Thiết kế, thi công mô hình led quay đồng hồ

Hoạt động của LED cũng giống như nhiều loại diode bán dẫn khác hình 2.1: khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn loại n chứa các điện t

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu để thực hiện chuyên đề tốt nghiệp, em đã nhận được sự quan tâm tận tình của các thầy cô hướng dẫn trong khoa Điện – điện

tử và các bạn trong lớp 53D-DT đã giúp em hoàn thành chuyên đề này

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẩn Th.s Nguyễn Văn Hân, đã hết lòng chỉ bảo và hướng dẫn tận tình, thường xuyên theo dõi quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu và Ban chủ nhiệm khoa Điện – Điện tử đã tạo điều kiện thuận lợi cho em để hoàn thành tốt chuyên đề này

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

MỞ ĐẦU vii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

2.1 Sơ lược về LED 2

2.2 Quang báo bằng ma trận LED 3

2.2.1 Khái niệm 3

2.2.2 Ma trận LED hình tròn 3

2.3 Cấu trúc của mô hình 4

2.3.1 Khối điều khiển 4

2.3.1.1 Vi điều khiển AT89S52 5

2.3.1.2 Cảm biến 6

2.3.1.3 Thời gian thực DS1307 7

2.3.2 Nguồn nuôi 9

2.3.2.1 Nguồn Pin 9

2.3.2.2 Chổi quét 10

2.3.2.3 Cấp nguồn không dây ( biến áp không khí, bức xạ điện từ) 10

2.3.2.4 Phương pháp cấp nguồn lên mạch bằng ổ bi 11

2.3.3 Hiển thị LED 12

2.3.4 Chức năng các linh kiện còn lại trong mạch: 12

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 13

3.1 Giới thiệu sơ lược về mô hình 13

3.1.1 Đặt vấn đề 13

3.1.2 Giải quyết vấn đề 13

3.1.2.1 Sơ đồ khối 14

3.1.2.2 Chức năng của các khối 14

3.1.2.3 Khối nguồn 15

3.1.2.4 Khối vi điều khiển AT89S52 17

3.1.2.5 Khối hiển thị 21

3.1.2.6 Khối cảm biến 21

3.2 Lưu đồ giải thuật 23

3.2.1 Giải thuật hiển thị chữ 23

3.2.2 Giải thuật hiển thị kí tự đầu tiên trên một vong pro 1 24

3.2.3 Giải thuật hiển thị đồng hồ kim 25

3.2.4 Giải thuật hiển thị chữ và đồng hồ số 26

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

4.1 Một vài hình ảnh về mô hình thực tế 27

4.2 Một số khó khăn gặp phải khi thi công 29

KẾT LUẬN 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

PHỤ LỤC 32

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Chức năng riêng của Port 3 19

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Hoạt động của LED 2

Hình 2.2: Quang báo bằng ma trận LED 3

Hình 2.3: Dải LED tạo thành LED ma trận hình tròn 4

Hình 2.4: Vi điều khiển AT89S52 5

Hình 2.5 : Hình dạng thực tế của cảm biến từ A3144 6

Hình 2.6: Cấu trúc A3144 6

Hình 2.7: Sơ đồ chân của DS1307 7

Hình 2.8 : Tổ chức bộ nhớ của DS1307 8

Hình 2.9: Nguồn Pin 9V 10

Hình 2.10: Chổi quét cấp nguồn cho mạch 10

Hình 2.11 : Nguồn bức xạ điện từ 11

Hình 2.12 : Hình dạng ổ bi 11

Hình 3.1: Sơ đồ khối mô hình led 14

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho VDK 15

Hình 3.3: Mô hình cấp điện led quay kiểu vòng bi 15

Hình 3.4: Cách gắn ổ bi lên động cơ 16

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển AT89S52 17

Hình 3.6: Cấu trúc Port 0 18

Hình 3.7: Cấu trúc Port 1 18

Hình 3.8: Cấu trúc Port 3 19

Bảng 3.1: Chức năng riêng của Port 3 19

Hình 3.9: Sơ đồ mạch Reset cho AT89S52 20

Hình 3.10: Sơ đồ mạch dao động cho AT89S52 20

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 21

Hình 3.12: Sơ đồ kết nối khối cảm biến A3144 với VDK 22

Hình 3.13: Lưu đồ giải thuật chung của 1 chương trình giải thuật hiển chữ trên 1 vòng quay 23

Hình 3.14: Giải thuật hiển thị ký tự đầu tiên trên 1 vòng pro1 24

Hình 3.15: Lưu đồ giải thuật hiển thị đồng hồ kim 25

Hình 3.16: Lưu đồ giải thuật hiển thị đồng hồ số và chữ 26

Hình 4.1: Mạch in và mạch thực 27

Hình 4.2: Hiệu ứng hiển thị đồng hồ kim 27

Hình 4.3: Hiệu ứng chạy chữ 28

Hình 4.4: Hình dạng dải LED trong mô hình 28

Hình 4.5: Khối vi điều khiển AT89S52 thực tế 28

Hình 4.6: Hình dạng mô hình thực tế 29

MỞ ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, cuộc sống con người càng trở nên tiện nghi và hiện đại hơn Điều đó đem lại cho chúng ta nhiều giải pháp tốt hơn trong việc xữ lý những vấn đề tưởng chừng như rất phức tạp gặp phải trong cuộc sống Việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại trong tất

cả các lĩnh vực đã và đang phổ biến trên toàn thế giới, thay thế dần những phương thức thủ công, lạc hậu và ngày càng được cải tiến hiện đại hơn, hoàn mỹ hơn

Cùng với sự phát triển chung đó, nước ta cũng đang mạnh mẽ tiến hành công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước để theo kịp sự phát triển của các nước trong khu vực và trên thế giới Trong đó lĩnh vực điện tử đang ngày càng đóng vai trò quang trọng trong việc phát triển kinh tế và đời sống con người Sự phổ biến của nó đóng góp không nhỏ tới sự phát triển của tất cả các nghành sản xuất, giải trí,… Trong những năm gần đây đặc biệt trong lĩnh vực giải trí, quảng cáo đã có sự phát triển mạnh mẽ với nhiều hình thức, phương pháp tiếp cận, quảng bá, chia sẻ thông tin hiện đại và toàn diện hơn dựa trên quang báo led

Với lòng đam mê và yêu thích của mình trong lĩnh vực này,em đã quyết định

chọn chuyên đề “Thiết kế, thi công mô hình led quay đồng hồ” nhằm đáp ứng

ham muốn học hỏi của bản thân cũng như nâng cao giá trị điện tử trong đời sống xã hội

 Mục đích nghiên cứu

Chế tạo một quang báo sử dụng động cơ và môt dải LED thẳng gắn vào trụ động cơ Khi động cơ quay, điều kiển dải LED hiển thị ra giờ

và chữ

 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu về cấu tạo,nguyên lý hoạt động và ứng dụng vi điều kiển

để hiển thị hình ảnh trên bề mặt LED xoay dựa trên hiện tượng lưu ảnh mắt người

 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Từ đề tài này giúp mọi người biết đến vào hiểu hơn về loại quang báo ảnh quay, phục vụ đời sống con người, ngoài hiển thị đồng hồ thời

gian quang báo này có thể hiển thị chữ, hình ảnh phục vụ quảng cáo…

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

Ngày nay, quang báo được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội Hầu như đi đâu chúng ta cũng có thể bắt gặp những bảng hiệu điện tử với nhiều hình thức khác nhau Nhằm mục đích làm nổi bật lên thương hiệu của mình các cửa hàng người ta đã sử dụng rộng rãi các bảng quảng cáo điện tử

Hiện nay có khá nhiều hình thức quang báo, chẳng hạn như các bảng hiệu LED đơn được sắp xếp thành các bảng chữ hay hình ảnh thường thấy ở các cửa hàng, quán cafe, karaoke… hoặc là các bảng LED ma trận dùng để hiển thị những hình ảnh và nội dung nhiều, hay dùng để làm các bảng thông báo thường thấy ở sân bay dùng để hiển thị các chuyến bay, giờ đến, giờ bay …

Đề tài này sẽ thực hiện một loại hình quang báo, đó là “quang báo ảnh quay” Đây là một hình thức quang báo khá mới Nó sử dụng một dải đèn LED quét thành một màn hình hình tròn nhờ động cơ Khi quay với tốc độ cao, những hình ảnh hay nội dung sẽ được hiện ra trên màn hình hình tròn này

Dựa theo nguyên lý quét LED MA TRẬN theo cột Việc quét cột được thực hiện nhờ quay của động cơ Dựa vào nguyên lý hoạt động của cảm biến từ để tạo ra ngắt cho vi điều khiển khi quay được 1 vòng Để dữ liệu được cố định trên vòng tròn quay, ta thực hiện bằng cách cứ ngắt xảy ra mới cho xuất dữ liệu,nếu trong thời gian thực hiện ngắt mà dữ liệu đã xuất hết thì thoát ngắt và chờ đến ngắt tiếp theo lại xuất dữ liệu."

Nội dung báo cáo này gồm 4 chương:

+ Chương 1: Giới thiệu chung

+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết

+ Chương 3: Thiết kế hệ thống

+ Chương 4: Kết quả và thảo luận

Trong đó, chương 1 sẽ giới thiệu khái quát về chuyên đề Chương 2 nói về cơ

sở lý thuyết của mô hình Chương 3 là cách thiết kế và các lưu đồ giải thuật để làm

rõ nguyên lý hoạt động của mô hình Chương 4 tổng kết lại những gì đã làm được

và một số khó khăn vấp phải khi tiến hành thi công mô hình

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sơ lược về LED

LED (Light Emitting Diode – diode phát quang) là các loại diode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống như diode, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N

Hoạt động của LED cũng giống như nhiều loại diode bán dẫn khác (hình 2.1): khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn loại n chứa các điện tử tự do mang điện âm thì các điện tử này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối P, cùng lúc đó khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và thừa lỗ trống) Ở mặt tiếp giáp P-N, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng Tùy theo mức năng lượng giải phóng là cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn Thông thường LED có điện thế phân cực thuận cao hơn các loại diode khác khoảng 1,5 đến 3V nhưng điện thế phân cực ngược ở LED lại không cao

Hình 2.1: Hoạt động của LED

Đèn LED có những ứng dụng rất phong phú và rộng rãi: làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị điện, điện tử, trang trí, làm đèn giao thông, các đèn LED phát ra tia hồng ngoại được dùng trong các thiết bị điều khiển từ xa trong điện tử dân dụng… thậm chí ngày nay người ta đã và đang nghiên cứu đèn LED phát ánh sáng trắng để thay thế cho các thiết bị chiếu sáng thông thường như đèn sợi đốt, đèn neon, đèn compact…Điều này là hoàn toàn có thể và có lẽ là sẽ thành hiện thực trong một tương lai không xa Một trong những ứng dụng quan trọng và phổ biến hiện nay của đèn LED chính là trong lĩnh vực quảng cáo, bảng quảng cáo bằng đèn LED

2.2 Quang báo bằng ma trận LED

2.2.1 Khái niệm

Ma trận LED là tập hợp nhiều đèn LED được bố trí thành ma trận dạng hình chữ nhật hoặc vuông với số hàng là a và số cột là b Để giảm số lượng các đường điều khiển, trong các ma trận LED, các LED được nối chung với nhau theo hàng và cột

Số lượng LED trên ma trận LED là axb trong khi số lượng ngõ ra bằng tổng số hàng

Hình tròn này đóng vai trò như một màn hình hiển thị thông tin theo ý muốn Việc hiển thị trên ma trận LED hình tròn này chính là việc điều khiển dải LED xếp theo đường thẳng

Hình 2.3: Dải LED tạo thành LED ma trận hình tròn

Nguyên lý hoạt động của ma trận LED hình tròn cũng tương tự như đối với ma trận LED hình vuông hay chữ nhật Tức là, lúc này ta chia hình tròn ra thành các cột (ví dụ: hình tròn có 360o thì ta chia mỗi độ tương ứng với một cột thì ta thu được

ma trận LED có 360 cột…) Số lượng cột càng nhiều thì khi LED quay độ phân giải càng cao sẽ hiển thị hình ảnh càng rõ Tuy nhiên, số lượng cột càng cao thì đòi hỏi

vi điều khiển xử lý càng nhiều dẫn đến tốn bộ nhớ, nên để thích hợp đối với mô hình này ta chia vòng tròn thành 192 cột Tương ứng với điều này, khi cho hiển thị đồng hồ kim lên ma trận LED tròn, ta chia hình tròn thành 12 khoảng (giống với đồng hồ kim thực tế), mỗi khoảng tương ứng với 16 cột LED

Đối với ma trận LED hình tròn, phương pháp quét LED có một vài điểm khác so với ma trận LED hình vuông hay chữ nhật Đó là ta chỉ xuất dữ liệu lên một dải LED, vì vậy để dải LED này hiển thị được nội dung hay hình ảnh rõ ràng ta cần tính toán đến độ trễ của nó Vì tốc độ lưu ảnh ở mắt người là 24 hình/s nên tốc độ tối thiểu của động cơ là 24 vòng/s => thời gian 1 vòng = 1/24 = 0.0416 s ~ 42ms Trên vòng quay chia làm 192 cột thì khoảng cách giữa mỗi cột = 42/192 = 0.218 ms ~ 268us Đây là thời gian delay giữa 2 lần xuất dữ liệu ra

2.3 Cấu trúc của mô hình

2.3.1 Khối điều khiển

2.3.1.1 Vi điều khiển AT89S52

Hình 2.4: Vi điều khiển AT89S52

 Các đặc điểm của chip AT89S52 đƣợc tóm tắt nhƣ sau [2] :

 8 KB bộ nhớ có thể lập trình nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi/xoá

 Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 33 MHz

 3 mức khóa bộ nhớ lập trình

 3 bộ Timer/counter 16 Bit

 128 Byte RAM nội

 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit

 Giao tiếp nối tiếp

 64 KB vùng nhớ mã ngoài

 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại

 4 µs cho hoạt động nhân hoặc chia

Dòng điện ra ( Max) 10 μA

 DS1307: [6] là chip đồng hồ thời gian thực (RTC: Real Time Clock), khái

niệm thời gian thực ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con người đang sử dụng, tính bằng giây, phút, giờ… DS1307 là một sản phẩm của Dallas Semiconductor (một công ty thuộc Maxim Integrated Products) Chip này có 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm Ngoài ra DS1307 còn có một thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống

có thể dùng như RAM DS1307 được đọc và ghi thông qua giao diện nối tiếp I2C nên cấu tạo bên ngoài rất đơn giản DS1307 xuất hiện ở hai gói SOIC và DIP có 8 chân như trong hình 1.13

Hình 2.7: Sơ đồ chân của DS1307

 Các chân của DS1307 được mô tả như sau:

 X1 và X2: là 2 ngõ kết nối với một thạch anh 32,768KHz làm nguồn tạo dao động cho chip

 VBAT : cực dương của một nguồn pin 3V nuôi chip

 GND: chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc

 Vcc: nguồn cho giao diện I2C, thường là 5V và dùng chung với vi điều khiển Chú ý là nếu Vcc không được cấp nguồn nhưng VBAT được cấp thì DS1307 vẫn đang hoạt động (nhưng không ghi và đọc được)

 SQW/OUT: một ngõ phụ tạo xung vuông (Square Wave / Output Driver), tần

số của xung được tạo có thể được lập trình Như vậy chân này hầu như không liên quan đến chức năng của DS1307 là đồng hồ thời gian thực, chúng ta sẽ bỏ trống chân này khi nối mạch

 SCL và SDA là 2 đường giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C

Cấu tạo bên trong DS1307 bao gồm một số thành phần như mạch nguồn, mạch dao động, mạch điều khiển logic, mạch giao diện I2C, con trỏ địa chỉ và các thanh ghi (hay RAM) Do đa số các thành phần bên trong DS1307 là thành phần “cứng” nên chúng ta không có quá nhiều việc khi sử dụng DS1307 Sử dụng DS1307 chủ yếu là ghi và đọc các thanh ghi của chip này

Hình 2.8 : Tổ chức bộ nhớ của DS1307

Vì 7 thanh ghi đầu tiên là quan trọng nhất trong hoạt động của DS1307 nên ta sẽ khảo sát các thanh ghi này một cách chi tiết

Thanh ghi giây (SECONDS): thanh ghi này là thanh ghi đầu tiên trong bộ nhớ

của DS1307, địa chỉ của nó là 0x00 Bốn bit thấp của thanh ghi này chứa mã BCD 4 bit của chữ số hàng đơn vị của giá trị giây Do giá trị cao nhất của chữ số hàng chục

là 5 (không có giây thứ 60) nên chỉ cần 3 bit là có thể mã hóa được Bit cao nhất, bit

7, trong thanh ghi này là 1 điều khiển có tên CH (Clock Halt – treo đồng hồ), nếu bit này được set bằng 1 bộ dao động trong chip bị vô hiệu hóa, đồng hồ không hoạt động Vì vậy, nhất thiết phải reset bit này xuống 0 ngay từ đầu

Thanh ghi phút (MINUTES): có địa chỉ 0x01, chứa giá trị phút của đồng hồ

Tương tự thanh ghi SECONDS, chỉ có 7 bit của thanh ghi này được dùng lưu mã BCD của phút, bit 7 luôn luôn bằng 0

Thanh ghi giờ (HOURS): có thể nói đây là thanh ghi phức tạp nhất trong

DS1307 Thanh ghi này có địa chỉ 0x02 Trước hết 4 bit thấp của thanh ghi này được dùng cho chữ số hàng đơn vị của giờ Do DS1307 hỗ trợ 2 loại hệ thống hiển thị giờ (gọi là mode) là 12h (1h đến 12h) và 24h (1h đến 24h), bit 6 ( trong hình 4) xác lập hệ thống giờ Nếu bit 6=0 thì hệ thống 24h được chọn, khi đó 2 bit cao 5 và

4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giá trị giờ Do giá trị lớn nhất của chữ số hàng chục trong trường hợp này là 2 nên 2 bit 5 và 4 là đủ để mã hóa Nếu bit 6 =1 thì hệ thống 12h được chọn, với trường hợp này chỉ có bit 4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giờ, bit 5 chỉ buổi trong ngày, AM hoặc PM Bit 5 =0 là AM và bit 5 =1 là

PM Bit 7 luôn bằng 0

Thanh ghi thứ (DAY – ngày trong tuần): nằm ở địa chỉ 0x03 Thanh ghi DAY

chỉ mang giá trị từ 1 đến 7 tương ứng từ Chủ nhật đến thứ 7 trong 1 tuần Vì thế, chỉ

có 3 bit thấp trong thanh ghi này có nghĩa

Các thanh ghi còn có cấu trúc tương tự, DATE chứa ngày trong tháng (1 đến 31), MONTH chứa tháng (1 đến 12) va YEAR chứa năm (00 đến 99) Chú ý, DS1307 chỉ dùng cho 100 năm, nên giá trị năm chỉ có 2 chữ số, phần đầu của năm

do người dùng tự thêm vào ( ví dụ 20xx)

Ngoài các thanh ghi trong bộ nhớ, DS1307 còn có một thanh ghi khác nằm riêng gọi là con trỏ địa chỉ hay thanh ghi địa chỉ (Address Register).Giá trị của thanh ghi này là địa chỉ của thanh ghi trong bộ nhớ mà người dùng muốn truy cập Giá trị của thanh ghi địa chỉ (tức địa chỉ của bộ nhớ) được set trong lệnh Write

2.3.2 Nguồn nuôi

Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp điện áp cho vi điều khiển hoạt động

Với đặc thù của mô hình LED này là khi hoạt động cần phải quay tròn nên không thể đấu dây trực tiếp lên mạch mà cần phải có module cấp điện lên Vì vậy yêu cầu đặt ra cho khối nguồn là vừa cấp được điện áp cho vi điều khiển hoạt động vừa không gây ảnh hưởng đến việc xoay tròn của động cơ

Sau khi nghiên cứu ta được các phương pháp cấp nguồn lên mạch sau:

+ Cấp nguồn bằng cách dùng chổi quét

+ Cấp nguồn không dây

+ Cấp nguồn bằng ổ bi

2.3.2.1 Nguồn Pin

=>> không đáp ứng đc yêu cầu thực tế

2.3.2.2 Chổi quét

Hình 2.10: Chổi quét cấp nguồn cho mạch

 Ưu điểm : dễ chế tạo, hiệu suất truyền điện khá cao

 Nhược điểm: có tiếng ồn khi hoạt động, do tiếp xúc ma sát dễ gây mòn chổi quét nên phải bảo trì định kỳ Lực ma sát làm ảnh hưởng đến momen quay của động

cơ làm động cơ nóng và giảm tuổi thọ.=>>không đáp ứng đc yêu cầu thực tế

2.3.2.3 Cấp nguồn không dây ( biến áp không khí, bức xạ điện từ)

Hình 2.11 : Nguồn bức xạ điện từ

 Ưu điểm: cấp nguồn liên tục, không có chuyển động cơ khí nên không ảnh hưởng đến momen quay của động cơ

 Nhược điểm: Hiệu suất truyền điện thấp nhất, module chế tạo phức tạp

=>>không đáp ứng đc yêu cầu thực tế

2.3.2.4 Phương pháp cấp nguồn lên mạch bằng ổ bi

Hình 2.12 : Hình dạng ổ bi

 Phương pháp này có ưu điểm cấp nguồn lên mạch liên tục, không gây ồn, không cần bảo trì thường xuyên Ma sát của ổ bi loại ma sát lăn nên ít ảnh hưởng đến momen quay của động cơ

 Nhược điểm: phức tạp, khó chế tạo

Sau khi tìm hiểu các phương pháp trên thì phương pháp cấp nguồn bằng ổ bi đáp ứng được yêu cầu của đề tài và giá thành cũng hợp lý Sẽ được làm rỏ ở chương 3

2.3.3 Hiển thị LED

Gồm dãy led, bán kính quay 28LED (pixel) 18cm nên khi quay tạo mặt phẳng hiển thị đường kính 36cm với 56 pixel Khoảng cách giữa 2 pixel = 6mm, diện tích hiển thị 1018 cm2 Như vậy khi dải LED quay tròn có thể hiện được hình ảnh với độ

phân giải là (56x56) pixel

2.3.4 Chức năng các linh kiện còn lại trong mạch:

 Diode: có chức năng bảo vệ mạch khi nối nguồn sai, ngoài ra, khi tụ xả điện thì diode ngăn không cho xả ngược về nguồn cấp Mạch dung LM7805 cho ra dòng max 1.5A nên chọn loại diode 2A

 Tụ C4 :có chức năng bù điện khi quá trình cấp điện không liên tục hoặc khi các LED sáng đồng loạt khiến dòng ra tải cao.Vị trí lắp sau diode nhằm mục đích khi xả điện thì chỉ cho xả vào mạch LED mà không đi ngược lại

Thời gian có thể xảy ra mất điện: là khoảng thời gian giữa 2 vòng quay do quá trình động cơ quay làm ổ bi rung Hoặc thời gian giữa 2 cột LED sáng toàn bộ, chủ yếu xả điện khi sụt áp do LED sáng nhiều

 Tụ C5: nguồn vào các vi điều khiển như 8051thì để chạy ổn định cần có tụ lọc nhiễu nguồn nên dùng tụ lọc nhiễu 104 pF

và trở thành dây dẫn từ nguồn xuống GND, lúc này cầu chì bên ngoài sẽ bị ngắt để bảo vệ nguồn

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Giới thiệu sơ lược về mô hình

3.1.1 Đặt vấn đề

 Ý tưởng thiết kế

 Thiết kế, chế tạo một quang báo sử dụng động cơ và một dải LED thẳng được gắn vào trục động cơ Khi động cơ quay, lợi dụng hiện tượng lưu ảnh mắt người, điều khiển dải LED hiển thị ra những hình ảnh và nội dung tùy ý

 Kích thước quang báo đủ lớn để có thể hiển thị rõ nội dung cũng như các hiệu ứng cần thiết

 Hiển thị được ảnh động và tĩnh

 Giá thành phải phù hợp với thị trường tại Việt Nam

 Có khả năng nâng cấp về kích thước dải LED và một số chức năng khác như điều khiển từ xa, hẹn giờ báo thức…

 Phương pháp thực hiện

 Thực hiện bằng các cổng logic cơ bản cùng các linh kiện cơ bản: transitor, R,

L, C… Phương pháp này cần nhiều linh kiện, mạch cồng kềnh, không có nhiều khả năng linh hoạt, khả năng mở rộng rất hạn chế

 Thực hiện bằng vi mạch tích hợp lập trình được thuộc họ FPGA Phương pháp này cho kết quả mạch khá nhẹ nhàng vì đôi lúc chỉ cần một con chip mà không cần dùng thêm các linh kiện khác Tuy nhiên, phương pháp này giá thành cao

vì các chip FPGA rất đắt

 Thực hiện bằng vi mạch điều khiển, vi mạch xử lý Đây là phương pháp được chọn để thực hiện đề tài này vì nó cho kết quả khả quan hơn hai phương pháp trên Chỉ cần dùng chip vi xử lý và một số IC để điều khiển dải LED Như vậy,

mạch quay sẽ nhẹ hơn, và quan trọng là giá thành chip vi xử lý cũng không quá đắt 3.1.2 Giải quyết vấn đề

Trong mạch này có thể chia làm nhiều khối, mỗi khối sẽ đảm nhiệm từng chức năng riêng Sau đây em sẽ đi làm rỏ nhiện vụ và nguyên lý hoạt động của từng khối để thiết kế một mạch hoàn chỉnh

3.1.2.1 Sơ đồ khối

Hình 3.1: Sơ đồ khối mô hình led

3.1.2.2 Chức năng của các khối

 Khối nguồn:đảm bảo cung cấp điện liên tục cho khối điều khiển hoạt

động

 Khối điều khiển:xử lý các tín hiệu điều khiển, ngắt ngoài, truy xuất dữ

liệu trong bộ nhớ và xử lý các hiệu ứng tạo các data xuất ra khối hiển thị

 Khối cảm biến:tạo các tín hiệu ngắt đưa về khối xử lý nhằm đảm bảo các LED hiển thị chính xác vị trí

 Khối hiển thị:có vai trò xuất các tín hiệu logic sau khi xử lý xong ra các LED, khối này quyết định chất lượng của nội dung cần hiển thị

 Bộ nhớ: chứa các thông số điều khiển, các mảng dữ liệu cho hình ảnh, text…Khi người dùng thay đổi nội dung, hình ảnh thì các dữ liệu sẽ được lưu vào bộ nhớ này Khi LED hoạt động, các ô nhớ được truy cập liên tục cho khối điều khiển

3.1.2.3 Khối nguồn

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho VDK

Để khối nguồn hoạt động ta cần cấp nguồn 12V qua ổ bi đến đầu vào vin qua IC

7805 sẽ cho ra nguồn 5V cấp ch0 VDK

 Nguyên lý cấp nguồn thông qua ổ bi:

Hình 3.3: Mô hình cấp điện led quay kiểu vòng bi

 Do vành trong và vành ngoài chuyển động trên các viên bi, tất cả đều làm bằng kim loại nên trong quá trình bi quay vẫn dẫn điện từ vòng trong ra vòng ngoài

Hình 3.4: Cách gắn ổ bi lên động cơ

Ổ bi được gắn vào trục động cơ, giữa vòng trong của ổ bi và trục có lớp cách điện bằng cao su.Trục và vỏ động cơ được nối nguồn (-), trục quay dẫn điện với vỏ nên cấp nguồn (-) lên mạch.Vòng ngoài của ổ bi cố định và được nối nguồn (+), như vậy vòng trong của ổ bi khi quay sẽ có điện (+) cấp lên mạch

Sử dụng phương pháp này là tối ưu nhất vì vòng bi quay trơn tru, không gây ma sát tạo tiếng ồn, đồng thời mạch gọn nhẹ làm motor quay dễ dàng

 Ổ bi: khi quay các bi chuyển động chống tiếng ồn ma sát so với các phương pháp cấp nguồn khác Hơn nữa, đây là phương pháp tối ưu cho việc cấp nguồn ổn định lên mạch

 Vòng cách điện: làm bằng cao su đường kính trong 6 mm, đường kính ngoài

8 mm, chức năng cách điện tốt giữa nguồn âm và nguồn dương

 Lò xo: gồm có 2 chức năng:

+ Thứ nhất: cấp nguồn dương lên ổ bi ( nguồn dương được đưa vào đai ốc, đai

ốc bắt vào lò xo như hình 1.21)

+ Thứ hai: tạo lực kéo nhẹ đủ làm cho các viên bi luôn tiếp xúc với vòng trong

và vòng ngoài ở 1 bên khi quay, vì khi quay có thể do lực ly tâm làm các viên bi có

xu hướng ra xa vòng trong của ổ bi, chống rung khi motor quay với tốc độ cao.Nếu

dùng dây dẫn sau 1 tg dùng dây sẽ đứt vì liên tục bị biến dạng khi quay, lò xo đáp ứng đc yêu cầu chuyển động liên tục này

Nguồn 12V sau khi đƣợc cấp lên mạch, cho qua IC LM7805 để chuyển thành 5V cấp cho khối điều khiển và LED

3.1.2.4 Khối vi điều khiển AT89S52

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển AT89S52

 Các thành phần của AT89S52 đƣợc sử dụng trong mạch:

 Chân Vcc: chân số 40 là Vcc cấp điện áp nguồn cho vi điều khiển

Nguồn điện cấp là +5V± 0.5V

 Chân GND: Chân số 20 nối GND (hay nối Mass)

Khi thiết kế cần sử dụng một mạch ổn áp để bảo vệ cho vi điều khiển, cách đơn giản là sử dụng IC ổn áp 7805

 Port 0 (P0.X): Port 0 chiếm tất cả 8 chân (từ chân 32 đến 39) Nó có thể

đƣợc dùng nhƣ cổng đầu ra, để sử dụng các chân cổng 0 vừa làm đầu ra, vừa làm đầu vào thì mỗi chân phải đƣợc nối tới một điện trở kéo bên ngoài

Điều này là do Port 0 được thiết kế theo kiểu cực máng hở khác với các Port còn lại

Hình 3.6: Cấu trúc Port 0

 Port 1 (P1.X): Cổng P1 gồm 8 chân ( từ chân 1 đến 8), nó có thể được sử

dụng như đầu vào hoặc đầu ra

So với cổng P0 thì cổng này không cần đến điện trở kéo vì nó đã có các điện trở kéo bên trong.Trong quá trình tái lập thì cổng P1 đươc cấu hình như một cổng đầu

ra Để biến cổng P1 thành đầu vào thì nó phải được lập trình bằng cách ghi 1 đến tất

cả các bit của nó

Hình 3.7: Cấu trúc Port 1

 Port 3 (P3.X): Port 3 gồm 8 chân ( từ chân 10 đến 17)

Nó có thể được sử dụng như đầu vào hoặc đầu ra.Cổng P3 cũng không cần điện trở kéo

Mặc dù cổng P3 được cấu hình như một đầu ra khi tái lập, nhưng đây không phải là cách nó được sử dụng phổ biến nhất Cổng P3 có chức năng bổ sung và cung

cấp một số tín hiệu quan trọng đặc biệt chẳng hạn như ngắt

Hình 3.8: Cấu trúc Port 3

Với mỗi chân trong Port 3 có chức năng riêng thứ hai như trong bảng sau:

Bảng 3.1: Chức năng riêng của Port 3

P3.0 RxD Ngõ vào nhận dữ liệu nối tiếp

P3.1 TxD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp

P3.2 INT0 Ngõ vào ngắt cứng thứ 0

P3.3 INT1 Ngõ vào ngắt cứng thứ 1

P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 0

P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 1

P3.6 WR Ngõ điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài

P3.7 RD Ngõ điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ bên ngoài

 Chân RESET (RST)

Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để thiết lập trạng thái ban đầu cho

vi điều khiển Hệ thống sẽ được thiếp lập lại các giá trị ban đầu nếu ngõ này ở mức

1 tối thiểu 2 chu kỳ máy (Tương đương 2 µs với thạch anh 12MHz)

P3.X PIN

Có thể để mạch tự Reset khi cấp nguồn hoặc chọn phương án Reset bằng tay Trong mô hình sử dụng mạch tự Reset khi cấp nguồn vì khi hoạt động toàn bộ mạch

sẽ quay với tốc độ cao nên không thể Reset bằng tay

Hình 3.9: Sơ đồ mạch Reset cho AT89S52

 Chân XTAL1 và XTAL2

Hai chân này có vị trí chân là 18 và 19 được sử dụng để nhận nguồn xung clock

từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép nối với thạch anh và các tụ để tạo

nguồn xung clock ổn định hoặc nhận xung clock từ các mạch TTL

Hình 3.10: Sơ đồ mạch dao động cho AT89S52

Tụ gốm có trị số từ 27pF – 33pF để ổn định làm việc cho thạch anh, thường dùng loại 33pF

Đối với AT89S52 có thể sử dụng thạch anh từ 2MHz – 33MHz Trong mô hình

sử dụng loại thạch anh 32MHz, vì đối với loại quang báo này thì tốc độ xử lý của vi điều khiển phải nhanh nên chọn loại thạch anh có giá trị cao mới có thể đáp ứng được

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị

LED dùng trong mô hình là loại LED oval, được điều khiển ở mức thấp Khi quay sẽ cho ta những hình ảnh với điểm ảnh nhỏ, không bị nhòe Trong mô hình sử dụng hai màu LED: màu đỏ, xanh dương và xanh lá cây

3.1.2.6 Khối cảm biến