GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Thời gian đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống và sản xuất, là thước đo cho nhiều hiện tượng như vận tốc Để đo thời gian, từ xa xưa, các nhà khoa học đã phát minh ra nhiều loại đồng hồ, dẫn đến nhiều nghiên cứu về chúng Có nhiều loại đồng hồ qua từng thời kỳ, từ đồng hồ mặt trời, đồng hồ nước, đồng hồ cát, đồng hồ lò xo đến đồng hồ số hiện đại Ngoài chức năng đo thời gian, đồng hồ còn được xem là trang sức, với chất liệu đa dạng như kim loại, da, và thậm chí là vàng.
Nắm bắt được nhu cầu của công nghệ nhóm tôi nhận thấy một mô hình ĐỒNG HỒ
Việc sử dụng vi xử lý để hiển thị thời gian một cách rõ ràng và chính xác là rất cần thiết Nhóm tôi đã quyết định nghiên cứu đề tài "THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ SỐ" nhằm phân tích và tìm hiểu về mô hình này Mặc dù đề tài này đã xuất hiện từ lâu, nhưng sự phát triển công nghệ hiện nay với các thiết bị hiện đại như điện thoại thông minh, màn hình ti vi siêu mỏng và các bộ điều khiển tinh vi trên xe hơi, đã làm cho nó trở nên phổ biến hơn Các công nghệ như biến tần trong máy điều hòa và tủ lạnh cũng sử dụng linh kiện điện tử, linh kiện bán dẫn và vi điều khiển để xử lý và điều khiển, cho thấy tầm quan trọng của mô hình đồng hồ số trong cuộc sống hiện đại.
Số này sử dụng vi xử lý, chất bán dẫn và linh kiện điện tử để điều khiển và hiển thị thông tin Tôi chọn đề tài này để tìm hiểu về nền tảng công nghệ, từ đó ứng dụng và phát triển các mô hình khác trong tương lai.
Gi ải quyết vấn đề
Đồng hồ được thiết kế với mạch điện hoàn chỉnh, hiển thị giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm và thứ trên màn hình LED Ngoài ra, đồng hồ còn tích hợp chức năng hẹn giờ báo thức, có thể điều khiển từ xa bằng remote và đo nhiệt độ phòng với độ chính xác cao.
Phần mềm yêu cầu sử dụng thành thạo ngôn ngữ C để lập trình cho đồng hồ hiển thị, bao gồm ứng dụng ngắt TIMER và ngắt ngoài Sau khi hoàn tất lập trình, thời gian chạy của đồng hồ sẽ chính xác như mong đợi Ngoài ra, có thể sử dụng các phần mềm đồ họa như Corel để thiết kế hộp đựng cho đồng hồ số.
1.2.2 Giới hạn đề tài trong phạm vi:
Sản phẩm hiển thị ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây và được điều khiển bằng remote, cho phép điều chỉnh độ sáng của LED Nó cũng có chức năng đo nhiệt độ phòng và báo thức Tuy nhiên, một điểm hạn chế là chưa có hiển thị ngày âm lịch, điều này cần được cải tiến và khắc phục trong tương lai.
Hình 1.1: Sơ đồ phần cứng
Ho ạt động của hệ thống
Khi cấp nguồn DC 5V cho bộ điều khiển, vi xử lý ATMEGA8 sẽ kích hoạt đồng hồ và hiển thị thông tin trên led ma trận Ngay cả khi ngưng cấp nguồn, CPU vẫn hoạt động nhờ pin CMOS 3V, tuy nhiên, led ma trận sẽ không hiển thị Khi nguồn được cấp lại, mạch hiển thị sẽ hoạt động và thời gian vẫn chính xác vì chương trình trong CPU không bị dừng lại nhờ pin dự phòng 3V.
IC 78HC164 ghi nhận thông tin từ vi xử lý và xuất dữ liệu này ra 5 LED ma trận để hiển thị thông tin một cách trực quan.
Mô hình ĐỒNG HỒ SỐ có khả năng điều khiển bằng nút nhấn để thay đổi thời gian, hẹn giờ báo thức, chỉnh độ sáng và âm thanh Đặc biệt, nó còn hỗ trợ điều khiển từ xa qua remote thông qua mắt hồng ngoại, cho phép bất kỳ remote nào cũng có thể học lệnh từ vi xử lý một cách dễ dàng Ngoài chức năng hẹn giờ báo thức, ĐỒNG HỒ SỐ còn tích hợp cảm biến nhiệt độ DS18B20, giúp đo nhiệt độ phòng với độ chính xác cao.
ATMEGA8 cũng là một giải pháp tốt cùng với họ MSC51mà cụ thể là 89S52 và cũng nhằm phù hợp với yêu cầu đề tài
Việc lập trình cũng như thực hiện lắp mạch nguyên lí khi ta dùng ATMEGA8 cũng không khác nhiều so với các IC cùng họ MSC51
Lý do cho sự lựa chọn này là khả năng xuất nhập của các PORT được đáp ứng tốt, cùng với bộ nhớ lưu trữ gồm 8 Kb Flash, 512 Bytes EEPROM và 1 Kb SRAM Thêm vào đó, giá thành cũng rất hợp lý.
IC thời gian thực DS1307 cho phép tích hợp các thông số như giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm và thứ Vi xử lý ATMEGA8 kết hợp với DS1307 mang lại hiệu suất cao cho các ứng dụng yêu cầu quản lý thời gian chính xác.
IC thời gian thực DS1307 để thực hiện đề tài thiết kế đồng hồ số là cần thiết và hợp lí
Hình 1.2: Một mô hình đồ
Hình 1.3 Một số mẫu đồng hồ số đang thịnh hành
CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Gi ới thiệu vi điều kiển ATMEGA8
Hình 2.1: Vi xử lí ATMEGA8
Vi điều khiển AYMEGA8 là một bộ vi xử lý CMOS 8 bít dựa trên kiến trúc AVR RISC, cho phép xử lý hoàn toàn một lệnh trong một chu kỳ xung hệ thống Điều này mang lại hiệu suất 1MIPS trên mỗi MHz, giúp tối ưu hóa điện năng tiêu thụ so với tốc độ xử lý Phiên bản Atmega8L hỗ trợ hoạt động ở điện áp thấp từ 2.7V đến 5.5V.
2.1.1 Các thông số cơ bản Vi điều khiển ATMEGA8
- Tốc độ tối đa: 16MHz
- Dung lượng bộ nhớ chương trình: 8 KB
- Dung lượng bộ nhớ RAM: 1 KB
Bộ nhớ chương trình có khả năng ghi 10.000 lần, bộ nhớ EEPROM có thể ghi
100.000 lần Hỗ trợ bootloader, có khả năng tự ghi vào bộ nhớ chương trình, cập nhật chương trình cho chip mà không cần mạch nạp
- Giao tiếp: TWI (I2C), UART, SPI Điện áp hoạt động:
2.1.2 Sơ đồ chân của VXL ATMEGA8
Hình 2.2 : Sơ đồ chân của vi điều kiển Atmega8
2.1.3 Hệ thống Clock (tạo tần số dao động)
Nguồn Clock: Chip có thể hoạt động với các nguồn Clock tương ứng với việc thiết lập các FUSE tương ứng:
Bảng 2.1 : Thiết lập thạch anh nội tương ứng cho vi điều kiển Atmega8
Ta chỉ tập trung vào hai nguồn clock đó là sử dụng thạch anh ngoài và sử dụng mạch RC tích hợp trong chip (dao động nội)
Sử dụng thạch anh ngoài:
Hình 2.3: Sơ đồ thạch anh nối ngoài của vi điều kiển
- Reset ngoài (thông qua chân RESET)
- Reset khi nguồn bị sụt áp.
Gi ới thiệu về IC DS1307
Hình 2.4 : IC thời gian thực DS1307
DS1307 là chip thời gian thực (RTC) do Dallas chế tạo, cung cấp độ chính xác cao cho thông tin thời gian bao gồm thứ, ngày, tháng, năm, giờ, phút và giây Chip này có 7 thanh ghi 8 bit, mỗi thanh ghi lưu trữ một loại thông tin thời gian cụ thể.
DS1307 có 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống, cho phép sử dụng như RAM Việc đọc DS1307 được thực hiện qua chuẩn truyền thông I2C.
DS1307 giao tiếp qua chuẩn I2C, giúp cấu trúc bên ngoài của nó trở nên đơn giản Một ví dụ về dạng vỏ của DS1307 có thể được mô tả như sau:
Hình 2.5 : Một vài dạng đóng vỏ của DS1307
2.2.2 Cơ chế hoạt động của DS1307
Chip này có 8 chân và chúng ta hay dùng là dạng Dip và các chân nó được mô tả như sau:
+ X1 và X2 là đầu vào dao động cho DS1307 Cần dao động thạch anh 32.768Khz.[separator]
Vbat cung cấp nguồn cho chip với điện áp từ 2V đến 3.5V; pin 3V là lựa chọn phù hợp Nguồn này giúp chip hoạt động liên tục ngay cả khi không có nguồn Vcc, cho phép DS1307 duy trì thời gian.
Vcc là nguồn cung cấp cho giao tiếp I2C với điện áp chuẩn 5V, dùng chung với vi xử lý Nếu không có Vcc nhưng vẫn có Vbat, DS1307 vẫn hoạt động bình thường nhưng không thể ghi và đọc dữ liệu.
+ GND là nguồn Mass chung cho cả Vcc và Vbat
+ SQW/OUT là một ngõ ra phụ tạo xung dao động (xung vuông) Chân này không
10 ảnh hưởng đến thời gian thực nên chúng ta không sử dụng chân này trong thời gian thực và bỏ trống chân này!
+ SCL và SDA là hai bus dữ liệu của DS1307 Thông tin truyền và ghi đều được truyền qua 2 đường truyền này theo chuẩn I2C
2.2.3 Ghép nối DS1307 với vi điều khiển
Do DS1307 giao tiếp chuẩn I2C nên việc ghép nối nó với vi điều khiển khá là đơn giản và theo datasheet thì tôi đưa ra sơ đồ sau :
Hình 2.6 : Ghép nối DS1307 với vi điều kiển
DS1307 giao tiếp với vi điều khiển qua hai đường truyền SCL và SDA Do đó, cần xác định chân SCL và SDA trên vi xử lý để kết nối đúng cách.
DS1307 cái này đối với dòng PIC, AVR còn với dòng Psoc nó có sự khác tùy theo kiều
Fimware hay harware mà các chân SDA và SCL nó sẽ nằm ở chân nào cái được thiết lập trong phần mềm.
Gi ới thiệu về LED ma trận
LED MATRIX 8x8 đơn giản chỉ là 64 con LED được sắp xếp với nhau theo dạng ma trận, thành 8 hàng và 8 cột, tức là 16 chân
Hình 2.7: Sơ đồ chân led ma trận 8x8
2.3.1 Hình ảnh Led ma trận
Hình 2.8: Hình ảnh led ma trận 8x8
2.3.2 Nguyên tắc điều khiển led ma trận
Cấu trúc của đèn LED ma trận bao gồm các LED đơn được sắp xếp thành hàng và cột, trong đó các LED trong cùng hàng được nối chung với anot (catot) và các LED trong cùng cột được nối chung với catot (anot) Để bật sáng các LED, cần cấp nguồn với mức cao cho hàng và mức thấp cho cột Với cách sắp xếp này, tại một thời điểm, không thể hiển thị một ký tự trên ma trận nếu ký tự đó có hơn 2 hàng và 2 cột.
Để hiển thị một ký tự trên LED ma trận, chúng ta cần tận dụng hiện tượng lưu ảnh trên võng mạc Điều này yêu cầu hiển thị từng hàng của ký tự với tần số cao Đầu tiên, cần xác định mức logic cho từng hàng của LED ma trận để hiển thị ký tự và lưu trữ các giá trị logic này Khi cần hiển thị ký tự, ta sẽ lần lượt đưa các giá trị này ra các chân cấp nguồn cho hàng và đồng thời cấp nguồn cho cột tương ứng.
2.3.3 Nguyên tắc tạo font chữ hiển thị Để cụ thể hơn ta xét ví dụ hiển thị chữ R trên led ma trận 8x8 theo cách quét lần lượt từng cột ma trận
Bảng 2.1: Tạo font chữ cho kí tự
Để điều khiển đèn LED theo từng cột, cần xác định mức logic cho tất cả các LED trong mỗi cột Giả sử các LED cùng hàng được kết nối chung anode và các LED trong cùng một cột được nối chung cathode Khi muốn bật một LED trong cột, cần cấp điện áp cao cho hàng tương ứng.
Nhìn vào bảng trên ta thấy muốn hiển thị chữ R phải cấp nguồn cho các led trong từng cột như sau :
Cột 5: L , H , H , L , L , L , H , L Cột 4: H , L , L , H , L , H , L , L Cột 3: H , L , L , H , H , L , L , L Cột 2: H , L , L , H , L , L , L , L Cột 1: H , H , H , H , H , H , H , L Các led trong các cột khác được cấp điện áp mức thấp Các giá trị này cần được lưu lại trong bộ nhớ của vi điều khiển để khi cần ta có thể lấy ra.
Gi ới thiệu IC 74HC164
IC 74164 là một thanh ghi dịch Serial-in Parallel-out, hoạt động hiệu quả ở tần số cao nhờ sử dụng Diode Schottky Dữ liệu được nhập vào thông qua cổng AND với 2 ngõ vào, đồng bộ với cạnh lên của xung Ck.
Hình 2.9: IC ghi dịch 74HC164
2.4.2 Sơ đồ chân của IC 74HC164
IC 74164 có sơ đồ chân, sơ đồ nội bộ như sau:
Hình 2.10: Sơ đồ chân của IC74HC164
VCC và GND là hai chân quan trọng để cấp nguồn cho IC hoạt động VCC được kết nối với cực dương của nguồn điện (+5V cho các IC thuộc họ TTL), trong khi GND được nối với cực âm của nguồn (0V).
IC số thuộc họ TTL thì đòi hỏi phải có nguồn cung cấp chính xác (5V± 5%)
A, B: ngõ vào dữ liệu nối tiếp của IC 74164, đây là hai ngõ vào của một cổng
AND 2 ngõ vào Dữ liệu muốn đến được Flip-Flop đầu tiên để bắt đầu quá trình ghi dịch thì phải qua cổng AND 2 ngõ vào này
Clk là chân nhận xung clock, nơi tác động cạnh lên sẽ đồng bộ hóa dữ liệu ở hai ngõ vào A và B đến ngõ ra Khi có xung clock, dữ liệu tại các ngõ ra sẽ dịch chuyển sang phải một bit Điều này cho thấy IC thực hiện việc ghi dịch mỗi khi có cạnh lên xung clock.
Clr: chân reset IC, chân này tác động ở mức thấp Khi chân Clr ở mức logic cao thì
IC có thể hoạt động bình thường khi chân Clr ở mức logic cao, nhưng ngay khi chân này được hạ xuống mức logic thấp, IC sẽ bị reset ngay lập tức, dẫn đến tất cả các ngõ ra bị kéo xuống mức logic thấp Quá trình reset này không phụ thuộc vào xung clock, cho phép thực hiện reset IC ở bất kỳ trạng thái nào của xung clock, dù là ở mức cao, thấp hay đang chuyển đổi.
QA và QH là các ngõ ra song song của IC, cho phép người sử dụng lấy ra tín hiệu cùng lúc hoặc từng ngõ một, tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể.
2.4.3 Nguyên tắc hoạt động của IC 74164
Nguyên tắc hoạt động của IC được mô tả như sau: Khi có cạnh lên xung Ck tác động vào chân Clk, dữ liệu tại ngõ vào (A, B) sẽ được dịch tới ngõ ra đầu tiên.
Khi xung Ck thứ hai tác động, dữ liệu từ ngõ ra đầu tiên QA sẽ được chuyển đến ngõ ra thứ hai QB, trong khi dữ liệu từ ngõ vào sẽ được đưa vào ngõ ra đầu tiên Trạng thái logic của tất cả các ngõ ra khác vẫn giữ nguyên.
Dữ liệu đầu vào được xử lý liên tục cho đến khi xung thứ 8 tác động, lúc này dữ liệu đầu tiên đã được chuyển đến ngõ ra cuối cùng QH Dữ liệu từ ngõ vào lần lượt được chuyển đến các ngõ ra QA, QB, và tiếp tục như vậy Như vậy, dữ liệu đầu vào đã được lấy ra song song từ cả 8 ngõ ra.
Khi có 8 xung CK tác động, dữ liệu từ ngõ vào sẽ được chuyển đến ngõ ra đầu tiên Khi xung thứ 9 tác động, trạng thái logic ở các ngõ ra khác sẽ dịch phải một bit, trong khi trạng thái logic ở ngõ ra cuối cùng sẽ tự động biến mất.
Hình 2.11: Nguyên lí hoạt động của IC74HC164
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG
Thi ết kế phần cứng
Sơ đồ mạch điều khiển
Mạch điều kiển của mô hình đồng hồ thời gian thực được thiết kế trên phần mềm mô phỏng Protueus 8.6
Hình 3.1: sơ đồ mạch điều kiển
Sơ đồ mạch hiển thị
Hình 3.2: sơ đồ nguyên lí mạch hiển thị Mạch hiển thị của mô hình đồng hồ thời gian thực được thiết kế trên phần mềm mô phỏng Protueus 8.6
Mạch in được thiết kế trên phần mềm Protues 8.6 Sau đây là các file mạch in được thiết kế trên phần mềm Proteus 8.6
Hình 3.3: Mạch điều kiển được thiết kế trên phần mềm Proteus 8.6
Hình 3.4 Mạch hiển thị được thiết kế trên phần mềm Proteus 8.6
Sau khi thiết kế và xuất bản mạch in trên giấy A4, bước tiếp theo là thi công phần cứng Quá trình này bao gồm việc làm mạch, gắn linh kiện, hàn mạch và cuối cùng là đóng khung Mica bằng phương pháp cắt laze.
3.1.3 Thiết kế khung mica bằng phần mềm corel X9 2017 Để mô hình thêm phần chắc chắn và cố định việc làm một khung gắn ngoài là cần thiết Tôi lựa chọn phương án gắn mica ngoài Để làm được việc đó thì ta cần sử dụng một phần mềm thiết kế chuyên dụng corel X9 2017 Sau đây là hình ảnh về phần mềm corel và bản vẽ trên phần mềm
Link download phần mềm corel X9 2017 ở bên dưới https://www.coreldraw.com/en/product/technical-suite/
Hình 3.5 Download phần mềm COREL X9 2017
Hình 3.6: Khung mica được thiết kế trên phần mềm COREL X92017
Dưới đây là một số hình ảnh minh họa quá trình cắt mica bằng máy cắt laze chuyên dụng Để thực hiện việc cắt, cần có file thiết kế được tạo ra từ Corel hoặc các phần mềm chuyên dụng khác.
Hình 3.7 Mica sau khi được gia công đúng như bản vẽ thiết kế
Thi công ph ần cứng
Sau khi xuất file từ máy tính, chúng ta tiến hành thi công mạch in Đầu tiên, xuất file mạch in từ phần mềm vẽ mạch Proteus 8.6, sau đó in trên giấy decal A4 có một mặt làm trơn.
Hình 3.8 Mạch in được xuất và in ra trên giấy decal A4
Công đoạn tiếp theo là in mực từ giấy A4 lên tấm đồng Tôi sử dụng phương pháp ủi mạch thủ công với dung dịch Axetone và etanol 90 độ pha trộn, tạo ra dung dịch để tẩy mạch in.
Hình 3.9 Dung dịch và hóa chất để làm mạch thủ công
Dung dịch màu xanh đầu tiên trong hình là axetone được pha với cồn 90 độ tạo thành dung dịch để in mạch
Dung dịch ở giữa là nhựa thông lỏng, được quét lên bảng đồng trước khi hàn mạch nhằm tăng cường độ tiếp xúc của chì hàn với bảng đồng.
Dung dịch không màu cuối cùng là axetone dùng để tẩy rửa mạch in
Hình 3.10 In mực lên 2 tấm đồng
Bời vì công việc in mạch được làm thủ công bằng tay nên việc sai xót trong quá trình làm mạch là tất yếu
Những đường mạch có thể bị đứt ra hoặc bong tróc, để khắc phục được ta dùng bút dạ quang để vẽ lại những đường mạch vừa bị đứt
Sau khi in mạch lên tấm đồng, bước tiếp theo là tẩy rửa các phần dư thừa, chỉ giữ lại phần đồng cần thiết đã được che bởi mạch in Hóa chất sử dụng để tẩy rửa mạch in là bột sắt (FeCl3).
Hình 3.11: Các hình ảnh được của công đoạn tẩy rửa mạch in
Sản phẩm hoàn thiện cung cấp đầy đủ chức năng hiển thị ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây, cùng với các tính năng bổ sung như hẹn giờ báo thức, đo nhiệt độ môi trường và điều khiển từ xa bằng remote hồng ngoại.
Hình 3.12: Sản phẩm sau khi hoàn thành
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Code chương trình
Chương trình được in kèm theo một bản phụ lục là “chương trình điều kiển đồng hồ số ATMEGA8”
gi ới thiệu về phần mềm viết code cho ATMEGA8
Chương trình được viết trên phần mềm CVAVR
CodeVisionAVR là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) dành cho vi điều khiển Atmel AVR, hỗ trợ đa dạng các thiết bị AVR Nó giúp lập trình viên tạo ra mã nguồn nhỏ gọn và hiệu quả, tối ưu hóa quy trình phát triển phần mềm cho các ứng dụng nhúng.
Dưới đây là link download phần mềm CVAVR http://dammedientu.vn/codevisionavr-2-05-0-phan-mem-lap-trinh-cho-vi-dieu- khien-bid8-html/
Ph ần mềm nạp code cho ATMEGA8
Phần mềm Progisp 1.72 là công cụ lý tưởng để nạp code cho vi điều khiển ATMEGA8 Bạn có thể tìm thấy hướng dẫn chi tiết và link tải phần mềm này tại trang web Hãy truy cập để biết thêm thông tin và hướng dẫn sử dụng.
Hình 4.2: phần mềm nạp code cho ATMEGA8
Để nạp code cho vi điều khiển ATMEGA8, trước tiên cần kết nối vi điều khiển với mạch nạp USP ISP Mạch nạp USP ISP là một thiết bị giao tiếp USB sử dụng chip chuyên dụng USB-RS232, cho tốc độ nạp nhanh chóng Nó có kích thước nhỏ gọn và hỗ trợ nạp hầu hết các chip 8051 và AVR của Atmel, bao gồm các loại như 89C51, 52, và 89S51.
52,ATMEGA8,ATMEGA16,ATMEGA32 ), SST và Winbond, các dòng EEprom
Hình 4.3: Mạch nạp USP ISP
Hình 4.4: Sơ đồ chân của mạch nạp USP ISP
Sau đây là sơ đồ kết nối vi xử lí ATMEGA8 với mạch nạp USP ISP
Hình 4.5: Sơ đồ kết nối ATMEGA8 với mạch nạp USP ISP
MOSI-17(PB3) :Chân MOSI được nối với chân số 17(PB3) của VĐK ta làm tương tự các chân còn lại theo đúng hình ở trên
RESET-1(PC6) SCK-19(PB5) MISO-18(PB4) VCC-7(VCC) GND-8(GND) và 22(GND)
Để sử dụng thạch anh 16MHz, bạn cần kết nối hai đầu của thạch anh vào hai chân của tụ không phân cực 22pF Sau đó, hai chân của tụ này được nối chung lại và kết nối vào GND.
Kết nối ATMEGA8 với mạch nạp USP ISP trên test board bằng cách cắm mạch nạp vào cổng USP của máy tính Sau đó, mở phần mềm Progisp 1.72 và thực hiện theo các bước hướng dẫn.
B1: Chọn loại vi điều khiển, ví dụ: AT88S52
B3: Cấu hình cho Fuse&Lock:
Sau đây là bảng xét thạch anh nội 8Mhz cho vi xử lí
Hình 4.7: Xét thạch anh nội 8Mhz cho ATMEGA8 B4: Nhấn vào biểu tượng auto trên phần mềm để nạp code
Hình 4.8: Hoàn thành việc nạp code bằng cách nhấn vào biểu tượng auto