thiết kế đồng hồ thời gian thực

thiết kế đồng hồ thời gian thực

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU………. 1

LỜI CÁM ƠN……… … 2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VÀ MÔ TẢ……… 3

1. GIỚI THIỆU……… 3

2. MÔ TẢ……… 5

CHƯƠNG 2: CƠ SƠ LÝ THUYẾT……… … 7

1. GIỚI THIỆU VỀ I2C……… 7

2. IC THỜI GIAN THỰC RTC (REAL TIME CLOCK) DS1307……… 8

3. GIỚI THIỆU VỀ ATMEGA 328P-PU……… 14

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG……… 20

1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ……… 20

2. MẠCH IN……… 20

CHƯƠNG 4: : LƯU ĐỒ GIẢI THUÂT VÀ PHÂN

MỀM……… 23

1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT……… 23

2 PHẦN MỀM……… 24

LƠI NÓI ĐẦU

Với sự ra đời của chip vi điều khiển đã làm cho

công việc thiết kế các ứng dụng số trở nên nhỏ gọn

và mềm dẻo hơn Chúng có thể ứng dụng trong nhiều sản phẩm khác nhau Trong đề tài thiết kế Đồng hồ thời gian thực em đã ứng dụng các tính năng sẵn có của Vi Điều Khiển cụ thể là

ATMEGA 328 vào công việc thiết kế phần mềm và phần cứng để giao tiếp với IC thời gian thực

DS1307 Sau một thời gian tìm hiểu và thực hiện

đề tài dưới sự hướng dẫn của Thầy Trần Văn

Hoàng em đã hoàn thành đồ án Do trình độ còn hạn chế nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi những

sai sót Nhóm chúng em xin được các thầy sửa

chữa, chỉ bảo để hoàn thiện tốt hơn.

CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU VÀ MÔ TẢ

1) GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI :

Thiết kế đồng số có thể hiển thị ngày , giờ , thứ , ngày ,tháng , năm trên LCD 16x2 thông qua giao tiếp với IC DS1307

 Đồng hồ có thể tích hợp hiển thị nhiệt độ phòng thông qua cảm biến nhiệt độ LM35

Sử dụng 3 nút nhấn để chỉnh thơi gian, ngày tháng

1 biến trở đẻ điều khiển sự tương phản của LCD 16x2

Hình ảnh một số linh kiên:

1) Vi điều khiển atmega 328P-PU:

2) LCD 16x2 :

3) IC thơi gian thực DS1307:

4) Cảm biến nhiêt LM35:

2) MÔ TẢ HỆ THỐNG :

1) Giới thiệu khái quát về hệ thống :

 Input: cảm biến nhiêt, tín hiệu đồng hồ thời gian

HIỂN THỊ LCD

IC

LM35 LM35 IC

VI ĐIÊU KHIỂN

VI ĐIÊU KHIỂN

IC DS1307 DS1307 IC

 Khi cấp nguồn cho bộ điều khiển thì khối CPU sẽ cho đồng

hồ hoạt đông và hiển thị lên LCD 16x2 Khi ngừng cấp nguồn cho bộ điều khiển thì CPU sẽ ngừng hoạt động.

 Hình chụp khi đồng hồ hoạt động:

CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÍ THUYẾT

1) Giới thiệu giao tiếp I2C:

Giao thức ưu tiên truyền thông nối tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductor và được gọi là bus I2C Vì nguồn gốc nó được thiết kế là để điều khiển liên thông IC (Inter-Intergrated Circuit) nên nó được đặt tên là I2C Tất cả các chip có tích hợp và tương thích với I2C đều có thêm một giao diện tích hợp trên Chip

để truyền thông trực tiếp với các thiết bị tương thích I2C khác Việc truyền dữ liệu nối tiếp theo hai hướng 8 bit được thực thi theo

3 chế độ sau: f Chuẩn (Standard)—100 Kbits/sec f Nhanh (Fast)—400 Kbits/sec f Tốc độ cao (High speed)—3.4 Mbits/sec Đường bus thực hiện truyền thông nối tiếp I2C gồm hai đường là đường truyền dữ liệu nối tiếp SDA và đường truyền nhịp xung đồng hồ nối tiếp SCL Vì cơ chế hoạt động là đồng bộ nên nó cần

có một nhịp xung tín hiệu đồng bộ Các thiết bị hỗ trợ I2C đều có một địa chỉ định nghĩa trước, trong đó một số bit địa chỉ là thấp có thể cấu hình Đơn vị hoặc thiết bị khởi tạo quá trình truyền thông

là đơn vị Chủ và cũng là đơn vị tạo xung nhịp đồng bộ, điều khiển cho phép kết thúc quá trình truyền Nếu đơn vị Chủ muốn truyền thông với đơn vị khác nó sẽ gửi kèm thông tin địa chỉ của đơn vị

mà nó muốn truyền trong dữ liệu truyền Đơn vị Tớ đều được gán

và đánh địa chỉ thông qua đó đơn vị Chủ có thể thiết lập truyền thông và trao đổi dữ liệu Bus dữ liệu được thiết kế để cho phép thực hiện nhiều đơn vị Chủ và Tớ ở trên cùng Bus Quá trình truyền thông I2C được bắt đầu bằng tín hiệu start tạo ra bởi đơn vị Chủ Sau đó đơn vị Chủ sẽ truyền đi dữ liệu 7 bit chứa địa chỉ của

số lớn nhất MSB sẽ được truyền trước Bit thứ tám tiếp theo sẽ chứa thông tin để xác định đơn vị Tớ sẽ thực hiện vai trò nhận (0) hay gửi (1) dữ liệu Tiếp theo sẽ là một bit ACK xác nhận bởi đơn

vị nhận đã nhận được 1 byte trước đó hay không Đơn vị truyền (gửi) sẽ truyền đi 1 byte dữ liệu bắt đầu bởi MSB Tại điểm cuối của byte truyền, đơn vị nhận sẽ tạo ra một bit xác nhận ACK mới Khuôn mẫu 9 bit này (gồm 8 bit dữ liệu và 1 bit xác nhận) sẽ được lặp lại nếu cần truyền tiếp byte nữa Khi đơn vị Chủ đã trao đổi xong dữ liệu cần nó sẽ quan sát bit xác nhận ACK cuối cùng rồi sau đó sẽ tạo ra một tín hiệu dừng STOP để kết thúc quá trình truyền thông I2C là một giao diện truyền thông đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng truyền thông giữa các đơn vị trên cùng một bo mạch với khoảng cách ngắn và tốc độ thấp Ví dụ như truyền thông giữa CPU với các khối chức năng trên cùng một

bo mạch như EEPROM, cảm biến, đồng hồ tạo thời gian thực Hầu hết các thiết bị hỗ trợ I2C hoạt động ở tốc độ 400Kbps, một số cho phép hoạt động ở tốc độ cao vài Mbps I2C khá đơn giản để thực thi kết nối nhiều đơn vị vì nó hỗ trợ cơ chế xác định địa chỉ.

2)IC THỜI GIAN THỰC RTC (REAL TIME

CLOCK) DS1307:

DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC : Real-time clock), khái niệm thời gian thực ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con người đang sử dụng, tình bằng giây, phút, giờ… DS1307 là một sản phẩm của Dallas Semiconductor (một công ty thuộc Maxim Integrated Products) Chip này có 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm Ngoài ra DS1307 còn có 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ

và 56 thanh ghi trống có thể dùng như RAM DS1307 xuất hiện ở

2 gói SOIC và DIP có 8 chân :

Các chân của DS1307 được mô tả như sau:

 X1 và X2: là 2 ngõ kết nối với 1 thạch anh 32.768KHz làm nguồn tạo dao động cho chip.

 VBAT: cực dương của một nguồn pin 3V nuôi chip.

 GND: chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc.

 Vcc: nguồn cho giao diện I2C, thường là 5V và dùng chung với

vi điều khiển Chú ý là nếu Vcc không được cấp nguồn nhưng VBAT được cấp thì DS1307 vẫn đang hoạt động (nhưng không ghi và đọc được).

 SQW/OUT: một ngõ phụ tạo xung vuông (Square Wave /

Output Driver), tần số của xung được tạo có thể được lập trình Như vậy chân này hầu như không liên quan đến chức năng của DS1307 là đồng hồ thời gian thực, chúng ta sẽ bỏ trống chân này khi nối mạch.

 SCL và SDA là 2 đường giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C.

 Có thể kết nối DS1307 bằng một mạch điện đơn giản như trong hình 2.

Cấu tạo bên trong DS1307 bao gồm một số thành phần như mạch nguồn, mạch dao động, mạch điều khiển logic, mạch giao điện I2C, con trỏ địa chỉ và các thanh ghi (hay RAM) Do đa số các thành phần bên trong DS1307 là thành phần “cứng” nên chúng ta không có quá nhiều việc khi

sử dụng DS1307 Sử dụng DS1307 chủ yếu là ghi và đọc các thanh ghi của chip này Vì thế cần hiểu rõ 2 vấn đề cơ bản đó là cấu trúc các thanh ghi và cách truy xuất các thanh ghi này thông qua giao diện I2C Phần này chúng ta tìm hiểu cấu trúc các thanh ghi trước và cách truy xuất chúng sẽ tìm hiểu trong phần 2, điều khiển DS1307 bằng AVR.

Như tôi đã trình bày, bộ nhớ DS1307 có tất cả 64 thanh ghi 8-bit được đánh địa chỉ từ 0 đến 63 (từ 0x00 đến 0x3F theo hệ hexadecimal) Tuy nhiên, thực chất chỉ có 8 thanh ghi đầu là dùng cho chức năng

“đồng hồ” (tôi sẽ gọi là RTC) còn lại 56 thanh ghi bỏ trông có thể được dùng chứa biến tạm như RAM nếu muốn Bảy thanh ghi đầu tiên chứa thông tin về thời gian của đồng hồ bao gồm: giây (SECONDS), phút (MINUETS), giờ (HOURS), thứ (DAY), ngày (DATE), tháng

(MONTH) và năm (YEAR) Việc ghi giá trị vào 7 thanh ghi này tương đương với việc “cài đặt” thời gian khởi động cho RTC Việc đọc giá từ 7 thanh ghi là đọc thời gian thực mà chip tạo ra Ví dụ, lúc khởi động chương trình, chúng ta ghi vào thanh ghi “giây” giá trị 42, sau đó 12s

8 (CONTROL) là thanh ghi điều khiển xung ngõ ra SQW/OUT (chân 6) Tuy nhiên, do chúng ta không dùng chân SQW/OUT nên có thề bỏ qua thanh ghi thứ 8 Tổ chức bộ nhớ của DS1307 được trình bày trong hình 3.

Thanh ghi giây (SECONDS): thanh ghi này là thanh ghi đầu tiên

trong bộ nhớ của DS1307, địa chỉ của nó là 0x00 Bốn bit thấp của thanh ghi này chứa mã BCD 4-bit của chữ số hàng đơn vị của giá trị giây Do giá trị cao nhất của chữ số hàng chục là 5 (không có giây 60) nên chỉ cần 3 bit (các bit SECONDS 6:4) là có thể mã hóa được (số 5

=101, 3 bit) Bit cao nhất, bit 7, trong thanh ghi này là 1 điều khiển có

tên CH (Clock halt – treo đồng hồ), nếu bit này được set bằng 1 bộ dao động trong chip bị vô hiệu hóa, đồng hồ không hoạt động Vì

vậy, nhất thiết phải reset bit này xuống 0 ngay từ đầu Thanh ghi

phút (MINUTES): có địa chỉ 01H, chứa giá trị phút của đồng hồ

Tương tự thanh ghi SECONDS, chỉ có 7 bit của thanh ghi này được dùng lưu mã BCD của phút, bit 7 luôn luôn bằng 0

Thanh ghi giờ (HOURS): có thể nói đây là thanh ghi phức tạp nhất

trong DS1307 Thanh ghi này có địa chỉ 02H Trước hết 4-bits thấp của thanh ghi này được dùng cho chữ số hàng đơn vị của giờ Do DS1307 hỗ trợ 2 loại hệ thống hiển thị giờ (gọi là mode) là 12h (1h đến 12h) và 24h (1h đến 24h) giờ, bit6 (hình 4) xác lập hệ thống giờ Nếu bit6=0 thì hệ thống 24h được chọn, khi đó 2 bit cao 5 và 4 dùng

mã hóa chữ số hàng chục của giá trị giờ Do giá trị lớn nhất của chữ

số hàng chục trong trường hợp này là 2 (=10, nhị phân) nên 2 bit 5 và

4 là đủ để mã hóa Nếu bit6=1 thì hệ thống 12h được chọn, với trường hợp này chỉ có bit 4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giờ, bit 5 (màu orange trong hình 4) chỉ buổi trong ngày, AM hoặc PM Bit5 =0

là AM và bit5=1 là PM Bit 7 luôn bằng 0

Thanh ghi thứ (DAY – ngày trong tuần): nằm ở địa chỉ 03H.

Thanh ghi DAY chỉ mang giá trị từ 1 đến 7 tương ứng từ Chủ nhật đến thứ 7 trong 1 tuần Vì thế, chỉ có 3 bit thấp trong thanh ghi này có nghĩa Các thanh ghi còn lại có cấu trúc tương tự, DATE chứa ngày trong tháng (1 đến 31), MONTH chứa tháng (1 đến 12) vàYEAR chứa năm (00 đến 99) Chú ý, DS1307 chỉ dùng cho 100 năm, nên giá trị năm chỉ có 2 chữ số, phần đầu của năm do người dùng tự thêm vào (ví dụ 20xx) Ngoài các thanh ghi trong bộ nhớ, DS1307 còn có một thanh ghi khác nằm riêng gọi là con trỏ địa chỉ hay thanh ghi địa chỉ (Address Register) Giá trị của thanh ghi này là địa chỉ của thanh ghi

trong bộ nhớ mà người dùng muốn truy cập

3) GIỚI THIỆU VỀ ATMEGA 328P-PU:

 Giới thiệu khái quát:

 Vi điều khiên Atmega328P-PU có các tính năng như

 Nhiều ngõ vào ra (I/O port )2 hướng rectional)

(bi- 2 bộ timer counter 8 bit với Separate và Compare Modes

 1 Timer/Counter 16-bit với Separate Prescaler, Compare Mode và

-Capture Mode.

-4 kênh PWM.

-8 kênh chuyển đổi ADC 10-bit -8 kênh chuyển đổi ADC 10-bit -Giao diện nối tiếp USART( tương thích chuẩn nối tiếp RS-232)

-Giao diện nối tiếp Two-wire Serial( tương thích chuẩn I2C )

-Bộ Watchdog Timer có khả năng lập trình được với bộ dao động

…………

 Sơ đồ chân của Atmega328:

externally pulled low will source current if the pull-up

resistors are activated The Port B pins are tri-stated when a reset condition becomes active, even if the clock is not

running

Depending on the clock selection fuse settings, PB6 can be used as input to the inverting Oscil- lator amplifier and input

to the internal clock operating circuit.

Depending on the clock selection fuse settings, PB7 can be used as output from the inverting Oscillator amplifier.

If the Internal Calibrated RC Oscillator is used as chip clock source , PB7 6 is used as TOSC2 1 input for the

Asynchronous Timer/Counter2 if the AS2 bit in ASSR is set

 Port C ( PC0:5)

Port C is a 7-bit bi-directional I/O port with internal pull-up resistors (selected for each bit) The PC5 0 output buffers have symmetrical rive characteristics with both high sink and source capability As inputs, Port C pins that are externally pulled low will source current if the pull-up resistors are

activated The Port C pins are tri-stated when a reset condition becomes active, even if the clock is not running

 PC6/RESET

If the RSTDISBL Fuse is programmed, PC6 is used as an I/O pin Note that the electrical char- acteristics of PC6 differ from those of the other pins of Port C

If the RSTDISBL Fuse is unprogrammed, PC6 is used as a Reset input A low level on this pin for longer than the

minimum pulse length will generate a Reset, even if the clock

is not running Shorter pulses are not guaran- teed to generate

activated The Port D pins are tri-stated when a reset condition becomes active, even if the clock is not running

 AVCC

AVCC is the supply voltage pin for the A/D Converter,

PC3:0, and ADC7:6 It should be externally connected to VCC, even if the ADC is not used

If the ADC is used, it should be connected to VCC through a low-pass filter Note that PC6 4 use digital supply voltage, VCC

 AREF

AVCC is the supply voltage pin for the A/D Converter,

PC3:0, and ADC7:6 It should be externally connected to VCC, even if the ADC is not used If the ADC is used, it should be connected to VCC through a low-pass filter Note that PC6 4 use digital supply voltage, VCC

 AREF

AREF is the analog reference pin for the A/D Converter.

 ADC7:6 (TQFP and QFN/MLF Package Only)

In the TQFP and QFN/MLF package, ADC7:6 serve as analog inputs to the A/D converter These pins are powered from the analog supply and serve as 10-bit ADC channels

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

1) SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ:

S ơ đồ đi dây

CHƯƠNG 4: LƯU ĐỒ GIẢI THUÂT VÀ PHÂN MỀM

1) LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT:

12h và 24h

Chỉnh thời gian()

byte decToBcd(byte val){

// Convert normal decimal numbers to binary coded decimal

return ( (val/10*16) + (val%10) );

}

byte bcdToDec(byte val) {

// Convert binary coded decimal to normal decimal numbers

return ( (val/16*10) + (val%16) );

Wire.endTransmission();

int second = bcdToDec(Wire.read()); int minute = bcdToDec(Wire.read()); if(dem==1){

Wire.write(decToBcd(second));

Wire.write(decToBcd(minute));

Wire.write(decToBcd(hour)|(dem<<6)|(v<<5) ); Wire.write(decToBcd(weekDay));

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("2 chinh ngay "); if(digitalRead(nut2)==0){ delay(300);

if(digitalRead(nut2)==0){ delay(300);

if(v==1&& m==2) m=0; }

if(dem==0){

if(i==20 && m==4)m=0; }

if(m==10) m=0;

hour=m+k;

}

if(a==3) {

v=1;

}

if(m>1){

m=0;

Wire.write(decToBcd(second));

Wire.write(decToBcd(minute));

if(dem==0) Wire.write(decToBcd(hour));

if(dem==1) Wire.write(decToBcd(hour)|(dem<<6)|(v<<5) );

while(b==1){

if(digitalRead(nut1)==0){ delay(300);

if(p==0) month= bien4+p;

if(p>0) month= bien4+p-1;

if( month<10) luu= month;

if(p>10) month = month - luu; lcd.print(bien4);

if(year >10 ) year = year -nho;

if(month >2) g = (( (( year /4) + year) % 7) +g); if(month<=2 ) {

if ( (year%2)!=0 || (year%4)!=0 ) g= (( (( year /

/*Wire.write(decToBcd(second));

Wire.write(decToBcd(minute));

if(dem==0) Wire.write(decToBcd(hour));

if(dem==1) Wire.write(decToBcd(hour)|(dem<<6)|(v<<5) );*/