Nghiên cứu, thiết kế LED 3d hình vuông

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ***** ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế LED 3D hình vuông Giáo viên hướng dẫn : Lê Ngọc Duy Sinh viên thực hiện : Nhóm 1 Thành viên : Bùi Trung Kiên Hoàng Văn Linh Trần Văn Khánh Hoàng Văn Khoa Hà Nội - 2013 LỜI NÓI ĐẦU Cơ điện tử ( hay kĩ thuật cơ khí và điện tử ) là sự kết hợp của kĩ thuật cơ khí, kĩ thuật điện tử và kĩ thuật máy tính. Mục đích của lĩnh vực này là nghiên cứu các máy tự hành để phục vụ những nghành kĩ thuật, những hệ thống tiên tiến. Nằm trong phạm vi ứng dụng của nghành kĩ thuật cơ điện tử, nhóm 1 chúng em xin trình bày đề tài thiết kế khối Led 3D 8x8x8.IC được dùng là 89S52, ngôn ngữ lập trình là trình dịch C. Trong quá trình thực hiện đề tài chúng em đã nhận được rất nhiều sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình của thầy Lê Ngọc Duy. Bản cáo cáo của chúng em còn rất nhiều thiếu sót và còn nhiều lỗi, chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo và đánh giá của các thầy (cô) để được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn !. 2 MỤC LỤC 4.2.3. Giới thiệu IC đệm 74HC245 32 3 CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu về đề tài tài thiết kế khối LED 3D 8x8x8 đã là một đề tài thiết thực có tính ứng dụng cao, áp dụng được kiến thức đã học. Ngày nay sử dụng vi điều khiển được dùng trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội, LED 3D 8x8x8 là một trong những ứng dụng cụ thể và thường gặp nhất. LED 3D có cấu trúc dạng khối 3 chiều, có hình dạng khác nhau; Đề tài của chúng em là thiết kế một khối LED 3D vuông. LED 3D 8x8x8 được dùng để hiển thị các hiệu ứng từ đơn giản đến phức tạp, với nhiều kiểu phong phú và đẹp mắt; Có khả năng hiện chữ, hình ảnh theo dạng 2 chiều hay 3 chiều sinh sinh động so với LED thông thường. Có nhiều phần mềm chuyên dụng hỗ trợ để tăng hiệu ứng, tạo ra ý tưởng cho người sử dụng ; ví dụ như các phần mềm tạo hiệu ứng Emulator, LED Cube Sychronizer Equalizer. Qua thời gian tìm hiểu và thiết kế Đề đề tài chúng em nhận thấy rằng đề tài này đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các bạn trẻ, vì đây là đề tài được ứng dụng rất nhiều: dùng làm trang trí quán bar, khách sạn, nhà hàng, dùng làm quảng cáo; Đặc biệt là dùng làm quà tặng cho những bạn trẻ có xu hướng công nghệ. Trong khuôn khổ đề tài này,chúng em xin trình bày thiết kế LED 3D vuông kích thước 8x8x8 dùng IC AT 89S52. 1.2 Các vấn đề đặt ra Trong quá trình thực hiện đề tài chúng em thấy rằng có hai vấn đề khi lựa chon linh kiện để làm mạch điều khiển: Thứ nhất : Là việc lựa chon IC điều khiển, có hai phương án được đưa là dùng IC AT89S52 hoặc là dùng ATMEGA 32. Sau khi tính toán chúng em đã lựa chọn IC 89S52 vì đây là đã được học và có thể mô phỏng chương trình bằng phần mềm Proteus. Thứ hai: Là dùng IC nào thích hợp để điều khiển các lớp LED, qua tìm hiểu chúng em lựa chọn IC 74HC245, nó thích hợp khi dùng với IC chính. 1.3 Phương pháp nghiên cứu - Lựa chon phần mềm Proteus để thiết kế mạch nguyên lý và thiết kế mạch in - Dùng phần mềm Keil C để lập trình chương trình cho IC 89S52 - Dùng phần mềm Solid Work thiết kế mô hình dạng cơ khí. 1.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 4 Đề tài thiết kế khối LED vuông 8x8x8 có thể mở rộng ra thành thiết kế khối LED vuông 10x10x10 hoặc 16x16x16 vì cách thức hoạt động của chúng cũng tương tự nhau. Trong phạm vi nghiên cứu về đề tài này chúng ta có thể dùng những loại IC có dung lượng lớn hơn để làm phong phú thêm hiệu ứng. 5 CHƯƠNG II : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LED 3D VUÔNG 8x8x8 2.1 Lịch sử ra đời của LED LED, viết tắt của Light-Emitting-Diode có nghĩa là “đi-ốt phát sáng”, là một nguồn sáng phát sáng khi có dòng điện tác động lên nó. Được biết tới từ những năm đầu của thế kỷ 20, công nghệ LED ngày càng phát triển, từ những diode phát sáng đầu tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc đến những nguồn phát sang đa sắc, công suất lớn và cho hiệu quả chiếu sáng cao. - Hoạt động của LED dựa trên công nghệ bán dẫn. Trong khối điốt bán dẫn, electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và sự chênh lệch năng lượng này được phát xạ thành những dạng ánh sáng khác nhau. Màu sắc của đèn LED phát ra phụ thuộc vào hợp chất bán dẫn và đặc trưng bởi bước sóng của ánh sáng được phát ra. - Điốt bán dẫn phát sáng đầu tiên được biết đến vào năm 1907 bởi nhà thí nghiệm người Anh H.J. Round tại phòng thí nghiệm Marconi khi ông làm thí nghiệm với tinh thể SiC(Silic và Cacbon). Sau đó, nhà khoa học Nga Oleg Vladimirovich Losev đã tạo ra LED đầu tiên, nghiên cứu sau đó đã bị quên lãng do không có ứng dụng nhiều trong thực tiễn. Năm 1955, Rubin Braunstein đã phát hiện ra sự phát xạ hồng ngoại bởi hợp chất GaAs (Gallium và Arsenide) và một số hợp chất bán dẫn khác. Năm 1961, hai nhà thí nghiệm là Bob Biard và Gary Pittman làm việc tại Texas Instruments đã nhận thấy rằng hợp chất GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện tác động và sau đó Bob và Gary được cấp bằng sáng chế ra điốt phát hồng ngoại. LED phát ánh sáng đỏ đầu tiên được phát triển vào năm 1962 bởi nhà nghiên cứu khoa học Nick Holonyak Jr. trong khi ông đang công tác tại công ty General Electric. Sau đó ông chuyển tới trường đại học Illinois và tại đây ông đã được gặp “cha đẻ của điốt phát xạ”, M. George Craford. George là người đã phát minh ra bóng LED có màu vàng đầu tiên có cường độ sáng gấp 10 lần ánh sáng của bóng LED màu đỏ và màu cam vào năm 1972. Năm 1976, T.P. Pearsall đã tạo ra LED hiệu suất cao có ứng dụng quan trọng cho lĩnh vực thông tin liên lạc bằng sợi quang. Ứng dụng thực tiễn đầu tiên của điốt phát quang là chúng được sử dụng rộng rãi thay thế cho thiết bị chỉ thị bằng bóng sợi đốt. Điốt còn được ứng dụng trong việc chế tạo LED 7 thanh và sau này là ứng dụng trong tivi, radio, điện thoại, máy tính, đồng hồ… Ban đầu, các LED ánh sáng đỏ chỉ đủ sáng phục vụ cho mục đích chỉ thị, ánh sáng của chúng phát ra không đủ để chiếu sáng cả một vùng. Sau đó, khi mà công nghệ LED phát triển, các nguồn LED có hiệu suất phát sáng hiệu quả được phát minh dần dần phục vụ cho mục đích chiếu sáng. Nhất là việc phát minh và phát triển LED công suất cao, đã đáp ứng được hoàn toàn cho việc chiếu sáng. 6 Nguyên lý giống như những điốt thông thường, LED bao gồm hai lớp bán dẫn loại p và n ghép vào nhau. Khối bán dẫn loại p(anốt) chứa nhiều lỗ trống có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối bán dẫn loại n(catốt), cùng lúc khối bán dẫn loại p lại nhận các electron từ khối bán dẫn loại n chuyển sang. Kết quả là hình thành ở khối p điện tích âm và khối n điện tích dương. Ở bề mặt tiếp giáp giữa hai khối bán dẫn, các electron bị các lỗ trống thu hút và có xu hướng tiến lại gần nhau, kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hoà. Quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng Phonton ánh sáng. Bước sóng của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào cấu trúc của các phân tử làm chất bán dẫn. Nếu bước sóng này nằm trong dải bước sóng từ vùng hồng ngoại đến vùng tử ngoại, mắt chúng ta có thể cảm nhận được màu sắc của ánh sáng đó. 2.2 Cấu tạo LED đơn LED là 1 loại diode có khả năng phát sáng khi được phân cực thuận. LED thông thường có 2 chân: anode(+)-chân dài hơn và cathode(-) như vậy muốn LED phát sáng thì điện thế phân cực ở anode phải cao hơn cathode. 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 bán dẫn. LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn diode thông thường, trong khoảng 1,5 đến 3,5 V. 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. LED Cube là một màn hình LED có khả năng biểu đạt thông tin và hình ảnh trực tiếp dưới dạng 3 chiều. LED Cube có khả năng tự chạy một mình nhưng để thực hiện những hiệu ứng phức tạp, nó cần có sự trợ giúp của máy vi tính. Đề tài thiết kế khối LED vuông 3D 8x8x8 với khối đèn LED được sắp xếp từ 512 con LED đơn theo nguyên tắc các anode nối với nhau tạo thành các lớp, các cathode nối với nhau tạo thành các cột; Như vậy ta sẽ tạo ra được 8 lớp và 64 cột LED. 7 2.3 Sơ đồ tổng quan Dòng điện xoay chiều qua bộ biến áp chỉnh lưu thành dòng một chiều cấp cho mạch điều khiển; mạch điều khiển tạo các tín hiệu điều khiển bằng xung để điều khiển khối LED 8 Nguồn điện(một chiều) Mạch điều khiển Khối đèn LED 3D PHẦN III : MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 Mô hình hóa hệ thống 3.1.1 Mô hình hóa cơ khí Mô hình cơ khí được chúng em thiết kế bằng Solid Work với các mô hình đế, bảng mạch điều khiển và mô hình bản vẽ lắp. Hình 3.1.1 Mô hình mạch điều khiển 9 Hình 3.1.2 Mô hình bản vẽ lắp 10 [...]... bên B 4.3 Thiết kế khối đèn LED 4.3.1 Lựa chọn LED 32 Tùy vào mỗi người mà chọn màu sắc led khác nhau , nhưng cần phải chú ý điện áp của từng led khác nhau mà tính toán giá trị của điện trở Led thường được chọn là led vỏ đục đảm bảo độ phát sáng ra xung quanh tốt nhất Với đề tài này chúng em lựa chọn LED đục để làm khối đèn LED 3D Hình 4.3.1 hình dạng LED đơn 4.3.2 Thiết kế chân đế khối đèn LED Chúng... khoan lỗ cắm cột LED Kích thước chân đế : dài x rộng x độ dày: 25cm x 25cm x 0.4cm Trên chân đế khoan 64 lỗ để cắm 64 cột LED 4.3.3 Thiết kế khung LED Khung LED bao gồm 64 cột chân cathode và 8 lớp ngang anode Mỗi cột cách nhau 2.5cm; mỗi lớp cách nhau 2,5 cm 33 Hàn khung LED phải đảm bảo yêu cầu về kĩ thuật mà mỹ thuật Khung LED phải vuông vắn và chắc chắn; Các mối hàn để kết nối các con LED đơn phải.. .Hình 3.1.3 Mô hình chân đế LED 11 3.1.2 Mô hình mạch Mạch nguyên lý và mạch layout được thiết kế bằng phần mềm Proteus Hình 3.2.1 Mạch nguyên lý 12 Hình 3.2.2 Mạch layout (mạch in) 13 Hình 3.2.3 Chân hàn 14 3.2 Mô phỏng hệ thống 3.2.1 Giới thiệu sơ đồ thuật toán Main(chương trình) Chuyển đổi dữ liệu song song sang nối tiếp Ghi vào IC 74HC595 Hiện thị ra khối LED 15 3.2.2 Lập trình... temp1=0x00;temp2=0x00;temp3=0x00;temp4=0x70;temp5=0x00;temp6=0x00;temp 7=0x00;temp8=0x00;xuat();L2=1;delay(1);L2=0; } } //chuong trinh chinh void main(void) { while(1) { dtvt(30); }} 26 CHƯƠNG IV : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 4.1 Thiết kế nguồn điện cấp cho mạch 4.1.1 Mô hình biến đổi điện áp Nhóm 1 chúng em chọn giải pháp là dùng điện áp xoay chiều từ 220v thành điện áp 5v chuyển đổi trực tiếp từ điện lưới Ta sử dụng bộ nguồn xuay chiều... giới thiệu IC ổn áp LM7805 Hình 4.1.2 IC ổn áp LM7805 28 IC ổn áp LM7805 có tác dụng ổn áp điện áp đầu ra, trong mạch này chúng em sử dụng LM7805 để có mức điện áp đầu ra ổn định ở 5V IC này có 3 chân, chức năng từng chân như sau: - Chân input là chân đầu vào nối với nguồn điện trong khoảng 9V đến 15V - Chân output là chân ra của dòng điện sau khi ổn áp - Chân GND 4.2 Thiết kế mạch điều khiển 4.2.1... WR: Write, điều khiển ghi dữ liệu Trong mạch nguyên lý, chúng em sử dụng : - Port 2, từ chân P2.0 đến P2.7 để điều khiển 8 lớp LED Port1, từ chân P1.0 đến P1.2 để xuất tín hiệu điều khiển tới các cột Hình 4.2.1 IC điều khiển AT89S52 30 4.2.2 Giới thiệu về IC ghi dịch 74HC595 Hình 4.2.2 IC ghi dịch 74HC 595 IC HC74595 là IC ghi dịch được đóng dưới đạng 16 chân Chức năng hoạt động của từng chân: - Chân... thuật Khung LED phải vuông vắn và chắc chắn; Các mối hàn để kết nối các con LED đơn phải đẹp Chú ý trong quá trình hàn phải thường xuyên kiểm tra xem LED còn sống hay đã chết để còn thay thế kịp thời, khi kiemr tra LED đồng hồ thì phải rút điện nguồn LED 34 ... LED 15 3.2.2 Lập trình #include #include sbit CLK=P1^0; sbit DATA=P1^1; sbit STR=P1^2; // khai bao cac lop led sbit L1=P2^0; sbit L2=P2^1; sbit L3=P2^2; sbit L4=P2^3; sbit L5=P2^4; sbit L6=P2^5; sbit L7=P2^6; sbit L8=P2^7; //KHAI BAO CAC TEMP CHUA CHAN LED unsigned char temp1,temp2,temp3,temp4,temp5,temp6,temp7,temp8; unsigned char i,j; //tao chuong trinh tre void delay(unsigned... chiều 110/220 VAC sang điện áp một chiều - Điện áp vào: 85 170-264VAC - Dòng đầu vào: Đầu ra: Công suất: 1.3A/115V 0.65A/230V 5V/10A 50W - Tần số: 47 Biến áp và mạch cấp nguồn 5V Hình 4.1.1a sơ đồ khối mạch cấp nguồn 5V có ổn áp 27 Hình 4.1.1b: Sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều đã chỉnh dòng Ghi chú: Điện áp vào : 220v Điện áp ra : 5v Mạch dùng 4 diode lắp theo dạng cầu , dùng 4 diode này... chân này ở mức 1, IC xuất dữ liệu qua các đầu song song 1,2,3,4,5,6,7,15 Trong mạch nguyên lý chúng em dùng 8 chân xuất dữ liệu song song 1,2,3,4,5,6,7,15 để xuất dữ liệu cho 8 lớp LED 31 4.2.3 Giới thiệu IC đệm 74HC245 Hình 4.2.3 IC ghi đệm 74HC245 IC 74HC245 có tác dụng đệm dữ liệu 2 chiều Dùng trong mạch có nhiều linh kiện mắc song song IC có 20 chân, chức năng của từng chân như sau: - DIR 1 là . Dùng phần mềm Solid Work thiết kế mô hình dạng cơ khí. 1.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 4 Đề tài thiết kế khối LED vuông 8x8x8 có thể mở rộng ra thành thiết kế khối LED vuông 10x10x10 hoặc 16x16x16. thiết kế bằng Solid Work với các mô hình đế, bảng mạch điều khiển và mô hình bản vẽ lắp. Hình 3.1.1 Mô hình mạch điều khiển 9 Hình 3.1.2 Mô hình bản vẽ lắp 10 Hình 3.1.3 Mô hình chân đế LED 11 3.1.2. ứng dụng cụ thể và thường gặp nhất. LED 3D có cấu trúc dạng khối 3 chiều, có hình dạng khác nhau; Đề tài của chúng em là thiết kế một khối LED 3D vuông. LED 3D 8x8x8 được dùng để hiển thị các