Báo cáo Lập trình phần mềm nhúng Vy xử lý Xây dựng và Thực thi Leb Cube 5x5x5

Báo cáo Lập trình phần mềm nhúng Vy xử lý Xây dựng và Thực thi Leb Cube 5x5x5 Cần sản phẩm liên hệ facebook nhé Chuẩn bị•Dụng cụoKhung led cube 5x5x5oMỏ hànoChì hànoNhựa thông•Linh kiệnLED 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).

Vi điều khiển là một lĩnh vực khá lý thú không chỉ đối với các bạn sinh viênchuyên ngành Điện tử mà còn đối với sinh viên Công nghệ thông tin Cùng với sự pháttriển của ngành điện tử thì nhiều họ vi điều khiển được các hãng sản xuất chíp cho rađời như: AT89, AVR của Atmel, PIC của Microchip… AT89 là bước phát triển tiếptheo 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 nhữngmạch ứng dụng vi điều khiển điều khiển Led đơn được ứng dụng nhiều trong ngànhquảng cáo

Chắc hẳn ai trong chúng ta cũng đã một lần nghe qua từ 3D như xem phim 3Dhay Tivi 3D, và ắt hẳn bạn cũng đã từng nghe qua khối Led 3D hay Led Cube

Ngày nay các ứng dụng về 3D ngày càng rộng rãi, đã thúc đẩy nhiều nhà khoahọc đi sâu nghiên cứu và cho ra những sản phẩm ứng dụng công nghệ 3D với chấtlượng ngày càng được nâng cao đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng vì thếviệc nghiên cứu tìm hiểu led 3D đặt nền móng và giúp cho chúng ta hiểu hơn về côngnghệ 3D Trong bài báo cáo này mình sẽ nói rõ hơn về khối led 3D qua đề tài: THIẾT

KẾ VÀ THI CÔNG LED CUBE 5X5X5 DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN AT89S52

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

Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu và tìm hiểu 89S52 để ứng dụng hiệu ứng led Cube

- Thi công và thử nghiệm thực tế

Nội dung đề tài gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về phần mềm nhúng

Chương 2: Cơ sở phần cứng

Chương 3: Cơ sở phần mềm

Chương 4: Xây dựng chương trình

Tuy nhiên, do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi sự thiếusót, mong nhận được sự đóng góp ý kiến của Thầy và các bạn

GVHD: ThS Lê Hoàn

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ,giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian

từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sựquan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè Nhân cơ hội này, em muốn bày

tỏ lòng biết ơn sâu sắc của em tới họ

Đầu tiên, em muốn cảm ơn người hướng dẫn của em, thầy Lê Hoàn vì sự hướngdẫn tận tình và khoa học Đó là một cơ hội lớn cho em để được nghiên cứu và làm việcdưới sự hướng dẫn của thầy Cảm ơn rất nhiều tới thầy vì sự hướng dẫn em và cách đặt

ra các câu hỏi nghiên cứu giúp em tìm hiểu các vấn đề

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cán bộ, giảng viên trong khoa Côngnghệ thông tin – Trường Đại học Điện Lực đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình

để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em – những thành viên trong lớp Tin trong suốt thời gian học tập tại trường

D6-Em muốn cảm ơn những thành viên lớp D6-Tin – Trường Đại học Điện Lực.Những người bạn luôn chia sẻ và cổ vũ em trong những lúc khó khăn và em luôn ghinhớ điều đó

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn đối với cha mẹ và gia đình đã luônủng hộ, giúp đỡ em

Hà Nội, tháng 06 năm 2015

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM NHÚNG 1

1.1 Khái niệm phần mềm nhúng 1

1.2 Một số ví dụ 2

1.3 Công cụ phát triển 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ PHẦN CỨNG 4

2.1 Giới thiệu về vi điều khiển AT89S52 4

2.1.1 Chức năng 4

2.1.2 Tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển 10

2.2 Giới thiệu về Led Cube 11

2.2.1 Giới thiệu 11

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 11

2.2.3 Cơ sở tính toán chọn linh kiện 12

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ PHẦN MỀM 14

3.1 Keil C 14

3.1.1 Giới thiệu 14

3.1.2 Mục đích 14

3.2 Proteus 14

3.2.1 Giới thiệu 14

3.2.2 Mục đích 15

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH 16

4.1 Thiết kế phần cứng 16

4.2 Thiết kế phần mềm 17

4.2.1 Các lưu đồ 17

4.2.2 Chương trình 22

4.2.3 Thi công 23

KẾT LUẬN 26

GVHD: ThS Lê Hoàn

Hình 1.1 Phần mềm điều khiển mạch Led 2

Hình 1.2 Robot của NASA 2

Hình 2.1 Sơ đồ chân IC AT89S52 5

Hình 2.2 Sơ đồ khối IC AT89S52 6

Hình 2.3 Sơ đồ mạch Reset 8

Hình 2.4 Trạng thái các thanh ghi sau khi reset 9

Hình 2.5 Sơ đồ mạch kết nối thạch anh 9

Hình 2.6 tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển 10

Hình 2.7 Cấu trúc bộ nhớ Ram bên trong vi điều khiển 11

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Led 12

Hình 4.1 Sơ đồ thiết kế 16

Hình 4.2 Lưu đồ chương trình chính 17

Hình 4.3 Lưu đồ Delay 18

Hình 4.4 Lưu đồ hiệu ứng tỏa ra 19

Hình 4.5 Lưu đồ hiệu ứng chớp tắt 20

Hình 4.6 Lưu đồ hiệu ứng nước dâng 21

Hình 4.7 Bảng mạch sau khi hoàn thành 24

Hình 4.8 Ma trận Led cube thực tế 25

GVHD: ThS Lê Hoàn

Bảng 2.1 Chức năng các chân port 1 7 Bảng 2.2 Chức năng các chân port 3 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM NHÚNG

1.1 Khái niệm phần mềm nhúng

 Đó là phần mềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vựccông nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc và truyền tin Đặc điểm củacác hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động hoá cao

 Có khả năng tự trị, chạy trong các thiết bị mà không cần tới hệ điều hành

 Đó có thể là những thiết bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kĩ thuật số và máychơi nhạc MP3, hoặc những sản phẩm lớn như đèn giao thông, bộ kiểm soáttrong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân

 Phần mềm được tích hợp vào trong các IC của thiết bị điện tử

 Ưu điểm nhỏ gọn, dễ cài đặt và sản xuất hàng loạt

 Mục đích : Nhằm hỗ trợ cho các sản phẩm phần cứng các chức năng hoànhảo nhất, phục vụ tốt nhất các nhu cầu của người dùng với sự bảo mật vềsản phẩm tốt nhất

Phần mềm nhúng chiếm phần lớn trên thị trường phần mềm thế giới, có tốc độtăng trưởng cực cao Càng nhiều thiết bị ra đời thì càng cần đến phần mềm nhúng.Thị trường phần mềm nhúng thế giới hiện nay đang có tốc độ tăng trưởng nhanhchóng do nhu cầu mở rộng, thay đổi và nâng cấp liên tục của các mặt hàng có sử dụng

hệ thống nhúng

Ở Việt Nam, hệ thống nhúng mới được quan tâm trong thời gian gần đây Cácdoanh nghiệp làm phần mềm nhúng cũng chưa nhiều, mới có một số trung tâm thuộccác trường Đại học Quốc gia, Đại học Bách khoa, các đơn vị như Học Viện Kỹ thuậtquân sự, Viện nghiên cứu Điện tử - Tin học và Tự động hóa, Tổng công ty Điện tử -Tin học, Công ty thiết bị điện tử y tế, Công ty VTC - Truyền hình số mặt đất và một sốcông ty phần mềm khác

GVHD: ThS Lê Hoàn

1.2 Một số ví dụ

Hình 1.1 Phần mềm điều khiển mạch Led

Hình 1.2 Robot của NASA

1.3 Công cụ phát triển

Tương tự như các sản phẩm phần mềm khác, phần mềm hệ thống nhúng cũngđược phát triển nhờ việc sử dụng các trình:

 Trình biên dịch (compilers)

 Chương trình dịch hợp ngữ (assembler)

 Các công cụ gỡ rối (debuggers)

Và sử dụng ngôn ngữ (C/C++, Java, html, assembly….)

Tuy nhiên, các nhà thiết kế hệ thống nhúng có thể sử dụng một số công cụchuyên dụng như:

 Bộ gỡ rối mạch hoặc các chương trình mô phỏng (emulator)

 Tiện ích để thêm các giá trị checksum hoặc CRC vào chương trình, giúp hệthống nhúng có thể kiểm tra tính hợp lệ của chương trình đó

 Đối với các hệ thống xử lý tín hiệu số, người phát triển hệ thống có thể sửdụng phần mềm workbench như MatLab để mô phỏng các phép toán

GVHD: ThS Lê Hoàn

 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 2.3 Sơ đồ chân IC AT89S52

GVHD: ThS Lê Hoàn

Hình 2.4 Sơ đồ khối IC 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 khôngdùng 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 thìport 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 xuấtnhập ngoài ra còn có các chân có chức năng như bảng sau:

Bảng 2.1 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 khôngdùng 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 thìport 2 có chức năng là bus địa chỉ cao A8-A15

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

Bảng 2.2 Chức năng các chân port 3

GVHD: ThS Lê Hoàn

 Chân PSEN (Program store enable): là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 cho phépđọc bộ nhớ chương trình mở rộng Khi có giao tiếp với bộ nhớ bên ngoàimới dùng đến chân PSEN

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

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

 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 kỳmáy

Sơ đồ mạch reset:

Hình 2.5 Sơ đồ mạch Reset

Trạng thái các thanh ghi sau khi reset

Hình 2.6 Trạng thái các thanh ghi sau khi reset

 Chân XTAL1 và XTAL2: Chân 18, 19 của vi điều khiển Thường được nốivới thạch anh tạo thành mạch tạo dao động cho VĐK Tần số thạch anhthường dùng trong các ứng dụng là: 12 Mhz, Tần số tối đa 33Mhz Tần sốcàng lớn vi điều khiển xử lí càng nhanh

Sơ đồ mạch kết nối thạch anh:

Hình 2.7 Sơ đồ mạch kết nối thạch anh

GVHD: ThS Lê Hoàn

 Chân VCC, GND: chân 40, 20 của vi điều khiển dùng để cấp nguồn và nốiđất cho vi điều khiển.

1.4.2 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 bộnhớ bên ngoài nếu bộ nhớ bên trong không đủ khả năng lưu trữ chương trình Bộ nhớnội 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 nhớchương trình có dung lượng 8kbyte

Bộ nhớ mở 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

Hình 2.8 tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển

Bộ nhớ mở rộng bên ngoài và bộ nhớ chương trình bên trong không có gì đặcbiệt chỉ có khả năng lưu trữ dữ liệu và mã chương trình Bộ nhớ chương trình bêntrong của vi điều khiển thuộc loại bộ nhớ flash rom cho phép xóa bằng xung điện vàlập trình lại Bộ nhớ Ram nội bên trong là bộ nhớ đặc biệt, sơ đồ cấu trúc bên trongđược trình bày trong hình dưới

Hình 2.9 Cấu trúc bộ nhớ Ram bên trong vi điều khiển

1.5 Giới thiệu về Led Cube

1.5.1 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, tamắc chung các chân anode của 25 bóng trên 1 lớp lại với nhau và mắc chung 5 châncathode để tạo thành cột (có 25 cột)

1.5.2 Nguyên lý hoạt động

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 thắpsáng

GVHD: ThS Lê Hoàn

Việc cấp điện thế cao cho các lớp được thực hiện bởi 5 transistor PNP 5Transistor này được điều khiển bởi 5 chân IO của vi điều khiển và được phân cực ởvùng bão hòa và vùng ngưng tương ứng với mức logic 0 và 1 (ngược mức logic vớichân I/O của vi điều khiển) Việc cấp điện thế thấp cho các cột được thực hiện bởi 25chân I/O của vi điều khiển Do không có transistor để nhận dòng nên khi khi tính toánđiện trở hạn dòng cho led phải lưu ý đến khả năng nhận dòng của chân I/O vi điềukhiển (thông số IOL khoảng 200mA là tối đa) Ở thời điểm nào đó, mỗi chân này phảinhận dòng từ 5 bóng led của 1 cột Sơ đồ nguyên lý điều khiển sau đây:

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Led

1.5.3 Cơ sở tính toán chọn linh kiện

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

Mỗi led đơn để sáng được đòi hỏi dòng qua led là 10mA, hiệu điện thế 3V (dùngled 5mm xanh dương)

Tính toán chọn điện trở hạn dòng cho led:

Hiển thị hiệu ứng trên khối led cube bằng phương pháp quét giải mã bằng phầncứng và phần mềm khối quét và hiển thị led cube được thiết kế gồm 5 lớp, mỗi lớp 25led đơn được nối anode chung được điều khiển bằng phương pháp quét nhằm hiển thịđược 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 địnhtức là mỗi led phải được cấp dòng đóng ngắt lên đến 50mA

Dòng ngõ ra của vi điều khiển mức thấp là 20mA

Hiểu nôm na rằng, trình biên dịch là phần mềm mà trên đó sẽ được viết cácchương trình điều khiển để nạp xuống cho con VĐK Ta không thể viết chương trìnhcho VĐK trên word, excel mà mỗi một loại VĐK khác nhau lại phải dùng một phầnmềm chuyên dụng riêng để viết chương trình cho nó Đối với dòng VĐK 8051 thìcũng có một vài trình biên dịch khác nhau, nhưng cơ bản nhất, phổ biến nhất là trìnhbiên dịch KeilC Từ phần mềm này ta có thể viết chương trình bằng cả 2 loại ngôn ngữ

là C hoặc ASM

Vì VĐK không thể hiểu được các ngôn ngữ mà chúng ta viết chương trình, nóchỉ hiểu được các mã máy (mà do nhà sản xuất tạo ra), phần mềm này có chức năng

"phiên dịch" các dòng lệnh mà ta viết bằng C hoặc ASM sang "ngôn ngữ mã máy" (tạo

ra một file hex) từ đó ta sẽ dùng mạch nạp để nạp file hex này cho VĐK

số cả tương tự

 WorkBench (EWB) phần mềm này có thư viện linh kiện phong phú và cónhiều thiết bị đo kiểm tra như thực tế giúp người thiết kế dễ dàng quan sátcân chỉnh thông số của mạch điện So với các phần mềm khác thìWorkBench cho phép mô phỏng các loại mạch điện (cả số và tương tự)

 ORCAD, Eagle và PROTEL là các phần mềm hỗ trợ vẽ sơ đồ nguyên lý và

sơ đồ mạch in (PCB) nhưng không hỗ trợ mô phỏng mạch nguyên lý ThìProteus có thế mạch hơn hẳn về các mặt:

o Thư viện linh kiện phong phú

o Hỗ trợ nhiều thiết bị đo kiểm tra

o Cho phép thiết kế và chạy mô phỏng sơ đồ nguyên lý gồm các mạchtương tự, mạch số, mạch tổng hợp cả số cả tương tự

o Cho phép chạy mô phỏng các loại vi điều khiển, EPPROM, PIC

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH

1.9 Thiết kế phần cứng

Hình 4.11 Sơ đồ thiết kế

1.10 Thiết kế phần mềm

1.10.1 Các lưu đồ

Hình 4.12 Lưu đồ chương trình chính

GVHD: ThS Lê Hoàn

Hình 4.13 Lưu đồ Delay

Hình 4.14 Lưu đồ hiệu ứng tỏa ra

GVHD: ThS Lê Hoàn

Hình 4.15 Lưu đồ hiệu ứng chớp tắt

Hình 4.16 Lưu đồ hiệu ứng nước dâng

GVHD: ThS Lê Hoàn

1.10.2 Chương trình

Một số hàm chính:

//HIEU UNG CHAY VONG TRON

void vongtron(unsigned char ms,unsigned char n)

d2=0;delay(ms);d3=0;delay(ms);d4=0;delay(ms);d5=0;delay(ms);d6=0;delay(ms);

d15=0;delay(ms);d16=0;delay(ms);d25=0;delay(ms);d24=0;delay(ms);d23=0;delay(ms);

d22=0;delay(ms);d19=0;delay(ms);d12=0;delay(ms);d9=0;delay(ms);d8=0;delay(ms);

d7=0;delay(ms);d14=0;delay(ms);d17=0;delay(ms);d18=0;delay(ms);d13=0;delay(ms);

}

//HIEU UNG LOP NGANG CHAY LEN _ XUONG

void nuocdang(unsigned char ms,unsigned char n)

void nuocdang1(unsigned char ms,unsigned char n)

1.10.3.2Thi công

Hình 4.17 Bảng mạch sau khi hoàn thành

Hình 4.18 Ma trận Led cube thực tế

GVHD: ThS Lê Hoàn

KẾT LUẬN

Đánh giá chung

Sau một thời gian thực hiện đề tài cơ bản đã hoàn thành đúng thời gian và kếtquả thu được gần như đáp ứng được yêu cầu đề ra Khối led cube được thiết kế đượcbao trong vỏ hộp bằng mica tạo thêm tính thẩm mỹ cho khối led Về mặt sử dụng, khốiled sử dụng nguồn adapter 5v vì thế chúng ta có thể linh động trong việc di chuyểncũng như không lo về vấn đề hết pin Về mặt ổn định và hiệu quả làm việc mạch hoạtđộng tốt tuy nhiên vẫn còn một số điểm mắc phải do yếu tố về mặt thời gian và kinhnghiệm

Hạn chế

Hạn chế trong quá trình thực hiện, thời gian là vấn đề khó khăn lớn nhất màngười thực hiện gặp phải do phải đi thực tập ban ngày nên thời gian để thực hiện đề tàikhông được nhiều Mặt khác vấn đề lập trình cũng là một đề cần được quan tâm nhiềuhơn, do trình độ lập trình có hạn nên các hiệu ứng trong khối led chưa thực sự đẹp vàbắt mắt Ngoài ra với những hạn chế khách quan cũng như chủ quan nên một số vấn đềchưa được tìm hiểu và quan tâm đầy đủ nên sự thiếu sót của đề tài là điều không thểtránh khỏi

Hướng phát triển đề tài

- Trong thời gian tới sẽ có gắng phát triển từ khối led cube 5x5x5 lên khối ledcube 8x8x8 và10x10x10 sử dụng các loại vi điều khiển khác nhau như PIC hay AVR

- Nâng cao khả năng lập trình để thêm vào các hiệu ứng nhấp nháy theo nhạc,cho phép hiển thị ảnh động và trong khối led