THIẾT KẾ BỘ MODULE ĐIỀU KHIỂN LED CUBE 5X5X5

ĐỒ ÁN 1 THIẾT KẾ BỘ MODULE ĐIỀU KHIỂN LED CUBE TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM , KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ . CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ..........................................................................................................................................

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

==========o0o==========

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN 1

Mã: 13321 Học kỳ: 1 – Năm học: 2022 – 2023

Đề tài số 18: Thiết kế bộ module điều khiển led

cube 5x5x5

Nguyễn Long Phi 79357 ĐTĐ59ĐH Nhóm trưởng

Đỗ Lâm Minh An 86510 ĐTĐ61ĐH Thành viên

Bùi Văn Quyền 86268 ĐTĐ61ĐH Thành viên

Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp

Giảng viên hướng dẫn: Ths Vũ Ngọc Minh

HẢI PHÒNG - 12/2022

NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

1 Tinh thần thái độ, sự cố gắng của sinh viên trong quá trình thực hiện Đồ án:

………

………

………

………

………

2 Đánh giá chất lượng Đồ án (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trên các mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh và các bản vẽ): ………

………

………

………

………

………

3 Đánh giá: Đạt Không đạt

Hải Phòng, ngày tháng năm

Giảng viên hướng dẫn

x

TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN 1 Yêu cầu : Thiết kế bộ module điều khiển led cube 5x5x5

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

Lời cảm ơn

Trước tiên với tình cảm sâu sắc và chân thành nhất, cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy Vũ Ngọc Minh đã tạo điều kiện và hỗ trợ , giúp đỡ chúng

em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài này

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến Thầy Vũ Ngọc Minh đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập trên lớp Nhờ có những lời hướng dẫn , dạy bảo của Thầy nên đề tài nghiên cứu của chúng em mới có thể hoàn thiện tốt đẹp

Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Vũ Ngọc Minh – người đã trực tiếp giúp đỡ, quan tâm, hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt bài báo cáo này trong thời gian qua

Sinh viên thực hiện (Tất cả các SV)

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN AT89S52 1

1.1 Giới thiệu Vi điều khiển AT89S52 1 1.1.1 Chức năng 1

1.1.2 Tổ chức bộ nhớ của Vi điều khiển _ 4 1.1.3 Hoạt động định thời 6

1.1.3.1 Giới thiệu _ 6 1.1.3.2 Các thanh ghi của bộ định thời 6 1.1.3.3 Chế độ của bộ định thời 7

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LED CUBE 5X5X5 _ 11

2.1 Giới thiệu led cube _ 12 2.1.1 Giới thiệu _ 12 2.1.2 Luật điều khiển 12 2.1.3 Cơ sở tính toán chọn linh kiện _ 12 2.2 Thiết kế phần cứng _ 12 2.3 Thiết kế phần mềm _ 15 2.3.1 Lưu đồ thuật toán _ 15 2.4 Kết luận chương 15

Chương 3: Thi công mạch led cube 5x5x5 _ 21

3.1 Chuẩn bị _ 21 3.2 Thi công 22 3.3 Kết luận chương _ 22

KẾT LUẬN 24

Tài liệu tham khảo _ 25 Phụ lục 25

SUMMARY 25

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ chân AT89S52 1 Hình 1.2 Sơ đồ khối AT89S52 _ 2 Hình 1.3 Sơ đồ mạch Reset _ 4 Hình 1.4 Sơ đồ mạch kết nối thạch anh _ 4 Hình 1.5 Tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển 5 Hình 1.6 Cấu trúc bộ nhớ RAM bên trong vi điều khiển _ 5 Hình 1.7 Chế độ Mode 0 của Timer 2 _ 8 Hình 1.8 Chế độ Mode 1 của Timer 2 _ 8 Hình 1.9 Chế độ Mode 2 của Timer 2 _ 8 Hình 1.10 Chế độ Mode 3 của Timer 2 9 Hình 1.11 Chế độ thu nhận của Timer 2 _ 9 Hình 1.12 Chế độ tự nạp lại của Timer 2 _ 10 Hình 1.13 Chế độ phát tần số Baud của Timer 2 _ 10 Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Led 11 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển led cube 5x5x5 _ 13 Hình 2.2 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển led cube 14 Hình 3.1 Led cube hoàn thành thực tế _ 22 Hình 3.2 Mạch điều khiển hoàn thành thực tế _ 23

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Chức năng các chân port 1 _ 3 Bảng 1.2 Chức năng các chân port 3 _ 3 Bảng 1.3 Thanh ghi TMOD của Timer 0 và Timer 1 _ 6 Bảng 1.4 Thanh ghi TCON của Timer 0 và Timer 1 7 Bảng 1.5 Các Chế độ của Timer 2 _ 9 Bảng 3.1 Linh kiện sử dụng thiết kế led cube _ 221

MỞ ĐẦU

Ngày nay, các vi điều khiển đã thâm nhập vào mọi lĩnh vực của đời sống từ dân

sự, quân sự đến an ninh quốc phòng, có mặt trong hầu hết các ứng dụng hàng ngày

từ những thiết bị nhỏ như điện thoại di động, máy nhắn tin, trò chơi điện tử,… đến những thiết bị, phương tiện lớn như ô tô, tàu thủy, trong các hệ thống điều khiển ánh sáng,… Nhiều họ vi điều khiển được các hãng sản xuất chíp cho ra đời như: AT89, AVR của Atmel, PIC của Microchip,…

AT89 là bước phát triển tiếp theo của họ 8051, cùng với sự phát triển đó nhiều ứng dụng về nó đã được ra đời như: Mạch báo chuông tiết học, điều khiển động cơ,…

mà gần với chúng ta hơn đó là những mạch sử dụng vi điều khiển điều khiển Led đơn được ứng dụng nhiều trong ngành quảng cáo

Trong đồ án này, ta sẽ tìm hiểu một khía cạnh khá thú vị của vi điều khiển qua đề tài: THIẾT KẾ BỘ MODULE ĐIỀU KHIỂN LED CUBE 5x5x5

Mục tiêu của đề tài: Tìm hiểu cấu tạo khối led cube từ đó lập trình tạo ra các hiệu ứng bắt mắt trong không gian 3 chiều

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu và tìm hiểu 89S52 để ứng dụng hiệu ứng led Cube cùng với đó là thi công và thử nghiệm thực tế

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN AT89S52

1.1 Giới thiệu Vi điều khiển AT89S52

1.1.1 Chức năng

Vi điều khiển 8051 được Intel cho ra đời vào năm 1980 thuộc vi điều khiển đầu tiên của họ MCS-51 Hiện tại rất nhiều nhà sản xuất nhờ Siemens, Advanced Micro Devices, Fusisu và Philips tập trung phát triển các sản phẩm trên cơ sở 8051.Atmel là hãng đã cho ra đời các chip 89C51, 52, 55 và sau đó cải tiến thêm, hãng cho ra đời 89S51, 89S52, 89S8252,… Cấu hình AT89S52:

• 8 KB Flash ROM bên trong

• Có thể mở rộng 64 KByte không nhớ chương trình ngoài

• Có thể mở rộng 64 KByte không nhớ dữ liệu ngoài

Sơ đồ chân

Hình 1.1 Sơ đồ chân AT89S52

2

Sơ đồ khối

Hình 1.2 Sơ đồ khối AT89S52

Chức năng các chân

Port 0: là port có 2 chức năng với số thứ tự chân từ 32-39

Trong các hệ thống điều khiển đơn giản sử dụng bộ nhớ bên trong không dùng bộ nhớ mở rộng bên ngoài thì port 0 được dùng làm các đường I/O

Trong các hệ thống điều khiển lớn sử dụng bộ nhớ mở rộng bên ngoài thì port 0

có chức năng là bus địa chỉ và bus dữ liệu AD7-AD0

Port 1: với số thứ tự chân từ 1-8 có chức năng làm các đường điều khiển xuất nhập ngoài ra còn có các chân có chức năng như bảng sau:

3

Bảng 1.1 Chức năng các chân port 1

Port 2: với số thứ tự chân từ 21-28 với hai chức năng

Trong các hệ thống điều khiển đơn giản sử dụng bộ nhớ bên trong không dùng bộ nhớ mở rộng bên ngoài thì port 2 được dùng làm các đường I/O

Trong các hệ thống điều khiển lớn sử dụng bộ nhớ mở rộng bên ngoài

thì port 2 có chức năng là bus địa chỉ cao A8-A15

Port 3: có hai chức năng với số thứ tự chân 10-17các chân của port này có nhiều chức năng khác nhau như bảng sau:

Bảng 1.2 Chức năng các chân port 3

Chân PSEN (Program store enable): là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng khi có giao tiếp với bộ nhớ bên ngoài mới dùng đến chân PSEN

Chân ALE/PROG (Address latch enable): là tín hiệu ngõ ra ở chân 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt

Chân EA/VPP (External Access) số thứ chân là 31 có chức năng chọn bộ nhớ chương trình: EA=GND: Chọn bộ nhớ ngoại, EA=VCC chọn bộ nhớ nội

Chân RST (Reset) chân số 9 của vi điều khiển, khi nhấn nút reset thì mạch sẽ reset

vi điều khiển, khi reset thì tín hiệu phải ở mức cao ít nhất 2 chu kỳ máy

4

Sơ đồ mạch reset

Hình 1.3 Sơ đồ mạch Reset Chân XTAL1 và XTAL2: Chân 18, 19 của vi điều khiển thường được nối với thạch anh tạo thành mạch tạo dao động cho VĐK Tần số thạch anh thường dùng trong các ứng dụng là : 12Mhz , Tần số tối đa 33Mhz Tần số càng lớn vi điều khiển xử lí càng nhanh

Sơ đồ mạch kết nối thạch anh

Hình 1.4 Sơ đồ mạch kết nối thạch anh Chân VCC, GND: chân 40, 20 của vi điều khiển dùng để cấp nguồn và nối đất cho

vi điều khiển

1.1.2 Tổ chức bộ nhớ của Vi điều khiển

Vi điều khiển 89S52 có bộ nhớ nội bên trong và thêm khả năng giao tiếp với bộ nhớ bên ngoài nếu bộ nhớ bên trong không đủ khả năng lưu trữ chương trình

Bộ nhớ nội bên trong gồm có hai loại bộ nhớ: Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình Bộ nhớ dữ liệu có 256 byte, bộ nhớ chương trình có dung lượng 8kbyte

Bộ nhớ mỡ rộng bên ngoài cũng được chia làm hai loại bộ nhớ: bộ nhớ dữ liệu và

bộ nhớ chương trình, khả năng giao tiếp là 64kbyte cho mỗi loại

VCC

10K R

33 P

X2 X1

C3

33 P

5

Hình 1.5 Tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển

Bộ nhớ mở rộng bên ngoài và bộ nhớ chương trình bên trong không có gì đặc biệt chỉ có khả năng lưu trữ dữ liệu và mã chương trình

Bộ nhớ chương trình bên trong của vi điều khiển thuộc loại bộ nhớ flash rom cho phép xóa bằng xung điện và lập trình lại

Bộ nhớ Ram nội bên trong là bộ nhớ đặc biệt, sơ đồ cấu trúc bên trong được trình bày trong hình dưới

Hình 1.6 Cấu trúc bộ nhớ RAM bên trong vi điều khiển

Vi điều khiển họ 8051 có ba bộ định thời 16 bit trong đó hai bộ Timer 0 và Timer

1 có bốn chế độ hoạt động, còn Timer 2 có ba chế độ hoạt động

1.1.3.2 Các thanh ghi của bộ định thời

a ) Các thanh ghi của Timer 0 và Timer 1

Thanh ghi chế độ định thời TMOD: Thanh ghi TMOD chứa hai nhóm 4 bit dùng

để đặt chế độ làm việc cho Timer 0 và Timer 1

Bảng 1.3 Thanh ghi TMOD của Timer 0 và Timer 1

Bit Name Timer Description

7 GATE 1 Khi GATE = 1, Timer chỉ làm việc khi INT = 1

Bit đếm sự kiện hay ghi giờ C/T = 1: Đếm sự kiện C/T = 0: Ghi giờ đều đặn

5 M1 1 Bit chọn Mode của Timer 1

4 M0 1 Bit chọn Mode của Timer 1

3 GATE 0 Bit chọn cổng của Timer 0

2 C/T 0 Bit chọn chế độ Timer/Counter của Timer 0

1 M1 0 Bit chọn Mode của Timer 0

0 M0 0 Bit chọn Mode của Timer 0

Thanh ghi điều khiển Timer TCON: Thanh ghi TCON chứa các bit trạng thái điều khiển cho Timer 0 và Timer 1

7

Bảng 1.4 Thanh ghi TCON của Timer 0 và Timer 1

Bit Symbol Bit

Address

Description

TCON.7 TF1 8FH Cờ báo tràn của Timer1, được đặt bởi phần

cứng khi có tràn, được xóa bởi phần mềm hoặc bởi phần cứng khi bộ xử lý chỉ đến chương trình phục vụ ngắt

TCON.6 TR1 8EH Bit điều khiển Timer 1 hoạt động, được đặt/

xóa bằng phần mềm để điều khiển cho Timer chạy/dừng

TCON.5 TF0 8DH Cờ báo tràn Timer 0

TCON.4 TR0 8CH Bit điều khiển Timer 0 hoạt động

TCON.3 IE1 8BH Cờ ngắt do Timer 1

TCON.2 IT1 8AH Cờ ngắt ngoài 1

TCON.1 IE0 89H Cờ ngắt do Timer 0

TCON IT0 88H Cờ ngắt ngoài 0

b ) Các thanh ghi của Timer 2

Thanh ghi T2CON

Thanh ghi T2MOD: có địa chỉ 0C9H, thanh ghi này không định địa chỉ bit

Thanh ghi TH2 và TL2, RCAP2H và RCAP2L: Thanh ghi TH2 và TL2 chứa giá trị đếm của Timer 2, còn RCAP2H và RCAP2L chứa giá trị cần nạp lại của Timer

2

1.1.3.3 Chế độ của bộ định thời

a Các chế độ của Timer 0 và Timer 1

Mode 0 (mode Timer 13 bit): là chế độ định thời 13 bit, chế độ này tương thích với các bộ vi điều khiển trước đó, trong các ứng dụng hiện nay, chế độ này không còn thích hợp

8

Hình 1.7 Chế độ Mode 0 của Timer 2 Mode 1 (Mode Timer 16 bit): trong chế độ 1, bộ Timer dùng cả 2 thanh ghi TH và

TL để chứa giá trị đếm, vì vậy chế độ này còn được gọi là chế độ định thời 16 bit

Hình 1.8 Chế độ Mode 1 của Timer 2 Mode 2 (chế độ 8 bit tự nạp lại): Timer dùng TL để chứa giá trị đếm và TH để chứa giá trị nạp lại vì vậy chế độ này được gọi là chế độ tự nạp lại 8 bit Cách điều khiển giống chế độ 1

Hình 1.9 Chế độ Mode 2 của Timer 2 Mode 3 (Chế độ tách Timer): Timer 0 được tách thành 2 bộ Timer hoạt động độc lập, chế độ này sẽ cung cấp cho vi điều khiên thêm một Timer nữa

11

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LED CUBE 5X5X5

2.1 Giới thiệu Led Cube

2.1.1 Giới thiệu

LED CUBE được tạo thành từ 125 bóng led, xếp thành 5 lớp, mỗi lớp 25 bóng Điều đặc biệt là ta không dùng 125 mối nối để thắp sáng từng bóng mà thay vào

đó, ta mắc chung các chân anode của 25 bóng trên 1 lớp lại với nhau và mắc chung

5 chân cathode để tạo thành cột (có 25 cột)

2.1.2 Luật điều khiển

Để cho 1 led bất kỳ bật sáng, đầu tiên ta nối chân anode chung của lớp với điểm

có điện thế cao, khi đó 25 bóng led sẽ có chân anode được gắn với điểm điện thế cao, việc còn lại là nối điểm điện thế thấp cho chân cathode của bóng led nào cần thắp sáng

Việc cấp điện thế cao cho các lớp được thực hiện bởi 5 transistor PNP 5 Transistor này được điều khiển bởi 5 chân I/O của vi điều khiển và được phân cực ở vùng bão hòa và vùng ngưng tương ứng với mức logic 0 và 1 (ngược mức logic với chân I/O

của vi điều khiển) Việc cấp điện thế thấp cho các cột được thực hiện bởi 25 chân I/O của vi điều khiển

Sơ đồ nguyên lý điều khiển được thể hiện ở hình 1.14:

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Led

12

2.1.3 Cơ sở tính toán chọn linh kiện

Port 0 muốn hiển thị được và không bị nhiễu khi bỏ trống ta dùng điện trở kéo lên nguồn, chọn điện trở kéo lên 4,7 k

Mỗi led đơn để sáng được đòi hỏi dòng qua led là 10mA, hiệu điện thế 2V (dùng led 5mm đỏ)

Tính toán lựa chọn điện trở hạn dòng cho led

Ta có :

R =UngưUceưUvdkưUled

ILed =5ư0,2ư1ư2

0,01 = 180Ω Chọn RLed = 220Ω

Ithực tế = UngưUceưUvdkưUled

RLed = 8,1 mA

Với dòng 8,1 mA, led có thể sáng rõ Do đó, ta chọn R = 220Ω

Hiển thị hiệu ứng trên khối led cube bằng phương pháp quét giải mã bằng phần cứng và phần mềm khối quét và hiển thị led cube được thiết kế gồm 5 lớp, mỗi lớp 25 led đơn được nối anode chung được điều khiển bằng phương pháp quét nhằm hiển thị được các hiệu ứng 3D trên khối led cube Để cho led sáng ở chế độ đóng ngắt thì dòng qua led phải gấp 5 lần dòng có định tức là mỗi led phải được cấp dòng đóng ngắt lên đến 50mA Dòng ngõ ra của vi điều khiển mức thấp là 20mA

Phải chọn Transistor có: 𝐼𝑒𝑚𝑎𝑥=𝐼𝑐𝑚𝑎𝑥 =5 * 20 m A =100mA