thiết kế hệ thống nhúng máy nghe nhạc tự chế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG NHÓM A01-B NHÓM 23 GVHD : Thầy Trương Quang Vinh T12/2018 MỤC LỤC I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ĐẶC TẢ HỆ THỐNG a Product Specification b Engineering Specification g Hardware Specification 11 h Software Specification 11 i Test Specification 11 Embedded Symstem Design Issues 12 a Constraint Issues 12 b Functional Issues 12 c Real – Time Issues 12 d Concurrent issues 12 e Reactive issues 13 Team Contract 13 Project Plan 14 II THIẾT KẾ 15 HARDWARE 15 a Schematics 15 b Mạch PCB 17 KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 15 II THI CÔNG 15 a Schematics 15 b Mạch PCB 17 THÀNH PHẨM 17 a Schematics 17 b Mạch PCB 17 KIỂM TRA 17 ĐÁNH GIÁ 17 I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ĐẶC TẢ HỆ THỐNG a Product Specification   Tên sản phẩm : Simple Music Keyboard Purpose : Chức giải trí, phát nhạc, có bàn phím piano  Sản phẩm có hình dạng chiến piano mini, có kích thước nhỏ gọn ( chiều dài khoảng 20cm)  Sẽ có hệ thống phím giống y bàn phím piano thật, gồm hệ thống nốt ( Đô – Rê – Mi – Pha –Son – La – Si )  Ngồi , có nút nhấn khác dùng để chỉnh tone , cao độ, độ ngân, độ lớn nhỏ sản phẩm  Ngoài chức trên, nhóm tích hợp vào sản phẩm chức chạy nhạc sẵn có, cách sử dụng remote (hoặc nút nhấn), bạn chọn hát có sẵn để phát ngồi)  Để sản phẩm thêm phần hấp dẫn, sản phẩm có LCD, thị trạng thái, nội dung hát chạy, cao độ nhấn phím keyboard  Sẽ có hệ thống LED bên ngồi nhấp nháy theo điệu nhạc ( theo cao độ tiết tấu)  Cuối cùng, nhóm trang trí sản phẩm với hộp đèn làm giấy với nhiều họa tiết bắt mắt  Input & Output o Input :  Nút nhấn (nhấn để tiếng kêu, nốt nhạc)  Remote (bấm để chọn hát) o Ouput :  LCD (hiện thị nốt nhạc chơi)  Loa phát nhạc  LED thị chớp nháy cho sinh động Usecase :   Function     Performance :      Các nút nhấn vi điều khiển đọc đầu vào liên tục, nút bị nhấn, vi điều khiển phát loa âm với tần số (cao độ) tương ứng định nghĩa sẵn Mạch bluetooth nhận tín hiệu từ remote vi xử lí đọc tín hiệu phát hát tương ứng loa, đồng thời thị nội dung LCD, dải LED điều khiển nháy thoe điệu nhạc  Âm to rõ nhờ trợ giúp mạch khuếch đại âm hát có sẵn lưu vào thẻ nhớ gắn SDcard Breakout Board Có thể chơi hát đơn giản nốt cao độ Có hệ thống nâng hạ tơng Có thể chơi hát mặc định Có thể dừng, phát tiếp hay chuyển Có led nhấp nháy theo điệu nhạc Manufactoring Cost :  Arduino UNO : 100.000 VND  LCD – 16x2 – B : 30.000 VND  IC 74HC595 : 2000 VND  Speaker ohm : 30.000 VND  Button : 10.000 VND  Biến trở 10K : 2.500 VND  Mạch khuếch đại âm 6W : 20.000 VND  SDcard Breakout Board : 10.000 VND      Tụ điện 4700pF : 1.000 VND Bread board : 20.000 VND Tổng : 280.000 VND Power : Nguồn 9V Physical size/weight :  Sử dụng board arduino UNO R3 để điều khiển loa spreaker + lcd 16x2 : nhũng linh kiện kích thước lớn, board arduino UNO R3  Bên cạnh có thêm bread board khách hàng u cầu sử dụng, làm mạch in tiết kiệm kích thước giá thành cao   Kích thước khoảng 20x20x10 cm, khoảng 500g Installation :  Để nơi khơ thống mát, tránh ánh trực tiếp  Ngồi để đâu nhà b Engineering Specification  Hardware :              Arduino UNO LCD – 16x2 – B IC 74HC595 Speaker ohm Button Biến trở 10K Mạch khuếch đại âm 6W SDcard Breakout Board Tụ điện 4700pF Bread Board ( Test) Remote , module bluetooth LED đơn Dây LED  Nguồn 5V  Thẻ nhớ  Requirements :  Real – time processing  Hiện thị tần số, nốt lên LCD  Nút nhấn có độ nhạy vừa phải  Loa phát tiếng to vừa nghe, không bị rè c Description :  Thời gian trể không kể  Delay tối đa 0.2s  Đây coi nhạc cụ, nhấn nút gửi tín hiệu đến vi xử lý phát nhạc loa, nội dung lên LCD LED d External Environment:  The product will be used anywhere in your house , put on table  Temperature is from 10 to 50 0C e System connectivity: f Major modules and their interfaces: Button interface:  Purpose:  Có nút nhấn bàn phím ma trận  Requiement:    Hardware component Keypad with 7+ button Có chống rung phím, hành trình phím dài Là nút nhấn thả kiểu button Thời gian nhận tín hiệu liện tiếp cách 0.5 giây Interface Single end, GPIO( 0>.7), 3.3 V/ V Component Part Number AK-1607-N-BBW-R Note Button is off-board, connect by wires and pin header 2mm pitch EEPROM:  Purpose:  Bộ nhớ chứa liệu âm liệu cấu hình ( thời gian phát tiếng bíp, âm lượng tiếng bíp  Requirement:  Chứa loại tiếng bíp khác nhau: kéo dài 0.5 giây, kéo dài giây liên hồi 10 phút  Chứa liệu cấu hình ( nhập đúng, nhập sai, sai lần, âm lượng cài đặt truóc Hardware component EEPROM Interface SPI ( 0->.7), 3.3V supply Component Part Number M95M02DWMN3TP/K Note EEPROM capacity is 1KB(Atmega 328) LCD:  Purpose:  Màn hình hiển thị, chế độ ( nhập, đổi mật ), thị đáp ứng nhập đúng/ sai mật  Requirement:  2.9 inch  16 bit trắng đen  Góc rộng Hardware Component Interface Component Part Number Note LCD 16x2, 3” inch 5x7 pixel/ letter SPI(.0->.7), VDD/VCC/ 5V DC supply LM016L http://iotsky.vn/sanpham/lcd1602-xanhduong-16x2.html SPeaker:  Purpose:  Tạo âm ( tiếng bíp )  Requirement:  Độ to không thay đổi Hardware component Speaker 8ohm Rectifier diode Interface pins header pins header Componient part number SBM2 SBU8J Note LED:  Purpose:  Mô mở khóa thành cơng  Requirement:  Độ sáng vừa phải Hardware component Interface Green led Through hole Component Part Number Note 1.9 - 4.0 ( V ) 10 mA Through hole Red led 1.63 - 2.03 (V) 10 mA g Hardware Specification  Hardware : Arduino UNO LCD – 16x2 – B IC 74HC595 Speaker ohm Button Biến trở 10K Mạch khuếch đại âm 6W SDcard Breakout Board Tụ điện 4700pF 10 Bread Board ( Test) 11 Remote , module bluetooth 12 LED đơn 13 Dây LED 14 Nguồn 5V 15 Thẻ nhớ  Về chức bàn phím :  Các nút nhấn vi điều khiển đọc đầu vào liên tục, nút bị nhấn, vi điều khiển phát loa âm với tần số (cao độ) tương ứng định nghĩa sẵn  Mạch bluetooth nhận tín hiệu từ remote vi xử lí đọc tín hiệu phát hát tương ứng loa, đồng thời thị nội dung LCD, dải LED điều khiển nháy thoe điệu nhạc  Âm to rõ nhờ trợ giúp mạch khuếch đại âm hát có sẵn lưu vào thẻ nhớ gắn SDcard Breakout Board h Software Specification  Sử dụng arduino IDE thư viện, hàm có sẵn để thực sản phẩm  Code nạp trực tiếp xuống Arduino  Một số hàm sử dụng  Hàm tone(pin, frequency, duration) i Test Specification  Devide :      Voltage meter Bread board Dây cắm bread board Laptop ( sử dụng trang web nhận diện cao độ , độ vang âm) Test Processing  Nhấn nút ( Đô – Rê – Mi – Pha – Son – La – Si ) kiểm tra cao độ , độ lớn …  Nhấn nút chức năng, cao độ, độ lớn, dừng, phát xem có hoạt động tốt không  Sử dụng remote để mở hát bất kỳ, kiểm tra xem Loa phát nhạc có kịp thời khơng, LCD có hiển thị nội dung khơng LED nhấp nháy có đẹp không  Cuối cùng, xem lại tổng thể chơi nhạc Embedded Symstem Design Issues a Constraint Issues  Giá thành rẻ  Nhỏ, gọn dễ mang  Kích thước < 20 cm  Hiệu suất cao  Dễ nhìn, nút bấm phải dễ bấm, có độ nhạy vừa phải b Functional Issues     c Nút nhấn dễ nhấn, cách xa nhau, an tồn khơng hở điện Loa phát âm nghe vừa phải , khơng chói tai, không gây ồn ào, đau nhức Cao độ phát phải nhạc Không phát hát khơng có quyền, gây phản cảm hay ảnh hưởng đến trị, kinh tế Real – Time Issues  d  LCD, phát nhạc cố định :  Soft real-time system : Delay < 0.5s  Các âm phát nhấn bàn phím  Soft real-time system : Delay < 0.2s Concurrent issues Vi xử lí nhận tín hiệu từ nút nhấn, remote truyền tới Loa, LCD dải LED để thực nhiệm vụ : phát nhạc, thị nội dung nháy đền theo nhạc e Reactive issues + Sản phẩm có cơng tắc, ngắt cơng tắc ngát nguồn, khơng hoạt động + Tuy nhiên sau bật lên chạy liên tục, đợi nhận tín hiệu từ nút nhấn, remote phím chức + Hệ thống tương tác trực tiếp với người dùng qua nút chức Team Contract Team name : F23 Team member Role Signature Leader, system engineer Trần Nho Đức Hardware design Đặng Phước Hoàng Minh Software design Trần Việt Hưng Hardware design Lương Hữu Chung Software design Lê Văn Sơn TASKS Responsible member Develop system architecture Trần Nho Đức Design hardware Đặng Phước Hoàng Minh Develop software Trần Việt Hưng Develop software Lê Văn Sơn 5.Integrate and test Lương Hữu Chung Team meeting Team rules 14h30 , Wednesday, weekly Participate in all team meetings Listen carefully to all comments at meetings Complete all assigned tasks before deadlines Focus on results rather than excuses after Don’t offense together Mutual trust Project Plan PROJECT PLANNING Team name Product name Main features Estimate time Estimate cost F23 Simple Music Keyboard Like a mini pinano Can play a song with button Play some default song with remote control Display contents in LCD and LED months (8hour/ a day) Arduino UNO : 100.000 VND LCD – 16x2 – B : 30.000 VND IC 74HC595 : 2000 VND Speaker ohm : 30.000 VND Button : 10.000 VND Biến trở 10K : 2.500 VND Mạch khuếch đại âm 6W : 20.000 VND SDcard Breakout Board : 10.000 VND Tụ điện 4700pF : 1.000 VND Bread Board ( Test) : 20.000 VND Remote , module bluetooth : 10.000 VND Dây LED : 10.000 VND Nguồn 5V : 20.000 VND Thẻ nhớ : 15.000 VND Tổng : 280.000 VND Team members Schedule Design system architecture Design hardware part Design hardware part 2.2 Design interface 2.3 Implement hardware board Develop software part Student : Leader Student ,3 : Hardware design Student 4,5 : Software design Month Month Month 3.1 Develop control algorithm 3.2 Develop driver, user interface 3.3 Implement software program Integrate and test 4.1 Simulate operations 4.2 Verify system II THIẾT KẾ HARDWARE a Schematics  Phần nhạc piano  Phần phát hát qua SD card b Mạch PCB SOFTWARE a Lưu đồ giải thuật START Các đèn led tắt Các phím piano hoạt động Các phím piano bấm Phím menu bấm Phát nốt loa Delay 0.2s Chuyển qua chế độ menu led sáng Lệnh menu b Giải thích giải thuật + Xác định tên công tắc menu, giá trị tần số cho phím số phím đàn piano + Viết chương trình cho hát để dễ dàng thêm xóa nhiều hát Bắt đầu bật piano: + Các đèn led tắt, tất phím piano hoạt động + Vòng lặp phát nút menu bấm tắt tất phím piano bật led để biết chế độ menu Trong chế độ menu + Nhấn nút menu để qua lại hát, nhấn phím đàn để phát hát hiển thị LCD + Màn hình LCD hiển thị hát phát, sau quay lại đeirm menu hát kết thúc Từ phát lại tiếp tục phát hát có danh sách có sẵn + Nhấn đúp vào nút menu để khởi động lại menu từ đầu + Để quay lại sử dụng phím đàn piano, chuyển qua phần lại hát menu Khi hình menu trống đèn led tắt phím đàn piano hoạt động trở lại III KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG TIẾN HÀNH THI CƠNG a Mơ chạy thử demo - Để đảm bảo an toàn cho sản phẩm cuối cùng, chỉnh sửa bổ sung thêm tính cho sản phẩm - Nhóm định mơ trước sản phẩm mình, cụ thể băng proteus số bên thứ khác - Kết chạy mơ thành cơng - Nhóm tiếp tục tiến hành cắm breadboard để test sản phẩm - Kết thành công b Thi công - Đi layout phần mềm Altium - Sau thiết kế làm mach in xong , kết hợp breadboard VOM để test mạch (trước test phần mềm) - Cuối kết nối phần cứng lại với THÀNH PHẨM  Nhìn chung sản phẩm hồn thiện, có tính thẩm mĩ cao  Kích thước : 10x7x15 (cm)  Cân nặng (khoảng 150g)  Sử dụng nguồn nuôi từ adapter jack cắm USB KIỂM TRA  Trong suốt trình thi cơng thiết kế, nhóm test sản phẩm liên tục để đảm bảo độ xác  Sản phẩm chạy tốt đáp ứng đầy đủ tiêu chí đặt ĐÁNH GIÁ  Sản phẩm chạy tốt  Delay thấp, đáp ứng yêu cầu realtime  Thẩm mĩ cao, hình khối đẹp, nhẹ dễ mang  Âm phát đê nghe, âm vừa phải (do có khuếch đại âm dung LM386)  Tuy nhiên cần phải dùng nguồn điện ổn định, không bị nhiễu, dẫn đến lao bị rè Tài liệu tham khảo [1] Slide thiết kế hệ thống nhúng – Thầy Trương Quang Vinh [2] Các tài liệu tham khảo internet ... phát đê nghe, âm vừa phải (do có khuếch đại âm dung LM386)  Tuy nhiên cần phải dùng nguồn điện ổn định, không bị nhiễu, dẫn đến lao bị rè Tài liệu tham khảo [1] Slide thiết kế hệ thống nhúng –... thứ khác - Kết chạy mơ thành cơng - Nhóm tiếp tục tiến hành cắm breadboard để test sản phẩm - Kết thành công b Thi công - Đi layout phần mềm Altium - Sau thiết kế làm mach in xong , kết hợp breadboard... 14 II THIẾT KẾ 15 HARDWARE 15 a Schematics 15 b Mạch PCB 17 KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 15 II