Đề tài thiết kế mạch hiển thị ma trận LED

Xuất phát từ những nguyên nhân khách quan đó, ý tởng về việc thiết kế hệ thống đèn LED đợc điều khiển bằng máy tính đã hình thành nhằm tận dụng đặc tính mềm dẻo của phần mền cộng với tín

Hiện nay, việc quảng cáo đang găn liền với tất cả mọi lĩnh vực trong cuộc sống của chúng ta Từ kinh tế, chính trị, xã hội đến vui chơi giải trí đều cần có quảng cáo Nhng phải quảng cáo thế nào? Bài tập này em sẽ đa ra một phơng thức quảng cáo rất hiệu quả Đó là quảng cáo thông qua một hệ thống đèn LED hiện thị chữ, đây là một hệ thống rất có triển vọng phát triển trong tơng lai Nó

đem lại cho các nhà thiết kế quảng cáo một phơng tiện lý tởng để hiện thực hoá

ý tởng của mình một cách hoàn hảo nhất, đem lại những lợi ích kinh tế không thể đo đếm đợc Xuất phát từ những nguyên nhân khách quan đó, ý tởng về việc thiết kế hệ thống đèn LED đợc điều khiển bằng máy tính đã hình thành nhằm tận dụng đặc tính mềm dẻo của phần mền cộng với tính khả thi của phần cứng Do

điều kiện khách quan và khả năng có hạn nên ở đây em chỉ nêu ra phần điều khiển ở mạch ngoài và đặt yêu cầu đối với phần mềm điều khiển trong máy tính khi đa dữ liệu qua cổng song song của máy in

Nh đã nói ở trên, bài tập này có ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực thông tin quảng cáo đặc biệt là trong thời đại thông tin hiện nay, khi mà thông tin quảng cáo phải luôn luôn đợc cập nhật hay nói cách khác là phải linh hoạt trong việc đa thông tin đến công chúng Bài tập này có thể áp dụng cho những khu vực công cộng, công sở sàn giao dịch chứng khoán… với nhiều mục đích khác nhau không đơn giản là quảng cáo thông thờng Tuy nhiên trong khuôn khổ của bài tập này em chỉ xin giới thiêu một mô hình thu nhỏ của cả hệ thống lớn với khả năng mở rộng rất cao

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Nam Quân, ngời đã trực tiếp hớng dẫn em

Hà nội, tháng 6 năm 2004

I.tổng quan về đề tài 1.ý t ởng:

Hiện nay, việc quảng cáo đang găn liền với mọi tất cả mọi lĩnh vực trong cuộc sống của chúng ta Từ kinh tế, chính trị, xã hội đến vui chơi giải trí đều cần

có quảng cáo Nhng phải quảng cáo thế nào? Bài tập này em sẽ đa ra một phơng

thức quảng cáo rất hiệu quả Đó là quảng cáo thông qua một hệ thống đèn LED hiện thị chữ, đây là một hệ thống rất có triển vọng phát triển trong tơng lai Nó

đem lại cho các nhà thiết kế quảng cáo một phơng tiện lý tởng để hiện thực hoá

ý tởng của mình một cách hoàn hảo nhất, đem lại những lợi ích kinh tế không thể đo đếm đợc Xuất phát từ những nguyên nhân khách quan đó, ý tởng về việc thiết kế hệ thống đèn LED đợc điều khiển bằng máy tính đã hình thành nhằm tận dụng đặc tính mềm dẻo của phần mền cộng với tính khả thi của phần cứng

2.ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

2

Nh đã nói ở trên, đề tài này có ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực thông tin, quảng cáo, đặc biệt là trong thời đại thông tin hiện nay, khi mà thông tin quảng cáo phải luôn luôn đợc cập nhật hay nói cách khác là phải linh hoạt trong việc

đa thông tin đến công chúng Bài tập này có thể áp dụng cho những khu vực công cộng, công sở sàn giao dịch chứng khoán… với nhiều mục đích khác nhau không đơn giản là quảng cáo thông thờng Tuy nhiên trong khuôn khổ của bài tập này em chỉ xin giới thiêu một mô hình thu nhỏ của cả hệ thống lớn với khả năng mở rộng rất cao

II nghiên cứu về đề tài 1.Các ph ơng pháp hiển thị:

3 Phần này sẽ giới thiêu sơ qua về các phơng tiện dùng để hiện thị cũng nh u

nhợc điểm của từng phơng pháp

4

1.1 Sử dụng màn hiển thị CRT:

-Đèn hình tia âm cực CRT (Cathode Ray Tube) có thể nói là một phơng tiện hiện thị thông dụng nhất, nói đến hiện thị thì ai cũng nghĩ đến đèn hình, đó chính là CRT Không chỉ là phơng tiện giải trí thông thờng, từ lầu ngời ta đã dùng nó để phục vụ cho mục đích hiển thị các thông tin khác trong đó thông tin quảng cáo tại vị trí công cộng

5

trắng (256 màu thang độ sáng) theo ý

muốn

- Hình ảnh trung thực rõ nét do CRT có

các điểm ảnh nhỏ

- Dễ dàng bảo trì, bảo dỡng vì linh kiện

thay thế sẵn có

chế tạo không có nhiều cải tiến

- Điều khiển khá phức tạp do cần phải chuyển đổi giữa các đầu vào số và tơng tự

- Cấu trúc phức tạp, cồng kềnh, khó di chuyển khi cần thiết

1.2 Bằng đèn điện:

-Đợc dùng nhiều trong các quảng cáo thông thờng, không cần các chu trình phức tạp, thờng dùng bóng sợi đốt hoặc đèn neon màu

- Lắp đặt, di chuyển dễ dàng tại những

vị trí khách nhau

- Có thể tạo hình đơn giản đến phức tạp

mà không cần đến mạch điện phức tạp

đi kèm ( đối với loại đèn neon)

- Màu sắc phong phú độ bền cao đồng

thời giá thành cũng hạ so các thiết bị

khách

- Không tạo đợc các chu trình phức tạp

- Không có khả năng tạo các hiệu ứng khác nhau

- Hệ thống không thể thay đổi trừ khi thay đổi mới hoàn toàn cả hệ thống đèn nên chỉ thích hợp voái nhứng loại biển tĩnh

1.3 Bằng ma trận LED

-Nhắc đến đèn LED là ngời ta nghĩ đến ngay một loại diode phát quang với điện áp nhỏ thờng đợc dung hiện thị trạng thái trong các thiết bị điện tử gia dụng hiện nay nhng trên thực tế, công nghệ chế tạo LED hiện nay không dừng lại ở đó mà vơn tới nhiều lĩnh vực khách nhau nh màn hình phẳng Ti vi, máy tính, hệ thống đèn báo hiệu giao thông, quảng cáo… Ngời ta có thể bắt gặp LED

ở khắp mọi nơi, chính vì vậy đây là một công nghệ rất có tơng lai phát triển

6

- Cực kỳ mềm dẻo với các đầu vào điều

khiển số bởi có thể điều khiển để hiện

thị từng điểm ảnh riêng biệt

- Màu sắc phong phú nhờ sự tổ hợp tối

đa đến 16 bit màu ( 16 tỉ màu ) trên

một điểm ảnh

- Giá thành conf đắt Tuy nhiên nhợc

điểm này đang đợc khắc phục dần do công nghệ LED đang phát triển rất mạnh

- Vận hành phức tạp, cần có kiến thức

về phần mềm cũng nh phần cứng của

nhờ vào tính mềm dẻo của phần mêm

điều khiển

- Bảo trì bảo dỡng khó khăn do hệ thống kha phức tạp bao gồm các sự cố

về phần cứng cũng nh phần mềm

1.4 Kết luận:

-Hiển thị chữ cũng nh hình ảnh có rất nhiều cách, nhng do khuôn khổ đề tài hạn hẹp em chỉ liệt kê một số phơng án khả thi nhất và đợc dùng nhiều nhất Ngoài ra còn có thể dùng LCD, máy chiếu hình… Trong các cách đã kể trên mỗi cách đều có u và nhợc điểm riêng Việc lựa chọn giữa các phơng pháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh khả năng tài chính, yêu cầu ngời dùng cũnh nh tính khả thi của phơng án Do thời gian không cho phép nên trong đề tài này, em chỉ đi sâu vào nghiên cứu một phơng án phù hợp với khả năng nhất, đó chính là việc chế tạo hệ thống đèn quảng cáo mà thiết bị hiển thị chính là một ma trận LED đơn giản làm mô hình cho các hệ thống lớn

2.Các ph ơng pháp điều khiển

-Để tiện cho việc giới thiệu các phơng pháp điều khiển và tập trung vào trọng tâm cuả đề tài, em xin đợc chia phần 2 làm hai phần lớn là điều khiển có kết nối

và không kết nối với máy tính

2.1Không kết nối với máy tính:

-Các phơng pháp này thờng đợc dùng trong các hệ thống quảng cáo không có tính mở nghĩa là không thể thay đổi trừ khi thay đổi phần cứng hệ thống Điều

đó cúng có u điểm là làm cho hệ thống đơn giản, giá thành hạ và có thể vận hành một cách dễ dàng

2.1.1 Dùng mạch điện tử tơng tự

-Lợi dụng đặc tính của các linh kiện thụ động nh điện trở, tụ điện, cuộn cảm cùng các IC thờng dùng nh IC định thời 555, ta có thể chế tạo một mạch

điện đơn giản thực hiện đợc một số chu trình nh chạy chữ, sáng lan tắt dần…

Hình 1.1 Ví dụ về mạch điện điều khiển chu trình sáng tắt của đèn LED

- Mạch điện rất đơn giản, gọn nhẹ và

có khả năng chế toạ hàng loạt thích

hợp hoặc tách rời với bộ phận hiển thị

để thơng mại hoá sản phẩm

- Vận hành dễ dàng, đơn giản, độ bền

của hệ thống rất cao

- Do đầu ra của mạch điều khiển là

t-ơng tự nên thiết bị hiển thị chỉ hạn chế

ở các loại đèn sợi đốt hoặc neon thông thờng

- Không thể thay đổi đợc các chu trình trừ khi thiết kế lại toàn bộ mạch điều khiển

2.1.2 Dùng mạch logic ngoài kết hợp ROM:

-Phơng pháp này phổ biến bởi sự đơn giản của hệ thống và tính khả thi trong việc thơng mại hoá sản phẩm vì nó có thể sản xuất hàng loạt theo yêu cầu của ngời sử dụng

- Việc chế tạo khá đơn giản, giá thành

hạ vì các linh kiện cần thiết rất sẵn có

- Vận hành dễ dàng đơn giản, độ bền

của hệ thống rất cao

- Không mềm dẻo vì việc thay đổi nội dung hiện thị đòi hỏi phải thay đổi về phần cứng của cả hệ thống

- Chỉ thực hiện đợc một số chu trình

đơn giản do hạn chế về dung lợng của

2.1.3 Dùng công tắc điều khiển:

-Có thể coi đây là phơng pháp thủ công nhất, nh ta đã biết LED sẽ sáng khi có điện áp dơng đa vào anode và cathode nối đất, do vậy ta có thể thiết kế một hệ thống các công tắc để điều khiển việc sáng tối của từng LED đơn Đây là một công việc có tính khả thi thấp, suy xét cho cùng thì phơng pháp này chỉ là một trờng hợp cơ bản nhất của bộ nhớ ROM mà thôi

- Cực kỳ đơn giản trong vận hành và

bảo trì, bảo dỡng

- Giá thành của cả hệ thống khống

đáng kể, có thể coi là rẻ nhất trong các

thiết bị điều khiển

- Không khả thi nếu việc thực hiện điều khiển không đợc tự động hoá

2.1.4 Ưu và nhợc điểm chung:

-Cả hai phơng pháp nêu trên đều có chung một u điểm là đơn giản dễ thực hiện nhng cả hai đều cha có đợc sự mềm dẻo cần thiết trong việc thể hiện các ý tởng, điều tối quan trọng trong nghệ thuật quảng cáo

2.2Kết nối với máy tính:

-Máy tính ngày càng đợc biết đến nh một công cụ đa năng có thể đáp ứng đợc tất cả các nhu cầu của con ngời trong mọi lĩnh vực Quảng cáo cũng không nằm ngoài quy luật đó, do vậy việc ứng dụng máy tính trong thiết kế một hệ thống

đèn quảng cáo là điều hoàn toàn khả thi và có triển vọng phát triển đợc

2.2.1 Thực hiện điều khiển trực tiếp:

-Việc điều khiển trong phơng pháp này đợc thực hiện một cách trực tiếp bằng cách đa thẳng tín hiệu điều khiển từ máy tính ra bộ phận hiển thị ngoài

Hình 1.2 Sử dụng trực tiếp cổng giao tiếp để điều khiển đèn LED

- Giá thành hạ, hệ thống đơn giản, dễ

dùng

- Hệ thống gọn nhẹ, có thể kết hợp một

máy tính bất kỳ với bộ phận hiển thị

ngoài

- Không khả thi bởi cha thoả mãn đợc các yêu cầu của một hệ thống chuyên nghiệp

- Khả năng phát triển không cao do giới hạn về phần cứng của máy tính

2.2.2 Điều khiển gián tiếp

- Việc điều khiển thiết bị hiển thị đợc thực hiện một cách gián tiếp thông qua sự phối ghép giữa phần cứng máy tính với mạch điện tử ngoài

-Đảm bảo đợc các yêu cầu của một hệ

thống lớn nh tính ổn định, công suất

lớn…

-Không quá phụ thuộc vào phần cứng

của máy tính, khi máy tính có sự cố có

thể thay thế nóng bằng các đầu vào

điều khiển số khác

7 Hệ thống khá đắt tiền do phải thiết

kế thêm mạch điện tử ngoài

8 Việc bảo trì, bảo dỡng khá khó khăn

bởi hệ thống phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố phần cứng ( máy tính, mạch ngoài ) cũng nh phần mềm

2.2.3 Ưu nhợc điểm chung:

-Bởi đợc điều khiển bằng phần mềm nên hệ thống điều khiển bằng máy tính tận dụng đợc tính mềm dẻo vốn là u thế tuyệt đối của máy tính

-Hệ thống vẫn mắc một số nhợc điểm nh giá thành cao, việc bảo trì khó khăn,

đòi hỏi phải có kiến thức sâu sắc về cấu trúc phần cứng cũng nh phần mềm của máy tính

3.Kết luận chung:

-Các phơng án thiết kế đợc nêu trên chỉ là một trong những phơng án phổ biến và khả thi nhất trên thị trờng hiện nay Nh đã nêu việc lựa chọn giữa các

ph-ơng án phụ thuộc rất nhiều yếu tố Chính vì vậy việc nghiên cứu kỹ yêu cầu, khả năng của ngời dùng trớc khi quyết định thiết kế hệ thống là rất quan trọng Thêm vào đó việc tổ hợp, lai ghép giữa các phơng án thiết kế khối hiển thị cũng nh

điều khiển đòi hỏi sự sáng tạo của ngời thiết kế

-Trong khuôn khổ của đề tài này, do khả năng của bản thân và yêu cầu của đề tài cùng với các phân tích trên, chúng em quyết định chọn phớng án dùng hệ thống đèn LED điều khiển bằng máy tính làm phơng án chính trong đề tài này

III thiết kế hệ thống bảng LED điện tử điều

khiển bằng máy tính 1.Giới thiệu chung về hệ thống:

-Trong phần này để tiện cho việc trình bày cụm từ “hệ thống bảng LED điện

tử điều khiển bằng máy tính” đợc thay thếbằng cụm từ “hệ thống”

-Nhìn một cách tổng quát nhất, hệ thống là sự phối ghép giữa phần cứng của máy tính, mạch điện ngoài dới sự điều khiển của phần mềm cho phép ngời sử dụng tạo đợc các hình ảnh theo ý muốn trên màn hình máy tính để đa ra bảng

đèn LED hiển thị Nhng độ phức tạp của hình ảnh cần hiển thị càng cao thì càng khó thực hiện Chẳng hạn, việc hiển thị một chữ cái chắc chắn là sẽ khác việc vẽ

ra một bông hoa, nếu phần cứng không thay đổi thì chắc chắn đó sẽ là sự thay

đổi về phần mềm hay ngợc lại cũng vậy Một lần nữa chúng ta lại thấy sự linh hoạt trong đề tài này, nếu một ký s thành thạo về phần cứng thì anh ta chỉ có thể dùng máy tính nh một bộ nguồn cung cấp hay là một thiết bị chọn lựa các phơng

án thực thi cho phần cứng, toàn bộ các công việc khác là do phàn cứng đảm nhận, từ việc vẽ đến hiển thị bằng cách bố trí các linh kiện điện tử phù hợp

Ng-ợc lại nếu một kỹ s xuất sắc trong viẹc lập trình thì anh ta có thể chỉ cần một mạch đơn giản với nhiệm vụ tổ hợp và giải mã các trạng thái anh ta đa ra từ chiếc máy tính để rồi điều khiển sự sáng tối của các LED theo ý mình Nh đã biết 1bit có 2 trạng thái là 0 và1; 2 bit có 4 trạng thái 00, 01, 10, 11; 3 bit có 8 trạng thái, 10 bit có 210 = 1024 trạng thái, con số này đối với máy tính là vô cùng nhỏ bé nhng lại là số lợng khủng khiếp của các trạng thái dẫn đến việc có vô vàn cách điều khiển sự sáng tối của các LED hay là tạo ra đợc các hình ảnh mong muốn

1.1 Chức năng của hệ thống:

9 Hệ thống có thể hiện 2 chức năng chính sau:

∗ Thực hiện việc nhập một ký tự từ bàn phím thống qua giao diện của phần mềm điều khiển

∗ Đa ký tự yêu cầu ra ma trận LED 8x8 trên một panel có sẵn

1.2 Yêu cầu của hệ thống:

10 Vì hệ thống là sự phối ghép giữa mạch logic ngoài với phần cứng của máy tính thông qua sự điều khiển của phần mềm nên ta phải đảm bảo đợc các yêu cầu đối với phần cứng và phần mềm sau:

- Một máy tính với các cổng giao tiếp

tơng thích với chuẩn IBM PC còn hoạt

động tốt, không có tranh chấp địa chỉ

nhớ cũng nh ngắt

- Mạch logic ngoài đơn giản, dễ lắp

ghép với các linh kiện có sẵn

- Phần mềm có giao diện đơn giản dễ dùng, thuật toán tối u để có thể can thiệp vào việc điều khiển phần cứng một cách chính xác, nhanh chóng thực hiện yêu cầu của ngời dùng

2.Cơ sở lý thuyết của hệ thống:

-Phần này sẽ giới thiệu cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế phần cứng và phần mềm cũng nh nguyên lý hoạt động của từng phần riêng biệt trong toàn bộ hện thống

2.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống:

- Toàn bộ hệ thống đợc kết nối với nhau theo trình tự lý luận nh Hình 4.1 với

2 khối lớn là khối điều khiển và khối hiển thị Máy tính đóng vai trò trung tâm của khối điều khiển thông qua phần mềm sẽ đa tín hiệu điều khiển qua cổng dữ liệu tới mạch logic ngoài thực hiện điều khiển việc hiển thị của khối hiển thị mà

cụ thể ở đây là ma trận LED

Hình 4.1 Sơ đồ khối tổng quancủa hệ thống

2.2Mạch logic ngoài:

-Nhiệm vụ chính của mạch logic ngoài là đóng vai trò gián tiếp sử dụng dữ liệu điều khiển ra cổng song song để điều khiển sự sáng tắt của ma trận LED để tạo ra hình ảnh theo ý muốn của ngời dùng thông qua giao diện của phần mềm

2.2.1 Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của mạch logic ngoài:

Hình 4.6 Sơ đồ khối của mạch logic ngoài

-Mạch logic ngoài gồm các mạch xử lý số tín hiêu và ma trận LED Có nhiều phơng án thiết kế mạch ngoài Mỗi phơng án sẽ dựa trên cơ sở khách nhau và sử dụng những loại linh kiện khác nhau Dựa trên nguyên tắc nh quét màn hình ta

có thể thực hiện ma trận đèn bằng cách quét hàng và quét cột Mỗi LED trên ma trận LED có thể coi nh một điện ảnh Địa chỉ của mỗi điểm ảnh này đợc xác

định đồng thời bởi mạch giải mã hàng và giải mã cột sẽ xác định trạng thái của một điện ảnh, do đó công suất của mạch sẽ giảm đi đáng kể Tuy nhiên, khi xác

định địa chỉ và trạng thái của điểm ảnh tiếp theo thì các điểm ảnh còn lại sẽ chuyển về trạng thái tắt (nếu LED đang sáng thì tắt dần) Vì thế dễ hiển thị đợc toàn bộ hình ảnh của ma trận đèn, ta có thể quét ma trận nhiều lần với tốc độ