE chỉ tích cực trong thời gian thực thi lệnh MOVX hoặc MOVC Ngược lại chân này sẽ được kéo lên mức cao Việc set bit không cho phép hoạt động chốt byte thấp của địa chỉ sẽkhông có tác dụng nếu bộ vi điều khiển đang ở chế độ thực thi chưong trình ngoài

XTAL1: Ngõ vào đến mạch khuếch đại đảo của mạch dao động và ngõ vào đến mạch tạo xung Clock bên trong chip

XTAL2: Ngõ ra từ mạch khuếch đại đảo của mạch dao động Đe tạo mạch dao động cho vi điều khiển 89C52 hoạt động, chúng em chọn mạch tạo dao động như hình vẽ dưới đây, với các giá trị của linh kiện là: Cl = C2 =30pF Thạch anh dao động có tần số 12MHz

Hình 2.6 Kết nối của mạch dao dộng

C1, C2 = 30 pF ± 10 pF for Crystals = 40 pF ± pF for Ceramic Resonators Mạch giải mã hàng:

Dùng IC 74LS138 (3 đầu vào, 8 đầu ra) đe giải mã cho các cột của các ma trận LED Do mỗi thời điêm chỉ có một IC giải mã được làm việc nên ta phải thiết kế mạch phân kênh để chọn IC làm việc.Ví dụ dùng chân P2.3 & P2.4 của

vi điều khiển 89C52 đe làm đầu vào cho mạch phân kênh

Hình 2.7 Sơ đồ chân IC 74LS138

Hình 2.8 Sơ đồ chân IC 74L

Bảng 1: Bảng trạng thái cho mạch phân kênh

Theo nguyên tắc quét ma trận led thì tại mỗi thời điểm ta chỉ cấp nguồn cho một hàng của ma trận do đó có thể dùng 74LS138 để cấp nguồn cho các hàng của ma trận Các đầu vào ( A,B,C) của 74LS138 sẽ được nổi với các chân của IC đệm tăng dòng, các đầu ra của 74LS138 được nối với các cột của ma trận led thông qua một cống phủ định ( hoặc các bộ đệm dòng cấp nguồn cho hàng ), còn các chân Gi được nối với dương nguồn,G2A được nối đất, G2B nối với chân cho phcp đầu ra của IC đệm tăng dòng Thông qua việc gửi tín hiệu từ vi điều khiển tới các chân đầu vào của 74LS138 ta có thê chọn được hàng cần cấp nguồn

Khi mở rộng ma trận ta tăng thêm số lượng IC đề cấp nguồn cho tất cả các hàng, các IC này có thể cùng nối chung hoặc riêng chân điều khiển Hoặc chỉ sử dụng một IC nhưng cấp nguồn đồng thời cho tất cả các ma trận, khi đó một chân của IC sẽ được nối với các hàng của các ma trận khác nhau

 Mạch giải mã cột

Điều khiển cấp nguồn cho cột dùng 74HC59

Chức năng của 74HC59

74HC595 là bộ ghi dịch 8 bít gồm có :

- 1 đầu vào cho phép (OE )

- 1 đầu vào chọn thanh ghi dịch (MR )

- 1 đầu vào dữ liệu nổi tiếp (DS)

- 1 đầu vào cấp xung cho thanh ghi dịch (SH_CP)

- 1 đầu vào cấp xung cho thanh ghi chứa (ST_CP)

- 8 đầu ra 3 trạng thái ( Q1 đến Q7 và Q7’

Hình 2.10 Sơ đồ chân 74HC595

Bảng 2: Chức năng hoạt động của 74HC595

Chức năng SH_CP ST_CP OE M R DS Q7’ Qn

MR mức thấp dữ liệu chỉ dịch trong thanh ghi dịch đầu

ra không đổi trạng thái

X  L L X L L Xóa thanh ghi dich nạp dữ

liệu vào thanh ghi chứa

X X H L X L Z Xóa thanh ghi dịch đầu ra ở

trạng thái trở kháng cao

Dịch chuyển trạng thái cao vào thanh ghi dịch, giá trị trước đó của bít thứ 6 trong thanh ghi dịch được chuyển sang đầu ra Q7’

Nội dụng của thanh ghi dịch được chuyển sang thanh ghi

chứa và chuyển sang đầu ra

Dịch chuyển nội dung của thanh ghi dịch đồng thời nội dung của thanh ghi dịch cũ được chuyển vào thanh ghi chứa và các đầu ra song song

-Sử dụng 74HC595 đế cấp nguồn cho các cột của ma trận

Khi dùng 74HC595 để cấp nguồn cho ma trận led ta nối các đầu ra song song của 74HC595 với các chân cấp nguồn cho các cột của ma trận Đồng thời phải sử dụng 3 chân của vi điều khiển để nối với các chân DS,SH_CP,ST_CP của 74HC595 Các bit dừ liệu mã hóa mức logic cần cấp cho các cột của 1 hàng

ma trận sẽ được truyền liên tiếp DS của 74HC595 Đe đồng bộ bit thì vi điều khiển mỗi khi xuất 1 bit tới chân DS sê phát một xung có sườn dương vào chân

SH CP Sau khi truyền xong hết dữ liệu, đề các led trên cột sáng thì ta phải chuyển dữ liệu trong thanh ghi dịch vào các đầu ra của 74HC595 bằng cách cấp

1 xung sườn dương vào chân ST_TP Chú ý đề IC có thề hoạt động và đẩy dừ liệu ra các chân đầu ra thì chân OE phải nối đất, chân MR nối dương nguồn

Hình 2.11 Ghép nối 74HC595 với vi điều khiến đê cấp nguồn

cho hàng của ma trận

Khi mở rộng ma trận led ta ghép nhiều 74HC595 nối tiếp nhau: các chân

SH CP được nổi chung với 1 nguồn cấp xung, các chân ST_CP cũng được nối chung với nhau, đầu ra Q7’ của IC phía trước được nối với đầu vào DS của IC tiếp theo Khi đó dừ liệu sẽ được dịch đồng bộ từ IC này sang IC khác và đầu ra của các IC cũng được chốt đồng bộ

Hình 2.12 Ghép nối tiếp các IC 74HC595

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1 Phân tích hệ thống

3.1.1 Nguyên lý hoạt động của bảng điện tử

Nguyên lý hoạt động của bảng điện tử dựa theo nguyên lý hoạt động của các màn hình, đó là sử dụng phương pháp quét hình theo từng dòng.Mỗi dòng gồm nhiều điểm ảnh, mỗi điểm ảnh có thể có một hoặc vài đèn, màu sắc khác nhau Mỗi đèn được biểu diễn thông qua một bit dữ liệu, bit 1 tương ứng với đèn sáng, bit 0 tương ứng với đèn tắt

Tại một thời điểm, không phải tất cả các dòng trên màn hình đều sáng nhưng do tốc độ quét nhanh và sự lưu ảnh trên võng mạc tạo cho người nhìn thấy hình ảnh liên tục Trong quá trình quét, mạch điều khiển sẽ đưa dữ liệu ra Module hiển thị, chính dữ liệu này sẽ quyết định điểm ảnh nào sáng, điểm ảnh nào tắt, màu sắc của điểm ảnh là gì Các điểm ảnh này sẽ tạo ra hình ảnh trên bảng điện tử

Hình 3.1 Nguyên tắc tạo ảnh trên ma trận LED

3.1.2 Phân tích hệ thống

Trong đồ án này, bảng điện tử có kích thước 16x64 cm, ta chia làm 16x64 điểm ảnh, mỗi điểm ảnh là một đèn LED, ta chia làm 2 Module, mỗi Module có kích thước 16x32 điểm ảnh

Để hiển thị một hình ảnh ta phải quét hết 16 dòng Nếu thời gian quét một dòng là 1ms, thì để quét xong một hình ảnh ta phải mất 16ms Nếu thời gian trễ

cho một hình ảnh là 34ms thì thời gian hiển thị của hình ảnh đó là 50ms Như vậy, ta có thể hiển thị được 1000/50 = 20 hình/s

Chất lượng hình ảnh phụ thuộc vào tốc độ dòng quét, tỉ lệ thời gian sáng

và thời gian tối của từng dòng Thời gian quét dòng phụ thuộc vào thời gian đẩy

dữ liệu ra và thời gian trễ sáng cho dòng đó Độ trễ sáng của dòng có ảnh hưởng đến mức độ sáng tối cũng như màu sắc của hình ảnh, vì vậy, để tạo ra nhiều mức sáng tối và tăng số màu hiển thị thì phải có khả năng thay đổi độ trễ sáng của dòng

3.2 Thiết kế tổng quan hệ thống

3.2.1 Thiết kế tổng quan phần cứng

Phần cứng bảng điện tử gồm có: Module điều khiển, Module quét dòng, Module quet cột và các Module hiển thị Module điều khiển lấy dữ liệu đưa ra bảng điện tử, đồng thời đưa các tín hiệu điều khiển tới Module quét dòng để điều khiển việc quét dòng Module quét dòng dựa vào các tín hiệu từ Module điều khiển để đưa tín hiệu chọn dòng ra Module hiển thị, quyết định dòng nào sáng, dòng nào tối Các Module hiển thị nhận dữ liệu và tín hiệu điều khiển từ Module điều khiển và Module quét dòng, thông qua các IC chuyên dụng để điều khiển các đèn sáng tối, tạo ra hình ảnh trên bảng điện tử

Sơ đồ khối tổng quan phần cứng như sau:

Hình 3.2 Sơ đồ khối tổng quan phần cứng

Vì hệ thống được thiết kế theo mô hình của hệ thống tự động, nên chương trình điều khiển phải đáp ứng tất cả những công việc đặt ra của hệ thống, khi khởi động hệ thống chương trình điều khiển thực hiện quét xâu văn bản cần hiển

thị, nạp dữ liệu nhận được vào bộ đệm của bảng điện tử, sau đó thể hiện thông tin lên bảng điện tử, công việc đó được lặp đi lặp lại nhiều lần

Sau đây là thiết kế chi tiết từng module

a Module hiển thị

Module này có nhiệm vụ nhận dữ liệu và các tín hiệu điều khiển đưa tới từ Module điều khiển để xác định điểm ảnh nào sẽ sáng hay tắt, sáng màu gì trên mỗi dòng được quét

Hệ thống sử dụng bảng hiển thị Led ma trận anode chung có kích thước 16x32 LED Các ma trận này được nối với nhau thành 16 dòng và 32 cột Module hiển thị sử dụng các ma trận LED.Trong một Module 16x32 ta chia làm

4 phần nhỏ, mỗi phần có kích thước 4x32 LED Sau đây chúng em trình bày sơ

đồ nguyên lý của một bảng hiển thị có kích thước 16x32 Led

Sơ đồ nguyên lý của một Module ma trận LED như sau:

Led ma trận hàng Anôt, cột Catôt kích thước 4x32 Led

Led ma trận hàng Anôt, cột Catôt kích thước 4x32 Led

Led ma trận hàng Anôt, cột Catôt kích thước 4x32 Led

Led ma trận hàng Anôt, cột Catôt kích thước 4x32 Led

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý của một ma trận LED

Tại mỗi điểm là một đèn LED Mỗi đèn có hai cực dương và âm Cực dương sẽ dùng để điều khiển quét dòng Do đó tất cả các đèn trên cùng một dòng có chung cực dương (Li) Các đèn trên cùng một cột có chung cực âm

Dữ liệu và các tín hiệu điều khiển được đưa ra Module hiển thị theo kiểu đẩy nối tiếp Các IC điều khiển led trên Module hiển thị sẽ dựa vào các tín hiệu điều khiển để quyết định đẩy dữ liệu đến các Module hiển thị tiếp theo hoặc chốt

dữ liệu để hiển thị ra bảng điện tử

Trên cơ sở đó, mỗi module hiển thị cần phải có các tín hiệu chính sau : SHIFT(CLOCK) :Xung đồng hồ để dịch 1 bit dữ liệu vào từ (và ra khỏi) thanh ghi dịch

DATA :Xuất tín hiệu điều khiển ra khuếch đại công suất 74HC245

OE : Chân cho phép đầu ra

A, B : Chân xuất tín hiệu ra hàng

LATCH : Chốt dữ liệu ra thanh ghi dịch để cập nhật các điểm ảnh trên cột

Sau đây là sơ đồ nguyên lý của Moule hiển thị led:

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý của một Moule hiển thị led

Hệ thống sử dụng các IC điều khiển led 74HC595

Sơ đồ chân của IC này như sau:

Hình 3.6 Sơ đồ chân của IC 74HC595 Mỗi module hiển thị kích thước 16x32 được điều khiển bởi 16 IC 74HC595 Mỗi IC này có các tín hiệu vào ra như sau :

SRCLK(SHIFTM): Xung đồng hồ vào Module

SDI : Tín hiệu dữ liệu vào thanh ghi dịch

SDO : Dữ liệu ra từ thanh ghi dịch

RCLK(LATCHM): Tín hiệu cho phép chốt dữ liệu từ thanh ghi dịch

QA, ,QH : Các chân ra từ bộ thanh ghi dịch 8 bit sau khi đã được chốt

Ngoài ra còn một số thành phần khác :

Sử dụng 1 IC 74HC245 làm IC đệm dữ liệu và khuếch đại tín hiệu (tăng dòng)

Sơ đồ chân của IC này như sau:

Hình 3.7 Sơ đồ chân của IC 74HC245

Hoạt động của Module này như sau: Các bít dữ liệu cho các Led trên Module được đưa đến chân SDI của IC 74HC595 trên Module điều khiển Led tương ứng , đầu ra SDO của IC trước được nối với đầu vào SDI của IC tiếp theo

Khi xung SHIFTM được kích hoạt, tại mỗi IC, bit dữ liệu ở đầu vào SDI được lưu vào thanh ghi dịch tại bit b0, đồng thời bit b6 dịch sang bit b7 và giá trị của bít b7 được đưa ra SDO

Quá trình dịch liên tục đến khi hết một hàng ngang các Module, tương ứng với các điểm ảnh cần hiển thị

Sau khi đợi một khoảng thời gian (phụ thuộc vào tốc độ quét), dữ liệu cho cột mới được cập nhật bằng cách kích hoạt tín hiệu LATCH để chốt tín hiệu từ các thanh ghi dịch đồng thời nguồn điện cung cấp cho cột trước đó bị tắt để chuyển cho cột kế tiếp

AM, BM là chân xuất tín hiệu ra hàng

OEM là chân cho phép xuất tín hiệu đầu ra đưa tới Module hiển thị thứ nhất LATCHM là chân chốt dữ liệu của Module hiển thị thứ nhất

SHIFTM là chân ghi dịch tín hiệu ra Module hiển thị thứ nhất

DATAM là chân xuất tín hiệu ra Module hiển thị thứ nhất

LATCHN là chân chốt dữ liệu của Module hiển thị tiếp theo

SHIFTN là chân ghi dịch tín hiệu ra Module hiển thị tiếp theo