Thiết kế mạch hiển thị chữ trường đại học sư phạm dùng vi điều khiển

Các bộ vi điều khiển có chức năng xử lý nhiều hoạt động phức tạp mà chỉ cần một chíp mạch nhỏ, nó đã thay thế các tủ điều khiển lớn và phức tạp bằng những mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay kỹ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các ngành kỹ thuật

và trong dân dụng Từ các dây chuyền sản xuất lớn đến các thiết bị gia dụng, chúng

ta đều thấy sự hiện diện của vi điều khiển Các bộ vi điều khiển có chức năng xử lý nhiều hoạt động phức tạp mà chỉ cần một chíp mạch nhỏ, nó đã thay thế các tủ điều khiển lớn và phức tạp bằng những mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng

Vi điều khiển không những góp phần vào kỹ thuật điều khiển mà còn góp phần

to lớn vào việc phát triển thông tin Đó chính là sự ra đời của hàng loạt thiết bị tối tân trong ngành điện tử, viễn thông, truyền hình … góp phần đưa con người đến đỉnh cao của nền văn minh nhân loại Chính vì các lý do trên, việc tìm hiểu, khảo sát vi điều khiển là điều mà các sinh viên ngành điện tử phải hết sức quan tâm Để tìm hiểu bộ vi điều khiển một cách khoa học và mang lại hiệu quả cao làm nền tảng cho việc xâm nhập vào những hệ thống tối tân hơn, việc trang bị những kiến thức về

vi điều khiển cho sinh viên là hết sức cần thiết

Xuất phát từ những thực tiễn này chúng em đã đi đến quyết định chọn đề tài:

“ Thiết kế mạch hiển thị chữ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM dùng vi điều khiển” nhằm đáp ứng nhu cầu, ham muốn học hỏi của bản thân Trong quá trình

thực hiện đề tài do lượng kiến thức có hạn nên không thể khai thác được hết các công năng của vi điều khiển mà chỉ sử dụng một vài chức năng cơ bản Và cũng chưa có nhiều kinh nghiệm trong quá trình thực hiện các đề tài, tất nhiên cũng không thể tránh được những sai sót Rất mong nhận được những đóng góp chân thành của quý thầy cô và các bạn để cuốn luận văn được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Đà nẵng, ngày 15 tháng 05 năm 2012

Sinh viên thực hiện:

Phạm Thị Kim Chung Phạm Thị Hương

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô, gia đình và bạn bè…

Đầu tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Lê Xứng – người

đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ em trong thời gian qua để em có thể hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn quý thầy giáo, cô giáo, cán bộ giảng dạy trong khoa Vật lý đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập tại trường

Chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và những người thân đã ở bên cạnh động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian qua

Phạm Thị Kim Chung

Phạm Thị Hương

A- MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của xã hội, đặc biệt là trong các ngành

kỹ thuật Khi mà các sản phẩm mới liên tục ra đời, những vật liệu nổi trội hơn, công nghệ mới cũng ra đời… Song song đó thì nhu cầu của con người đối với sự tiến bộ của xã hội cũng ngày càng khắt khe hơn Đặc biệt khi ngành công nghệ số, trí tuệ nhân tạo ra đời nó cũng len lỏi mọi lĩnh vực của xã hội Ví dụ điển hình là trong lĩnh vực quảng bá truyền thông Khi nhu cầu của các nhà kinh doanh ngày càng cao hơn về việc quảng cáo các sản phẩm, dịch vụ của mình đến với người tiêu dùng khắp mọi nơi và từ đó lĩnh vực này cũng liên tục cải thiện và đã có những bước phát triển đáng kể, các loại hình quảng cáo như pano, apphich, bảng hiệu,…đã dần nhường chỗ cho các bảng điện tử đầy đủ màu sắc Và đặc biệt hơn chúng có thể gửi đến mọi người các thông điệp đặc sắc, phong phú mà trước đây thì công nghệ chưa cho phép Chẳng hạn như: nhiều màu sắc, linh động, hình ảnh đẹp, có thể nhảy múa với đầy đủ các hiệu ứng mới lạ trước mắt người xem Khi mà quá trình đô thị hoá

ngày càng nhanh cùng với sự phát triển của các toà nhà, cao ốc,…thì không gian ngày càng thu hẹp và tất nhiên những biển quảng cáo khổ rộng đã dần được thay thế bằng các bảng điện tử, led, LCD,…

Là sinh viên vật lý, chúng em muốn tìm hiểu và trang bị cho mình những kiến thức vật lý liên quan đến nhiều lĩnh vực, tiếp cận với những thành tựu mới của khoa học và công nghệ hiện đại… Chính vì vậy chúng em quyết định chọn đề tài: THIẾT KẾ MẠCH HIỂN THỊ CHỮ “ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM” DÙNG

VI ĐIỀU KHIỂN làm đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp của mình

Mạch thiết kế phải hoạt động đúng yêu cầu, ổn định, dễ dàng sử dụng, sửa chữa

và tiết kiệm chi phí

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu: Họ vi điều khiển MSC – 51 và một số linh kiện điện

tử

 Phạm vi nghiên cứu: Đề tài chỉ nghiên cứu một vài chức năng cơ bản của vi điều khiển nên chỉ chú trọng vào việc thiết kế và lắp ráp mạch quảng cáo với quy

mô nhỏ, hiển thị chữ “TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM”

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu cấu tạo và chức năng của vi điều khiển

- Thiết kế phần cứng cho mạch, sau đó viết chương trình nạp cho vi điều khiển

để mạch hoạt động theo yêu cầu

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn có sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, tổng quan tài liệu

- Phương pháp thực nghiệm bao gồm phương pháp quan sát, thí nghiệm thực nghiệm

6 Những đóng góp của luận văn

Nghiên cứu đề tài sẽ giúp ta hiểu rõ hơn ứng dụng của vi điều khiển trong thực tiễn, nó góp phần vào quá trình phát triển các loại hình quảng cáo

7 Cấu trúc và nội dung của luận văn

A – Mở đầu

B – Nội dung

Chương 1: Giới thiệu vi điều khiển 89C51 Chương 2: Một số linh kiện dùng trong mạch Chương 3: Thiết kế phần cứng

Chương 4: Thiết kế phần mềm

C – Kết luận

Tài liệu tham khảo

B – NỘI DUNG CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 1.1 Giới thiệu cấu trúc phần cứng họ MCS-51 (89C51)

1.1.1 Giới thiệu họ MCS-51

MCS-51 là họ IC vi điều khiển do hãng Intel sản xuất Các IC tiêu biểu cho

họ là 8051 và 8031 Các sản phẩm MCS-51 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển Việc xử lý trên Byte và các toán số học ở cấu trúc dữ liệu nhỏ được thực hiện bằng nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội Tập lệnh cung cấp một bảng tiện dụng của những lệnh số học 8 Bit gồm cả lệnh nhân và lệnh chia Nó cung cấp những hổ trợ mở rộng trên Chip dùng cho những biến một Bit như là kiểu dữ liệu riêng biệt cho phép quản lý và kiểm tra Bit trực tiếp trong điều khiển và những

hệ thống logic đòi hỏi xử lý luận lý

Các đặc điểm của 89C51 được tóm tắt như sau:

 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

 Xử lý Boolean (hoạt động trên bit đơn)

 210 vị trí nhớ có thể định vị bit

 4 s cho hoạt động nhân hoặc chia

1.1.2 Sơ đồ khối của AT89C51

OTHER REGISTE

R

128 byte RAM

128 byte RAM 8032\8052

ROM 0K:

8031\8032 4K:8951 8K:8052

7

Hình 1.1: Sơ đồ khối của 89C51

1.2 Khảo sát sơ đồ chân 89C51, chức năng từng chân

1.2.1 Sơ đồ chân 89C51

P3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1 P3.0

EA

P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0

P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0

P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0

Hình 1.2: Sơ đồ chân IC 89C51

1.2.2 Chức năng các chân của 89C51

- 89C51 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập Trong đó có

24 chân có tác dụng kép (có nghĩa 1 chân có 2 chức năng), mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của các bus dữ liệu và bus địa chỉ

a.Các Port:

Port 0

- Port 0 là port có 2 chức năng ở các chân 32 – 39 của 8951 Trong các thiết

kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường IO Đối với các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu

Port 1:

- Port 1 là port IO trên các chân 1-8 Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2, … có thề dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần Port 1 không có chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị bên ngoài

- Port 3 là port có tác dụng kép trên các chân 10-17 Các chân của port này

có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của 8951 như ở bảng sau:

Bit Tên Chức năng chuyển đổi

P3.0 RXT Ngõ vào dữ liệu nối tiếp

b.Các ngõ tín hiệu điều khiển:

Ngõ tín hiệu PSEN (Program store enable):

- PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương

trình mở rộng thường được nói đến chân OE (output enable) của Eprom cho phép đọc các byte mã lệnh

- PSEN ở mức thấp trong thời gian Microcontroller 89C51 lấy lệnh Các mã lệnh của chương trình được đọc từ Eprom qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong 89C51 để giải mã lệnh Khi 89C51 thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở mức logic 1

Ngõ tín hiệu điều khiển ALE (Address Latch Enable):

- Khi 89C51 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, port 0 có chức năng là bus địa chỉ

và bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ra ALE ở chân thứ 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

- Tín hiệu ra ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vai trò là địa chỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống Chân ALE được dùng làm ngõ vào xung lập trình cho Eprom trong 89C51

Ngõ tín hiệu EA(External Access) :

- Tín hiệu vào EA ở chân 31 thường được mắt lên mức 1 hoặc mức 0 Nếu

ở mức 1, 89C51 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp 8 Kbyte Nếu ở mức 0, 89C51 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng Chân EA

được lấy làm chân cấp nguồn 21V khi lập trình cho Eprom trong 89C51

Ngõ tín hiệu RST (Reset):

- Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset của 89C51 Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lên cao ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống Khi cấp điện mạch tự động Reset

Các ngõ vào bộ dao động X1,X2:

- Bộ dao động được tích hợp bên trong 89C51, khi sử dụng 89C51 người thiết kế chỉ cần kết nối thêm thạch anh và các tụ như hình vẽ trong sơ đồ Tần số thạch anh thường sử dụng cho 89C51 là 12Mhz

Chân 40 (Vcc) được nối lên nguồn 5V

2.3 Cấu trúc bên trong vi điều khiển

Enable via PSEN

DATA Memory

Enable via

RD & WR ON-CHIP

Memory

Bản đồ bộ nhớ Data trên Chip như sau:

F0 F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 B RAM đa dụng

E0 E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 ACC D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 PSW

2F 7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 78

2E 77 76 75 74 73 72 71 70 B0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P.3 2D 6F 6E 6D 6C 6B 6A 69 68

2C 67 66 65 64 63 62 61 60 A8 AF AC AB AA A9 A8 IE 2B 5F 5E 5D 5C 5B 5A 59 58

23 1F 1E 1D 1C 1B 1A 19 18 8D không được địa chỉ hoá bit TH1

22 17 16 15 14 13 12 11 10 8C không được địa chỉ hoá bit TH0

21 0F 0E 0D 0C 0B 0A 09 08 8B không được địa chỉ hoá bit TL1

20 07 06 05 04 03 02 01 00 8A không được địa chỉ hoá bit TL0

D

10

07 Bank thanh ghi 0 81 không được địa chỉ hoá bit SP

00 (mặc định cho R0 -R7) 88 87 86 85 84 83 82 81 80 P0

RAM CÁC THANH GHI CHỨC NĂNG ĐẶC BIỆT

- Bộ nhớ trong 89C51 bao gồm ROM và RAM RAM trong 89C51 bao gồm

nhiều thành phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank

thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt

- 89C51 có bộ nhớ theo cấu trúc Harvard: có những vùng bộ nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu Chương trình và dữ liệu có thể chứa bên trong 89C51

Địa chỉ

byte Địa chỉ bit Địa chỉ bit

Địa chỉ byte

nhưng 89C51 vẫn có thể kết nối với 64K byte bộ nhớ chương trình và 64K byte dữ liệu

Hai đặc tính cần chú ý là:

 Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được định vị (xác định) trong bộ nhớ

và có thể truy xuất trực tiếp giống như các địa chỉ bộ nhớ khác

 Ngăn xếp bên trong Ram nội nhỏ hơn so với Ram ngoại như trong các bộ Microprocontroller khác

RAM bên trong 89C51 được phân chia như sau:

 Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1FH

 RAM địa chỉ hóa từng bit có địa chỉ từ 20H đến 2FH

RAM có thể truy xuất từng bit:

- 89C51 chứa 210 bit được địa chỉ hóa, trong đó có 128 bit có chứa các byte có chứa các địa chỉ từ 20F đến 2FH và các bit còn lại chứa trong nhóm thanh ghi có chức năng đặc biệt

- Ý tưởng truy xuất từng bit bằng phần mềm là các đặc tính mạnh của microcontroller xử lý chung Các bít có thể được đặt, xóa, AND, OR, …, với 1 lệnh đơn Đa số các microcontroller xử lý đòi hỏi một chuỗi lệnh đọc– sửa- ghi để đạt được mục đích tương tự Ngoài ra các port cũng có thể truy xuất được từng bít

- 128 bit truy xuất từng bit này cũng có thể truy xuất như các byte hoặc như các bit phụ thuộc vào lệnh được dùng

Các bank thanh ghi

- 32 byte thấp của bộ nhớ nội được dành cho các bank thanh ghi Bộ lệnh 8951

hỗ trợ 8 thanh ghi có tên là R0 đến R7 và theo mặc định sau khi reset hệ thống, các thanh ghi này có các địa chỉ từ 00H đến 07H

- Các lệnh dùng các thanh ghi R0 đến R7 sẽ ngắn hơn và nhanh hơn so với các lệnh có chức năng tương ứng dùng kiểu địa chỉ trực tiếp Các dữ liệu được dùng thường xuyên nên dùng một trong các thanh ghi này

- Do có 4 bank thanh ghi nên tại một thời điểm chỉ có một bank thanh ghi được truy xuất bởi các thanh ghi RO đến R7 đề chuyển đổi việc truy xuất các bank thanh ghi ta phải thay đổi các bit chọn bank trong thanh ghi trạng thái

1.3.2 Các thanh ghi có chức năng đặc biệt

Hầu hết các thanh ghi chức năng đặc biệt được truy xuất bằng kiểu định địa chỉ trực tiếp

 Thanh ghi trạng thái chương trình (PSW)

PSW có địa chỉ là D0H chứa các bit trạng thái có chức năng được tóm tắt trong bảng sau:

Bit Kí hiệu Địa chỉ Chức năng

D2H D1H D0H

Cờ nhớ

Cờ nhớ phụ

Cờ 0 Chọn dãy thanh ghi (bit 1) Chọn dãy thanh ghi (bit 0)

chứa kết quả 16 bit vào cặp thanh ghi B:A (thanh chứa A cất byte thấp và thanh ghi

B cất byte cao)

Lệnh chia DIV AB chia A bởi B, thương số cất trong thanh chứa A và dư số cất trong thanh ghi B Thanh ghi B còn được xử lý như một thanh ghi nháp Các bit được định địa chỉ của thanh ghi B có địa chỉ từ F0H đến F7H

 Con trỏ stack SP (Stack Pointer)

Con trỏ stack SP là một thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H SP chứa địa chỉ của dữ liệu hiện đang ở đỉnh của stack Các lệnh liên quan đến stack bao gồm lệnh cất dữ liệu vào stack và lệnh lấy dữ liệu ra khỏi stack Việc cất vào stack làm tăng SP trước khi gh dữ liệu và việc lấy dữ liệu ra khỏi stack sẽ giảm SP

 Con trỏ số liệu DPTR (Data Pointer)

Con trỏ dữ liệu DPTR được dùng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài hoặc

bộ nhớ dữ liệu ngoài.DPTR là một thanh ghi 16 bit có địa chỉ là 82H (DPL, byte thấp) và 83H (DPH, byte cao)

 Các thanh ghi port

Các port xuất nhập của 89C51 bao gồm port 0 tại địa chỉ 80H, port 1 tại địa chỉ 90H, port 2 tại địa chỉ A0H và port tại địa chỉ B0H

Các port 0, 2 và 3 không được dùng để xuất/nhập nếu ta sử dụng thêm bộ nhớ ngoài hoặc nếu có một số đặc tính đặc biệt của 8051 được sử dụng (như là ngắt, port nối tiếp,…).P1.2 đến P1.7, ngược lại, luôn luôn là các đường xuất/nhập đa mục đích hợp lệ

Tất cả port đều được định địa chỉ từng bit nhằm cung cấp các khả năng giao tiếp mạnh

 Các thanh ghi định thời

89C51 có 2 bộ đếm/định thời (timer/counter) 16 bit để định các khoản thời gian hoặc để đếm các sự kiện Bộ định thời 0 có địa chỉ 8AH (TL0, byte thấp) và 8CH (TH0, byte cao), bộ định thời 1 có địa chỉ 8BH (TL1, byte thấp) và 8DH (TH1, byte cao)

Hoạt động của bộ định thời được thiết lập bởi thanh ghi chế độ định thời TMOD (timer mode register) ở địa chỉ 89H và thanh ghi điều khiển định thời

TCON (timer control register) ở địa chỉ 88H Chỉ có TCON được định địa chỉ từng bit

 Các thanh ghi cổng nối tiếp

Các chế độ hoật động khác nhau được lập trình thông qua thanh ghi điều khiển cổng nối tiếp SCON (serial port control register) ở địa chỉ 98H, thanh ghi này được định địa chỉ từng bit

 Các thanh ghi ngắt

89C51 có một cấu trúc ngắt với 2 mức ưu tiên và 5 nguyên nhân ngắt Các ngắt

bị vô hiệu hoá sau khi reset hệ thống và sau đó được phép bằng cách ghi vào thanh ghi cho phép ngắt IE (interrupt enable register) ở địa chỉ A8H Mức ưu tiên ngắt được thiết lập qua thanh ghi ưu tiên ngắt IP (interrupt priority register) ở địa chỉ B8H Cả hai thanh ghi này đều được định địa chỉ từng bit

 Thanh ghi điều khiển nguồn PCON (Power Control Register)

Thanh ghi điều khiển nguồn PCON có địa chỉ 87H chứa các bit điều khiển được tóm tắt ở bảng sau:

Bit Tên Chức năng

CHƯƠNG II: MỘT SỐ LINH KIỆN DÙNG TRONG MẠCH 2.1 LED đơn

2.1.1 Cấu tạo của đèn LED

Hình 2.1: Cấu tạo của LED

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt

có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Led được cấu tạo từ

một bán dẫn loại P ghép với một bán dẫn loại N Tương tự như bóng đèn tròn dùng sợi đốt nhưng không phải chiếu sáng bằng sợi đốt, đèn led được coi là loại đèn tiết kiệm điện năng nhất, tạo ra hiệu suất cao và tỏa nhiệt ít hơn so với các thiết bị chiếu sáng thông thường Tùy chất liệu của p và n, đèn led có thể phát ra ánh sáng có màu khác nhau, từ xanh lá cây, đỏ, đến trắng Ví dụ như đèn led màu đỏ được làm từ các thành phần hóa học như nhôm, gali, a-xen Đèn led màu trắng được tạo ra bằng cách

bao phủ một lớp photphor màu vàng bên ngoài đèn led xanh da trời

Do tính chất phổ biến và tiên lợi của đèn led, càng ngày, nhiều loại đèn led mới

ra đời, đáp ứng nhu cầu đa dạng của người tiêu dùng Nhờ đó, người sử dụng cũng

có nhiều sự lựa chọn hơn

2.1.2 Ưu điểm và ứng dụng của đèn LED

Với các ưu điểm: ánh sáng lớn, độ bền cao và ít tiêu tốn điện năng, led được

ứng dụng rộng rãi trên các lĩnh vực:

- Bảng quảng cáo ngoài trời

- Bảng quảng báo, đồng hồ cỡ lớn đặt tại các biển quảng cáo tấm lớn trên đường cao tốc

- Hệ thống đèn giao thông, biển chỉ dẫn

- Các sản phẩm khác như: bảng chạy chữ điện tử, bảng hệ thống giờ,

bảng tỷ giá, bảng chứng khoán, hệ thống xếp hàng tự động…

Việc sử dụng rộng rãi thiết bị chiếu sáng bằng loại đèn này có thể giúp chúng ta

tiết kiệm được nhiều năng lượng

Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động của đèn led cũng thấp hơn rất

nhiều (gần như không đáng kể) so với các loại bóng đèn thông thường hiện nay, đó cũng chính là một trong những lý do khiến đèn led tiết kiệm điện năng hơn các loại bóng đèn khác Điểm hấp dẫn ở loại đèn này là nó có thể sử dụng để lắp đặt ở những nơi khó thay lắp chẳng hạn như bên ngoài toà nhà, bể bơi v.v…với nhiều màu sắc phong phú như: đỏ, xanh lá, xanh da trời, màu hổ phách thay vì phải sử dụng bóng đèn thông thường

Bên cạnh đó đèn led còn có những ưu điểm khác như khi hoạt động không sinh

ra các tia hồng ngoại hay tia cực tím Những ưu điểm của loại đèn này là không thể phủ nhận, những thiết kế với nhiều phong cách khác nhau đã và đang biến đèn led trở thành một thiết bị chiếu sáng đáng được lựa chọn cho không gian sống của mỗi gia đình và các công trình xây dựng

2.1.3 Hạn dòng cho LED

Hình 2.2: Hình mô phỏng tính toán trở

Việc tính toán điện trở hạn chế cường độ dòng điện vào một đèn led là việc rất quan trọng trong việc thiết kế Khác với điện trở bình thường, hoạt động tuyến tính theo định luật Ohm: V=IR, led không hoạt động tuyến tính mà theo một đường cong đặc trưng IV khác hẳn so với một điện trở

Mỗi một điốt có một điện áp phân cực thuận riêng, thường khoảng 1,5-4V cho đèn led, và để có thể bật sáng một đèn led ta phải phân cực thuận cho nó đến điện

áp này, tuy nhiên, ngay khi đạt được điện áp phân cực thuận, trở kháng của led sẽ giảm một cách đột ngột, điều đó có nghĩa nó sẽ phải chịu một dòng điện lớn chạy qua và có thể cháy ngay lập tức trong nhiều trường hợp Một điện trở thường được mắc nối tiếp với led này để giữ cho dòng điện qua chúng khi mà đèn led đạt trạng thái phân cực Dòng điện sẽ quyết định cường độ sáng của led, có nghĩa là bạn tăng dòng lên thì con led sẽ sáng mạnh hơn, nhưng thông thường là từ 10 đến 20mA Sử dụng sơ đồ mạch điện trên, ta sẽ cần biết 3 giá trị i, Vf, Vs để có thể tính toán được giá trị của điện trở hạn dòng cho led

Trong đó:

i: cường độ dòng điện qua led khi nó được phân cực thuận

Vf: Hiệu điện thế rơi trên led khi nó được phân cực thuận

Vs: Hiệu điện thế nguồn

Trong đó 2 thông số i và Vf đã được nhà sản xuất in rõ trên bao bì

Đây là thông số hiệu điện thế rơi trên led (Vf):

R s  f



2.2 Trasistor

2.2.1 Phân loại và cấu tạo

Có 2 loại transistor: transistor ngược và transistor thuận

Kí hiệu của Transistor

Transistor gồm 3 lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành 2 mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN ta được transistor ngược Về phương diện cấu tạo transistor tương ứng với hai Diode đấu ngược chiều nhau

2.2.2 Nguyên tắc hoạt động

Transitor dùng để đóng cắt dòng điện có cường độ tương đối lớn Vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái:

- Trạng thái đóng (dẫn bão hòa) để đóng mạch điện

- Trạng thái mở (ngưng dẫn) để cắt mạch điện

Trong mạch có sử dụng transistor loại NPN D882 hoạt động theo chế độ dẫn bão hòa, nó có tác dụng như một khóa

- Ban đầu khi chưa cấp nguồn, điện áp tại cực B của Transistor bằng 0 VB=0, khi

đó VB=VBE<0,7V, không có dòng từ C qua E nên transistor không dẫn

- Khi cấp nguồn, điện áp tại cực B là VB=5V, lúc này VB=VBE>0,7V vì vậy có dòng từ C xuống E nên transistor dẫn

2.3 IC 555

Cấu tạo của IC 555 gồm Op-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor để

xả điện Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp Vcc thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 Vcc nối với chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 Vcc nối vào chân

âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3Vcc, chân S=[1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 Vcc chân R của FF=[1] và FF được reset

Hình 2.3: Cấu tạo bên trong của IC 555

Hình dáng chân của 555

Chức năng từng chân:

IC 555 gồm 8 chân

+ Chân 1 (GND): Cho nối masse để lấy dòng

+ Chân 2 (Trigger): Chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp Mạch so sánh ở đay dùng các transistor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3 Vcc

+ Chân 3 (Output): Chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu

ra được xác định theo mức 0 và 1

+Chân 4 (Reset): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo

mức điện áp trên chân 2 và 6 Nhưng trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên Vcc

+ Chân 5 (Control Voltage): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

+ Chân 6 (Threshold): là 1 trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác

và cũng được dùng như 1 chân chốt

+ Chân7 (Dischager): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch RC lúc IC dùng như 1 tầng dao động

+ Chân 8 (Vcc): Chân cung cấp dòng và áp cho IC hoạt động Nó được cấp điện

áp từ 2V 18V (tùy từng loại 555)

2.4 IC ổn áp 7805

Khối nguồn của mạch sử dụng IC ổn áp LM7805 thuộc dòng 78xx 78xx là loại IC dùng để ổn định điện áp dương với điều kiện điện áp đầu vào luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V Dòng IC 78xx có nhiều loại, ổn định nhiều mức điện áp khác nhau,

cụ thể ở đây 7805 là dùng để ổn định điện áp đầu ra ở mức 5V

Hình 2.4:Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế IC 7805

7805 đóng gói dạng TO-220 gồm có 3 chân:

1 Vin: Chân đầu nguồn vào

2 GND: Chân nối đất

3 Vo: Chân đầu nguồn ra

Như chúng ta biết, mạch ổn áp dùng Diode Zener tuy nhỏ gọn, đơn giản nhưng

có nhược điểm cho dòng điện nhỏ (~20mA) Để tạo ra một điện áp cố định nhưng dòng điện lớn hơn người ta mắc thêm một Transistor để khuếch đại như sơ đồ dưới đây:

Sơ đồ cấu tạo IC ổn áp 7805

Đây cũng chính là sơ đồ cấu tạo của IC 7805 Thông qua R và Dz ghim điện

áp cố định trên chân E của Tranzitor Q1 Mạch ổn áp dùng trên ổn áp 7805 rất ổn định và hiệu quả nên được sử dụng rộng rãi

Thạch anh sẽ được gắn vào chân XTAL1 và XTAL2 (Chân số 18 và 19) của vi điều khiển và tạo dao động cho vi điều khiển

+ Tụ hóa 47uF dùng để lọc nguồn

+ Tụ 1uF dùng tạo xung dao động cho IC 555

 Điện trở: Có tác dụng hạn chế dòng điện

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3.1 Sơ đồ khối

3.1.1 Khối nguồn

Khối này là mạch điện dùng để ổn áp điện thế ở khoảng 5V, cấp nguồn ổn

định cho vi điều khiển hoạt động

* IC 7805 là loại ổn áp có đặc tính như sau:

- Điện áp ngõ vào từ 8 – 35V

- Điện áp ngõ ra ổn áp 5V

- Dòng cực đại 1A

IC có 3 chân: chân 1 là chân đầu nguồn vào, chân 2 nối đất, chân 3 là chân

đầu nguồn ra Khi ta cấp nguồn một chiều 12V cho mạch, dòng qua diod 4007 được

phân cực sau đó qua IC 7805 Diode D1 dùng tránh tác dụng mắc sai cực nguồn có

thể làm hư mạch IC 7805 có chức năng chuyển đổi điện áp 12V thành 5V cung cấp

cho vi điều khiển và các thiết bị trong mạch

KHỐI NGUỒN

5V

Khối

xử lý trung tâm

Khối công suất

Khối bàn phím

Khối hiển thị

Khối điều khiển xung

VCC

D1

47uF

3.1.2 Khối xử lý trung tâm:

Là IC 89S52 được lập trình để điều khiển cho toàn mạch

Đây là khối quan trọng nhất của hệ thống, giữ nhiệm vụ tiếp nhận và xử lý trung tâm, khả năng tiếp nhận và phân tích các yêu cầu tác động, từ đó có đáp ứng thích hợp

Các cổng sử dụng để lập trình:

 Port 2 (từ P2.0 đến P2.7), port 0 (từ P0.0 đến P0.7) và port 1 (P1.0 và P1.1) được sử dụng để đưa tín hiệu ra điều khiển các LED trên từng chữ cái của dòng chữ:

“TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM”

 Port 3 (từ P3.0 đến P3.3) được nối với 4 nút nhấn, điều khiển các chương trình chạy các hiệu ứng khác nhau của bảng điện tử

Ở Port 3 tại chân P3.7 nối với chân số 3 (Output) của IC 555 IC này có tác dụng điều chỉnh xung, cho các hiệu ứng nhanh chậm theo ý muốn người dùng

 Chân số 9 của vi điều khiển được nối với 1 nút nhấn đóng vai rò là nút Reset của mạch

PSEN 29ALE/PROG 30EA/VPP

C1 10uF C2

33P

1 2

VCC

12MHz

C3 33P

1 2

R

2.2K

1 2 3 4 5 6 7 8 9

R4

2.2K

1 2 3 4 5 6 7 8 9

R5

2.2K

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Việc kết nối chân RESET đảm bảo hệ thống bắt đầu làm việc khi Vi điều khiển được cấp điện, hoặc đang hoạt động mà hệ thống bị lỗi cần tác động cho Vi điều khiển hoạt động trở lại, hoặc do người sử dụng muốn quay về trạng thái hoạt động ban đầu Vì vậy chân RESET được kết nối như sau:

 Chân 18 và 19 của 89C51 nối với bộ dao động thạch anh, có tác dụng tạo xung nhịp dao động clock ổn định để đồng bộ các hoạt động của các linh kiện khác nhau trong mạch

 Phím 1: Điều khiển chương trình 1 (CT1)

 Phím 2: Điều khiển chương trình 2 (CT2)

 Phím 3: Điều khiển chương trình 3 (CT3)

 Phím 4: Điều khiển chương trình 4 (CT4)

Khi nhấn 1 trong 4 nút nhấn sẽ tác động vào1 trong 4 chân tương ứng từ P3.0 đến P3.3 của vi điều khiển, vi điều khiển nhận và xử lý tín hiệu sau đó xuất dữ liệu

ra ngoài

3.1.4 Khối điều khiển xung

Dùng để điều khiển xung nhanh chậm

Xét mạch nguyên lý tạo xung vuông có điều chỉnh tần số

Các linh kiện chúng ta cần quan tâm là: R9, VR, C5 Một trong 3 linh kiện này làm thay đổi được tần số đầu ra Ở đây ta dùng biến trở VR để điều khiển vì điện trở thông dụng, dễ đo đạc tính toán

Ta có công thức tính tần số dao động chung là:

)29.(

5.2ln

1

VR R

Vậy tần số lớn nhất là:

Hz VR

R C

)0.210.10(10.2ln

1)

29.(

5.2ln

C4 104

1

2

C5 1uF U3

8

D2 LED