Ứng dụng vi điều khiển atmega 90s8515l trong thiết kế và điều khiển bảng LED

luận văn tốt nghiệp GVHD: đặng hồng lĩnh Trờng đại học Vinh Khoa công nghệ thông tin === === Ông mạnh hùng ứng dụng vi điều khiển atmega 90s8515l trong thiết kế và điều khiển bảng led Khóa luận tốt nghiệp Vinh, 5/2006 1 luận văn tốt nghiệp GVHD: đặng hồng lĩnh Lời nói đầu Sự phát triển vợt bậc của ngành kỹ thuật máy tính và điện tử hiện nay đã đ- ợc minh chứng cụ thể qua cuộc sống hàng ngày của chúng ta trong tất cả các lĩnh vực. Việc ứng dụng vi điều khiển vào đo lờng và điều khiển đã đem lại những kết quả đầy tính u việt. Các thiết bị, hệ thống đo lờng và điều khiển có độ chính xác cao, thời gian thu thập dữ liệu ngắn, nhng đáng quan tâm hơn cả là mức độ tự động hóa trong việc thu nhận và xử lý số liệu. Kỹ thuật số ra đời đã khắc phục đợc những nhợc điểm của kỹ thuật tơng tự, làm cho các bộ phận máy móc trở nên đơn giản và gọn nhẹ, ít tốn kém năng lợng và xử lý thông tin nhanh, chính xác hơn so với kỹ thuật tơng tự. Vi điều khiển là một chíp điện tử có mật độ tích hợp cao, trong đó có các vi mạch số có khả năng nhận, xử lý và xuất dữ liệu. Đặc biệt là quá trình xử lý số liệu đợc điều khiển theo một chơng trình gồm tập các lệnh đợc ngời sử dụng nạp sẵn vào trong bộ nhớ chơng trình của vi điều khiển. Một vi điều khiển có thể thực hiện đợc rất nhiều yêu cầu điều khiển khác nhau. Kỹ thuật vi điều khiển ra đời với sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm đã làm cho hoạt động của các mạch điện tử trở nên mềm dẻo hơn với những phần mềm rất linh hoạt mà ta có thể sửa chữa, thay đổi bổ sung làm cho chơng trình điều khiển trở nên phong phú tùy theo nhu cầu của ngời sử dụng. Đây là u điểm rất thuận lợi mà kỹ thuật vi điều khiển mang lại. Vì những lý do trên, em đã chọn đề tài " ứng dụng Vi điều khiển Atmega 90S8515L trong thiết kế và điều khiển bảng LED " làm đề tài tốt nghiệp. 2 luận văn tốt nghiệp GVHD: đặng hồng lĩnh Em xin chân thành cảm ơn thầy đặng hồng lĩnh tổ kỹ thuật máy tính khoa Công Nghệ Thông Tin trờng Đại học Vinh, và thầy bùi quốc anh tổ kỹ thuật máy tính khoa Công Nghệ Thông Tin trờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình hớng dẫn, chỉ bảo Em trong quá trình làm luận văn, và em xin chân thành cảm ơn các thây cô trong khoa Công Nghệ Thông Tin trờng Đại học Vinh đã giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong thơi gian học tập tại trờng, và tôi xin chân thành cảm ơn các bạn bè đã đóng góp ý kiến trong thơì gian tôi thực hiện luận văn. Mặc dù đã hoàn thành đề tài với tất cả sự nỗ lực của bản thân, nhng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện. Rất mong đợc sự đánh giá và góp ý của quý thầy cô và bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn. Vinh, tháng 05 năm 2006 GVHD: đặng hồng lĩnh (khoa CNTT tr- ờng Đại học Vinh) bùi quốc anh (khoa CNTT trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội) SVTH: ông mạnh hùng 3 luận văn tốt nghiệp GVHD: đặng hồng lĩnh Chơng I: Khảo sát, phân tích và thiết kế tổng quan hệ thống I. Khảo sát hệ thống Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng của con ngời thì việc quảng bá sản phẩm, thông tin là một trong những nhu cầu thứ yếu của các cá nhân, doanh nghiệp. Một trong những cách quảng bá thông tin hiệu quả là bảng điện tử. Có rất nhiều loại bảng điện tử phục vụ cho các mục đích khác nhau, do đó có những đặc tính kỹ thuật và kinh tế khác nhau. Bảng thông tin điện tử có thể phân loại theo một số chỉ tiêu nh Indoor hay Outdoor, Text hay Graphics. Loại Indoor là loại để trong nhà, không bị ảnh hởng của ánh sáng mặt trời nên cờng độ ánh sáng không cần lớn. Loại Outdoor là loại bảng để ngoài trời, bị ảnh hởng bởi ánh sáng mặt trời, do đó loại này đòi hỏi chất lợng cao hơn, cả ở mạch điều khiển lẫn công nghệ chế tạo đèn LED. Hiện nay, trên thị trờng Việt Nam đã xuất hiện nhiều chủng loại bảng điện tử với nhiều công nghệ khác nhau. Từ bảng điện tử loại nhỏ nh bảng báo trên sân vận động, các bảng quảng cáo thơng hiệu sản phẩm trên các cửa hiệu, cho đến các bảng kích thớc lớn, Các bảng cũng đa chủng loại với nhiều kỹ xảo khác nhau . Các bảng điện tử tiên tiến có một số đặc điểm sau: Cờng độ sáng lớn . Tầm nhìn xa đến 500m. Tuổi thọ của LED cao 100.000 giờ (khoảng trên 10 năm sáng liên tục). Tiết kiệm năng lợng, có khả năng thay đổi cờng độ sáng theo độ sáng của ánh sáng mặt trời. Các module đợc thiết kế độc lập, có khả năng chống lại tác động của môi tr- ờng khắc nghiệt nh không thấm nớc, chịu nhiệt, chống tia cực tím . 4 luận văn tốt nghiệp GVHD: đặng hồng lĩnh Tuy nhiên giá thành của các bảng điện tử của nớc ngoài còn rất cao. Do đó việc tìm hiểu xây dựng bảng điện tử với giá thành hợp lý là cần thiết đối với nhu cầu trong nớc hiện nay. II. Phân tích hệ thống 1. Nguyên lý hoạt động của bảng điện tử Nguyên lý hoạt động của bảng điện tử dựa theo nguyên lý hoạt động của các màn hình, đó là sử dụng phơng pháp quét hình theo từng dòng.Mỗi dòng gồm nhiều điểm ảnh, mỗi điểm ảnh có thể có một hoặc vài đèn, màu sắc khác nhau. Mỗi đèn đợc biểu diễn thông qua một bit dữ liệu, bit 1 tơng ứng với đèn sáng, bit 0 tơng ứng với đèn tắt. Tại một thời điểm, không phải tất cả các dòng trên màn hình đều sáng nhng do tốc độ quét nhanh và sự lu ảnh trên võng mạc tạo cho ngời nhìn thấy hình ảnh liên tục. Trong quá trình quét, mạch điều khiển sẽ đa dữ liệu ra Module hiển thị, chính dữ liệu này sẽ quyết định điểm ảnh nào sáng, điểm ảnh nào tắt, màu sắc của điểm ảnh là gì. Các điểm ảnh này sẽ tạo ra hình ảnh trên bảng điện tử. Hình 2.2. Nguyên tắc tạo ảnh trên ma trận LED 2. Phân tích hệ thống 5 luận văn tốt nghiệp GVHD: đặng hồng lĩnh Trong dự án này, bảng điện tử có kích thớc 16x64 điểm ảnh, mỗi điểm ảnh có hai đèn xanh đỏ, chia làm 2 Module, mỗi Module có kích thớc 16x32 điểm ảnh. Để hiển thị một hình ảnh ta phải quét hết 16 dòng. Nếu thời gian quét một dòng là 1ms, thì để quét xong một hình ảnh ta phải mất 16ms. Nếu thời gian trễ cho một hình ảnh là 34ms thì thời gian hiển thị của hình ảnh đó là 50ms. Nh vậy, ta có thể hiển thị đợc 1000/50 = 20 hình/s. Chất lợng hình ảnh phụ thuộc vào tốc độ dòng quét, tỉ lệ thời gian sáng và thời gian tối của từng dòng. Thời gian quét dòng phụ thuộc vào thời gian đẩy dữ liệu ra và thời gian trễ sáng cho dòng đó. Độ trễ sáng của dòng có ảnh hởng đến mức độ sáng tối cũng nh màu sắc của hình ảnh, vì vậy, để tạo ra nhiều mức sáng tối và tăng số màu hiển thị thì phải có khả năng thay đổi độ trễ sáng của dòng. III. Thiết kế tổng quan hệ thống 1. Thiết kế tổng quan phần cứng Phần cứng bảng điện tử gồm có Module điều khiển, Module quét dòng, và các Module hiển thị. Module điều khiển lấy dữ liệu đa ra bảng điện tử, đồng thời đa các tín hiệu điều khiển tới Module quét dòng để điều khiển việc quét dòng. Module quét dòng dựa vào các tín hiệu từ Module điều khiển để đa tín hiệu chọn dòng ra Module hiển thị, quyết định dòng nào sáng, dòng nào tối. Các Module hiển thị nhận dữ liệu và tín hiệu điều khiển từ Module điều khiển và Module quét dòng, thông qua các IC chuyên dụng để điều khiển các đèn sáng tối, tạo ra hình ảnh trên bảng điện tử. Sơ đồ khối tổng quan phần cứng nh sau: 6 luận văn tốt nghiệp GVHD: đặng hồng lĩnh 2. Thiết kế tổng quan phần mềm điều khiển Vì hệ thống đợc thiết kế theo mô hình của hệ thống tự động, nên chơng trình điều khiển phải đáp ứng tất cả những công việc đặt ra của hệ thống, khi khởi động hệ thống chơng trình điều khiển thực hiện quét xâu văn bản cần hiển thị, nạp dữ liệu nhận đợc vào bộ đệm của bảng điện tử, sau đó thể hiện thông tin lên bảng điện tử, công việc đó đợc lặp đi lặp lại nhiều lần. Sơ đồ khối tổng quan phần mềm nh sau: Sai Đúng Chơng II: Thiiết kế phần cứng Nh đã mô tả , phần cứng của bảng điện tử gồm có Module điều khiển, Module quét dòng, và các Module hiển thị. 7 luận văn tốt nghiệp GVHD: đặng hồng lĩnh Module điều khiển lấy dữ liệu đa ra bảng điện tử, đồng thời đa các tín hiệu điều khiển tới Module quét dòng để điều khiển việc quét dòng. Module quét dòng dựa vào các tín hiệu từ Module điều khiển để đa tín hiệu chọn dòng ra Module hiển thị, quyết định dòng nào sáng, dòng nào tối. Các Module hiển thị nhận dữ liệu và tín hiệu điều khiển từ Module điều khiển và Module quét dòng, thông qua các IC chuyên dụng để điều khiển các đèn sáng tối, tạo ra hình ảnh trên bảng điện tử. Sau đây là thiết kế chi tiết từng module. I. Module hiển thị Module này có nhiệm vụ nhận dữ liệu và các tín hiệu điều khiển đa tới từ Module điều khiển để xác định điểm ảnh nào sẽ sáng hay tắt, sáng màu gì trên mỗi dòng đợc quét. Hệ thống sử dụng các Module hiển thị có kích thớc 16x32. Mỗi module 16x32 đợc tạo thành từ 8 ma trận LED 2 màu (đỏ và xanh), anode chung với kích thớc 8x8. Các ma trận này đợc nối với nhau thành 16 dòng và 32 cột. Module hiển thị LED sử dụng các ma trận LED 8x8, mỗi điểm có hai đèn xanh và đỏ ghép lại. Sơ đồ chân của một ma trận LED nh sau: 8 luận văn tốt nghiệp GVHD: đặng hồng lĩnh Ri: Led đỏ thứ i Gi: Led xanh thứ i Li: Dòng thứ i Tại mỗi điểm, có hai đèn LED, một xanh một đỏ. Mỗi đèn có hai cực dơng và âm. Cực dơng sẽ dùng để điều khiển quét dòng. Do đó tất cả các đèn trên cùng một dòng có chung cực dơng (Li). Các đèn đỏ trên cùng một cột có chung cực âm (Ri), các đèn xanh trên cùng một cột có chung cực âm (Gi). Dữ liệu và các tín hiệu điều khiển đợc đa ra Module hiển thị theo kiểu đẩy nối tiếp. Các IC điều khiển led trên Module hiển thị sẽ dựa vào các tín hiệu điều khiển để quyết định đẩy dữ liệu đến các Module hiển thị tiếp theo hoặc chốt dữ liệu để hiển thị ra bảng điện tử. Trên cơ sở đó, mỗi module hiển thị cần phải có các tín hiệu chính sau : SCLK :Xung đồng hồ để dịch 1 bit dữ liệu vào từ (và ra khỏi) thanh ghi dịch. SIN_RED : Dữ liệu vào cho màu đỏ. SIN_GREEN : Dữ liệu vào cho màu xanh. SOUT_RED : Dữ liệu ra từ thanh ghi dịch của màu đỏ. SOUT_GREEN : Dữ liệu ra từ thanh ghi dịch của màu xanh. LATCH : Chốt dữ liệu từ thanh ghi dịch để cập nhật các điểm ảnh trên dòng. Sau đây là sơ đồ nguyên lý của Moule hiển thị led: 9 luËn v¨n tèt nghiÖp GVHD: ®Æng hång lÜnh 10 . Vinh Khoa công nghệ thông tin === === Ông mạnh hùng ứng dụng vi điều khiển atmega 90s8515l trong thiết kế và điều khiển bảng led Khóa luận tốt nghiệp Vinh,. điều khiển Trung tâm của Module điều khiển cũng là thành phần chính của Module điều khiển là vi điều khiển Atmega 90S8515L, vi điều khiển này sẽ điều khiển