Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Xây dựng mô hình cầu led hiển thị hình ảnh, video đa sắc

Trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường, với sự dạy dỗ, chi bảo tận tình của các quý thầy cô giáo đã trang bị cho em những kiến thức về chuyên môn cũng như kỹ năng mềm, tạo cho e

Tong quan 6i

Thị trường về các module hiển thi LED wsssssssssssssssseessssssssssessusssnssessssssneseessanssee 4 1.3 Mục tiêu của đề tài ccccesccrkrrrrerrkrkrirrrrrrkrkrrrrkrrrrkrrrrrrrrrkerrrrrerrrke 5

Theo Grand View Research một công ty đa quốc gia An Độ và Mỹ chuyên về nghiên cứu thị trường và tư van đã công bồ ban phân tích và báo cáo vào tháng 9 năm

2020 Bản báo cáo về thị trường toàn cầu của các module hiển thị LED, được ước tính lên lên đến 5.49 tỷ Đô-la Mỹ tương đương với khoảng 127 nghìn tỷ Việt Nam Đồng Và thị trường này có tỷ lệ tăng trưởng kép khoảng 13.2% từ năm 2020 đến

Zz U.S LED modular display market size, by type, 2016 - 2027 (USD Million)

@ Indoor Modular Screens # Outdoor Modular Screens

Hình 1.1: Báo cáo thị trường module hiển thi LED ở Mỹ

Việc áp dụng ngày càng nhiều module hiển thị LED trên một số nơi như các cửa hàng bán lẻ, sân bay, đường sắt, phương tiện truyền thông, quảng cáo, thể thao và giải trí, khán phòng và hội nghị được dự đoán sẽ thúc đây tăng trưởng thị trường trong giai đoạn tới Hơn nữa, ngày càng có nhiều sự kiện ngoài trời, chăng hạn như: sự kiện thé thao, budi hòa nhac, giới thiệu sản phẩm, quảng cáo thương hiệu và hội nghị chính trị càng khiến thị trường này thêm sức nóng Điều này dự kiến sẽ làm tăng nhu cầu về module hiển thị LED Nhiều doanh nghiệp đang sử dụng các công nghệ tiên tiến như thực tế tăng cường, trí tuệ nhân tạo, máy học và dữ liệu lớn để tăng mức độ tương tác của khách hàng.

1.3 Mục tiêu của đề tài

Tìm hiểu, nghiên cứu, tham khảo và xây dựng một mô hình module LED mới lạ, độc đáo, đồng thời cải tiến sang giao tiếp không dây bằng internet với điện thoại dé dé dàng thay đổi hiệu ứng trên mobile app.

Tìm hiểu và thiết kế thuật toán để chương trình có thê vừa xử lý quét LED, tính toán thời gian hién thị, hiển thị vật thé vào vị trí đã được chọn cho dù tốc độ quay biến thiên và giải mã hình ảnh, video.

Sản pham đồng thời có tính thầm mỹ, làm từ kim loại, không rung lắc, độ bền và độ chắc chan cao và dé dàng sửa chữa nếu người dùng gặp trục trac.

Có thé gia nhập vào thị trường, cho thuê dé triển lãm, trưng bày.

Làm tiền đề dé tiếp tục nghiên cứu và phát triển sản phẩm kích thước lớn hơn, nhiều chức năng hơn, cải thiện tốc độ quay, số lượng khung ảnh xử lý trong một giây và nhiều bóng LED hơn.

Báo cáo này được chia làm năm chương chính Chương đâu tiên giới thiệu về dé tài luận văn và động lực và mục tiêu dé thực hiện đê tai Các chương tiép theo được trình bày như sau:

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 1 sẽ giới thiệu về động lực, mục tiêu mà nhóm đã chọn đề tài và thông tin về bố cục của luận văn, sơ bộ nội dung của từng chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 sẽ trình bày tổng quan những lý thuyết về hiện tượng vật lý, các thiết bị điện tử, các công nghệ sử dụng trong đề tài.

Chương 3: Hiện thực mô hình

Dựa vào những kiến thức đã tìm hiểu được ở chương 2, chương 3 là phần trình bày về các giải pháp nhóm đã từng thực hiện, nghiên cứu va đê xuât hướng di cuôi cùng và bản thiết kế của nhóm về mô hình cầu LED Đồng thời các thành phần của thiết kế sẽ được trình bày một cách chỉ tiết Các tối ưu cho phần cứng, phương pháp đánh giá và kiểm tra kết quả của hệ thống cũng sẽ được trình bày trong chương này.

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương 4 trình bày về việc kết quả đạt được của hệ thống như tốc độ quay, số lượng đơn vị góc mà sản phâm có thê đáp ứng, các định dạng sản phẩm hỗ trợ Các phương pháp đánh giá và kiểm tra kết quả của hệ thống cũng sẽ được trình bày trong chương này.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt toàn bộ công việc của nhóm và những kết quả, thành tích đã đạt được, những điểm cần cải tiến và cải thiện Đồng thời, các hướng nghiên cứu khả thi cho đề tài trong tương lai cũng được trình bày trong chương này.

Cơ sở lý thuyẾt c ccccccrerrrrrrrrrrrrrrrrrrrirrrrrrrrrirrrrrrrrrrrrrrrrrrrree 7 2.1 Hiện tượng lưu ảnh trên võng mac (Persistence Of VIs1on)

Định ngÌĩa -e<5cecrreererrkrtrrirtkirtrrirrrirrrrrriirrrrie 7 2.12 Ứng dụng l7, ————-esseee 7 2.2 Tìm hiểu về các thiết bị điện tử, các công nghệ c-s-.-ce 8 2.2.1 May tớnh nhỳng Raspberry Pi Zero YW ô.ccerseeieierirree 8 Rn: Le 1fR Í eo 9 2 Thông số kỹ thuật -ccccccirreceevverrrreeeerrrrrrrerrrrrrrirrrrerrre 9 2.2.1.2 Các chân GPIO -.eccctrrcerErrrreertrrrirrrrtrrrrrrrrrrrrrrrrree 10 2.2.1.3 Hệ điều hành e:.reccetrrrererrrirertrrtrrrrtrrirrrrrrrrrrrrrrree 10 2.2.1.4 Ưu điểm và nhược điểm của Raspberry Pi 11 2.2.2 Tìm hiểu về Adruino Nano .-.cccecrreecerrreeeeerrrcrrrtrrrrrrrrre 11

Hiện tượng lưu ảnh trên võng mạc thường được hiểu rang là một ảo ảnh quang học Nó xảy ra khi nhận thức thị giác về trạng thái vật thé không thay đổi một khoảng thời gian ngay sau khi mà những tia ánh sáng bắt đầu di chuyên từ vật đó đến mắt

Ngoài ra nó còn được xem là một ảo anh do não tạo ra Vì khi nhiều hình ảnh xuất hiện liên tiếp đủ nhanh, não sẽ kết hợp chúng thành một hình ảnh duy nhất, liên tục và chuyên động.

Mắt và não người chỉ có thé xử lý khoảng 12 hình ảnh riêng biệt mỗi giây, giữ lại hình ảnh trong 1/16 giây Nếu một hình ảnh tiếp theo được thay thé trong khung thời gian này, một ảo ảnh về sự liên tục sẽ được tạo ra [4].

Ké từ khi được giới thiệu, thuật ngữ “lưu ảnh trên võng mạc” được xem là lời giải thích cho sự nhận biết chuyền động của não về các thiết bị ảo quang như là: đĩa động họa (phenakistoscope), zoetrope.

Hình 2.1: Đĩa động họa Hình 2.2: ZoetropeMột vi dụ khác nổi tiếng hơn là bánh xe màu của Newton Vào ngày 6/2/1671Isaac Newton đã công bố một bài báo về sự khúc xạ ánh sáng qua lăng thủy tinh Từ đó ông tìm ra bảy màu cơ bản là đỏ, cam, vàng, lục, lam, tím va cham Ong đã tận dụng hiện tưởng lưu ảnh trên võng mac đê chứng minh khi các màu này kết hợp với nhau sẽ tạo ra màu trắng [5].

Hình 2.3: Bánh xe Newton khi quay (Nguồn anh:

Wikihow) Ứng dung gan gũi nhất với với đề tài là màn hình LED Hiện tượng này đã được sử dụng cho các thiết bị hiền thị LED tạo hình anh bang cách hién thi một phan không gian tại một thời điểm liên tiếp nhanh chóng (ví dụ: một cột pixel cứ sau vài mili giây)

2.2 Tìm hiểu về các thiết bị điện tử, các công nghệ

2.2.1 Máy tính nhúng Raspberry Pi Zero W

Raspberry Pi là chiếc máy tính kích thước nhỏ được tích hợp nhiều phan cứng mạnh mẽ đủ khả năng chạy hệ điều hành và cài đặt được nhiều ứng dụng trên nó.

Raspberry Pi sản xuất bởi 3 OEM: Sony, Qsida, Egoman Và được phân phối chính bởi Element14, RS Components và Egoman.

Nhiệm vụ ban đầu của dự án Raspberry Pi là tạo ra máy tính rẻ tiền có khả năng lập trình cho những sinh viên, nhưng Pi đã được sự quan tâm từ nhiều đối tượng khác nhau Đặc tính của Raspberry Pi xây dựng xoay quanh bộ xử lí SoC

Broadcom BCM2835 bao gồm CPU, GPU, bộ xử lí âm thanh và video tất cả được tích hợp bên trong chip có điện năng thấp này

GPIO 1 GHz CPU Wireless LAN Reset Header 512 Mb RAM Bluetooth 4.1

Mini-HDMI Antena Micro-USB Micro-USB

Micro-SD Slot Camera Connector

2.2.1.1 Thông số kỹ thuật Raspberry Pi Zero W bao gồm những thành phần: e ARMII xung cao nhất 1 GHz e 802.11n Wireless LAN e Bluetooth 4.1 & Bluetooth Low Energy e Bộ nhớ RAM 512MB e2 công micro usb (có một cổng chỉ cấp nguồn) e GPIO: 40 chân e Céng mini HDMI e Giao tiếp Camera qua CSI e 1 khe gắn Micro SD

GPIO của Raspberry Pi có thé cau hình dé được dùng lấy dit liệu ngõ vào (từ nút nhắn, sensor, ) Hoặc dé điều khiển, giao tiếp với các thiết bị Một số chân GPIO có chức năng khác như UART, I2C, SPI.

3V3 power o- © 5V power GPIO 2 (SDA) © o 5V power GPIO 3 (SCL) o © Ground GPIO 4 (GPCLK0) o © GPIO 14 (TXD)

GPIO 22 o © GPIO 23 3V3 power o o GPIO 24 GPIO 10 (MOSI) o © Ground GPIO 9 (MISO) o © GPIO 25 GPIO 11 (SCLK) o © GPIO 8 (CEO)

Hình 2.5: Sơ đồ chan Raspberry Pi

Một số Distributions Linux chạy trên Raspberry Pi như Raspbian, Pidora, openSUSE, OpenWRT, OpenELEC,

Raspbian: La một hệ điều hành thuận tiện cho việc cài đặt và sử dụng với sự hỗ trợ lớn từ cộng đồng mã nguồn mở trên thé giới Raspbian là một hệ điều hành đơn giản và thân thiện Raspbian ở 2 dạng: NOOBS hoặc file Raspbian. e Với NOOBS, khi thực hiện cai đặt chúng ta sẽ được lựa chọn giữa các hệ điều hành khác nhau cho Raspberry Pi. e_ Với file Raspbian, khi đó sẽ không có quá trình lựa chọn giữa các hệ điều hành, mà Raspberry Pi sẽ tự thực hiện nhiệm vụ của mình dé chuyén tdi VIỆC khởi động của Linux kernel.

2.2.1.4 Ưu điểm và nhược điểm của Raspberry Pi Ưu điểm: e Hiện nay Raspberry Pi có giá thành khá rẻ cùng kích thước vô cùng nhỏ gọn. e Những thiết bị này có thé phục vụ cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau. e Có nhiều thư viện hỗ trợ e Raspberry Pi có khả năng hoạt động liên tục không ngừng nghỉ.

Nhược điểm: e CPU cấu hình thấp. e Người dùng phải có kiến thức cơ bản về Linux, điện tử.

2.2.2 Tìm hiểu về Adruino Nano

Arduino Nano 3.0 là một board nhỏ gọn, tiện dụng, đơn giản, dễ dàng lập trình.

QB ATMega Pins (QB Pw Pins ( JADC Pins (Communication Pins (J Interrupt Pins

Hình 2.7: So đồ chan board Arduino Nano

Thông số kỹ thuật chi tiết: e Vi điều khiến: ATmega328P e Điện áp hoạt động: 5V e Tần số hoạt động: 16 MHz e_ Điện áp đầu vào khuyên : 7V - 12V DC e Điện áp vào giới hạn : 6-20V DC e©_ Số chân Digital I/O : 14 e Số chân Analog : 8 e Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 2KB dùng bởi bootloader e SRAM 2 KB (ATmega328) e EEPROM 1 KB (ATmega328)

12 e Kích thước board : 0,73 x 1,70 (Inch) ¢ Nguồn hoạt động: o Arduino Nano có thé được cung cấp nguồn 5V thông qua USB. o Cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7.12V DC và giới hạn là 6- 20V.

2.2.3 Tìm hiểu về mạch giảm áp XL4015

XL4015 là một mạch giảm áp sử dụng IC chính XL4015với độ ồn định và hiệu năng cao, có khả năng chỉnh được áp đầu ra từ 1.25VDC đến 32VDC với dòng điện ngõ ra lớn, lên đến 5A, phù hợp cho những thiết bị cần dòng điện lớn Ngoài ra, trên mạch còn tích hợp biến trở tinh chỉnh dé điều chỉnh điện áp ngõ ra một cách chính xác nhât.

2.2.3.2 Thông số kỹ thuật e Điện áp ngõ vào: 4 ~ 38VDC e Điện áp ngõ ra: 1.25 - 36 VDC e Dong ngõ ra: 0 - 5A,

13 e Nhiệt độ làm việc: ~40°C ~ +85°C e Tần số hoạt động: 180KHz e Hiệu suất: 96% (tối đa) e Bao vệ ngan mach: Có (giới han 8A).

2.2.4 Tìm hiểu về mạch giảm áp MP1584EN