Thiết kế mạch định vị GPS sử dụng SIM548C có full code

Hệ thống Định vị Toàn cầu (tiếng Anh: Global Positioning System GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh.Tuy được quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người trên thế giới sử dụng một số chức năng của GPS miễn phí, bất kể quốc tịch nào.Các nước trong Liên minh châu Âu đang xây dựng Hệ thống định vị Galileo, có tính năng giống như GPS của Hoa Kỳ, dự tính sẽ bắt đầu hoạt động năm 2014.1Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 quả vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian.Các hệ thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện. Được biết đến nhiều nhất là các hệ thống sau: LORAN – (LOng RAnge Navigation) – hoạt động ở giải tần 90100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VORDME – VHF (Omnidirectional RangeDistance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng.Gần như đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS. Hiện nay Liên minh Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên Galileo. Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh.Ban đầu, GPS và GLONASS đều được phát triển cho mục đích quân sự, nên mặc dù chúng dùng được cho dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác. Vì thế chúng không thỏa mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó. Chỉ có hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng) ngay từ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị dân sự.GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng trong dân sự. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày. Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu tín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ.Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng. Trạng thái của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS. Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét.Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. Không cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ănten để dùng với máy thu GPS của họ.

Lời nói đầu

Ngày nay chúng ta đang sống trong thời đại của kĩ thuật, chúng ta đã trải qua hàngtriệu năm lao động, sáng tạo và phát triển để đạt được đến trình độ tri thức như ngàyhôm nay Con người luôn muốn khám phá thế giới, luôn muốn đặt chân lên tất cảmọi nơi trên trái đất, những nơi mà chưa có ai đặt chân tới Vì vậy cần có một thiết

bị giúp con người có thể xác định được những nơi đó Một thiết bị có thể giúp conngười xác định được vị trí tọa độ chính xác của bản thân , xác định chính xác các vịtrí mà họ cần quan tâm Cùng với nhu cầu thực tế của con người, cũng trên nhu cầucủa chính phủ Mỹ, nước Mỹ cần xây dựng một hệ thống quân sự vững mạnh, họmuốn bao quát toàn bộ thế giới và kiểm soát mọi nơi trên thế giới Do vậy họ đãxây dựng nên một hệ thống nhằm giải quyết vấn đề đó Đó là hệ thống định vị toàncầu GPS Với lý do đó em chọn đề tài : “Hệ thống định vị toàn cầu GPS” Đồ áncủa em gồm:

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu

Chương 2: Vi xử lý avr ATMEGA16,Module SIM548C và LCD

Chương 3: Thiết kế máy thu GPS

Được sự quan tâm và giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tàikiệu của thầy giáo Nguyễn Hoàng Dũng cùng với sự nỗ lực của cả nhóm, đề tàiđược hoàn thành Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn đề tài chắc chắn khôngtránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo đóng góp ý kiến chỉnh sửa vàđịnh hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hoàng Dũng các bạn, các anh đã tận tìnhgiúp đỡ trong thời gian thực hiện đề tài

Hà nội, ngày 14 tháng 6 năm 2014

Các hình vẽ sử dụng trong báo cáo

1.1.Chòm sao vệ tinh

1.2.Vệ tinh NAVSTAR

1.3.Tín hiệu vệ tinh GPS

1.4.Tạo mã C/A code

1.5.Phân bố các trạm điều khiển

1.6.Quá trình điều khiển trong hệ thống GPS

2.3.Chu trình thời gian trên LCD

2.4.Sơ đồ khối ATMEGA16

2.5.Sơ đồ khối CPU ATMEGA16

2.6.Thanh ghi trạng thái SREG

2.7.Thanh ghi chức năng chung

2.8.Thanh ghi con trỏ ngăn xếp

2.15.Thanh ghi bộ định thời

2.16.Thanh ghi so sánh ngừ ra

2.17.Thanh ghi mặt nạ ngắt

2.18.Thanh ghi cờ ngắt

2.20.Sơ đồ khối Usart

2.21 Đơn vị tạo xung clock

2.22 Định dạng khung truyền

2.23.Sơ đồ bộ biến đổi AD

2.24.Thanh ghi ADMUX

2.25.Thanh ghi điều khiển và trạng thái ADC2.26.Thanh ghi dữ liệu ADC

2.33.Kiểm tra mạch điện thu

2.34.Kiểm tra mạch điện điều khiển3.1.Sơ đồ khối

3.2.Sơ đồ nguyên lý

3.3.Layout

3.4.Sơ đồ khối khối nguồn

3.5.Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

1.1.Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

GPS là từ viết tắt của NAVSTA GPS Nó được ghép bởi các chữ cái đầu của các từNAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System

GPS là một giải pháp cho một ai đó ở rất xa và cần sự giúp đỡ Nó cung cấp câu trảlời cho câu hỏi “tụi đang ở đâu trên trái đất?”, có thể thấy rằng đó là một câu hỏi dễdàng để trả lời Bạn có thể dễ dàng xác định đúng vị trí của mình bằng cách quansát mọi thứ ở xung quanh bạn và vị trí của bạn được xác định nhờ sự tương quanvới chúng Việc xác định vị trí của bạn sẽ như thế nào nếu như bạn không có các vậtxung quanh mình, hay bạn đang ở giữa sa mạc hoặc bạn đang ở giữa đại dương.Trong suốt nhiều thế kỷ, vấn đề đó đã được giải quyết bằng cách sử dụng mặt trời

và các ngôi sao để dẫn đường Cũng vì vậy các nhà đo địa hình và các nhà thámhiểm đã sử dụng những điểm đánh dấu sẵn từ những dữ liệu cơ sở đo đạc trước Cácphương pháp đo đú đó rất tốt nhưng chắc chắn nó bị hạn chế về một số mặt nhấtđịnh Khi trời có nhiều mây thì chúng ta không thể nhìn được các ngôi sao và mặttrời, vì vậy không xác định chính xác vị trí của nó vì vậy không thể xác định được

Vào đầu những năm 1970, một dự án mới đã được đề suất đó là dự án GPS Kháiniệm đó hứa hẹn để thực hiện các yêu cầu mà chính phủ Mỹ đề ra, hệ thống GPSnày có khả năng xác định một vị trí chính xác trên bề mặt của trái đất, ở bất kì mộtthời điểm nào, trong bất kì một điều kiện thời tiết nào

GPS là một hệ thống các vệ tinh , bao gồm có ít nhất 24 vệ tinh, hệ thống này cungcấp cho người sử dụng một vị trí chính xác trên bề mặt trái đất Điều này rất quantrọng đối với những nhà lữ hành hay những người lính ở giữa sa mạc và hệ thốngGPS có thể chỉ rõ vị trí chính xác đến khoảng mười năm mét Đối với những contàu đang chạy trên biển, hệ thống này có thể chỉ rõ vị trí chính xác đến năm mét

Trong nghành địa chất, hệ thống này có thể chỉ vị trí chính xác đế một centimethoặc ít hơn

Hệ thống GPS có thể được sử dụng để đạt được tất cả các độ chính xác trong tất cảcác ứng dụng, sự khác nhau về độ chính xác đạt được là do sử dụng các bộ thu GPS

và các kĩ thuật được thực hiện là khác nhau

Ban đầu hệ thống GPS được thiết kế chỉ để sử dụng trong quân sự Nhưng ngay sau

đó đó cú một sự đề nghị được đưa ra rằng hệ thống GPS cũng cần được sử dụngtrong dân sự, và không chỉ xác định vị trí của một ai đó (như trong quân sự) Banđầu đó cú hai ứng dụng quan trọng trong dân sự xuất hiện, đó là dẫn đường trongngành hàng hải và ngành địa chất Ngày nay các ứng dụng sử dụng hệ thống GPS

đã trở nên rất rộng rãi như dẫn đường cho ô tô qua sự điều khiển tự động

1.2.Tổng quan về hệ thống GPS

Cấu trúc của hệ thống GPS bao gồm 3 phân hệ chính:

- Phân hệ không gian: các vệ tinh quay quanh trái đất

- Phân hệ điều khiển: các trạm được đặt trên đường xích đạo của trái đất đểđiều khiển các vệ tinh

- Phân hệ người sử dụng: bất kì một ai mà người đó thu và sử dụng tín hiệuGPS

1.2.1 Phân hệ không gian

Chức năng chính của phân hệ không gian là từ các lệnh được gửi từ phân hệ điềukhiển, cung cấp tham chiếu thời gian nguyên tử, phỏt ra tín hiệu giả ngẫu nhiên cao tần

và lưu trữ, rồi phát lại bản tin dẫn đường Nó bao gồm các thành phần sau:

1.2.1.1 Chòm vệ tinh

Phân hệ không gian bao gồm có ít nhất là 24 vệ tinh, chúng có quỹ đạo bay xung

quanh trái đất, ở một độ cao xấp xỉ 20.200km

Trong phân hệ không gian sẽ có ít nhất bốn vệ tinh có thể trông thấy trên một góccắt 15 độ ở bất cứ một điểm nào trên bề mặt trái đất và ở bất cứ một thời điểm nào

Để có thể xác định một vị trí chính xác ở trên bề mặt trái đất thì cần phải có ít nhấtbốn vệ tinh trên một quỹ đạo.Nhưng theo nghiên cứu thực tế cần phải sử dụng ítnhất là năm vệ tinh trong suốt thời gian,và thông thường có sáu hoặc bẩy vệ tinh

Hình 1.1 Chòm sao vệ tinh

1.2.1.2 Vệ tinh

Các vệ tinh có cấu trúc và cơ cấu giữ cho chúng ở trên quỹ đạo, liên lạc với phân hệđiều khiển, phát tín hiệu tới máy thu

Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của hệ thống GPS là đồng hồ vệ tinh

Vì lý do này mà các vệ tinh được trang bị các đồng hồ nguyên tử (ribidium vàsecium) có độ ổn định cao

Hình 1.2 Vệ tinh NAVSTAR

Nhóm vệ tinh sau đã được phát triển

- Khối I, các vệ tinh triển khai dẫn đường Giữa năm 1978 và 1985, 11 vệ tinhloại này đã được phóng lên Chế độ S/A chưa được thực thi Chúng nặngkhoảng 845 kg và có thời gian hoạt động dự kiến là 4,5 năm Chúng có khảnăng cung cấp dịch vụ định vị cho 3 hoặc 4 ngày mà không cần liên hệ vớitrung tâm điều khiển

- Khối II và IIA, các vệ tinh tác chiến Ngày nay chúng vẫn hoạt động bìnhthường, bao gồm tổng cộng 28 vệ tinh được phóng từ năm 1989, mỗi vệ tinhnặng khoảng 1500kg và có thời gian hoạt động dự kiến 7,5 năm Từ năm

1990, phiên bản cải tiến được sử dụng, khối IIA tiên tiến với khả năng liênlạc hai chiều Chúng có thể cung cấp dịch vụ định vị cho 180 ngày mà khôngcần liên hệ với phân hệ điều khiển Tuy nhiên dưới chế độ hoạt động bìnhthường, chúng phải liên lạc hàng ngày

- Khối IIR, các vệ tinh tác chiến thay thế Từ năm 1997, các vệ tinh này được

sử dụng làm dự trữ cho khối II Nó được hình thành bởi hai vệ tinh, mặc dù

nó có thể tăng thêm 6 vệ tinh nữa Mỗi vệ tinh nặng 2000kg và có thời gianhoạt động dự kiến là 10 năm Chúng sẽ có khả năng tự động xác định quỹđạo của mình và tạo ra các bản tin dẫn đường của riêng chúng Các vệ tinhnày có thể đo khoảng cách giữa chúng và truyền các quan sát khác tới các vệ

tinh khác hoặc tới phân hệ điều khiển Vệ tinh loại này đã được phát triểnhoàn thiện và có khả năng hoạt động nửa năm mà không cần bất kì hỗ trợnào của phân hệ điều khiển và không suy giảm độ chính xác của lịch thiênvăn Người ta hy vọng một vài trong số chúng có thể trang bị với maze hiđrụ.

- Khối IIF, các vệ tinh tác chiến tiếp sau Việc phúng cỏc vệ tinh này được dựkiến vào năm 2001, thời gian hoạt động trung bình trên lý thuyết là khoảng

10 năm, và sẽ có hệ thống định vị quán tính

Các vệ tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: bởi vị trí của chúng trê quỹ đạo(Mỗi vệ tinh có một vị trí (1,2,3,…), bên trong 6 quỹ đạo – A,B,C,D,E,F, hay bởi sốchứng nhận NASA của chúng, bởi số ID quốc tế, bởi mã giả ngẫu nhiên PRN và bởi

số hiệu phương tiện vũ trụ SVN

Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS có một vài cái đồng hồ có độ chính xác rất cao Cácđồng hồ hoạt động ở một tần số cơ bản 10,23MHz, dùng để phát ra tín hiệu, các tínhiệu đó được phát quảng bá từ các vệ tinh

Các sóng mang đó được tạo ra từ tần số cơ bản, được phát đi bởi một đồng hồnguyên tử có độ chính xác rất cao:

- Sóng mang L1 được phát đi ở tần số 1575, 42 MHz (10,23MHz *154)

- Sóng mang L2 được phát đi ở tần số 1227, 60 MHz (10,23MHz *120)

Sau đó sóng mang L1 có hai mã được điều chế, đó là mã C/A Code hayCoarse/Acquistion Code được điều chế ở tần số 1,023MHz(10,23/10) và sau đó là

mã P-Code hay Precision Code được điều chế ở tần số10,23MHz Sóng mang L2chỉ có một mã được điều chế lên trên L2 P-Code được điều chế ở tần số 10,23MHz

-Mã Course/Acquisition [C/A(t) ] được biết đến là mã dân sự Dãy này được lặp saumỗi 1ms và ở tốc độ hay “tốc độ chớp” là 1Mb/s, tương đương với bước sóng293,1ms, nó chỉ được điều chế trên băng L1.

Hình 1.3 Tín hiệu vệ tinh GPS

- Mã chính xác P(t), được sử dụng cho mục đích quân sự và người dùng dân

sự được cấp phộp Dãy này lặp lại sau 266 ngày (38 tuần) và thành phầnhàng tuần của nó được gán cho mỗi vệ tinh, được gọi là dãy PRN Tốc độhay tốc độ chíp của nó là 10Mb/s tương đương với bước sóng 29,31m vàđược điều chế trên cả hai sóng mang L1 và L2

Tần số L2

Bước sóng L2

1227,60 MHz24,45 cmTần số mã P (tốc độ chíp)

Bước sóng mã P

Chu kì mã P

Fo =10,23MHz (Mb/s)29,31 m

266 ngày,7 ngày /vệ tinhTần số mã C/A (tốc độ chíp)

Bước sóng mã C/A

Chu kì mã C/A

fo /10 = 1,023MHz293,1 m

1 msTần số bản tin dẫn đường

Chiều dài khung

50bit/s

30 s

Bảng 1.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

- Bản tin dẫn đường D(t) được điều chế trên cả hai sóng mang có tốc độ 50bít/

s, thông báo các thông tin về lịch thiên văn, độ sai lệch của đồng hồ vệ tinh,

hệ số mô hình tầng điện ly và trạng thái tầng điện ly v…v…

Để hạn chế người dùng dân sự truy cập được độ chính xác hệ thống đầy đủ, nhiều

kĩ thuật đã được phát triển:

- S/N hay tính khả dụng có lựa chọn : là sự suy giảm chất lượng đồng hồ vệtinh và thay đổi lich thiên văn có chủ ý Nó gây ảnh hưởng lên định vị theophương ngang khoảnh sai số từ 10m(khi S/A tắt) tới 100m(khi S/A bật)

- A/S hay chống bắt trước (Anti-Spoofing): nó cốt ở mã hóa P bằng cách kếthợp nó với mã W bí mật, cho ra mã Y, mã này được điều biên trên hai sóngmang L1 và L2 Mục đích để tránh các truy nhập của người dùng khôngđược cấp phép nhằm mã hóa trên cả hai tần số P1 và P2, dẫn tới C/A chủ yếu

sử dụng với L1

Các bộ thu GPS sử dụng các mã khác nhau để nhận biết giữa các vệ tinh Các mãcũng có thể được sử dụng như một phương thức cơ bản để làm phép đo giả và vìvậy được dung để tính toán một vị trí

Hình 1.4 Tạo mã C/A code

1.2.2 Phân hệ điều khiển.

Phân hệ điều khiển có trách nhiệm vận hành hệ thống GPS Các chức năng cơ bảncủa nó bao gồm:

- Quản lý và duy trì trạng thái và cấu hình chòm vệ tinh

- Dự đoán thay đổi lịch thiên văn và đồng hồ

- Giữ đúng tỉ lệ thời gian GPS (thông qua các đồng hồ nguyên tử)

- Cập nhật các bản tin dẫn đường của tất cả các vệ tinh

Nó cũng phụ trách kích hoạt tính khả dụng có chọn lọc –S/A trong việc truyền tínhiệu.

Phân hệ điều khiển bao gồm một trạm trung tâm điều khiển chính được đặt ở FlaconAir Force Base ở Colorado Springs, Colorado và 5 trạm giám sát đặt ở Hawaii,Colorado Springs, đảo Ascensio ở Nam Đại Tây Dương, Diego Garcia ở Ấn ĐộDương và Kwajalein ở Bắc Thái Bình Dương và có 3 anten mặt đất phát đi các dữliệu tới các vệ tinh tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein Chúng được phân bốđều trên 5 khu vực trên đường xích đạo của trái đất

Hình 1.5 Phân bố các trạm điều khiển trên mặt đất

Các trạm giám sát liên tục theo dõi các vệ tinh trong tầm nhìn thẳng từ các điểmnày Chúng được trang bị máy thu đo cả hai tần số L1 và L2, tất cả các tín hiệu đến

từ vệ tinh trong tầm nhìn thẳng

Các dữ liệu thu theo dõi được gửi vể trung tâm điểu khiển chính Khi đã tới đóchúng được xử lý để xác định vị trí của các vệ tinh (lịch thiên văn ) và lỗi đồng hồtrong số nhiều các thông số khác Quỹ đạo bị ảnh hưởng bởi các nguồn gây xáo trộnnhư lực hấp dẫn của Mặt trời, Mặt trăng và các ứng suất của các tia bức xạ trong hệMặt trời lờn cỏc vệ tinh trong số nhiều các ảnh hưởng khác

Vỡ các lý do này, các tính toán để sửa lỗi cần phải được thực hiện sau nhữngkhoảng thời gian nhất định, tạo ra các bản tin dẫn đường được gửi tới các trạm giámsát mặt đất để được truyền tới vệ tinh Điều này được thực hiện với các ănten mặtđất thông qua đường dẫn sóng vô tuyến băng S Mỗi vệ tinh có thể được tải lên 3lần/ngày

Hình 1.6 Quá trình điều khiển trong hệ thống GPS

1.2.3.Phân hệ người sử dụng.

Phân hệ người sử dụng bao gồm các máy thu GPS nhằm kết nối bất kì một ai sửdụng một bộ thu GPS để thu tín hiệu GPS và xác định vị trí của họ hay thời gian.Chức năng chính của chúng là nhận các tín hiệu GPS, xác định giả khoảng cách vàgiải các phương trình dẫn đường để có được các tọa độ và cung cấp thời gian chínhxác

Các ứng dụng đặc trưng của phân hệ người dùng là dẫn đường mặt đất cho nhữngngười lữ hành,vị trí của phương tiên, địa chất , dẫn đường hàng hải, dẫn đường trênkhông ,v v

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của một bộ thu GPS

1.2.4 Bản tin dẫn đường

Mỗi vệ tinh nhận từ các ănten mặt đất, thông báo chứa trông tin về các thông số quỹđạo của nó, trạng thái đồng hồ, dữ liệu hiện thời của các vệ tinh khác Thông tin nàyđược gửi trở lại người dùng thông qua bản tin dẫn đường

Bit (0,02s)

Hình 1.9 Bản tin dẫn đường

Bản tin dẫn đường được điều biến trên cả hai sóng mang ở tốc độ 50 bit/s Toàn bộbản tin gồm 25 trang hay khung, tạo nên khung lớn nhất 12,5 phút để truyền đi Mỗikhung được chia ra thành 5 khung con dài 6 giây mỗi khung, đồng thời mỗi khungcon lại bao gồm 10 từ, 30 bít mỗi từ Một khung mất 30 giây để truyền đi

Mỗi khung con luôn bắt đầu với từ TML (Telemetry), cần thiết cho việc đồng bộ.Tiếp đó, từ transference (HOW) xuất hiện Việc phát đi từ này để cho phép nhanhchóng hoán đổi mã C/A cho mã P

Nôi dung của mỗi khung con như sau:

- Khung con 1 : Chứa các thông tin về các thông số được sử dụng bởi đồng hồ

vệ tinh phục vụ sửa lỗi Các giá trị này là các hệ số cho phép chuyển đổi thờigian trên vệ tinh thành thời gian GPS Nó cũng mang dữ liệu thông tin vềtình trạng hiện thời của vệ tinh, và thông tin về những vấn đề về bản tin dẫnđường

- Khung con 2 và 3 chứa lịch thiên văn vệ tinh

- Khung con 4 chứa các thông số mô hình hóa tầng điện ly (để điều chỉnh phản

xạ tầng điện ly), thông tin về UTC, một phần của niên lịch và các chỉ số chobiết liệu chế độ chống bắt trước Anti-Spoofing (A/S) có được kích hoạt haykhông( chế độ chuyển đổi mã P thành mã Y được mã hóa)

- Khung con 5: Chứa dữ liệu từ niên lịch và trạng thái chòm vệ tinh Vớikhung này,ta có thể nhanh chóng nhận biết 1 vệ tinh từ tín hiệu tới Cần có

25 khung để hoàn thiện niên lịch

Khung con 1 Khung con 2 Khung con 3 Khung con 4 Khung con 5

PHÂN HỆ ĐẦU VÀO CHỨC NĂNG ĐẦU RA

Các lệnh

Cung cấp tỉ lệ vềthời gian nguyêntử

Phát ra tín hiệu mãgiả

Lưu trữ và truyềnbản tin dẫn đường

Tín hiệu cao tầngiả ngẫu nhiênBản tin dẫn đườngTelemetry

giả ngẫu nhiênTelemetry

UTC

Xác định tỉ lệ thờigian và dự đoánlịch thiên vănGiữ cho phân hệkhông gian hoạtđộng

Bản tin dẫn đườngCác lệnh

giả ngẫu nhiên

Bản tin dẫn đường

Giải phương trìnhdẫn đường

Vị tríTốc độ Thời gian

Bảng 1.3 Thông tin trao đổi giữa các phân hệ

1.3.GPS làm việc như thế nào?

Có một vài các phương thức khác nhau cho việc thu được một vị trí sử dụng GPS.Một phương thức được sử dụng phụ thuộc vào độ chính xác, được yêu cầu bởingười sử dụng và sự đa dạng của bộ thu Nói chung, vể mặt kĩ thuật chúng có thểđược chia làm ba phương pháp cơ bản sau:

- Phân giải chính xác vị trớ(Differentially corrected positioning) Phương pháp

đó được biết như là DGPS Phương pháp này cho độ chính xác tới 0,5 đến5m, và nó được sử dụng cho dẫn đường hàng hải ven bờ,thu thập dữ liệu GISv…v…

Hình 1.10 Phương pháp DGPS

Dẫn đường tự trị (Autonomous Navigation) sử dụng cho một bộ thu đứng một mìnhriêng lẻ Phương pháp này được sử dụng cho những nhà lữ hành, các con tàu mànhững con tàu đó ở rất xa ngoài biển, phương pháp này được sử dụng cho mục đínhquân sự Phương pháp này xác định vị trí chính xác khoảng 100m trong sử dụngdân sự và khoảng 20m cho các sử dụng trong quân đội

Hình1.11.Phương pháp dẫn đường tự trị

- Phân giải vị trí theo pha (Differential Phase Position) Phương pháp này cho

độ chính xác từ 0,5 đến 20mm Phương pháp này được sử dụng cho các côngviệc về địa chất, hay điều khiển các thiết bị máy móc, v…v…

1.3.1.Dẫn đường đơn giản.

Đó là một kĩ thuật đơn giản nhất được sử dụng bởi các bộ thu GPS để xác địnhmột vị trí ngay lập tức và chiều cao hay độ chính xác về thời gian tới người sửdụng Độ chính xác đó đạt được hơn 100m cho các mục đích sử dụng trong dân sựcòn trong các mục đích sử dụng trong quân sự có độ chính xác từ 5 đến 15m Lý docho sự khác nhau về độ chính xác trong mục đích dân sự và quân sự sẽ được trình

bày ở phần sau Các bộ thu được sử dụng cho loại hoạt động là các lọai nhỏ, cácloại xách tay,hay một thiết bị cầm tay với một giá thành thấp.

1.3.1.1 Phạm vi của vệ tinh.

Tất cả các vị trí của GPS đều dựa trên việc đo đạc khoảng cách từ các vệ tinh đếncác bộ thu GPS trên mặt đất Khoảng cách đó đến mỗi vệ tinh có thể được xác địnhbởi một thiết bị thu GPS Nếu bạn biết khoảng cách từ ba điểm mà ba điểm đó liênquan đến bạn đến vị trí của bạn, bạn có thể xác định vị trí của bạn liên quan đến bađiểm đó Từ khoảng cách đến một vệ tinh, chúng ta biết được rằng, vị trí của mộtthiết bị thu phải là một trong số các điểm trên bề mặt của một hình cầu có tâm là vệtinh Nếu chúng ta có ba hình cầu được xác định bởi ba vệ tinh khác nhau, thì khi

đó vị trí của thiết bị thu sẽ được xác định

Hình 1.12 Xác định vị trí qua ba vệ tinh

Nhưng có một vấn đề đối với hệ thống GPS là ngoài một điểm được xác định bởi ba

vệ tinh trên cần phải có một vệ tinh thứ tư để xác định về mặt thời gian, khi đó thì vịtrí của máy thu hoàn toàn xác định Khi đó 4 vệ tinh được sử dụng để xác định nhưsau: Có 3 vệ tinh để xác định vị trí của một điểm (X,Y,Z) và vệ tinh thứ 4 để xácđịnh thời gian truyền tín hiệu Qua quan sát ta thấy bốn vệ tinh tạo ra bốn phươngtrình, và đi giải các phương trình đó ta hoàn toàn xác định được điểm đó

Hình 1.13 Xác định một điểm trong không gian qua 4 vệ tinh

1.3.1.2.Tính toán khoảng cách đến vệ tinh

Theo một cách khác việc tính toán khoảng cách đến mỗi vệ tinh có thể được tínhthông qua định luật Newton:

khoảng cách = vận tốc * thời gianCho một ví dụ, ta có thể tính khoảng cách của một con tàu, nếu như chúng ta biếtđược vận tốc của nó và thời gian nó đi

Yêu cầu của bộ thu GPS là tính toán khoảng cách từ thiết bị thu đến khoảng cáchcủa vệ tinh Vận tốc ở đây là vận tốc của tín hiệu radio, sóng radio truyền với tốc

độ bằng tốc độ ánh sáng 290.000km trên 1 giây

Thời gian được đo bằng thời gian truyền tín hiệu sóng radio từ vệ tinh đến thiết bịthu GPS Việc tính toán này tương đối khó khăn, vì khi đó ta cần phải phải xác địnhkhi nào thì tín hiệu radio dời khỏi vệ tinh và khi nào thì nó tới được thiết bị thu.Tính toán về thời gian: Tín hiệu từ vệ tinh có hai loại mã được điều chế, đó là mãC/A code và mã P code Mã C/A code được dựa trên thời gian được cho bởi đồng

hồ nguyên tử có độ chính xác rất cao Bộ thu cũng có một đồng hồ mà nó được sửdụng để tạo ra sự so sánh với mã C/A code Thiết bị thu GPS sau đó tự so sánhhoặc sẽ tương quan với mã bên trong của vệ tinh để thiết bị thu phát ra mã

Mã C/A code là một mã số đó là mã “giả ngẫu nhiờn” hoặc xuất hiện một cách ngẫunhiên Trong thực tế, nó không phải là ngẫu nhiên và nó lặp lại một trăm lần saumỗi giây.

Theo cách đó thời gian để truyền tín hiệu radio từ vệ tinh đến máy thu GPS đượcxác định

1.3.1.3 Các nguyên nhân gây nhiễu.

Ở các phần trên, chúng ta đều giả thiết rằng vị trí được xác định từ hệ thống GPS làrất chính xác, và không có lỗi Nhưng trong thực tế có một số nguyên nhân gâynhiễu mà nó gây ra sự sai lệch về vị trí từ vài mét đến vài chục mét.Các nguyênnhân gây nhiễu đó là:

- Trễ truyền trong tầng khí quyển và tầng điện ly

- Sai lệch về đồng hồ giữa vệ tinh và thiết bị thu

- Đa đường

- Phân tán độ chính xác (Dilution of Precision)

- S/A (Selective Availability)

- Chống bắt trước A-S (Anti Spoofing)

1.3.1.3.1 Trễ tầng điện ly và tầng khí quyển

Khi tín hiệu vệ tinh đi qua tầng điện ly, tín hiệu đó sẽ bị chậm lại, hiệu ứng đó nhưkhi ánh sang truyền qua một thấu kính và xảy ra hiện tượng khúc xạ Trễ trong tầngkhí quyển có thể gây ra một lỗi trong phạm vi tính toán như vận tốc của tín hiệu bịảnh hưởng (ánh sáng chỉ có vận tốc không đổi khi nó truyển trong chân không)

Hinh1.14 Trễ truyền trong tầng điện ly

Trễ trong tầng điện ly thì luôn thay đổi và các hệ số trễ đó thì phụ thuộc vào cácnguyên nhân gây trễ trong tầng điện ly.

- Góc chiếu của vệ tinh: Các tín hiệu từ góc chiếu thấp của các vệ tinh sẽ gây

ra ảnh hưởng đến tín hiệu nhiều hơn đối với các tín hiệu của các vệ tinh cógóc chiếu cao hơn Đó là nguyên nhân gây ra sự tăng về khoảng cách khi tínhiệu truyền qua tầng khí quyển

Hình 1.15 Do góc chiếu của vệ tinh

- Mật độ của tầng điện ly chịu ảnh hưởng của mặt trời: Vào ban đêm, có rất ít

sự ảnh hưởng của tầng điện ly đối với tín hiệu.Vào ban ngày, mặt trời đã làmtăng sự ảnh hưởng của tầng điện ly đối với tín hiệu và làm cho tín hiệu bị trễnhiều hơn Đồng thời mật độ của tầng điện ly cũng thay đổi tăng theo vớichu kì của mặt trời (hoạt động của vệt đen)

Điểm hoạt động của vệt đen cao điểm khoảng xấp xỉ cứ 11 năm Thêm vào nữa, sứcnóng của trái đất cũng thay đổi ngẫu nhiên và gây ảnh hưởng đến tầng điện ly.Nhiễu của tầng điện ly có thể được làm giảm nhẹ bằng một trong các cách sau:

+Phương pháp đầu tiên là làm giảm đi sự ảnh hưởng của tầng điện ly đối vớivận tốc ánh sáng khi truyền qua nó Người ta sẽ sử dụng một hệ số chính xác để đưavào để tính toán.Tuy nhiên, điều đó dựa vào điều kiện trung bình của tầng điện ly

hay xác định rõ ràng mật độ của tầng điện ly Vì vậy phương pháp này không giảiquyết tối ưu đối vơi việc làm giảm bớt nhiễu của tầng điện ly.

+ Phương pháp thứ hai là sử dụng “cặp tần số”của thiết bị thu GPS Các bộthu đo hai tần số L1 và L2 của tín hiệu GPS Nó được biết như sau, khi một tín hiệutruyền qua tầng điện ly, nó bị chậm xuống ở một tốc độ nghịch đảo tỉ lệ đối với tần

số của nó Vì vậy nếu như thay đổi thời gian của hai tín hiệu đối chiếu cho nhau, thìchúng ta có thể đánh giá chính xác sự trễ của tín hiệu Chú ý rằng điều đó chỉ có thểxảy ra đối với các thiết bị thu GPS với cặp tần số Hầu hết các thiết bị thu được tạo

ra dung để dẫn đường , vì vậy nó chỉ có một tần số

- Ảnh hưởng của hơi nước đối với tín hiệu GPS: Hơi nước có trong tầng

điện ly cũng gây ảnh hưởng tới tín hiệu GPS.Kết quả của ảnh hưởng đó làmgiảm bớt độ chính xác về vị tri xác định, và có thể khắc phục băng cách sửdụng các mô hình khí quyển

1.3.1.3.2 Nhiễu do đồng hồ của vệ tinh và thiết bị thu

Mặc dù các đồng hồ sử dụng trong vệ tinh có độ chính xác rất cao (đến khoảng 3ns), nhưng thỉnh thoảng chúng cũng gây ra sự trượt và tạo ra những lỗi nhỏ, và gâyảnh hưởng đến sự chính xác về vị trí

1.3.1.3.3 Nhiễu đa đường

Đa đường xảy ra khi anten của thiết bị thu được đặt ở vị trí gần khu vực có bềmặt phản xạ rộng như hồ nước hay các tòa nhà Tín hiệu vệ tinh không đến trực tiếpđược anten, mà nó đập vào các vật gần anten đầu tiên và sau đó được phản xạ lại vàđến anten tạo ra một phép đo sai

Hình1.16 Nhiễu đa đường

Nhiễu đa đường có thể được giảm đi bằng cách sử dụng các anten GPS đặc biệt mà

nó đồng nhất một mặt đất bằng phẳng (có hình dạng một cái đĩa của đường trònđồng tâm với đường kính khoảng 50 cm), anten đó có tác dụng hạn chế các tín hiệuphản xạ từ các mặt phản xạ rồi truyền tới anten

Hinh 3.6 Ănten vòng

Để có độ chính xác cao nhất, các giải pháp thích hợp được sử dụng, đó là một antenvũng xát nhau Một anten có vũng xát nhau, có 4 hoặc 5 vòng đồng tâm, nó có tácdụng ngăn cản bất kì một một tín hiệu không phải được truyền trực tiếp tới anten.Nhiễu đa đường chỉ gây ảnh hưởng độ chính xác cao, nhất là trong việc đo địa chất.Các thiết bị thu dẫn đường cầm tay đơn giản không sử dụng kĩ thuật này

1.3.1.3.4 Phân tán độ chính xác (Dilution of Precision)

Phân tán độ chính xác (DOP) là một phép đo về cường độ hình học vệ tinh và nó cóquan hệ với vị trí và không gian của các vệ tinh trên bầu trời DOP có thể phóng tolên và gây ra ảnh hưởng nhiễu

Hình 1.17 Nhiễu do phân tán độ chính xác

Vị trí tốt nhất giữa hai vệ tinh được minh họa như sau:

Trong trường hợp trên giữa hai vệ tinh đã gây ra sự không chính xác về vị trí

Phạm vi đối với các vệ tinh có ảnh hưởng tới việc xác định vị trí Khi các vệ tinhđược đặt ở một vị trí tốt, thì vị trí có thể được xác định với một vùng diện tích nhỏnhư trong sơ đồ trên và vì vậy lỗi thu được sẽ nhỏ

Khi các vệ tinh ở gần nhau , thì vùng xác định sẽ rộng hơn, do vậy vị trí sẽ khó xácđịnh hơn

Các loại khác nhau về nhiễu phân tán độ chính xác hay (DOP) có thể được tính toándựa theo chiều:

-VDOP-Vertical Dilution of Precision : cho độ chính xác giảm đi theo chiều thẳngđứng

-HDOP (Horizontal Dilution of Precision) cho độ chính xác giảm đi trong vị trí bachiều

-GDOP (Geometric Dilution of Precision) cho độ chính xác giảm đi trong ba chiều

1.3.1.3.5 S/A (Selective Availability)

S/A là một quá trình được đưa vào tín hiệu GPS của khu vực phòng thủ của nước

Mỹ (U.S.Department of Defence), nó có mục đích để phủ nhận dân thường vànhững thế lực thù địch bên ngoài, toàn bộ sự chính xác của GPS là vấn đề về các

đồng hồ vệ tinh đối với quá trình sử lý được biết như là “sự mập mờ” với việc cungcấp thời gian là không chính xỏc.v…v Kết quả là nó làm giảm về độ chính xác về

vị trí

1.3.1.3.6 Chống bắt trước A-S (Anti- Spoofing)

Chống bắt trước A-S có mục đích rằng để bác bỏ đối với dân thường và những thếlực thù địch bên ngoài truy nhập đến phần mã P-code của tín hiệu GPS và thay vì

đó bắt người sử dụng mã C/A code mà cái đó có S/A được đưa vào

Chống hồi tiếp đã biến mã P-code thành một tín hiệu được gọi là mã Y-code, và chỉđược sử dụng đối với các bộ thu trong quân sự

Các bộ thu trong quân sự thì rất chính xác bởi vì chúng không sử dụng mã C/A code

để tính toán thời gian dung để truyền tín hiệu đến bộ thu Chúng sử dụng mã P-code

Vì lý do đó các đối tượng sử dụng các bộ thu GPS trong quân sự sẽ nhận được một

vị trí với sai số độc chính xác khoảng 5m quanh khu vực Các đối tượng trong dân

sự ,sử dụng các bộ thu GPS sẽ nhậ được một vị trí với độ chính xác khoảng 15 đến100m

Differential corrected positions (DGPS)

Rất nhiều các lỗi gây ảnh hưởng đến việc đo đạc trong phạm vi của vệ tinh có thểđược loại trừ hoàn toàn hoặc làm mất hoàn toàn nhờ sử dụng kĩ thuật đo vi sai

Hình 1.18 Mô hình sử dụng thiết bị DGPS

DGPS cho phép những người sử dụng trong dân sự làm tăng độ chính xác từ 100mđến 2-3m hoặc thậm chí ít hơn, và làm cho nó có nhiều ứng dụng hơn cho nhiều cácứng dụng trong dân sự

Hình 1.18 Sử dụng DGPS trong hàng hải

1.3.2.1 Bộ thu trung gian (The Reference Receiver)

Các anten thu trung gian được gắn trên trước các điểm đo và được biết như là đểchỉnh sửa toạ độ Thiết bị thu được đặt ở điểm đó được biết như là bộ thu trung gianhoặc trạm cơ sở

Bộ thu mà được chuyển đổi trên đó và bắt đầu thu các vệ tinh Nó có thể tính toáncác vị trí một cách tự động, sử dụng kĩ thuật được đề cập đến trong phần 3.1

Bởi vì nó là một điểm được biết trước, bộ thu trung gian có thể đánh giá rất chínhxác mà các phạm vi đến sự thay đổi các vệ tinh se xảy ra

Bộ thu trung gian thường gắn bó đến một đường dữ liệu radio được sử dụng để phátquảng bá dùng để hiệu chỉnh

1.3.2.2 Bộ thu lưu động (The Rover Receiver)

Bộ thu lưu động là một điểm cuối khỏc dựng để hiệu chỉnh Bộ thu lưu động cómột đường dữ liệu radio đưa đến nơi mà có khả năng nó đến thiết bị thu phát quảng

bá chính xác bởi bộ thu vi sai

Bộ thu lưu động cũng tính toán các phạm vi đến các vệ tinh như được mô tả trongphần 3.1,sau đó nó ứng dụng các phạm vi chính xác thu được từ bộ thu vi sai.Sựngăn cách đó, tính toán một vị trí chính xác hơn nhiều nếu như một phạm vi đođược không chính xác được sử dụng

Sử dụng kĩ thuật này, tất cả các nguồn nhiễu được liệt kê trong phần 1.3.1.3 sẽ lànhỏ nhất, vì vậy càng chính xác hơn.

Điều đó cũng cần chú ý rằng các bộ thu đa lưu động có thể thu chính xác từ mộtthiết bị vi sai đơn

-Tần số của sóng radio

-Công suất của sóng radio

-Hệ số tăng ích của anten

- Vị trí anten

Các mạng của các thiết bị thu GPS và độ mạnh của của các bộ thu phát sóng radio

đã được củng cố, phát đi rộng rãi chỉ cho ngành hang hải ở một tần số an toàn.Chúng được biết như là các bộ thu phát chỉ dẫn Những người sử dụng các dịch vụnày (hầu hết là dẫn đường các tàu thuyền trên biển ở vùng ven biển) cần được muamột thiết bị thu lưu động mà nó có thể thu được các tín hiệu thông tin Do vậy các

hệ thống đã được đặt ở quanh các khu vực gần bờ của nhiều các quốc gia

Các thiết bị khác như điện thoại di động để truyền tín hiệu.Thêm vào nữa, các hệthống truyền thông tin báo hiệu , các hệ thống khác cũng tồn tại mà chúng cung cấpthông tin bao phủ qua các vùng diện tích rộng trên mặt đất được hoạt động bởi lĩnhvực thương mại, các công ty tư nhân Cũng có rất nhiều các đề nghị tới chính phủđược sở hữu các hệ thống như WAAS (Federal Aviation Authority’s satellite basedWide Area Agumentation System) ở nước Mỹ, ESA (The European SpaceAgency’s) và một hệ thống được đề xuất từ chính phủ nhật bản

Thông thường có một tiêu chuẩn được sử dụng để định dạng rộng rãi dữ liệu GPS,

nó được gọi là định dạng RTCM Những cái chuẩn đó giành cho các dịch vụ truyềnsóng radio trong hàng hải, các tổ chức tài trợ phi lợi nhuận Định dạng đó được sửdụng rộng rói trên toàn thế giới

1.4 Đánh giá về hệ thống GPS

1.4.1.GPS có một số các ưu điểm sau

-Là phương pháp tốt để xác định một vị trí bất kì trên bề mặt trái đất

-Có thể được sử dụng ở bất kì thời gian nào ,vào ban ngày hay ban đêm, và ở bất kìthời tiết nào

-Đưa ra những kết về địa hình với độ chính xác cao

-Nhiều công việc khi được ứng dụng hệ thống GPS sẽ mất ít thời gian và công sứchơn

1.4.2.Các giới hạn:

Để hoạt động với hệ thống GPS, rất quan trọng để thấy rằng anten thu GPS phảinhìn thấy trực tiếp 4 vệ tinh Đôi khi các tín hiệu vệ tinh có thể bị chắn bởi các tòanhà cao tầng v…v…Do vậy hệ thống GPS không thể được sử dụng trong nhà.Nócũng rất khó khăn khi sử dụng hệ thống GPS trong thành phố hay trong thị trấn

Đó là các giới hạn của hệ thống GPS Nó có thể cải thiện nhiều về giá cả trong mộtcác ứng dụng về địa chất học để sử dụng một trạm tập trung quan sát hoặc để kếthợp sử dụng một thiết bị với hệ thống GPS

Chương 2

Vi xử lý AVR ATMEGA 16,module sim548C và LCD

2.1 LCD

2.1.1.Khái quát về LCD

a Những kiến thức khái quát về LCD

- Ngày nay trong lĩnh vực thông tin và giải trí, việc dùng màn hình ống tia catottruyền thống (CRT : Cathode Ray Tube) đang dần được thay thế bằng việc sử dụngmàn hình tinh thể lỏng (LCD : Liquid Crystal Display)

- Những nguyên nhân chính cho việc thay thế LCD cho loại màn hình CRT nhưsau:

Độ dày màn hình nhỏ hơn rất nhiều

Kích thước đa dạng từ loại màn hình nhỏ hơn màn hình cực lớn

Tiêu thụ ít năng lượng và không nguy hiểm bằng CRT

- Vì mục đích của bài chỉ hiện thị nhiệt độ với kí tự giới hạn nên chỉ sử dụng loạiLCD có kích thước nhỏ.Cụ thể trong mạch này, sử dụng loại LCD 16 kí tự cho mộtdòng và màn hình chỉ có 2 dòng

b Cơ sở vật lý của LCD :

Màn hình tinh thể lỏng, cơ sở vật lý để LCD có thể hiển thị được thông tin, hình ảnhchính do đặc tính của vật liệu chế tạo nên LCD, tức là Liquid Crystals (thạch anhlỏng)

Các bộ phận chủ yếu và đặc tính của Liquid Crystals như sau :

Thứ nhất : Liquid Crystals là vật liệu trong suốt vùa có tính chất của chất rắn, lạivừa có tính chất của chất lỏng

Ánh sáng truyền qua Liquid Crystals theo góc nghiêng của các phần tử, và ánh sáng

bị phản xạ trở lại Đây là tính chất của chất rắn

Khi Liquid Crystals đựoc tích điện, nó sẽ bị thay đổi góc nghiêng của các phần tử

và kết quả là ánh sáng có thể truyền xuyên qua Đây là tính chất của chất lỏng.Thứ hai : LCD gồm 2 bề mặt dạng rãnh, giữa 2 bề mặt này là 1 lớp Thạch Anh lỏng(Liquid Crystals)

Trên mỗi bề mặt có các rãnh Các rãnh trên một mặt song song với nhau và vuônggóc với các rãnh trên mặt còn lại (theo hướng bắc- nam/ đông tây).

Đặc tính của Liquid Crystals ở giữa : ánh sáng truyền qua lớp này theo góc của cácphần tử, và vì thế ánh sáng bị xoắn 90 độ khi xuyên lớp Liquid Crystals, các phân tửđược sắp xếp lại theo phương ngang và vì thế mà ánh sáng có thể truyền qua lớp.Thứ ba : về tính chất của lớp lọc ánh sáng đơn cực Chúng ta đều biết rằng ánh sáng

là song truyền theo nhiều phương khác nhau Lớp lọc đơn cực thực ra chỉ là tập hợpcác đường thằng song sơng trong suốt chính là 2 bề mặt rãnh của LCD đã nói ởtrên Sau khi đi qua lớp lọc đơn cực ánh sáng chỉ còn thầnh phần song có phươngtrùng với phương các đường thẳng trên lớp lọc cực LCD có hai lớp lọc đơn cực cóphương lọc vuông góc với nhau Vì vậy, sau khi ra khỏi cả 2 lớp lọc đơn cực ánhsáng bị chặn lại hũan tũan, ánh sáng chỉ có thể truyền qua cả 2 lớp lọc đơn cực nếusau khi qua lớp lọc thứ nhất ánh sáng được xoắn 1 góc 90 độ rồi mới đi qua lớp lọcthứ hai

Cú thê tổng kết đường đi của ánh sáng như sau :

để có 1 điểm tối trên LCD ánh sáng phát ra tử bên trong LCD sẽ đi qua bề mặt rãnhthứ nhất( lớp lọc đơn cực ) sau đó ánh sáng đi qua lớp Liquid Crystals (lớp nàyđược phân cực nên ánh sáng qua đó không bị xoắn), sau đó ánh sáng qua bề mặtrãnh thứ 2 lớp phân cực thứ 2(lớp lọc đơn cực), ánh sáng không ló ra được khỏi lớpnày(bị chặn lại hoàn toàn) nên ta thấy 1 điểm tối trên màn hình LCD

Để có một điểm sáng trên LCD: quá trình đi tương tự nhưng khác ởchỗ ánh sángqua lớp Liquid Crystals không được phân cực nên ánh sáng bị xoắn 90 độ nhờ thế

mà đi qua được bề mặt rãnh thứ 2 (lớp lọc đơn cực) nên ta thấy 1 điểm sỏng trờnLCD

Cấu trúc và đặc diểm của LCD dùng cho mạch :

LCD hiển thị được 2 hàng, mỗi hàng hiển thị được 16 kí tự (LCD có 14 chân ) Thông số của LCD :

Kích thước hiển thị : 16 kí tự x 2 dòng

Màu hiển thị đen hoặc trắng

Chế độ giao tiếp :8 bít và 4 bít

Cỡ chữ hiển thị :5x7 hoặc 5x10

Ghép nối LCD với AVR

Hình 2.1 Ghép nối LCD với avr

2.1.2 Sơ đồ LCD

Hình 2.2.Chân LCD

a Mô tả chân của LCD :

hình, đưa con trỏ về đầu dòng v.v Nếu RS =1 thì thanh ghi dữ liệu được chọn vàcho phép người dùng gửi dữ liệu cần hiển thị lên LCD.

-R/W (Read./ Write ) – chân đọc ghi : chân vào đọc ghi cho phép người dungđọc/ ghi thông tin từ vi điều khiển lên LCD : R/W =0 thì đọc, còn R/W = 1 thì ghi

- E ( Enable ) – chân cho phép : chân cho phép E đựơc LCD sử dụng đểchốt dữ liệu hiện có trên chân dữ liệu Khi dữ liệu được cấp đến chân dữ liệu thìmột xung cao xuống thấp được áp đến chân E để LCD chốt dữ liệu trên chân dữliệu Xung này phải rộng tối thiểu 450 ns

- D0-D7 : Đây là chân dữ liệu 8 bit, được dung để gửi thông tin lên LCDhoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD Để hiển thị chữ cái và, mã ASCIIcủa các chữ cái từ A đến Z, a đến z và các con số từ 0 đến 9 được gửi đến cỏc chõnnày khi bật RS = 1 Cũng cú cỏc mã lệnh được gửi tới Lcd để xoá màn hình hoặcđưa con trỏ về đầu dòng hoặc nhấp nháy con trỏ Cũng có thể sử dụng RS=0 đểkiểm tra bit cờ bận xem LCD đã sẵn sàng nhận thông tin chưa Khi R/W =1 và RS

=0 thì cờ bận D7 thực hiện các chức năng sau: nếu D7 = 1 ( cờ bận bằng 1 ) thì cónghĩa là LCD đang bận các công việc bên trong và sẽ không nhận bất kỳ thông tinmới nào, còn nếu D7=0 thì LCD sẵn sàng nhận thông tin mới Trong mọi trườnghợp đều cần kiểm tra cờ bận trước khi ghi bất kỳ dữ liệu nào lên LCD

b Cấu trúc bộ nhớ trong của LCD

Màn hiển thị của LCD nói chung có thể lên tới hơn 40 ký tự trên 1 dòng và mộtmàn hình có thể có tới 4 dòng Trong đó có 1 bộ Ram để chứa mã 80 ký tự gọi là bộnhớ DDRam(Display Data Ram), màn hiển thị có thể dịch cả màn để quan sát đượccác ký tự khác

Bộ ký tự hiển thị : Bộ hiển thị có thể hiển thị được các ký tự đã được lập trình trướchoặc các ký tự do người dùng định nghĩa Trong bộ điều khiển hiển thị có một bộnhớ Rom dùng để phỏt kớ tự, trong Rom này chứa 192 ký tự, khi cần chọn những

ký tự này thỡ nú được chọn thông qua từng mã của nú,cú tới 96 mã ký tự ASCII, 64

mã ký tự tiếng nhật, 32 ký tự đặc biệt khác Trong bộ diều khiển LCD cũng có 1 bộRam gọi là CGRam ( character generator Ram) trong bộ nhớ này lưu 8 ký tự dongười dùng định nghĩa, các ký tự đầu tiên phải viết vào CGRam trước rồi sau đómới hiển thị ra màn hiển thị được

Khả năng hiển thị của LCD : LCD có khả năng hiển thị rất linh hoạt:

Thiết lập chế độ hiển thị : hiển thị trên 1 dòng hay cả 2 dòng, chọn cỡ chữ hiểnthị(5x7 hay 5x10), chọn kiểu con trỏ màn hình

Thiết lập trao đổi thông tin

Trình bày nội dung hiển thị : hiển thị nhiệt độ trên LCD

Tập lệnh của LCD : để thực hiện được cảc khả năng hiển thị ở trên ta cần ra lệnhcho LCD thực hiện các thao tác, tức là phải sử dụng tập lệnh của LCD

Nhóm 3 : Lệnh kiểm tra trạng thái của LCD : Set Display Address

Các mã lệnh này sẽ được đưa từ vi điều khiển vào LCD qua các chân từ D4 đến D7.Muốn LCD nhận và hiểu các tín hiệu dưa vào này là lệnh thì phải sử dụng đúngnhóm 3 chân điều khiển việc vào ra thông tin : E, RS, R/W

Có 2 chế độ đưa thông tin vào LCD (từ vi điều khiển) thông tin đưa vào là lệnh,thông tin đưa vào là dữ liệu để hiển thị.Với mạch hiển thị nhiệt độ này thì ta thôngtin đưa vào LCD là dữ liệu để hiển thị

Có 1 chế độ đưa thông tin ra khỏi LCD(vào vi điều khiển) : đọc trạng thái hiện hànhcủa LCD cho vi điều khiển biết

Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán hiển thị lên LCD

* chu trình thời gian trên LCD:

- Cần để ý tới thời gian LCD thực hiện 1 lệnh để tạo những khoảng thời gian trễthích hợp trong khi lập trình Assembly Khoảng thời gian trễ có tác dụng đợi đểLCD thực hiện xong lệnh trước rồi mới gửi lệnh tiếp theo.

- Sau khi cấp nguồn cho LCD phải đợi cho tới khi LCD khởi động xong hoàn toàn,

ta chèn vào đó 1 thời gian trễ

Bảng 2.4.Chu trình thời gian trên LCD

2.1.3.Hiển thị dữ liệu lên LCD :