báo cáo đồ án hệ thống nhúng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÔN HỌC HỆ THỐNG NHÚNG Nhóm sinh viên : Nguyễn Đức Tùng Phạm Duy Tùng Ngô Trường Sơn Lớp : K43DDK . Giáo viên hướng dẫn : Tăng Cẩm Nhung Thái Nguyên – 2011 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung Nhận xét của giáo viên hướng dẫn Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2011 Giáo Viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Nhận xét của giáo viên chấm Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2011 Giáo Viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Mục lục 1. Chương 1 : Phân tích bài toán 5 1.1 Khảo sát và phân tích bài toán 1.1.1 Khảo sát Bộ môn Kỹ thuật máy tính 2 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung 1.1.2 Phân tích bài toán 1.2 Giải pháp 2. Chương 2: Thiết kế hệ thống 7 2.1 Thiết kế nguyên lý 2.1.1 Mô hình tổng quát 2.1.2 Nguyên lý hoạt động sơ của mô hình tổng quát 2.2 Thiết kế kỹ thuật 2.2.1 Lựa chọn thiết bị 2.2.2 Các thiết bị đã chọn trong hệ thống 2.2.3 Các modul trong hệ thống 20 2.2.4 Sơ đồ callgrap 24 2.2.5 Sơ đồ đặc tả hệ thống 24 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch 24 2.4 Nguyên lý hoạt động mạch 25 3. Chương 3 : Xây dựng hệ thống 26 3.1 Thiết kế phần cứng 26 3.2 Thiết kế phần mềm 27 3.2.1 Sơ đồ thuật toán 27 3.2.2 Cấu trúc dữ liệu 27 3.2.3 Ý tưởng thực hiện phần mềm 28 3.3 Phần mã lập trình thực tế 29 LỜI NÓI ĐẦU Trong cuộc sống hiện nay, bất cứ đâu ta cũng gặp sản phẩm của các hệ thống nhúng. Từ chiếc đồng hồ đeo tay đến đồng hổ treo tường, từ chiếc điện Bộ môn Kỹ thuật máy tính 3 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung thoại bình dân đến chiếc điện thoại đắt tiền, từ các biển quảng cáo hay các tivi led màu Đó đều là những sản phẩm nhúng mà dường như chúng hiện hữu mà vô hình. Mọi người đều không nhận ra chúng và dường như chúng bị lãng quên. Với mục đích giới thiệu 1 sản phẩm nhỏ của hệ thống nhúng. Đó là hệ thống chuông báo giảng đường. Một hệ thống giúp làm đơn giản hóa cách báo giờ ra chơi cũng như vào lớp của 1 trường học. Do kiến thức chưa sâu, nên hệ thống này chúng em phát triển còn có chỗ thiếu sót. Mong các thầy cô và các bạn thông cảm và góp ý giúp chúng em phát triển hệ thống tốt hơn. Chúng em chân thành cảm ơn. Nhóm thực hiện Nguyễn Đức Tùng Phạm Duy Tùng Ngô Trường Sơn NỘI DUNG ĐỒ ÁN Bộ môn Kỹ thuật máy tính 4 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung 1. Chương 1 : Phân tích bài toán 1.1 Khảo sát và phân tích bài toán 1.1.1 Khảo sát Hiện nay, hầu như trên tất cả các trường học, công sở đều lắp đặt hệ thống chuông báo. Với hệ thống chuông báo, con người sẽ không phải động chân tay khi muốn báo giờ thông qua trống, kẻng mà được báo giờ tự động một cách chính xác và thuận tiện. Trên thị trường hiện nay có nhiều bộ chuông báo. Với hệ thông chuông báo của Công ty cổ phần GIA HUY như sau : BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BÁO GIỜ GIẢNG ĐƯỜNG Hình 1.1 Bộ điều khiển báo giờ giảng đường trên thực tế CHỨC NĂNG • Thay thế con người, tự động hoàn toàn phát chuông báo giờ vào/ra lớp cho các giảng đường hoặc công xưởng. • Áp dụng cho các trường Đại học, Cao đẳng, Trung cấp, Phổ thông trung học…Công xưởng sản xuất, … TÍNH NĂNG CHÍNH • Tự động phát chuông theo thời khóa biểu tùy cài đặt. • Tiết kiệm điện chỉ với 15W • Không hạn chế số chuông điều khiển • Không cần người điều khiển • Tự động phát hiện ngày lễ ngừng phát chuông • Đảm bảo thời gian thực, chính xác, ngay cả khi mất điện lâu dài • Cho phép cài đặt lại thời gian • Cho phép lựa chọn không hạn chế số lần phát chuông trong một ngày • Cho phép cài lại thời khóa biểu CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 1. Bộ điều khiển LOGO SIEMENS: Đức 2. Rơle Omron 220V – 10A: Nhật Bộ môn Kỹ thuật máy tính 5 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung 3. Aptomat LS 220 – 10A: Hàn quốc 1.1.2 Phân tích bài toán Bộ báo chuông trên của Công ty cổ phần GIA HUY tính mềm dẻo cao. Có thể lắp đặt ở mọi nơi. Tuy nhiên, với tính năng như vậy. Giá thành của bộ sản phẩm cũng không rẻ. Do đó, chúng em phát triển bộ chuông báo giảng đường với những yêu cầu và ràng buộc sau : a. Yêu cầu : - Báo chuông cho trường học với lịch báo chuông cố định cho buổi sáng và chiểu trong mùa đông và mùa hè. - Chính xác về thời gian. - Hiển thị đang là tiết mấy, thời gian ra chơi còn bao nhiêu phút. - Cài đặt và chỉnh sửa được thời gian. - Chạy chính xác sau khi mất điện mà được cung cấp điện trở lại b. Ràng buộc : - Sử dụng nguồn điện 220v/50hz. - Báo chuông cho 4 tòa nhà 5 tâng. - Hiển thị và cài đặt thời gian đặt trong phòng chờ giảng đường. 1.2 Giải pháp - Sử dụng thời gian thực để được thời gian chính xác. - Cài đặt thời gian biểu đặt cứng không thay đổi. - Chuông đặt trên tầng 4. - Hiển thị dùng led 7 thanh. Dùng 2 led đơn để báo buổi sáng buổi chiều. Bộ môn Kỹ thuật máy tính 6 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung 2. Chương 2: Thiết kế hệ thống 2.1 Thiết kế nguyên lý 2.1.1 Mô hình tổng quát Hình 2.1 Mô hình tổng quát hệ thống Khối nguồn : Cung cấp nguồn cho các thiết bị trong hệ thống. Khối thời gian thực : Cung cấp và nhận giờ phút giây. Khối báo chuông : Báo chuông khi có tín hiệu. Khối hiển thị : Hiển thị số tiết, buổi sáng hay chiều, số phút ra chơi. Khối điều chỉnh : Cài đặt giờ cho hệ thống chạy chính xác. Khối điều khiển : Nhận và gửi các tín hiệu điện cho các khối của hệ thống. 2.1.2 Nguyên lý hoạt động sơ của mô hình tổng quát Khối điều khiển nhận tín hiệu thời gian và so sánh với thời gian cần báo chuông, gửi tín hiệu hiển thị số tiết và thời gian ra chơi ra khối hiển thị. Nếu đúng thời gian báo chuông, khối điều khiển sẽ gửi tín hiệu báo chuông cho khối báo chuông. Khối điều chỉnh nhận tín hiệu chỉnh thời gian cho chính xác nếu có sai lệch. Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khối điều khiển Khối hiển thị Khối điều chỉnh Khối Thời gian thực Khối nguồn Khối Báo Chuông 7 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung 2.2 Thiết kế kỹ thuật 2.2.1 Lựa chọn thiết bị a. Khối điều khiển Sử dụng vi điều khiển cho khối điều khiển với các dòng thông dụng trong vi điều khiển như sau : -Vi điều khiển họ 8051 : Là một trong những họ vi điều khiển 8bit thông dụng nhất hiên nay. Bus dữ liệu của họ vi điều khiển 8051 8 bit nên gọi là vi điều khiển 8 bit. Họ này, đại diện với AT89C51 là một vi điều khiển mạnh (có công suât lớn) cung cấp một sự linh động cao và giải pháp về giá cả với nhiều ứng dụng vi điều khiển. -ARM : ARM (viết tắt từ tên gốc là Acorn RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32-bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Do có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động, mà với các sản phẩm này việc tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng hàng đầu. -AVR: AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất. AVR là chip vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa theo kiến trúc RISC(Reduced Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí. So với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng: -PIC: PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology. Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics Division thuộc General Instrument . PIC với hàng loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC ), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word. Với các dòng vi điều khiển trên, trong hệ thống chọn PIC. Với kiến thức đầy đủ đã học ở môn học “ Hệ thống nhúng” so với 8051 nên PIC được chọn trong hệ thống này. Cụ thể là PIC16F877A. b. Khối hiển thị Các thiết bị thông dụng trong hiển thị bao gồm : LCD, LED 7 thanh, LED đơn, ma trận LED. Trong hệ thống báo chuông, dùng LED 7 thanh để báo số tiết, thời gian ra chơi. LED đơn báo buổi sáng chiều. c. Khối báo chuông : Với tín hiệu ra có điện áp nhỏ (5v), không thể dùng trực tiếp điện áp này. Vì vậy, thông qua tranzitor và rơ le để khuyếch đại tín hiệu ra chuông. Bộ môn Kỹ thuật máy tính 8 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung d. Khối điều chỉnh : Với tín hiệu hiệu chỉnh đơn giàn dùng các nút bấm để thực hiện công việc này. e. Khối thời gian thực : Hiện tại trên thị trường có rất nhiều IC thời gian thực với các giao tiếp khác nhau. Trong hệ thông này chọn IC DS1307 với giao tiếp i2c. 2.2.2 Các thiết bị đã chọn trong hệ thống a. Thiết bị điều khiển PIC18F77A . ►Sơ đồ chân PIC 16F877A Hình 2.2 Sơ đồ chân PIC16F877A ► Tóm tắt thông tin về PIC16F877A Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte. Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O. Các đặc tính Bộ môn Kỹ thuật máy tính 9 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau: • Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit. • Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep. • Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler. Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rộng xung. • Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C. Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ. • Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR, CS bên ngoài. • Các đặc tính Analog: 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit. Hai bộ so sánh. • Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần. Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần. Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm. Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm. Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân. Watchdog Timer với bộ dao động trong. Chức năng bảo mật mã chương trình. Chế độ Sleep. Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau. Bộ môn Kỹ thuật máy tính 10 [...]... chính xác b Modul báo chuông Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý modul báo chuông Modul báo chuông sử dụng tín hiệu đầu ra kích mở Tranzitor, có tín hiệu trong cuộn dây rơ le, tiếp điểm thường mở đóng vào cung cấp điện cho chuông báo Bộ môn Kỹ thuật máy tính 20 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung c Modul điều khiển Hình 2.15 Sơ đồ khối điều khiển trong hệ thống d Modul hiển thị Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý modul... Trong quá trình làm việc, nếu bấm nút reset hệ thống sẽ khởi động lại và làm việc từ đầu Bộ môn Kỹ thuật máy tính 25 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung 3 Chương 3 : Xây dựng hệ thống 3.1 Thiết kế phần cứng Hình 3.1 Mạch mô phỏng trên proteus Bộ môn Kỹ thuật máy tính 26 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung 3.2 Thiết kế phần mềm 3.2.1 Sơ đồ thuật toán Bắt đầu Đọc giờ, xem bây giờ là tiết nào... hiển thị Nút bấm Chuông Hình 2.21 Sơ đồ call graph 2.2.5 Sơ đồ đặc tả hệ thống Đọc giờ Hiển thị số phút ra chơi Ra chơi Có tín hiệu chỉnh giờ Kết thúc chỉnh giờ Vào lớp Hiển thị số tiết, sáng, chiều Chỉnh giờ Có tín hiệu chỉnh giờ Đến giờ hẹn Hiển thị giờ đang chỉnh Phát chuông Hình 2.22 Sơ đồ đặc tả 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch Bộ môn Kỹ thuật máy tính 24 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung 2.4 Nguyên... Hình 2.12 Chuông báo Khi có tín hiệu điện áp 220v, chuông báo f Thiết bị nguồn Gồm nguồn 220v/50hz cho chuông Nguồn 3v cho DS1307 Nguồn 5v nuôi PIC và làm nhiệm vụ treo trở và hiển thị led Bộ môn Kỹ thuật máy tính 19 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung 2.2.3 Các modul trong hệ thống a Modul nguồn Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý modul nguồn Khối nguồn là khối cung cấp điện cho cả hệ thống làm việc Đầu... cho DS1307 Bộ môn Kỹ thuật máy tính 22 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung g Khối reset Hình 2.19 Sơ đồ nguyên lý mạch reset Tạo tín hiệu reset cho Modul điều khiển h Modul điều chỉnh Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý modul hiệu chỉnh Sử dụng 3 nút bấm nhằm tạo tín hiệu hiệu chỉnh giờ Bộ môn Kỹ thuật máy tính 23 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung 2.2.4 Sơ đồ callgrap Chương trình điều khiển đọc giờ... giờ Đ Báo chuông Đúng giờ báo chuông S Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán 3.2.2 Cấu trúc dữ liệu a Thời gian báo chuông : Dùng mảng để lưu trữ thời báo chuông Mảng này được xây dựng cố định dựa trên lịch học của trường Với thời gian cần báo có mùa đông và mùa hè nên dùng 4 mảng 2 mảng về giờ, 2 mảng về phút của mùa đông và mùa hè Các mảng này dùng trong toàn chương trình Bộ môn Kỹ thuật máy tính 27 ĐAMH Hệ thống. .. điều chỉnh vào DS1307 Bộ môn Kỹ thuật máy tính 28 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung c Hiệu chỉnh Dùng chương trình con chinhgio để nhận tín hiệu hiệu chỉnh và hiển thị ra 2LED7 thanh d Báo giờ Dùng 2 chương trình con muahe, muadong tương ứng với báo giờ mùa hè hay mùa đông để so sánh giờ hiện tại và giờ báo chuông nhằm báo chuông chính xác Đồng thời xác định hiện tại có phải thời gian ra chơi... động mạch Khi được cung cấp điện cho hệ thống làm việc Các modul bắt đầu làm việc Modul nguồn cung cấp điện áp cho cả hệ thống Modul điều khiển bắt đầu đọc dữ liệu thời gian từ modul thời gian thực và bắt đầu kiểm tra xem bây giờ mùa đông hay mùa hè, đang tiết thứ mấy, buổi sáng hay buổi chiều và cấp tín hiệu điều khiển cho 1 LED7 thanh báo số tiết và 2 LED đơn báo sáng chiều Tiếp đó, modul điều khiển... tính 34 ĐAMH Hệ thống nhúng GVHD Tăng Cẩm Nhung } else//neu la buoi chieu { output_bit(PIN_B7,0); output_bit(Pin_D7,1); } if (((month4))|((month==4)&(date>14))| ((month==10)&(date . trong hệ thống 2.2.3 Các modul trong hệ thống 20 2.2.4 Sơ đồ callgrap 24 2.2.5 Sơ đồ đặc tả hệ thống 24 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch 24 2.4 Nguyên lý hoạt động mạch 25 3. Chương 3 : Xây dựng hệ thống. nhỏ của hệ thống nhúng. Đó là hệ thống chuông báo giảng đường. Một hệ thống giúp làm đơn giản hóa cách báo giờ ra chơi cũng như vào lớp của 1 trường học. Do kiến thức chưa sâu, nên hệ thống này. TÍNH ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÔN HỌC HỆ THỐNG NHÚNG Nhóm sinh viên : Nguyễn Đức Tùng Phạm Duy Tùng Ngô Trường Sơn Lớp : K43DDK . Giáo viên hướng dẫn : Tăng Cẩm Nhung Thái Nguyên – 2011 ĐAMH Hệ thống nhúng