Báo cáo chuyên Đề thiết kế module Điều khiển led cube 4x4x4

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện từ đã ứng dụng rất nhiễu trong công nghiệp trong lĩnh vực vì điều khiến, từ khi công nghiệp chế tạo vi mạch lậ

! BO GIAO DUC VA DAO TAO

KHOA: CƠ KHÍ

BAO CAO Chuyén dé: Thiét ké module diéu khién LED cube 4x4x4

GIẢNG VIÊN HD: Nguyễn Mạnh Hà

LỚP: DHCDI5A2HN

CHUYÊN NGÀNH: Cơ Điện Tử

Lời cảm ơn!

Nhóm em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Mạnh Hà vì đã hỗ

trợ nhóm em hoàn thành Chuyên đê này VỚI sự tận tâm và chuyên nghiệp Nhóm

em qua đó đã học dược rât nhiêu kiên thức quý báu và đồng thời vận dụng chúng vào Chuyên đề một cách tôt nhật

Tuy nhiên, do kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế, nên chuyên đề của nhóm

em không thể tránh khỏi những sai sót Nhóm em mong thây/cô góp ý, phê bình

dé nhóm em có thê hoàn thiện hơn

Cuối cùng, nhóm em xin chúc thầy/cô luôn khỏe mạnh và thành công trong

Cuộc sông sau này ạ

Sinh viên thực hiện ( 7ấi cả các SW)

1 NGUYEN LONG ANH

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG

MỞ ĐẦU

CHUONG I1 GIỚI THIỆU VẺ LED CUBE VÀ ARDUINO

1 1.1 Giới thiệu chung về LED CUBE 2-52 S21 1212212717111 xe

1.1.1 LED CUBE là gì2 - 5à c2 1E 121121121 12212211 xee

1.1.2 Sơ đồ khối 2 212 122122112112211211211221121221222 re

CHƯƠNG 2 THIẾT KÊ MODULE LED CUBE -2 2-5° 5<

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TÓM T2T NOI DUNG CHUYEN DE

MUC HINH VE

Hình 1.1 Hình ảnh LED CUBE o cccccccccccccsscsccsessesessesesscsesscsvssestesestesscsessesesesseses

Hình 1.2 Sơ đồ khối hiến thị LED CUBE 2222222115 13212555155252525555252521255%

Hình 2.1 Câu trúc module LED CUBE 4x4x4 25:: 22 +22 crrrrre

lì): 02.1(v0ï0ì 000 0

Hinh 2.4 Vùng viết chương trình trên Arduino 2- 222222222 2z222£222222z2z2

Hinh 2.5 Vùng Thông báo trên Ardu1no - :- Sc S 2112121111 1111111111 11221 xe

Hình 2.6 Khai báo bo mạch và chọn công giao tiếp trên Arduino

3

Hình 2.8 Cấu tạo và kí hiệu của LED - 52: S221 2155151155551555515115212111555 x56

Hình 2.18 Kiểm tra LED :-:-222+222212122221111222111222111 111 1 re

Hình 2.19 Khung sắp xếp LED - 5 5c 2 2 E1E111111112112112121111112 2e ca

DANH MỤC BẢNG

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nên công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đòi hỏi nhu cẩu về thẩm my la rat can thiét, nén viéc áp dựng khoa học kỹ thuật mới là nhu câu tất yếu của xã hội, đòi hỏi các kỹ thuật ngày càng phát triên để phù hợp với nên công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước Với xu thế hiện nay khi các bạn bước chân vào các cửa hàng, khách sạn bạn sẽ đễ dàng bắt gặp các khối LED trang trí rất đẹp có nhiễu màu sắc khác nhau, chạy theo các trạng thái rất ấn tượng

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện từ đã ứng dụng rất nhiễu trong công nghiệp trong lĩnh vực vì điều khiến, từ khi công nghiệp chế tạo vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kĩ thuật điều khiến hiện đạt Tạo ra những thành tựu đó có thê biễn những cái tưởng chừng như không thê thành

có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thân cho con người Uì vậy sau khi chúng em tiếp cận được môn học vì điều khiên, cùng với những thực nghiệm, chứng em áp dụng kiến thức đó vào việc thiết kế sản phẩm thực tế qua: “Thiết kế

module dieu khién LED CUBE 4x4x4”

CHUONG 1 GIOI THIEU VE LED CUBE VA ARDUINO

1.1 Giới thiệu chung về LED CUBE

1.1.1 LED CUBE là gì?

LED CUEE là một hình khối ba chiều (3D) phát sáng, thường được tạo thành bằng

dây hoặc nhựa, sử dụng đèn LED có màu

Một ví dụ cụ thể là LED CUBE 5x5x5, no str dung 125 bong LED han thanh khối hộp

vuông 3 chiều trong đó mỗi chiều có 5 LED Đèn chạy các hiệu ứng dùng làm đỗ trang trí ngắm rất là vui mắt, là món quả độc đáo, hấp dẫn để tặng bạn hoặc người thân

Đề điều khiển tất cả đèn LED có trong khối LED, chúng ta chia khối này thành nhiều

lớp (Layer) và cột Mỗi lớp bao gồm nhiều đèn LED và cực âm của tất cả các đèn LED hiện diện trong một lớp được kết nối với nhau Tương tự, chúng ta có nhiều cột, mỗi cột bao gồm đèn LED từ các lớp khác nhau, và cực dương của tất cả các đèn LED này được kết nối với nhau Vì vậy, bằng cách điều khiến các lớp và các cột này, chúng ta

có thể kiểm soát từng LED trong khối

1.2 Nguyên lý làm việc của LED CUBE

LED CUBE hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiến từng LED bằng cách sử dụng một bo mạch như Arduino Nano

Ví dụ dễ hình dung nhất là khối LED 5x5x5 Khối LED này bao gồm tổng cộng 125 đèn LED Để điều khiến tất cả đèn LED có trong khối LED, khối này

được chia thành 5 lớp (Layer) và 25 cột Các lớp là layer 0, layer1, layer 2, layer 3 và layer 4 Mỗi lớp bao gồm 25 đèn LED và cực âm của tất cả các đèn LED hiện diện trong một lớp được kết nối với nhau

Tương tự, chúng ta có 25 cột bắt đầu từ c0, c2, c3, c4, c5 c24 Cột c0 bao gồm đèn LED ti layer 0, layer 1, layer 2 ,layer 3 và layer 4, và cực dương của tất cả các đèn LED này được kết nối với nhau Vì vậy, bằng cách

điều khiến các lớp và các cột này, chúng ta có thể kiếm soát từng LED trong

Hình l3 Nguyên lý hoạt déng cua LED CUBE

1.3 Ứng dụng của LED CUBE

LED CUBE có nhiều ứng dụng thú vị và hấp dẫn Dưới đây là một số ví dụ:

1 Trang trí: LED CUBE thường được sử dụng như một món đồ trang trí độc đáo và

hấp dẫn Với khả năng tạo ra các hiệu ứng ánh sáng đa dạng và phong phú, LED

CUBE có thể tạo nên một không gian sống động và lôi cuốn

2 Học tập: LED CUBE cũng là một công cụ hữu ích để học về điện tử và lập trình Qua quá trình tự chế tạo và lập trình LED CUBE, người học có thê năm bắt được các

kiến thức cơ bản về điện tử, lập trình vi điều khiển, và cách điều khiển LED

3 Nghiên cứu: Trong lĩnh vực nghiên cứu, LED CUBE có thê được sử dụng đề mô phóng các dữ liệu không gian ba chiều

4 Sản phẩm thương mại: Một số sản phẩm thương mại như đèn ngủ, đèn trang trí, hoặc các sản phẩm nghệ thuật cũng sử dụng LED CUBE

5 Phần mềm: Có các phần mềm như Gamo LED CUBE giúp tạo mã và mô phỏng LED CUBE 8x8x8

Tuy nhién, cần lưu ý rằng việc chế tạo và sử dụng LED CUBE đòi hỏi một lượng kiến thức tương đôi về điện tử và lập trình

CHUONG 2 THIET KE MODULE LED CUBE

2.1 Cấu trúc

KO

r

Lf + lai

Led sang thea yéu cau

- Bộ điêu khiến và xử lí Arduino Nano

Nguyên lí: Cấp nguồn cho mạch, Adruino bắt đầu hoạt động sẽ cấp nguồn cho LED

Dé cho | LED bat ky bật sang, đầu tiên ta nỗi chan anode chung của lớp với điểm có

điện thế cao, khi đó “bxb” bóng LED sẽ có chân anode được găn với điểm điện thế

cao, việc còn lại là nối điểm điện thế thấp cho chân cathode của bóng LED nảo cần thắp sáng

2.2 Lựa chọn, chỉ tiết về linh kiện

2.2.1 Arduino

2.2.1.1 Giới thiệu về Arduino

Arduino một nên tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm Một mach Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện b6 sung giúp dễ dàng lập trình và

có thê mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vảo có thê đễ dàng chuyén déi, duge goi la shield Vai shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khác nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I2C-nhiều shield có thê được xếp chồng vả sử dụng dưới dang song song Arduino chinh thirc thường sử dụng các dòng chịp mepaAVR, đặc biét la ATmega8, ATmegal68, ATmega328, ATmegal 280, va ATmega2560 Mot vai

9

các bộ vị xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tuong thich Hâu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz (hoặc

bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vải thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz va bo qua bd diéu chinh dién ap onboard do han chế về kích cỡ thiết

cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on- chip, so voi cac thiét bi

khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp

chương trỉnh

Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cả các board được lập

trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời

phần cứng Các board Serial Arduino có chứa một mạch chuyền đôi gitra RS232 sang

TT Các board Arduino hiện tại được lập trình thông qua công USB, thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232 Vài biến thể, như Arđuino Mini va Boarduino khong chính thức, sử dụng một board adapter hoặc cáp nối USB to-serial có thể tháo rời được, Bluetooth hoặc các phương thức khác (Khi sử dụng một

công cụ lập trình v¡ điều khiên truyền thông thay vì ArduinoIDE, công cụ lập trình

AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được sử dụng.)

Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O cua vi điều khiển để sử dụng cho

những mạch ngoài Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra 14 chân l/O kỳ

thuật số, 6 trong sô đó có thê tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân input analog, có thê được sử dụng như là 6 chan I/O số Những chân này được thiết kế năm

phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm) Nhiều shield ứng

dung plug-in cũng được thương mại hóa Các board Arduino Nano, và Arduino-

mặt trên của board dùng đề cắm vào các breadboard

— Kết luận: Arduino là công cụ hỗ trợ đắc lực cho công việc lập trình Điểm hấp dẫn

ở Arduino với người đam mê lập trình là ngôn ngữ dé học khá giống C/C++, các ngoại

vi trên bo mạch đều đã được chuẩn hóa nên không cần biết nhiều về điện tử, chúng ta cũng có thé lap trình được những ứng dụng thú vị Thêm nữa Arduino là một platform

đã được chuẩn hóa nên đã có rất nhiều các bo mạch mở rong (shield) để cắm chồng lên

bo mạch Arduino, có thê hình dung dễ hiểu là "library" của các ngôn ngữ lập trình

Hinh 2.5 Arduino Uno

2.2.1.2 Phân loại Arduino

10

Bang 2.1 Bang phan loại Arduino

pham

Arduino Vi diéu khién Digital I/O: 14 (hé Board

ap Analog I/O: 6 8 LÀ trình nhúng điêu

trình LED, relay và một số linh kiện điện tử khác

PWM digital /O: 12 | điều

Digital 1/0: 54 khiển với

tốc độ xử

lý cao,

bệ nhớ lớn

Arduino Vi điều khiển hỗ trợ Digital I/O: 54 (15 | Module

6 khiển nhiều dụng như các chân

Tích hợp LED báo điệu

nguồn, LED chân D13, khiển

LED RX, TX Tich hop IC chuyén điện ap 5V LM1117

Arduino Vi điều khiến, giả lập Digital I/O: 14 (6 KeyBoar d

Micro „ ˆ -

phím, chuột Analog mput: 4 USB

COM port

Arduino Vi diéu khién Digital I/O: 14 (6 Board

Mini chan PWM) mach vi

điều

khiển

- Game tuong tac: Arduino có thề được sử dụng dé tuong tac voi Joystick, man hình,

khi chơi các game như Tetrix, phá gach, Mario - Diéu khién dén tin higu giao

théng, lam hiéu wng dén LED nhap nháy trên các biên quảng cáo

- Điều khiển các thiết bị cảm biến ánh sáng, âm thanh

- Lam may in 3D

Trên đây chỉ là một trong số rất nhiều ứng dụng của arduino, việc ứng dụng vào những

gi con cé thé do chính người sử dụng sáng tạo ra

2.2.2 Phan mém Arduino IDE

2.2.2.1 Giới thiệu

Arduno Nano được lập trình dựa trên ngôn ngữ Wiring (đây là một biến thể cua C/C+ +) Do vậy có thê nói ngôn ngữ lập trình Arduno bắt nguồn từ C/C+ phô biến hiện nay do đó rat dé hoc, dé hiéu Dé lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduno, nhóm phát triển dự án này đã cung cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduno được gọi là Arduno IDE (Intergra ted Development Environment) 2.2.2.2 Tổng quan

Quản lý thư viện

Hình 2.7 Vùng viết chương trình trên Arduino

- Vùng thông báo (debug): Những thông báo từ IDE sẽ được hiển thị tại đây Đề ý răng góc dưới cùng bên phải hiển thị loại board Arduno và công COM,, nếu như không

có công bạn sẽ không thể upload được code của mình

Hình 2.5 Vùng Thông báo trên Arduino Lưu ý: Khi lập trình, cá bạn cần chọn port (công kết nối khi gắn board vào) và board (tên board mà bạn sử dụng)

2.2.2.3 Nạp chương trinh cho kit Arduino

- Khoi động Arduino IDE Vao Disconnected 6 trén thanh céng cy Bên trái là lựa

chọn bo mạch, bên phải là lựa chọn công PORTS G day minh demo trén Arduino Nano:

Select both a Board and # Port if you wart to upload a sketch

if you only select a Board you will be able to compile but not to upload your sketch

Q NO PORTS DISCOVERED

Ardusno NG of oldet

Arduino Nano ¥

O Show all ports

Hình 2.9 Khai báo bo mạch và chọn công giao tiếp trên Arduino

- Tiến hành kiểm tra lỗi và Upload chương trình:

sketch uses 444 byte X) of program storage space Maximum

Global variables use aes ) of dynamic memory, leaving 20

LED cho phép dòng điện chạy theo hướng thuận va chặn dòng điện theo hướng ngược

lại

- Cấu tao, kí hiệu LED:

Thấu kính/vỏ Dây nối Phêu phản quang

Lối bin dan A 2

Anode (+) Cathode (-)

Bóng đèn LED hoạt động dựa trên công nghệ bán dẫn, cũng giống như nhiều

loại đi 6t bán dẫn khác Khi có 2 đầu bán dẫn loại N P chứa các lỗ trồng mang

diện tích dương ghép với khối bán dẫn N và các lỗ trông có xu hướng khuếch

tán sang khối N Như vậy các khối P lại nhận được điện tích âm từ N chuyên

sáng kết quả là khối P mang điện tích âm và khối N mang điện tích dương Như vậy, với 2 đầu N P một số điện tử bị lỗ trống thu hút và chúng tiến lại gần nhau chúng tạo thành các nguyên tử trung hòa Và quá trỉnh nảy tạo ra năng lượng đưới đạng ánh sáng Mức năng lượng, màu sắc của LED phụ thuộc vào cầu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn Do đó, tùy theo mức năng

lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát khác nhau tức màu

sắc của LED sẽ khác nhau

Nguồn cắp dòng cho Led

2.2.4.1 Tông quan về điện trở

- Khái niệm: Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dân điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dân điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn

- Câu tạo: Điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chât cacbon và kim loại tuy theo tỷ lệ pha trộn ma người ta tạo ra được các loại điện trở có tr số khác nhau

Tiêu chuẩn quốc tế CEI 60757 (1983) quy định một bảng mã màu đề tính giá

trị của một điện trở (cũng áp dụng cho tụ, và một sô linh kiện điện tử khác)

18