THIẾT kế MẠCH ĐỒNG hồ HIỂN THỊ CHỮ

Trình bày quá trình thiết kế mạch đồng hồ hiển thị chữ sử dụng Vi điều khiển ATmega328PU, IC 74HC595. LED lùn hiển thị thông báo từ ý tưởng tới hàn ghép mạch in hoàn thiện , bao gồm phân tích chức năng các chân, cấu hình các port, nguyên lý hoạt động , vv...

MỤC LỤC Contents DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ TRONG BÁO CÁO LỜI NÓI ĐẦU Từ lâu, nhu cầu làm chủ thời gian nhu cầu thiết yếu người Đồng hồ đời tất yếu, với nhiều loại đồng hồ lắc, đồng hồ kim, đồng hồ số… Không phủ nhận vai trò đồng hồ đời sống người, mặt: học tập, làm việc sinh hoạt Ngày nay, giới có bước tiến dài kĩ thuật công nghệ chế tạo Những đồng hồ khứ nay trở nên cũ kĩ, thực vai trò nó, không phù hợp với nhu cầu đại đa số người sử dụng Giờ đây, đồng hồ lắc “đồ sộ” trông thấy số nơi: nhà thờ, quảng trường … Hiện nay, hầu hết gia đình có nhà đồng hồ treo tường Mỗi người lại có đồng hồ đeo tay riêng Sản phẩm đồng hồ trở nên phổ biến, trùng lặp mẫu mã, kiểu dáng tránh khỏi Nhiều khi, điều lại gây nhiều khó khăn cho người sử dụng việc chọn mua cho đồng hồ Câu hỏi là: Tại không cố gắng tạo mẫu sản phẩm sáng tạo, đại, xác mà đáp ứng yêu cầu người sử dụng? Sau tìm hiểu kĩ, nhóm Wordclock định thực sản phẩm “Đồng hồ để bàn hiển thị chữ” Đây sản phẩm thương mại hóa nước ngoài, nhiên lại không phổ biến Việt Nam Đây sở để nhóm em tin rằng, sản phẩm nhận phản hồi tích cực từ người ý tưởng Tuy nhiên, sản phẩm nhóm, nên sai sót điều khó tránh khỏi Nhóm em mong nhận góp ý, phê bình để sản phẩm hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Các thành viên Wordclock Xác định ý tưởng Sau đăng kí tham gia thi, nhóm đưa nhiều đề tài khác xoay quanh đồng hồ như: đồng hồ thị laser, thị LED thanh,… Đây sản phẩm đơn giản hữu dụng Tất chúng thực đươc chức mà người sử dụng yêu cầu Tuy nhiên, mẫu đồng hồ trở nên phổ biến, dễ dàng cho người mua muốn tìm kiếm thị trường Sau thời gian cân nhắc thời gian thực khả nhóm, nhóm em thống ý tưởng: Thiết kế đồng hồ thị chữ (Word Clock) Yêu cầu kĩ thuật 2.1 Yêu cầu chức - Hiển thị 75 kí tự chữ, gồm “bây, giờ, là, một, hai, ba, bốn, năm, sáu, bảy, tám, - chín, mười, mười một, mười hai,kém.” Có nút chỉnh giờ, phút 2.2 Yêu cầu phi chức - Khối lượng: ~ 400g Kích thước sản phẩm: 20x20x5 cm Có khung bảo vệ sản phẩm Các chữ cách nhau, độ sáng Thời gian thiết kế: tháng Giá thành sản phẩm: 500.000 VNĐ Thời gian bảo hành: tháng Bảng phân công kế hoạch Để cho đề tài hoàn thành tiến độ, giảm bớt khối lượng công việc thành viên, nhóm em làm bảng phân công kế hoạch cụ thể cho thành viên Dựa vào đó, người biết rõ phần công việc mình, chủ động công việc để hoàn thành đề tài cách tốt Bảng phân công kế hoạch gồm có phần chính: - Lên ý tưởng: Tìm ý tưởng xem nhu cầu thực tế ý tưởng đó, qua dự - trù kinh phí Thiết kế thử nghiệm mạch: Dựa vào ý tưởng từ thiết kế từ tổng quát - đến chi tiết phần mạch Thi công: Lắp đặt linh kiện dựa vào sơ đồ thiết kế Hoàn thiện sản phẩm Dưới bảng phân công kế hoạch chi tiết nhóm: Bảng 3.1 Bảng phân công kế hoạch Sơ đồ khối chức khối 4.1 Sơ đồ khối sản phẩm Hình 4.1 Sơ đồ khối mạch 4.2 Chức khối - Khối nguồn: Có chức cung cấp điện áp dòng điện chiều cho khối - điều khiển, khối hiển thị khối lưu Khối điều khiển: Có chức tạo hiệu ứng truyền tín hiệu đến - khối hiển thị lập trình Khối hiển thị: Hiển thị đèn LED Khối lưu giờ: Lưu trữ thông tin nguồn cấp điện Sơ đồ khối chi tiết Các phương án tối ưu 6.1 Khối nguồn Để cung cấp điện áp dòng chiều, nhóm đề xuất phương án để lựa chọn nguồn: Bảng 5.1 Các phương án lựa chọn nguồn Nhận xét Phương án Sạc điện thoại Pin tiểu Ưu điểm Nhược điểm Cung cấp điện áp 5V ổn định, Phải nối với nguồn điện dòng điện có cường độ đủ lớn xoay chiều, tính linh động Cung cấp điện áp 1,5V, gọn, Dung lượng nhỏ, phải nối nhẹ, gắn trực tiếp lên nhiều pin với nhau, nhanh mạch hết pin hoạt động liên tục Qua bảng trên, dựa vào ưu nhược điểm phương án, nhóm chúng em chọn sạc điện thoại cho khối nguồn, với tính ổn định cao, phù hợp với khả sử dụng sản phẩm 6.2 Khối điều khiển Để đáp ứng hiệu ứng đề ra, nhóm đề xuất phương án lựa chọn IC điều khiển: Bảng 5.2 Các phương án lựa chọn IC Nhận xét Phương án Ưu điểm Rẻ, dễ tìm kiếm AT89C52 Vi điều khiển ATmega328-PU Nhược điểm Bộ nhớ chương trình nhỏ: 256Kbit (RAM) 8Kbytes (ROM) Số chân nhiều, không phù hợp với đặc điểm mạch Bộ nhớ lớn: 2Kbytes(RAM) Đắt, khó tìm mua 32Kbytes(ROM) Dễ lập trình, không cần mạch nạp Dựa vào yêu cầu, đặc điểm phức tạp mạch, nhóm chúng em định sử dụng vi điều khiển ATmega328 để thiết kế sản phẩm Vi điều khiển Atmega328 thuộc dòng vi điều khiển bit tập đoàn ATMEL sản xuất Chíp có nhớ Flash 32K Bytes, Ram 2K Bytes Sau sơ đồ điều kiện làm việc vi xử lý này: Hình 6.1: Sơ đồ Atmega328 Chân 1(Reset) 7,20(VCC) 8,22(GND) 2,3,4,5,6,11,12,13,14 15,16,17,18,19 9,10(Quartz) 21(Analog Reference) Ý nghĩa Khởi động lại Điện áp đầu vào dương Chân nối đất (mass) Chân vào/ra Thạch anh Bộ so sánh điện áp Điều kiện làm việc vi điều khiển: - Điện làm việc: 1.8 – 5.5V Cường độ dòng điều kiện chuẩn(25oC, 1.8V): 0.2mA Nhiệt độ làm việc: -40oC - 85oC Tốc độ làm việc: 0Mhz – 20Mhz Do sử dụng vi điều khiển Atmega328 nên cần thiết phải có linh kiện hay mạch để tạo dao động cho CPU, timer IC Nhóm em đưa gợi ý: Linh kiện Ưu điểm Bộ mạch ổn định dao Được hỗ trợ sẵn động LC Atmega328 nên không cần lắp thêm Thạch anh Cực kì ổn định, không chịu ảnh hưởng nhiều từ nhiệt độ Có thể điều chỉnh tần số phù hợp (kể có phần lẻ) Nhược điểm Độ xác không cao Bị ảnh hưởng môi trường bên Để ổn định gọn mạch, nhóm em chọn thạch anh cho thiết kế sản phẩm Ngoài ra, mạch sử dụng IC dịch nhằm mục đích chuyển tín hiệu từ nối tiếp sang song song Nhóm em có lựa chọn: Ưu điểm Nhược điểm 74HC595 HCF40 6.3 Khối hiển thị Theo yêu cầu sản phẩm, nhóm em sử dụng đèn LED trắng Bảng 5.3 Các phương án lựa chọn đèn led Nhận xét Phương án LED siêu sáng 5mm LED đục 5mm Ưu điểm Có độ sáng mạnh, bền, dùng để chiếu sáng Có độ sáng vừa phải, không gây chói mắt nhìn trực Nhược điểm Gây chói nhìn trực tiếp tiêu tốn nhiều điện Không dùng chiếu sáng LED lùn tiếp, tiêu tốn điện năng, bền Có độ sáng vừa phải, không gây chói Gọn nhẹ, phù hợp đặc điểm mạch Dựa vào bảng đặc điểm loại bóng, nhóm chọn LED lùn, màu đỏ để làm phận hiển thị, với ưu điểm không gây chói mắt, tiêu tốn điện led siêu sáng Sau số thông số led lùn: + Điện áp định mức: ULED = 2V + Dòng định mức: ILED = 10mA Sơ đồ nguyên lý mạch lựa chọn linh kiện Dựa vào phương án lựa chọn trên, chúng em thiết kế sơ đồ nguyên lý khối điều khiển khối hiển thị 7.1 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển Hình 6.1 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển 7.2 Sơ đồ khối hiển thị Hình 6.2 Sơ đồ nguyên lý module khối hiển thị 7.3 Lựa chọn linh kiện 7.3.1 Điện trở Điện trở loại linh kiện điện tử thụ động, loại linh kiện quan trọng mạch điện tử Trên thực tế, chúng làm từ hợp chất cácbon kim loại, pha theo tỉ lệ mà tạo điện trở có trị số khác Điện trở có tác dụng cản trở dòng điện,hạ áp để thực chức theo ý muốn Hình 6.3 Kí hiệu điện trở mạch điện 10 Trong mạch điều khiển đồng hồ chữ, nhóm sử dụng điện trở có chức hạn dòng Giá trị điện trở sau: - R1=R2= 10kΩ R3=R4= 1kΩ 7.3.2 Tụ điện Tụ điện loại linh kiện thụ động sử dụng rộng rãi mạch điện tử, sử dụng mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch thu phát tín hiệu, mạch dao động… Tụ điện có tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều, ngăn không cho dòng điện chiều qua, tụ điện có khả phóng nạp cần thiết Trên thị trường có nhiều loại tụ tụ giấy, tụ gốm, tụ hóa, tụ mica… Hình 6.4 Kí hiệu tụ điện mạch điện Để có đáp ứng yêu cầu chức năng, nhóm lựa chọn loại tụ Giá trị tụ sau: - C1=C2= 22pF (tụ gốm ) C3=0,1uF (tụ hóa) 7.3.3 Connector Do đặc điểm mạch, nhóm em sử dụng Connector loại chân, chân, chân chân 11 Hình 7: Kí hiệu Connector (header) Kiểm tra Sau hoàn thành khâu thiết kế chọn linh kiện, nhóm thực chạy mô phần mềm Proteus Sau mô Proteus chạy, nhóm tiến hành chạy thử breadboard, sử dụng mạch Arduino Pro Ban đầu, nhóm cho chạy thử 16 bóng LED nhằm mục đích kiểm tra xem khối điều khiển có hoạt động tốt không Sau kiểm tra xong, nhóm nối khối hiển thị vào khối điều khiển để chạy thử Trong trình chạy thử gặp số lỗi sau: - Đèn không nhận tín hiệu mạch vẽ thiếu Đèn sáng sai vị trí Hiển thị LED chập chờn, không Đọc sai code xử lí sai Ngoài ra, nhóm gặp số lỗi khác như: cắm ngược chân tụ, chọn trở sai giá trị, cắm sai thứ tự dây khắc phục Sau kiểm tra chạy tốt, nhóm thiết kế mạch in phần mềm Altium dựa sơ đồ mô Proteus Sau đó, mạch in đưa đặt 70 Quán Thánh Thi công Sau có mạch in, nhóm bắt đầu hàn linh kiện lên mạch in Khi hàn, nhóm đảm bảo tiêu chuẩn sau: 12 - Thực thao tác yêu cầu kĩ thuật hàn điện Mối hàn bám chân linh kiện mạch in, tránh chập nối - mối hàn Hàn theo sơ đồ linh kiện mạch in Sau hàn xong, nhóm tiến hành lắp khung bảo vệ nhựa, khối điều khiển vào khung, dây dẫn nguồn khung 10 Bàn giao sản phẩm Để chuẩn bị bàn giao sản phẩm vào ngày, nhóm chúng em làm báo cáo slide để thuyết trình sản phẩm, đồng thời kiểm tra lại sản phẩm lần cuối trước bàn giao sản phẩm Yêu cầu sản phẩm sau bàn giao: - Chạy ổn định điều kiện yêu cầu Chạy hiệu ứng đặt Giá thành phải yêu cầu đặt thay đổi phạm vi cho - phép tùy hoàn cảnh Đảm bảo điều kiện bảo hành cho khách hàng 13 KẾT LUẬN Trong suốt trình thực sản phẩm “Đồng hồ hiển thị chữ”, nhóm em có hội củng cố chuyên môn Bên cạnh đó, đề tài giúp nhóm tiếp cận với mảng kiến thức Arduino tích lũy thêm kinh nghiệm thiết kế mạch, điều mà thành viên nhóm chưa hoàn thiện Sau kết thúc đề tài kết đạt là: o Tìm hiểu hệ sinh thái Arduino, vi điều khiển thuộc dòng Atmega o Tìm hiểu lập trình vi điều khiển 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO Các nguồn từ internet: [1] http://www.atmel.com/avr [2] http://ktmt.github.io/blog/2013/05/21/co-ban-ve-arduino-platform-for-physical-computing/ [3] http://www.hocavr.com/index.php/en/lectures/lamquenavr [4] http://www.alldatasheet.com/?gclid=CNzcnZr_pLoCFcM34goduHwAlA [5] http://banlinhkien.vn/mcu/threads/s%E1%BB%AD-d%E1%BB%A5ng-modul-unl2803-2003%C4%91i%E1%BB%81u-khi%E1%BB%83n-%C4%91%E1%BB%99ng-c%C6%A1-b%C6%B0%E1%BB %9Bc.144/ 15 [...]...Trong mạch điều khiển đồng hồ chữ, nhóm sử dụng 4 điện trở có chức năng hạn dòng Giá trị của các điện trở như sau: - R1=R2= 10kΩ R3=R4= 1kΩ 7.3.2 Tụ điện Tụ điện là loại linh kiện thụ động và được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử, được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, trong các mạch thu phát tín hiệu, các mạch dao động… Tụ điện có tác dụng cản trở... thị bằng chữ , nhóm em có cơ hội được củng cố chuyên môn Bên cạnh đó, đề tài này giúp nhóm được tiếp cận với mảng kiến thức khá mới về Arduino và tích lũy thêm kinh nghiệm thiết kế mạch, điều mà các thành viên trong nhóm còn chưa hoàn thiện Sau khi kết thúc đề tài những kết quả đạt được đó là: o Tìm hiểu về hệ sinh thái Arduino, các vi điều khiển thuộc dòng Atmega o Tìm hiểu về lập trình vi điều khiển... không nhận được tín hiệu do mạch vẽ thiếu Đèn sáng sai vị trí Hiển thị LED chập chờn, không đều nhau Đọc sai giờ do code xử lí sai Ngoài ra, nhóm còn gặp một số lỗi khác như: cắm ngược chân tụ, chọn trở sai giá trị, cắm sai thứ tự dây nhưng đã đều khắc phục được Sau khi kiểm tra chạy tốt, nhóm đã thiết kế mạch in bằng phần mềm Altium dựa trên sơ đồ mô phỏng ở Proteus Sau đó, mạch in được đưa đi đặt tại... hoàn thành các khâu thiết kế và chọn linh kiện, nhóm đã thực hiện chạy mô phỏng trên phần mềm Proteus Sau khi mô phỏng trên Proteus đã chạy, nhóm tiến hành chạy thử trên breadboard, sử dụng bộ mạch Arduino Pro Ban đầu, nhóm đã cho chạy thử 16 bóng LED nhằm mục đích kiểm tra xem khối điều khiển có hoạt động tốt không Sau khi kiểm tra xong, nhóm đã nối khối hiển thị vào khối điều khiển để chạy thử Trong... phẩm, đồng thời kiểm tra lại sản phẩm lần cuối trước khi bàn giao sản phẩm Yêu cầu của sản phẩm sau khi đã bàn giao: - Chạy ổn định dưới các điều kiện đã yêu cầu Chạy đúng các hiệu ứng đã đặt ra Giá thành phải như yêu cầu đã đặt ra hoặc có thể thay đổi trong phạm vi cho - phép tùy từng hoàn cảnh Đảm bảo các điều kiện bảo hành cho khách hàng 13 KẾT LUẬN Trong suốt quá trình thực hiện sản phẩm Đồng hồ hiển. .. Thi công Sau khi đã có mạch in, nhóm bắt đầu hàn các linh kiện lên mạch in Khi hàn, nhóm đã đảm bảo các tiêu chuẩn sau: 12 - Thực hiện đúng các thao tác yêu cầu kĩ thuật về hàn điện Mối hàn bám chắc giữa chân linh kiện và mạch in, tránh chập nối giữa các - mối hàn Hàn đúng theo sơ đồ linh kiện trên mạch in Sau khi hàn xong, nhóm đã tiến hành lắp khung bảo vệ bằng nhựa, khối điều khiển vào trong khung,... chiều đi qua, tụ điện còn có khả năng phóng nạp khi cần thiết Trên thị trường có rất nhiều loại tụ như tụ giấy, tụ gốm, tụ hóa, tụ mica… Hình 6.4 Kí hiệu tụ điện trong mạch điện Để có đáp ứng được yêu cầu chức năng, nhóm đã lựa chọn cả 2 loại tụ Giá trị các tụ như sau: - C1=C2= 22pF (tụ gốm ) C3=0,1uF (tụ hóa) 7.3.3 Connector Do đặc điểm của mạch, nhóm em sử dụng các Connector loại 8 chân, 4 chân,