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

1 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 2 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 3 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. 4 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. 5 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: 2 - 2,8V. 2.1.4. Ưu nhược điểm của đèn LED  Ưu điểm: + Tuổi thọ cao: Hiện tại đèn LED cho ánh sáng trắng có tuổi thọ lên tới 50,000 giờ sử dụng liên tục gấp 50 lần so với bóng đèn 60w thông thường. Nếu sử dụng 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. 6 + 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 mà thôi. 2.1.5. Ứng dụng của đèn LED + Đèn chiếu sáng sử dụng các LED phát ánh sáng trắng. + LED được dùng để làm bộ phận hiến thị trong các thiết bị điện, điện tử, đèn quảng cáo, trang trí, đèn giao thông. + Có nghiên cứu về các loại LED có độ sáng tương đương với bóng đèn bằng khí neon. Đèn chiếu sáng bằng LED được cho là có các ưu điểm như gọn nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng. 7 + 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. 8 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: 9 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 10 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. -GND: Chân nối đất. -Port 0: Port 0 là port xuất nhập 8 bit 2 chiều cực D hở. Port 0 còn được cấu hình làm bus địa chỉ (byte thấp) và làm bus dừ liệu đa hợp trong khi truy xuất bộ nhớ dừ liệu ngoài và bộ nhớ chương trình ngoài. Port 0 cũng nhận các byte mã trong khi lập trình cho Flash và xuất các byte mã trong khi kiếm tra chương trình. [...]... 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 20 Tại mỗi điểm là một đèn LED Mỗi đèn có... 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... 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... 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... tương ứng với các tín hiệu H1, H2, H3, H4 là HLED1, HLED2, HLED3, HLED4, HLED5, HLED6, HLED7, HLED8 Ở đây ta sử dụng chuẩn quét Led ma trận 1:4 tức là với một tín hiệu chọn hàng H1 ở đầu ra của IC 74LS138 được đưa tới đầu vào của 2 con khuếch đại công suất APM 4953 ta sẽ được 2 tín hiệu đầu ra của APM 4953 là HLED1 và HLED5 được đưa tới Anode của hàng 1 và hàng 5 của Module hiển thị Led làm cho hàng... 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 16 Khi mở rộng ma trận led ta ghép nhiều 74HC595 nối tiếp nhau: các. .. 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... 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 13 Bảng 1: Bảng trạng thái cho mạch phân kênh Theo nguyên tắc quét ma trận led thì tại mỗi thời điểm... hàng 5 sáng đồng thời Tương tự với các tín hiệu H2, H3, H4 ta có đầu ra tương ứng là HLED2 và HLED6, HLED3 và HLED7, HLED4 và HLED8 c Module điều khiển Đây là Module điều khiển chính của bảng điện tử với bộ xử lý trung tâm là vi điều khiển AT89C52 Module điều khiển là Module quan trọng nhất, nó điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống Có thể nói đây là bộ não của toàn bộ hệ thống, nó thực hiện các chức... 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 . 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. 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 . 8 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