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...
Trang 1MỤC LỤC
Contents
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ TRONG BÁO CÁO
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Từ lâu, nhu cầu làm chủ thời gian đã là nhu cầu thiết yếu của con người Đồng hồ ra đời như một sự tất yếu, với nhiều loại như đồng hồ quả lắc, đồng hồ kim, đồng hồ số… Không thế phủ nhận vai trò của đồng hồ trong đời sống con người, về mọi mặt: học tập, làm việc và sinh hoạt Ngày nay, thế giới đã có những bước tiến dài về kĩ thuật cũng như công nghệ chế tạo Những chiếc đồng hồ trong quá khứ nay nay đã trở nên cũ kĩ, tuy vẫn thực hiện được vai trò của nó, nhưng đã không còn phù hợp với nhu cầu của đại đa số người sử dụng nó Giờ đây, những chiếc đồng hồ quả lắc “đồ sộ” chỉ còn trông thấy ở một số nơi: nhà thờ, quảng trường … Hiện nay, hầu hết mỗi gia đình đều có trong nhà những chiếc đồng hồ treo tường Mỗi người lại có những chiếc đồng hồ đeo tay riêng nữa Sản phẩm đồng hồ đang trở nên quá phổ biến, và sự trùng lặp về mẫu mã, kiểu dáng là không thể tránh khỏi Nhiều khi, điều đó lại gây nhiều khó khăn cho người sử dụng trong việc chọn mua cho mình chiếc đồng hồ
Câu hỏi là: Tại sao không cố gắng tạo ra những mẫu sản phẩm sáng tạo, hiện đại, chính xác hơn mà vẫn đáp ứng yêu cầu của người sử dụng? Sau khi tìm hiểu kĩ, nhóm Wordclock đã quyết định thực hiện sản phẩm “Đồng hồ để bàn hiển thị bằng chữ”
Đây là sản phẩm đã được thương mại hóa ở nước ngoài, tuy nhiên lại không được phổ biến tại Việt Nam Đây là cơ sở để nhóm em tin rằng, sản phẩm này sẽ nhận những phản hồi tích cực từ mọi người về ý tưởng Tuy nhiên, đây là sản phẩm đầu tiên của nhóm, thế nên sai sót là điều khó tránh khỏi Nhóm em rất mong nhận được những góp ý, phê bình để sản phẩm được hoàn thiện hơn nữa
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
Các thành viên của Wordclock
Trang 31 Xác định ý tưởng
Sau khi đăng kí tham gia cuộc thi, nhóm đã đưa ra nhiều đề tài khác nhau xoay quanh đồng hồ như: đồng hồ hiện thị bằng laser, hiện thị bằng LED 7 thanh,… Đây là những sản phẩm đơn giản nhưng hữu dụng Tất cả chúng đều thực hiện đươc các chức năng cơ bản mà người sử dụng yêu cầu Tuy nhiên, đây đều là những mẫu đồng hồ đã trở nên phổ biến, dễ dàng cho người mua muốn tìm kiếm nó trên thị trường
Sau một thời gian cân nhắc về thời gian thực hiện cũng như khả năng của nhóm, nhóm em đã thống nhất ý tưởng: Thiết kế đồng hồ hiện thị bằng chữ (Word Clock)
2 Yêu cầu kĩ thuật
2.1 Yêu cầu chức năng
- 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
Trang 42.2 Yêu cầu phi chức năng
- Khối lượng: ~ 400g
- Kích thước sản phẩm: 20x20x5 cm
- Có khung bảo vệ cả sản phẩm
- Các chữ cái cách đều nhau, độ sáng đều nhau
- Thời gian thiết kế: 2 tháng
- Giá thành sản phẩm: 500.000 VNĐ
- Thời gian bảo hành: 6 tháng
Trang 53 Bảng phân công kế hoạch
Để cho đề tài có thể hoàn thành đúng tiến độ, giảm bớt khối lượng công việc của mỗi thành viên, nhóm em đã làm một bảng phân công kế hoạch cụ thể cho từng thành viên Dựa vào đó, mọi người có thể biết rõ phần công việc của mình, chủ động trong công việc để hoàn thành đề tài một cách tốt nhất
Bảng phân công kế hoạch gồm có 4 phần chính:
- Lên ý tưởng: Tìm ý tưởng và xem nhu cầu thực tế về ý tưởng đó, qua đó dự trù kinh phí
- Thiết kế và thử nghiệm mạch: Dựa vào ý tưởng từ đó đi thiết kế từ tổng quát đến chi tiết từng phần của mạch
- Thi công: Lắp đặt các linh kiện dựa vào sơ đồ thiết kế
- Hoàn thiện sản phẩm
Dưới đây là bảng phân công kế hoạch chi tiết của nhóm:
Bảng 3.1 Bảng phân công kế hoạch
4 Sơ đồ khối và chức năng của từng khối
4.1 Sơ đồ khối của sản phẩm
Hình 4.1 Sơ đồ khối của mạch
Trang 64.2 Chức năng của từng khối
- Khối nguồn: Có chức năng cung cấp điện áp và dòng điện 1 chiều cho khối điều khiển, khối hiển thị và khối lưu giờ
- Khối điều khiển: Có chức năng tạo ra các hiệu ứng và truyền tín hiệu đến khối hiển thị như đã lập trình
- Khối hiển thị: Hiển thị ra các đèn LED
- Khối lưu giờ: Lưu trữ thông tin khi không có nguồn cấp điện
5 Sơ đồ khối chi tiết
6 Các phương án tối ưu
6.1 Khối nguồn
Để cung cấp được điện áp và dòng 1 chiều, nhóm đã đề xuất ra 2 phương án để lựa chọn nguồn:
Bảng 5.1 Các phương án lựa chọn nguồn
Nhận xét
Phương án
Sạc điện thoại Cung cấp điện áp 5V ổn định, dòng điện có cường độ đủ lớn Phải nối với nguồn điện xoay chiều, tính linh động
kém
Pin tiểu Cung cấp điện áp 1,5V, gọn, nhẹ, gắn trực tiếp được lên
mạch
Dung lượng nhỏ, phải nối nhiều pin với nhau, nhanh hết pin do hoạt động liên tục
Qua bảng trên, dựa vào ưu nhược điểm của từng phương án, nhóm chúng em đã chọn sạc điện thoại cho khối nguồn, với tính ổn định cao, phù hợp với khả năng sử dụng của sản phẩm
6.2 Khối điều khiển
Để đáp ứng được các hiệu ứng đề ra, nhóm đã đề xuất ra 2 phương án lựa chọn IC điều khiển:
Trang 7Bảng 5.2 Các phương án lựa chọn IC Nhận xét
AT89C52
Rẻ, dễ tìm kiếm Bộ nhớ chương trình nhỏ:
256Kbit (RAM) và 8Kbytes (ROM)
Số chân quá nhiều, không phù hợp với đặc điểm mạch
Vi điều khiển
ATmega328-PU
Bộ nhớ lớn: 2Kbytes(RAM)
và 32Kbytes(ROM)
Dễ lập trình, không cần mạch nạp
Đắt, khó tìm mua
Dựa vào yêu cầu, đặc điểm phức tạp của mạch, nhóm chúng em quyết định sử dụng vi điều khiển ATmega328 để thiết kế sản phẩm
Vi điều khiển Atmega328 thuộc dòng vi điều khiển 8 bit do tập đoàn ATMEL sản xuất Chíp này có bộ nhớ Flash là 32K Bytes, Ram là 2K Bytes Sau đây là sơ
đồ và điều kiện làm việc của vi xử lý này:
Hình 6.1: Sơ đồ Atmega328
7,20(VCC) Điện áp đầu vào dương
8,22(GND) Chân nối đất (mass)
2,3,4,5,6,11,12,13,14
15,16,17,18,19 Chân vào/ra
21(Analog Reference) Bộ so sánh điện áp
Trang 8Điều kiện làm việc của vi điều khiển:
- Điện thế làm việc: 1.8 – 5.5V
- Cường độ dòng trong 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 1 linh kiện hay 1 bộ mạch để tạo dao động cho CPU, timer của IC Nhóm em đưa ra những gợi ý:
Bộ mạch ổn định dao
động LC Được hỗ trợ sẵn trên Atmega328 nên không
cần lắp thêm
Độ chính xác không cao
Bị ảnh hưởng bởi môi trường bên trong và ngoài Thạch anh Cực kì ổn định, hầu như
không chịu ảnh hưởng nhiều từ nhiệt độ
Có thể điều chỉnh tần số phù hợp (kể cả có phần lẻ)
Để ổn định và gọn mạch, nhóm em chọn thạch anh cho thiết kế sản phẩm
Ngoài ra, trong mạch còn sử dụng IC dịch nhằm mục đích chuyển tín hiệu từ nối tiếp sang song song Nhóm em có những lựa chọn:
74HC595
HCF40
6.3 Khối hiển thị
Theo yêu cầu của sản phẩm, nhóm em sử dụng đèn LED trắng
Bảng 5.3 Các phương án lựa chọn đèn led
Nhận xét
LED siêu sáng
5mm
Có độ sáng mạnh, bền, có thể dùng để chiếu sáng
Gây chói khi nhìn trực tiếp tiêu tốn nhiều điện năng
LED đục 5mm Có độ sáng vừa phải, không
gây chói mắt khi nhìn trực Không dùng chiếu sáng được
Trang 9tiếp, tiêu tốn ít điện năng, bền
LED lùn Có độ sáng vừa phải, không gây chói Gọn nhẹ, phù hợp đặc điểm mạch
Dựa vào bảng đặc điểm của từng loại bóng, nhóm đã chọn LED lùn, màu đỏ để làm bộ phận hiển thị, với ưu điểm không gây chói mắt, tiêu tốn ít điện năng hơn led siêu sáng
Sau đây là một số thông số của led lùn:
+ Điện áp định mức: ULED = 2V
+ Dòng định mức: ILED = 10mA
7 Sơ đồ nguyên lý của mạch và lựa chọn linh kiện
Dựa vào các phương án lựa chọn ở trên, chúng em đã thiết kế được sơ đồ nguyên lý của khối điều khiển và 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
Trang 10Hình 6.2 Sơ đồ nguyên lý của 1 module khối hiển thị
7.3 Lựa chọn linh kiện
7.3.1 Điện trở
Điện trở là một loại linh kiện điện tử thụ động, nó là một loại linh kiện quan trọng trong các mạch điện tử Trên thực tế, chúng được làm từ hợp chất của cácbon
và kim loại, được pha theo tỉ lệ mà tạo ra các con điện trở có trị số khác nhau Điện trở có tác dụng cản trở dòng điện,hạ áp để thực hiện chức năng theo ý muốn
Hình 6.3 Kí hiệu điện trở trong mạch điện
Trang 11Trong 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 dòng điện xoay chiều, và ngăn không cho dòng điện một 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, 3 chân và 2 chân
Trang 12Hình 7: Kí hiệu Connector (header)
8. Kiểm tra
Sau khi 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 quá trình chạy thử đã gặp một số lỗi sau:
- Đèn 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 70 Quán Thánh
9. 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:
Trang 13- 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, đi dây dẫn nguồn ra ngoài khung
10. Bàn giao sản phẩm
Để chuẩn bị bàn giao sản phẩm vào ngày, nhóm chúng em đã làm bản báo cáo
và slide để thuyết trình về sản 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
Trang 14KẾT LUẬN
Trong suốt quá trình thực hiện sản phẩm “Đồng hồ hiển 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
Trang 15TÀI 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/