Thiết kế bảng điện tử dùng trong bóng đá

LỜI NÓI ĐẦU Lịch sử nhân loại chứng kiến cách mạng khoa học kĩ thuật gần cách mạng công nghệ thông tin Với trợ giúp máy tính hệ thống máy tính, người nâng cao suất tự động hóa ngày hiệu Tuy nhiên, nói đến máy tính phải nói đến lĩnh vực quan trọng gấp bội, công nghiệp điện tử Nền công nghiệp điện tử sản phẩm tảng cho việc đời máy tính sâu xa sản xuất đại ngày Các sản phẩm công nghiệp điện tử sâu vào đời sống cuốc gia, vùng lãnh thổ người Công nghiệp điện tử lĩnh vực thiếu tất khía cạnh sống đại ngày Nằm chương trình đào tào kĩ sư công nghệ thông tin chuyên nghành kỹ thuật máy tính Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên Em thầy cô tận tình hướng dẫn thực nghiên cứu thiết kê đề tài ’’Thiết kế bảng điện tử dùng bóng đá’’ đề tài hay có khối lượng công việc lớn bao gồm khí, điện tử, lập trình điều khiển có độ xác cao ứng thực tế Trong trình thực đồ án, em tính toán thiết kế cho trình hoạt động bảng điện tử tối khả mình, công nhiều nhất.Tuy nhiên em gặp nhiều khó khăn việc thiết kế thời gian kinh nghiệm nên bảng điện tử chưa mong muốn, kính mong thầy, cô bạn đóng góp ý kiến để đề tài em hoàn thiện MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÚNG 1.1 Giới thiệu hệ thống nhúng .7 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Lịch sử phát triển 1.1.3 Cấu trúc hệ thống nhúng 1.2 Đặc điểm 10 1.2.1 Đặc điểm chung hệ thống nhúng 10 1.3 Giao diện hệ thống nhúng 11 1.4 Kiến trúc CPU 11 1.5 Thiết bị ngoại vi .11 1.6 Công cụ phát triển 12 1.7 Độ tin cậy 12 1.8.Vấn đề thời gian thực 13 1.9 Các đặc trưng hệ thống nhúng 14 1.10 Các hệ điều hành nhúng phần mềm nhúng .15 1.10.1 Các hệ điều hành nhúng 15 1.10.2 Phần mềm nhúng (Embedded Software) .15 1.10.3 Phần cứng nhúng .16 1.10.4 Các VĐK cho hệ thống nhúng 17 1.11 Xu hướng phát triển vấn đề tồn hệ thống nhúng .18 1.11.1 Xu hướng phát triển 18 1.11.2 Những thách thức vấn đề tồn hệ nhúng 19 1.12 Mộ số ứng dụng hệ thống nhúng 19 1.13 Kết luận 20 CHƯƠNG .20 HỌ VI ĐIỀU KHIỂN MCS51 .20 2.1 Giới thiệu họ vi điều khiển 20 2.2 Từ vi xử lý đến vi điều khiển 21 2.3 Cấu trúc , tính vi điều khiển 8051 22 2.3.1 Cấu trúc 8051 22 2.3.2 Đơn vị xử lý trung tâm 23 2.3.3 Các bus .23 2.3.4 Bộ nhớ 23 2.3.5.Cổng vào/ra song song .24 2.3.6 Cổng vào/ra nối tiếp 24 2.3.7 Bộ đếm/bộ định thời 25 2.4 Một số chip thuộc họ MSC-51 25 2.5 Sơ đồ chân 8051 26 2.5.1 Cổng P0 .27 2.5.2.Cổng P1 28 2.5.3 Cổng P2 .29 2.5.4 Cổng P3 .30 2.6.Chân VCC 31 2.7.Chân GND 31 2.8 Chân XTAL1 XTAL2 31 2.9 Chân RST 32 2.10 Chân EA 32 2.11 Chân PSEN .33 2.12 Chân ALE .33 2.13 Tổ chức nhớ 33 2.13.1.Tổ chức nhớ .33 2.13.2 Tổ chức nhớ .34 2.14 Bộ nhớ chương trình 35 2.15 Bộ nhớ liệu 36 2.16 Bộ nhớ chương trình nhớ liệu dùng chung .37 CHƯƠNG THIẾT KẾ , XÂY DỰNG MẠCH 38 3.1 Phương án thiết kế mạch 38 3.2 Giới thiệu linh kiện .38 3.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động led 38 3.2.2 Nguyên lý hoạt động led .39 3.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động led matrix 8x8 39 3.4 Cấu tạo nguyên lý hoạt động IC74HC573 40 3.4.1 Cấu tạo IC 74HC573 40 3.4.2 Nuyên lý hoạt động IC 74HC573 41 3.5 Cấu tạo nguyên lý hoạt động IC 74HC595 42 3.5.1 Cấu tạo IC 74HC595 42 3.5.2 Nguyên lý hoạt động IC 74HC595 42 3.7 Cấu tạo nguyên lý hoạt động bàn phím 3x4 43 3.7.1 Nguyên lý hoạt động bàn phím 3x4 43 3.7.2 Nguyên lý quét bàn phím 3x4 43 3.8.Mạch nguyên lý khối công suất 44 3.9.Mạch nguyên lý khối conector(kết nối) 44 3.8 Sơ đồ khối chức .45 3.8.1 Sơ đồ khối hiển thị 45 3.8.2 Sơ đồ khối xử lý 45 3.8.3 Sơ đồ thuật toán chương trình 46 3.9.Xây dựng chương trình dùng phần mềm keil C .49 3.9.1 Khởi tạo project chon new project (Cách lập trình keil C) .49 3.9.1 Lựa chọn vi xử lý 49 3.9.2 Lựa chọn new file 50 3.9.3 Tạo file manhkha.c .50 .50 3.9 Mạch mô chương trình 51 3.9.1.Giao diện ban đầu khởi động chương trình .51 3.9.1.Chương trình tỷ số trận đấu 52 3.9.1.Chương trình hiển thị thời gian bù .53 3.9.2.Chương trình hiển thị thời gian bù trận đấu 54 3.10.Thiết kế mạch phần cứng 54 3.10.1.Linh kiện dùng thiết kế phần cứng 54 3.10.1 Sơ đồ mạch in khối hiển thị .55 3.11.11 Sơ đồ mạch in khối điều khiển 55 3.12 Kết thực nghiệm .56 3.12.1 Giao diện mạch ban đầu cấp nguồn nuôi 56 56 Khối hiển thị led matrix 8x8 56 IC 74HC595 .56 Khối hiển thị led đoạn 56 IC74HC573 56 Khối vi xử lý kép 56 Khối bàn phím 56 3.12.2 Giao diện mạch chế độ thời gian bù .57 57 3.12.3 Giao diện mạch chế độ hiển thị tỷ số trận đấu bóng đá 58 3.12.3 Giao diện mạch chế độ hiển thay người bóng đá 59 KẾT LUẬN 60 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình1.1: Một số hình ảnh ứng dụng hệ thống nhúng Hinh 1.2: Kiến trúc điển hình chip VXL/VĐK nhúng .9 Hình 1.3: Phân bố quan hệ hệ nhúng thời gian thực 13 Hình 1.4 – Hệ thống nhúng tích hợp giày thể thao thông minh hãng Adidas 16 Hình 1.5– Hệ thống camera 16 giám sát không dây .16 Hinh 1.6: Các hình ảnh minh họa ứng dụng HTN 19 Hình 2.1 : Hệ thống vi xử lý so sánh với hệ thống vi điều khiển 22 Hình 2.3: Sơ đồ chân 8051 27 Hình 2.4: Cổng P0 với điện trở kéo .28 Bảng 3.1 cung cấp chức khác cống P3 Thông tin áp dụng cho 8051 8031 30 Hình 2.5 : a) Nối XTAL tới 8051 b) Nối XTAL tới nguồn đồng 31 Hình 2.6: a) Mạch tái bật nguồn RESET b) Mạch tái bật nguồn với Debounce 32 Hinh 2.7 : Tổ chức nhớ RAM họ µC8051 34 Hình 2.9: Giao tiếp nhớ chương trình 36 Hinh 2.10: Giao tiếp nhớ liệu 36 Hình 2.11 : Giao tiếp nhớ chương trình liệu dùng chung 37 Hình 3.1 Led 38 Hình 3.2 Sơ đồ mạch nguyên lý led .39 Hình 3.2 led matrix 8x8 .39 Hình 3.3.Sơ đồ nguyên lý led matrix 8x8 .40 Hình 3.4 IC 74HC573 .40 Hình 3.5 nguyên lý hoạt động IC74HC573 41 Hình 3.6 IC 74HC595 42 Hình 3.8 Bàn phím 43 Hình 3.9 Mạch nguyên lý khối công suất 44 Hình 3.10 Mạch nguyên lý khối conector 44 Hình 3.11 Khối hiển thị 45 Hình 3.12 Sơ đồ khối xử lý 46 Hình 3.13 Sơ đồ thuật toán vi xử lý 1(CPU1) .46 Giải thích sơ đồ thuật toán chương trình vi xử lý 1(CPU1) 47 Hinhd 3.14.Sơ đồ thuật toán vi xử lý 2(CPU2) 48 Hinhd 3.15 Khởi tạo project chon new project 49 Hinhd 3.16 Lựa chọn vi xử lý .49 Hinhd 3.17 Lựa chọn new file .50 Hinhd 3.19 Tạo file hoangmanhkha.c 50 Hình 3.20 Dịch chương trình sang file.hex 51 Hình 3.21 Giao diện phần mềm proteus 51 Hình 3.22 Giao diện phần mềm proteus .52 Hình 3.24 Giao diện phần mềm proteus 54 Hình 3.25 Sơ đồ mạch in khối hiển thị 55 Hình 3.26 Sơ đồ mạch in khối điều khiển 55 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÚNG 1.1 Giới thiệu hệ thống nhúng 1.1.1 Định nghĩa Hệ thống nhúng (Embedded System): Là thuật ngữ để hệ thống có khả tự trị (có khả tự điều khiển mà không cần tác động bên ngoài) nhúng vào môi trường hay hệ thống mẹ Hệ thống nhúng có vai trò đảm nhận công việc cụ thể hệ thống mẹ Hệ thống nhúng hệ thống phần cứng, hệ thống phần mềm hệ thống kết hợp phần cứng lẫn phần mềm Hình1.1: Một số hình ảnh ứng dụng hệ thống nhúng Hệ thống nhúng thiết kế để thực chức chuyên biệt hệ thống lớn, phức tạp Khác với máy tính đa chức năng, chẳng hạn máy tính cá nhân, hệ thống nhúng thực một vài chức định, thường kèm với yêu cầu cụ thể bao gồm số thiết bị máy móc phần cứng chuyên dụng mà ta không tìm thấy máy tính đa nói chung Vì hệ thống xây dựng cho số nhiệm vụ định nên nhà thiết kế tối ưu hoá nhằm giảm thiểu kích thước chi phí sản xuất Các hệ thống nhúng thường sản xuất hàng loạt với số lượng lớn Hệ thống nhúng đa dạng phong phú chủng loại Đó thiết bị cầm tay nhỏ gọn đồng hồ kỹ thuật số hay máy chơi nhạc MP3, sảm phẩm lớn thiết bị điều khiển đèn giao thông, kiểm soát nhà máy hệ thống kiểm soát máy lượng hạt nhân Xét độ phức tạp, hệ thống nhúng đơn giản với vi điều khiển phức tạp với nhiều đơn vị, thiết bị ngoại vi mạng lưới lắp ráp nhỏ gọn lớp vỏ máy lớn 1.1.2 Lịch sử phát triển Hệ thống nhúng Apollo Guidance Computer (Máy tính dẫn đường Apollo) phát triển Charles Stark Draper phòng thí nghiệm trường đại học MIT Hệ thống nhúng sản xuất hàng loạt máy dẫn đường cho tên lửa quân vào năm 1961 Nó máy dẫn đường Autonetics D-17, xây dựng sử dụng từ bóng bán dẫn đĩa cứng để làm nhớ Khi Minuteman II đưa vào sản xuất năm 1996, D-17 thay với máy tính sử dụng mạch tích hợp Tính thiết kế chủ yếu máy tính Minuteman đưa thuật toán lập trình lại sau để điều khiển tên lửa xác hơn, máy tính kiểm tra hoạt động tên lửa, giảm trọng lượng cáp điện đầu nối điện Từ ứng dụng vào năm 1960, hệ thống nhúng giảm giá phát triển mạnh mẽ khả xử lý Bộ xử lý hướng tới người tiêu dùng Intel 4004, phát minh phục vụ máy tính điện tử hệ thống nhỏ khác Tuy nhiên cần chip nhớ hỗ trợ khác Vào năm cuối năm 1970, xử lý 8-bit sản xuất, nhìn chung chúng cần đến chip nhớ bên Vào thập niên 80, kỹ thuật mạch tích hợp đạt trình độ cao dẫn đến nhiều thành phần tích hợp vào chip xử lý Các vi xử lý gọi vi điều khiển chấp nhận rộng rãi Với giá thấp, vi điều khiển trở nên hấp dẫn để xây dựng nên hệ thống chuyên dụng Đã có bùng nổ số lượng hệ thống nhúng tất lĩnh vực thị trường số nhà đầu tư sản xuất theo hướng Ví dụ, nhiều chip xử lý đặc biệt xuất với nhiều giao diện lập trình kiểu song song truyền thống để kết nối vi xử lý Vào cuối năm 80, hệ thống nhúng trở nên phổ biến hầu hết thiết bị điện tử, khuynh hướng tiếp tục tận Khái niệm hệ thống nhúng nhiều người chấp nhận là: hệ thống thực số chức đặc biệt có sử dụng vi xử lý Không có hệ thống nhúng có phần mềm 1.1.3 Cấu trúc hệ thống nhúng Các hệ nhúng hệ kết hợp phần cứng phần mềm cách tối ưu Một số đặc trưng hệ nhúng tính chuyên dụng bị ràng buộc hoạt động chế độ thời gian thực, hạn chế nhớ, lượng giá thành mà lại đòi hỏi hoạt động tin cậy tiêu tốn lượng Các vi xử lý vi điều khiển sử dụng rộng rãi sản phẩm hệ thống nhúng Một sản phẩm nhúng sử dụng vi xử lý (hoặc vi điều khiển) để thực nhiệm vụ mà Các khối chức hệ vi xử lý/vi điều khiển nhúng gồm: Đơn vị xử lý trung tâm (CPU) Bộ nhớ gồm có nhớ chương trình nhớ liệu Thiết bị vào (Input) Thiết bị (Output) Hinh 1.2: Kiến trúc điển hình chip VXL/VĐK nhúng 1.1.4 Đơn vị xử lý trung tâm CPU- Central Processing Unit Đóng vai trò não chịu trách nhiệm thực thi phép tính thực lệnh Phần CPU đảm nhiệm chức đơn vị xử lý toán học ALU (Arthimetic Logic Unit) Ngoài để hỗ trợ cho hoạt động ALU có thêm số thành phần khác giải mã (decoder), (sequencer) ghi (registers) Trong hệ thống nhúng thường sử dụng loại CPU đa dụng - thiết bị ngoại vi như: nhớ, cổng vào tích hợp sẵn chip 8051, 8031, 8052, 8032, AT89C51, AT89S52 1.1.5 Bộ nhớ (Memory) Nhìn chung có hai loại nhớ nhớ chương trình nhớ liệu Bộ nhớ chương trình dùng để chứa mã chương trình hướng dẫn CPU thực nhiệm vụ kể số loại ROM, PROM, EPROM, Flash Bộ nhớ liệu nhớ dùng để chứa liệu (bao gồm tham số, biến tạm thời, ) Bộ nhớ sử dụng để chứa mã chương trình liệu điều khiển hoạt động hệ thống, thường tích hợp sẵn chip 1.1.6 Các ghép nối vào/ra Các mạch ghép nối vào/ra mạch điện tử cho phép CPU trao đổi liệu với giới bên 1.1.7 Bộ định thời Đây ngoại vi thiết kế để thực nhiệm vụ đơn giản: đếm xung nhịp Mỗi có thêm xung nhịp đầu vào đếm giá trị đếm tăng lên đơn vị 1.1.8 Bộ tạo xung nhịp Bộ tạo xung tạo mạch thạch anh có tần số thích hợp bảo đảm tần số hoạt động cho toàn hệ thống 1.1.9 Nguồn nuôi Cung cấp lượng cho hệ thống 1.2 Đặc điểm 1.2.1 Đặc điểm chung hệ thống nhúng Các hệ thống nhúng thiết kế để thực số nhiệm vụ chuyên dụng đóng vai trò hệ thống máy tính đa chức Một số hệ thống đòi hỏi ràng buộc tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo độ an toàn tính ứng dụng, số hệ thống không đòi hỏi ràng buộc chặt chẽ, cho phép đơn giản hoá hệ thống phần cứng để giảm thiểu chi phí sản xuất Một hệ thống nhúng thường khối riêng biệt mà khối phức tạp nằm thiết bị mà điều khiển Phần mềm viết cho hệ thống nhúng gọi firmware lưu trữ chip nhớ đọc (read- only memory) nhớ flash (tích hợp sẵn CPU) ổ đĩa Phần mềm thường chạy với số tài nguyên phần cứng hạn chế: bàn phím, hình có với kích thước nhỏ, nhớ hạn chế 10 for(m=0;m[...]... ảnh minh họa ứng dụng của HTN Trong thế giới thực của chúng ta bất kỳ một thiết bị hay hệ thống điện, điện tử có khả năng xử lí thông tin và điều khiển đều có thể tiềm ẩn một hệ nhúng bên trong ví dụ như các thiết bị truyền thông, thiết bị đo lường điều khiển, các thiết bị phục vụ sinh hoạt hàng ngày như lò vi sóng, máy giặt, camera…Rất dễ dàng để có thể kể ra hàng loạt các thiết bị hay hệ thống như vậy... phép các nhà thiết kế tối ưu và đơn giản hóa rất nhiều cho các bước phát triển và xây dựng hệ nhúng Vi điều khiển thực chất có thể coi là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển thực chất là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với... sản phẩm nhúng Phần mềm nhúng ngày nay có tỷ lệ giá trị cao trong giá trị của các sản phẩm nhúng Hiện nay phần lớn các phần mềm nhúng nằm trong các sản phẩm truyền thống và các sản phẩm điện tử tiêu dùng (consumer electronics), tiếp đến là trong các sản phẩm ô tô, phương tiện vận chuyển, máy móc, thiết bị y tế, các thiết bị năng lượng, các thiết bị cảnh báo bảo vệ, các sản phẩm đo và điều khiển Để có... một số chân của IC dùng để giao tiếp với thế giới bên ngoài IC Giao tiếp ở đây là đưa điện áp ra hoặc đọc vào giá trị điện áp tại chân cổng Các giá trị điện áp đưa ra hay đọc vào được thể hiện bằng một trong hai giá trị logic (0 hoặc 1) Trong kỹ thuật vi xử lý người ta thường dùng quy ước logic dương: giá trị logic 0 ứng với mức điện áp thấp xấp xỉ 0VDC, giá trị logic 1 ứng với mức điện áp cao xấp xỉ... ngoại vi cũng được tích hợp vào trong IC, và người ta gọi các vi xử lý đã được tích hợp thêm bộ nhớ và các ngoại vi là các "vi điều khiển" Việc tích hợp thêm bộ nhớ và các ngoại vi vào trong cùng một IC với CPU tạo ra nhiều lợi ích như giảm thiểu các ghép nối bên ngoài, giảm thiểu số lượng linh kiện điện tử phụ, giảm chi phí cho thiết kế hệ thống, đơn giản hoá việc thiết kế, nâng cao hiệu suất và tính... sáng, rung động, điện từ trường, sinh học ) để tạo nên các hệ thống tự tiếp nhận năng lượng trong quá trình hoạt động 18 1.11.2 Những thách thức và các vấn đề tồn tại của hệ nhúng Hệ nhúng hiện nay còn phải đối đầu với các tồn tại sau: Độ phức tạp của hệ thống tăng cao do đó kết hợp nhiều lĩnh vực đa ngành, kết hợp phần cứng-mềm, trong khi các phương pháp thiết kế và kiểm tra chưa đạt được kết quả Khoảng... lên một đơn vị (trong chế độ đếm tiến/đếm lên) hay giảm đi một đơn vị (trong chế độ đếm lùi/đếm xuống)  Xung nhịp đưa vào đếm có thể là một trong hai loại: Xung nhịp bên trong IC: Đó là xung nhịp được tạo ra nhờ kết hợp mạch dao động bên trong IC và các linh kiện phụ bên ngoài nối với IC Ta có thể ví đó là "nhịp tim" để toàn bộ các phần cứng bên trong vi xử lý (bao gồm cả CPU và các thiết bị ngoại... có thể được nhóm lại như sau: Các thiết bị điều khiển Máy bay, ôtô, tàu lửa tốc độ cao Hệ thống điều khiển tàu trụ Truyền thông Thiết bị y tế Hệ thống đo lường thẩm định Tòa nhà thông minh Thiết trong các dây chuyền sản xuất Rôbốt Các thiết bị quân sự (hệ thống tên lửa, máy bay chiến đấu, tàu chiến ) ……… Mặc dù phạm vi ứng dụng rất đa dạng và khác nhau nhiều về thiết kế vật lý nhưng chúng đều có nguyên... khiển Các vi điều khiển thường có các thiết bị ngoại vi được tích hợp trên chip nhằm giảm kích thước của hệ thống Có rất nhiều loại kiến trúc CPU được sử dụng trong thiết kế hệ nhúng như họ MCS51 Điều này trái ngược với các loại máy tính để bàn, thường bị hạn chế với một vài kiến trúc máy tính nhất định Các hệ thống nhúng có kích thước nhỏ và được thiết kế để hoạt động trong môi trường thường lựa chọn... phần tạo nên hệ nhúng bao gồm lý thuyết điều khiển tự động, thiết kế máy, công nghệ phần mềm, điện tử, vi xử lý, các công nghệ hỗ trợ khác Thách thức đối với độ tin cậy và tính mở của hệ thống: Do hệ thống nhúng thường phải giao tiếp với môi trường xung quanh nên nhiều khi gặp những tình huống không được thiết kế trước để dẫn đến hệ thống bị loạn Trong quá trình hoạt động một số phần mềm thường phải chỉnh ... ứng dụng HTN Trong giới thực thiết bị hay hệ thống điện, điện tử có khả xử lí thông tin điều khiển tiềm ẩn hệ nhúng bên ví dụ thiết bị truyền thông, thiết bị đo lường điều khiển, thiết bị phục... thống nhúng Vi điều khiển thường dùng để xây dựng hệ thống nhúng Nó xuất nhiều dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền... 3.10 .Thiết kế mạch phần cứng 54 3.10.1.Linh kiện dùng thiết kế phần cứng 54 3.10.1 Sơ đồ mạch in khối hiển thị .55 3.11.11 Sơ đồ mạch in khối điều khiển 55 3.12 Kết