thiết kế chế tạo bảng mạch vi điều khiển thực hiện chứcnăng điều khiển thời gian, cài đặt hẹn giờ tự động

MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Yêu cầu đề tài đặt thiết kế chế tạo bảng mạch vi điều khiển thực chức điều khiển thời gian, cài đặt hẹn tự động điều khiển bật tắt thiết bị điện sử dụng Vi điều khiển AVR Atemega 16 Đề tài sử dụng IC thời gian thực DS1307, có tác dụng đếm thời gian, Vi điều khiển AVR Atemega 16 thực đặt thời gian để đưa vào DS1307, sau đọc giá trị thời gian từ DS1307 Vi điều khiển có chức nhận tín hiệu đặt thời gian từ nút bấm, sau xử lí để đưa thời gian phù hợp từ bật tắt thiết bị điện mong muốn Đề tài chọn LED LCD để thực chức hiển thị thơng tin trạng thái có liên quan đề tài Từ việc phân tích khảo sát trên, nhóm đưa vấn đề cần giải yêu cầu đề tài đặt là: - Tìm hiểu kiến thức Vi điều khiển AVR Atemega 16, đặc biệt giao tiếp Vi điều khiển DS1307 Xây dựng sơ đồ khối, từ xây dựng ngun lí mơ mạch phần mềm Orcard (Orcard Capture) Thiết kế mạch in phần mềm Orcard (Orcard Layout) Thực lắp ráp linh kiện mạch in Tìm hiểu mạch nạp USPISP phần mềm nạp Progisp để thực nạp code cho Vi điều khiển AVR Atemega 16 Viết báo cáo tổng hợp quy trình thực đề tài 1.2 Phân tích yêu cầu thiết kế 1.1.1 Yêu cầu tính Mạch có u cầu tính sau: - Vi điều khiển: Vi điều khiển AVR Atemega 16 Kết nối liệu thông tin thời gian với đồng hồ thời gian thực Cấu hình cài đặt thời gian bàn phím Nguồn cấp: Input 12 VDC Có mạch nguồn ổn áp 5VDC bảng mạch Màn hình LCD hiển thị thông số thời gian LED trạng thái relay để thực điều khiển đến mốc thời gian đặt trước Thiết kế đầy đủ mạch vi điều khiển: mạch reset, dao động thạch anh, cổng nạp chip,… 1.1.2 Yêu cầu phi tính - Kích thước giới hạn: 9x15 cm Sắp xếp linh kiện dây khoa học - Thiết kế đầu kết nối hợp lý - Đảm bảo an toàn liên động điện 1.1.3 Yêu cầu hoạt động mạch điện - Cài đặt thời gian cho mạch điện chạy thời gian thực - Cài đặt hẹn thực điều khiển relay bật/tắt theo thời gian hẹn trước 1.3 Bảng phân công công việc Nội dung Tìm hiểu đề tài Cơng việc Xác định yêu cầu thiết kế đề tài Tìm hiểu kiến thức Vi điều khiển AVR chip Atemega 16 Lập kế hoạch chi tiết, phân công công việc cho trình thiết kế sản phẩm Thiết kế sơ đồ khối Thiết kế hệ thống Hoàn thành sản phẩm Thiết kế chi tiết khối Vẽ mạch nguyên lý mơ Orcard Capture Lập trình cho Vi điều khiển Atemega 16 Thiết kế mạch in Orcard Layout Mua linh kiện, kiểm tra mạch in Hàn linh kiện Đo đạc, kiểm tra, đánh giá sản phẩm Báo cáo tập lớn Hoàn thành nội dung báo cáo Word Thuyết trình báo cáo trước giáo viên 1.4 Cơ sở lý thuyết 1.1.4 IC thời gian thực DS1307 Hình 1: IC thời gian thực DS1307 Thành viên Nguyễn Thành Đông Nguyễn Tuấn Thành Lê Thế Anh Lê Thế Anh Nguyễn Thành Đông Nguyễn Tuấn Thành Lê Thế Anh Nguyễn Tuấn Thành Lê Thế Anh Nguyễn Tuấn Thành Nguyễn Tuấn Thành Nguyễn Thành Đông Nguyễn Thành Đông Nguyễn Thành Đông Lê Thế Anh Nguyễn Thành Đông Nguyễn Tuấn Thành Lê Thế Anh Lê Thế Anh DS1307 chip thời gian thực hay RTC (Read time clock), thời gian thực tính xác thời gian tuyệt đối cho thời gian mà người sử dụng: Thứ, ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây Thời gian lưu trữ DS1307 năm 2100 DS1307 chế tạo Dallas Semiconductor, chip có cấu tạo bên ngồi đơn giản Chip DS1307 có chân hay dùng dạng Dip thứ tự chân mơ tả hình Chip DS1307 có ghi bit ghi chứa: Thứ, ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây DS1307 đọc thơng qua chuẩn truyền thơng I2C nên để đọc ghi từ DS1307 thông qua chuẩn truyền thông Bảng chức chân IC DS1307 Chân Tên X1 Chức Kết nối đến thạch anh 32.768Khz làm nguồn dao động cho chip Kết nối đến cực dương Pin dự phòng, có điện áp tiêu Vbat chuẩn khoảng 3V GND Kết nối đến mass SDA Chân liệu kết nối đến bus I2C SCL Chân nhận xung clock đồng kết nối bus I2C Ngõ xuất xung vng, tần số lập trình để thay đổi từ SQW/OUT 1Hz, 4Khz, Khz, 32 Khz VCC Nguồn cấp chính, khoảng 5VDC X2 1.1.5 IC Vi điều khiển Atmega 16 1.1.1.1 Giới thiệu Atmega 16 họ vi điều khiển hãng Atmel sản xuất (Atmel nhà sản xuất dòng vi điều khiển 89C51) AVR chip vi điều khiển bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa - RISC(Reduced Instruction Set Computer), kiểu cấu trúc thể ưu xử lí Vi điều khiển Atmega 16 hiệu suất cao, công suất thấp Atmel 8-bit AVR RISC dựa kết hợp 16KB nhớ flash lập trình, 1KB SRAM, 512B EEPROM, 10-bit A/D chuyển đổi 8-kênh, giao diện JTAG cho on-chip gỡ lỗi Thiết bị hỗ trợ thông lượng 16 MIPS 16 MHz hoạt động 4,5 - 5,5 volt Vi điều khiển Atmega 16 thực hướng dẫn chu kỳ đồng hồ nhất, thiết bị đạt thông lượng gần MIPS MHz, cân điện tiêu thụ tốc độ xử lý AVR Atmega 16 so với chip vi điều khiển bits khác, AVR có nhiều đặc tính hẳn Gần không cần mắc thêm linh kiện phụ sử dụng AVR, chí khơng cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường khối thạch anh) Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR đơn giản, có loại mạch nạp cần vài điện trở làm số AVR hỗ trợ lập trình on – chip bootloader không cần mạch nạp,… Bên cạnh lập trình ASM, cấu trúc AVR thiết kế tương thích ngơn ngữ lập trình C Nguồn tài nguyên source code, tài liệu, application note…rất lớn internet Hình IC Vi điều khiển Atmega 16 1.1.1.2 Sơ đồ chân Atmega16 Hình Sơ đồ chân Atmega16 ATmega 16 gồm có 40 chân: - Chân đến : Cổng nhập xuất liệu song song B (PORTB) đc sử dụng chức đặc biệt thay nhập xuất liệu - Chân : RESET để đưa chip trạng thái ban đầu Chân 10 : VCC cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển Chân 11,31 : GND chân đc nối với nối đất Chân 12,13 : chân XTAL2 XTAL1 dùng để đưa xung nhịp từ bên vào chip Chân 14 đến 21 : Cổng nhập xuất liệu song song D (PORTD) đc sử dụng chức đặc biệt thay nhập xuất liệu Chân 22 đến 29 : Cổng nhập xuất liệu song song C (PORTC) đc sử dụng chức đặc biệt thay nhập xuất liệu Chân 30 : AVCC cấp điện áp so sánh cho ADC Chân 32 : AREF điện áp tham chiếu tín hiệu vào ADC Chân 33 đến 40 : Cổng vào liệu song song A (PORTA) ngồi tích hợp chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC (analog to digital converter ) Các PORT Vi điều khiển: - - - - PORTA (PA7 … PA0) : chân số 33 đến 40 Là cổng vào song song bít khơng dùng chế độ ADC Bên có sẵn điện trở kéo, PORTA output điện trở kéo không hoạt động, PORTA input điện trở kéo kích hoạt PORTB (PB7 PB0) : chân số đến Nó tương tự PORTA sử dụng vào song song Ngồi chân PORTB có chức đặc biệt tùy mục đích sử dụng PORTC (PC7 PC0) : chân 22 đến 30 Cũng giống PORTA PORTB cổng vào song song Nếu giao tiếp JTAG bật, trở treo chân PC5(TDI), PC3(TMS), PC2(TCK) hoạt động kiện reset xảy PORTD (PD7 PD0) : chân 13 đến 21 Cũng cổng vào song song giống PORT khác, ngồi có số tính đặc biệt tùy thuộc vào mụ đích sử dụng 1.1.6 LCD 16X2 LCD16x2 hình hiển thị bao gồm nhiều ma trận nhỏ, hoạt động LCD16x2 hiển thị kí tự bảng mã ASCII Vi điều khiển gửi tín hiệu khởi tạo cho LCD16X2, sau hiển thị kí tự lên hình hiển thị Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) sử dụng nhiều ứng dụng Vi điều khiển LCD có nhiều ưu điểm so với dạng hiển thị khác: Nó có khả hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn tài nguyên hệ thống giá thành rẻ Hình LCD 16x2 thực tế Hình LCD 16x2 dạng sơ đồ chân Chương 2: THIẾT HỆ THỐNG 1.5 Sơ đồ khối tổng thể mạch điện Hình Sơ đồ khối tổng tổng quan Hình Sơ đồ chi tiết thành phần mạch Hình biểu diễn sơ đồ khối tổng quan toàn đề tài “Mạch vi điều khiển AVR thực chức cài đặt hẹn tự động bật tắt thiết bị điện” Có khối hình vẽ: - - Khối nguồn cung cấp nguồn cho toàn mạch: Khối thời gian thực, Khối điều khiển thiết bị điện, Khối hiển thị Khối điều khiển Khối điều chỉnh ngày hẹn nút bấm MODE, UP, DOWN OK Khối điều khiển vi điều khiển Atmega16 nhận tín hiệu từ Khối điều chỉnh hẹn giờ, sau thực xử lý giao tiếp với Khối thời gian thực DS1307 gọi thời gian Đồng thời với trình đó, Khối điều khiển gửi liệu đến Khối điều khiển thiết bị điện Khối hiển thị Khối hiển thị LCD 16x2 nhận tín hiệu từ khối điều khiển để hiển thị thông tin thời gian thứ - ngày – tháng – năm theo yêu cầu đặt Khối điều khiển thiết bị điện bao gồm đèn LED báo hiệu Relay 5V-220V Khi nhận tín hiệu từ vi điều khiển, đèn LED Relay thực chức tự động bật/tắt 1.6 Nguyên lý cấu tạo khối chức 1.1.7 Khối nguồn Hình Sơ đồ khối nguồn Khối nguồn mạch ổn áp 5V đơn giản sử dụng 7805 Công suất đầu thấp (5W) Mạch ứng dụng nhiều mạch điều khiển, mạch cấp nguồn cho mạch tín hiệu 2.1.1.1 Linh kiện IC LM7805 Trên thực tế linh kiện ổn áp 7805 dùng nhiều mạch điện điều khiển dùng để cấp nguồn ổn định cho mạch Với ưu điểm dễ ghép nối , dễ thiết kế với chi phí thấp, nguồn đầu ổn định Nhược điểm cơng suất đầu thấp (1A) hoạt động khơng ổn định có nhiễu bên Hoạt động giải nhiệt độ cao -125 độ C IC 7805 có chân cho ta kết nối với : Chân chân nguồn đầu vào, chân chân GND , chân chân lấy điện áp - Chân - (Chân điện áp đầu vào) : Đây chân cấp nguồn đầu vào cho 7805 hoạt động Giải điện áp cho phép đầu vào lớn 40V Chân ( Chân điện áp đầu ra) : Đây chân cho lấy điện áp đầu ổn định 5V Đảm bảo đầu ổn định nằm giải từ (4.75V đến 5.25V) Để đảm bảo tản nhiệt tốt cho 7805 chạy với tải Khi cơng suất tăng lên 7805 linh kiện bán dẫn cơng suất nên nóng tải lớn Để tráng hỏng linh kiện cho linh kiện hoạt động nhiệt độ bình thường cần phải tản nhiệt tốt 2.1.1.2 Thành phần lọc nguồn lọc nhiễu Các tụ C1 C3 tụ hóa dùng để lọc điện áp Vì điện áp chiều chưa phằng gợn nhấp nhơ nên tụ có tác dụng lọc nguồn cho thành điện áp chiều phẳng - - Tụ C1 lọc nguồn đầu vào cho 7805 Tụ tụ hóa phải có điện dung đủ lớn để lọc phẳng điện áp đầu vào điện áp tụ chịu đựng phải lớn điện áp đầu vào Tụ C3 lọc nguồn đầu cho 7805 Tụ tụ hóa dùng để lọc nguồn đầu cho băng phẳng Trong thành phần chiều có sóng điều hòa bậc 2, , sóng nhấp nhơ có tần số cao, nhiễu bên ngồi Các sóng ảnh hưởng đến hoạt động 7805 Nếu mạch tồn thành phần sóng làm sai sót khó phát mạch làm cho mạch hoạt động không ổn định - Hai tụ lọc nhiễu tần số cao C2 C4 tụ không phân cực Hai tụ lọc thành phần cho đầu vào đầu đảm bảo cho mạch hoạt động bình thường 1.1.8 Khối thời gian thực Khối thời gian thực sử dụng IC DS1307 DS1307 IC thời gian thực với nguồn cung cấp nhỏ, dùng để cập nhật thời gian ngày tháng với 56 bytes SRAM Địa liệu truyền nối tiếp qua đường bus chiều Nó cung cấp thơng tin giờ,phút,giây ,thứ,ngày ,tháng, năm Ta cấp nguồn 5V cho DS1307 qua hai chân số số IC Ngoài nguồn pin 3V nối vào chân số IC nguồn pin dự trữ ngắt nguồn cấp chính, đảm bảo IC hoạt động bình thường (trong trường hợp nguồn ni bất chợt, khởi động lại mạch không bị sai giờ) Chân 1(X1) 2(X2) IC kết nối với thạch anh có giá trị 32,768KHz để tạo dao 10 động ra, Để tăng độ ổn định tần số thạch anh, ta dùng thêm tụ nhỏ C10, C11 (22pF x2), tụ bù nhiệt ổn tần Hai chân IC chân SCL (Serial Clock) SDA (Serial Data) nối với cổng SDA, SCL tương ứng vi điều khiển Atmega16, chúng có chức gửi clock gửi/nhận liệu cho vi điều khiển Chân SDA SCL thiết kế theo kiểu cực máng hở , đòi hỏi phải có điện trở kéo hoạt động V C C V C C Hình 9: Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực X1 C 2 p F C 1 2 p F X2 S C L S D A S C L S D A O U T G N D K H z V C C U 1 Y R K R K V B A T B T D S - - - 0 L C D Hình 10: IC DS1307 U Thạch anh 32,768KHz Hình 11: L C D K 11 K A V C C D D P A D P A D P A D 1 D D D E P A R R W P A R S P A V E E P A V D D V C C V S S 1.1.9 Khối hiển thị - LCD 16x2 Hình 12: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị - LCD 16x2 Khối hiển thị sử dụng LCD 16x2, có tác dụng hiển thị thời gian thực thông số cài đặt để thực bật tắt thiết bị LCD 16x2 gồm 16 chân Trong ta cấp nguồn cho LCD thơng qua chân số 1(VSS) số 2(VDD) Chân số nối với nguồn thông qua biến trở 10KΩ để điều chỉnh độ tương phản cho LCD Chân số 15 (Backlight Anode) chân số 16 (Backlight Cathode) nối với dương nguồn âm nguồn để tắt/bật đèn hình LCD Các chân lại LCD ta kết nối vào port A Atmega16 sau: Chân (RS) để lựa chọn ghi lệnh/dử liệu, chân (RW) để định việc đọc/ghi liệu, chân (E) cho phép ghi vào LCD ta nối với PA0, PA1, PA2 Các chân từ D0 đến D7 LCD chân trao đổ liệu với vi điều khiển, với đề tài ta sử dụng chế độ bit ứng với chân D4 đến D7, kết nối với PA4 đến PA7 vi điều khiển 1.1.10.Khối Relay Hình 13: Sơ đồ nguyên lý khối Relay 12 Khối Relay sử dụng Transistor NPN để kích dòng cho Role đóng tiếp điểm thường mở, nguyên lý hoạt động sau: - - Khi tín hiệu đưa vào mức (Tức =0V) Q1 khơng dẫn khơng có dòng IBE nên Rơle khơng làm việc Khi tín hiệu đưa vào mức (Tức =5V) qua R9 hạn dòng làm cho Q1 dẫn thơng lúc ta có dòng I CE dòng điện chạy qua cuộn dây >> Q1 >> Mass nên Rơle đóng tiếp điểm thường mở bật thiết bị điện Diot D1 mạch có tác dụng chống lại dòng điện cảm ứng cuộn sinh làm hỏng tranzitor Mục đích R1 tạo dòng vào cực B trans tới ngưỡng bão hòa để trans hoạt động khóa có điều kiện 1.1.11.Cổng nạp chip Hình 14: Sơ đồ nguyên lý cổng nạp chip Để thuận tiện trình nạp chương trình cho vi điều khiển, ta sử dụng phương pháp nạp on-board Trong đề tài này, sử dụng kiểu nạp In-system (ISP - In System Programming), Atmel hỗ trợ Kiểu nạp nạp liệu cho chip chip gắn bo mạch đích thơng qua giao diện nạp trình nối tiếp mạch nạp chip SPI kiểu giao tiếp AVR theo chân : SCK (SPI bus seria clock - xung nhịp); MISO (SPI bus master Input/slave Ouput ); MOSI (SPI bus Master Output/Slave Input) Ngoài ta sử dụng thêm chân RESET, chân nối nguồn chân nối đất Các chân xếp theo thứ tự sau: MOSI, MISO, SCK, RESET, VCC, GND 13 Chương 3: KẾT QUẢ THỰC HIỆN SẢN PHẨM 1.7 Sơ đồ nguyên lý, layout danh mục linh kiện 1.1.12.Sơ đồ nguyên lý Hình 15: Sơ đồ nguyên lý 14 1.1.13.Sơ đồ mạch in Hình 16: Sơ đồ mạch in 1.1.14.Danh mục linh kiện 15 1.8 Kết đạt mạch mơ Hình 17: Màn hình khởi động mạch Hình 18: Mạch hoạt động chế độ bình thường *Các mode hoạt động menu 16 Hình 19: Màn hình cài đặt thời gian Hình 20: Màn hình cài đặt ngày, tháng, năm Hình 21: Màn hình cài đặt hẹn bật thiết bị Hình 22: Màn hình cài đặt hẹn tắt thiết bị 1.9 Hướng ứng dụng ưu nhược điểm mạch 1.1.15.Hướng ứng dụng - Đèn chiếu sáng khu vực công cộng tự bật đèn lúc 18h tối tắt lúc 6h sáng ngày 17 - - - Thiết bị điện trang trí, quảng cáo tự bật 17h tự động tắt lúc 24h tối (đi ngủ khơng cần dùng tới đèn trang trí, tránh rủi ro xảy cố điện, tiết kiệm điện) Máy lạnh văn phòng làm việc tự bật lúc 7h sáng tắt lúc 11h30 trưa (nghỉ trưa), đến 13h bật lại 17h chiều tự động tắt, tránh lãng phí điện ngồi làm việc Hẹn bật máy bơm nước tưới cây, máy sục khí trại nuôi thủy sản, máy bơm vệ sinh hồ cá tắt tự động ngày Hẹn bật tắt loa gọi chim yến nhà Bật hệ thống báo động hay hệ thống giám sát, camera giám sát, đầu ghi hình giám sát v.v Hẹn bật tắt chuông báo trong, quan, đơn vị 1.1.16.Ưu điểm, nhược điểm đề tài Nhìn chung, thiết bị đạt yêu cầu đề có số ưu điểm sau: - Mạch nhỏ gọn, đẹp Sắp xếp linh kiện dây khoa học Thiết bị đếm thời gian cách xác dễ dàng sử dụng Tuy nhiên, ngồi tính đạt được, đề tài có số tồn sau: Mạch thơ, tính thẩm mỹ chưa cao Các nút nhấn đơi lúc chưa nhạy Mạch chạy tỏa nhiều nhiệt, ảnh hưởng đến độ bền linh kiện 18 ... định yêu cầu thiết k đề tài Tìm hiểu kiến thức Vi điều khiển AVR chip Atemega 16 Lập k ho ch chi tiết, phân công công vi c cho trình thiết k sản phẩm Thiết k sơ đồ khối Thiết k hệ thống Hoàn... phẩm Thiết k chi tiết khối Vẽ m ch nguyên lý mô Orcard Capture Lập trình cho Vi điều khiển Atemega 16 Thiết k m ch in Orcard Layout Mua linh kiện, kiểm tra m ch in Hàn linh kiện Đo đạc, kiểm tra,... Hai ch n IC ch n SCL (Serial Clock) SDA (Serial Data) nối với cổng SDA, SCL tương ứng vi điều khiển Atmega16, ch ng có ch c gửi clock gửi/nhận liệu cho vi điều khiển Ch n SDA SCL thiết k theo kiểu