Mạch quang báo sử dụng kit arduino

Trong nhiều hình thức đa dạng của thông tin quảng cáo như: báo, đài, tivi, tờ rơi, áp phích… thì việc dùng bảng thông tin điện tử là một cách đơn giản và hiệu quả để quảng cáo.Với khoảng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

MẠCH QUANG BÁO SỬ DỤNG KIT ARDUINO

GVHD:NGUYỄN DUY THẢO SVTH:ĐOÀN THANH DANH MSSV:14141437

SVTH:NGUYỄN VIỆT KHANG MSSV:14141471

SKL 0 0 6 5 4 0

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

Tên đề tài: MẠCH QUANG BÁO SỬ DỤNG KIT ARDUINO

Giáo viên hướng dẫn: THS NGUYỄN DUY THẢO

Ngày nhận đề tài: 22/3/2018 Ngày nộp đề tài: /7/2018

Nhiệm vụ nghiên cứu:

+ Nghiên cứu về vi điều khiển Arduino mega 2560

+ Nghiên cứu về font chữ Tiếng Việt có dấu

+ Thiết kế và lập trình hiển thị trên Led P10 fullcolor

+ Thiết kế và lập trình giao tiếp với máy tính

+ Thi công sản phẩm quang báo

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: ĐOÀN THANH DANH MSSV: 14141437 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên)

NGUYỄN VIỆT KHANG MSSV: 14141471 Ngành: CÔNG NGHỆ - KỸ THUẬT - ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

Tên đề tài: MẠCH QUANG BÁO SỬ DỤNG KIT ARDUINO

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn:THS NGUYỄN DUY THẢO

NHẬN XÉT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: ĐOÀN THANH DANH MSSV: 14141437

NGUYỄN VIỆT KHANG MSSV: 14141471 Ngành: CÔNG NGHỆ - KỸ THUẬT - ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

Tên đề tài:MẠCH QUANG BÁO SỬ DỤNG KIT ARDUINO

Họ và tên Giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đồ án và có thể hoàn thành đề tài này, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ dạy của quý Thầy/Cô,và qua đây chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy/Cô trong khoa Đào tạo Chất lượng cao, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, những người đã truyền đạt cho chúng tôi những kiến thức quý báu, chỉ dẫn và định hướng cho nhóm trong quá trình học tập Đây là những tiền đề để nhóm có thể hoàn thành được đề tài cũng như trong sự nghiệp sau này

Đặc biệt, nhóm xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Duy Thảo đã tận tình hướng dẫn, sửa chữa sai xót về kiến thức cũng như cách tiếp cận đề tài và tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp Nhóm xin được phép gửi đến thầy lòng biết ơn và lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất Kiến thức, kinh nghiệm và cái tâm nghề nghiệp của thầy đã không những đã giúp đỡ nhóm hoàn thành tốt đề tài mà còn là tấm gương để nhóm học tập và noi theo trên con đường sau này

Sau thời gian nghiên cứu và dưới sự hướng dẫn của Thầy hướng dẫn cũng như quí Thầy/Cô, mặc dù đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt ra và đảm bảo thời hạn nhưng do kiến thức còn hạn hẹp chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, mong Thầy/Cô và các bạn sinh viên thông cảm Nhóm mong nhận được những ý kiến của Thầy/Cô và các bạn sinh viên

Nhóm xin chân thành cảm ơn!

Nhóm thực hiện đề tài

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển của xã hội cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, cho nên nhu cầu về thông tin trở nên thiết yếu đối với con người trong cuộc sống cũng như trong hoạt động sản xuất kinh doanh Việc đưa thông tin quảng cáo đến với người tiêu dùng,đến với xã hội trở nên dễ dàng và nhanh chóng Thông qua nhiều hình thức quảng cáo khác nhau mà các doanh nghiệp giới thiệu sản phẩm của mình đến mọi người.Trong nhiều hình thức đa dạng của thông tin quảng cáo như báo, đài, tivi… thì việc dùng bảng thông tin điện tử là một cách đơn giản và hiệu quả để quảng cáo

Chúng ta bắt gặp rất nhiều bảng thông tin như vậy trong thực tế Khi đi vào một hiệu sách, bạn có thể biết được hiệu sách đó bán loại sách gì, giá cả ra sao… là nhờ vào bảng đèn quang báo rất bắt mắt trước cửa hiệu Hoặc khi vào sân bay, bạn biết được giờ giấc các chuyến bay, các thông báo ngắn của phi trường,…cũng là nhờ vào quang báo Và khi đi trên đường phố lúc về đêm, bạn sẽ bắt gặp cùng với ánh đèn màu là rất nhiều các bảng quang báo lớn với các hình ảnh sinh động như ly bia Tiger đang trào bọt, hay các hình ảnh, logo hiệnlên với đủ kiểu (từ trên xuống, từ trái sang, ……)

Thực hiện đề tài “Mạch quang báo sử dụng kit Arduino” như là một cách

để chúng tôi tìm hiểu về lĩnh vực này, và nghiên cứu về bộ font chữ Tiếng Việt

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

LỜI CẢM ƠN iv

LỜI NÓI ĐẦU v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN xiii

1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 2

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3

1.5 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 3

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

1.7 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4

1.8 BỐ CỤC ĐỒ ÁN 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 GIỚI THIỆU ARDUINO MEGA 2560 7 2.1.1 Tổng quan về Arduino Error! Bookmark not defined

2.1.2 Các Khối của Arduino Mega 2560 9

2.1.3 Bộ nhớ Arduino Mega 2560 Error! Bookmark not defined 2.1.4 Arduino IDE 12

2.2 Led RGB 17

2.3 Nguồn Tổ Ong 18

2.4 Chuẩn Giao tiếp USB 19

2.5 SƠ LƯỢC VỀ USART 21

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 27

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 28

3.1.1 Yêu cầu hệ thống 28

3.1.2 Sơ đồ khối 28

3.1.3 Chức năng các khối 29

3.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 29

3.2 TÍNH TOÁN THIẾ KẾ HỆ THỐNG 29

3.2.1 Khối xử lý trung tâm 29

3.2.2 Khối nguồn 32

3.3 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN 45

3.3.1 Ngôn ngữ C# 45

3.3.2 Ngôn ngữ C# và các ngôn ngữ khác 45

3.3.3 Yêu Cầu Giao Diện Điều Khiển 47

3.4 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 48

3.4.1 Lưu đồ giải thuật hệ thống 48

3.4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình chính trên Arduino 49

3.4.3 Lưu đồ giải thuật chương trình con hiển thị 50

3.4.4 Lưu đồ giải thuật nhận dữ liệu từ máy tính 51

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 51

4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC PHẦN LÝ THUYẾT 53

4.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC PHẦN THỰC HÀNH 53

4.2.1 KẾT QUẢ PHẦN CỨNG Error! Bookmark not defined 4.2.2 KẾT QUẢ PHẦN MỀM 54

4.2.3 KẾT QUẢ HIỂN THỊ 54

4.3 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 57

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59

5.1 KẾT LUẬN 60

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 59

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Arduino mega 2560 8

Hình 2.2: Các thành phần trên boad Arduino mega 2560 10

Hình 2.3: Cấu trúc bộ nhớ Flash 12

Hình 2.4: Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu 12

Hình 2.5: Sơ đồ vòng truy cập bộ nhớ dữ liệu SRAM 13

Hình 2.6: Mô hình hoạt động của chương trình Arduino 14

Hình 2.7: Arduino IDE 15

Hình 2.8: Arduino Toolbar 15

Hình 2.9: IDE menu 16

Hình 2.10: File menu 16

Hình 2.11: Examples menu 16

Hình 2.12: Sketch menu 17

Hình 2.13: Edit menu 17

Hình 2.14: Tool menu 17

Hình 2.15: Board Arduino sử dụng 18

Hình 2.16: Hiển thị Board và Serial Port 18

Hình 2.17: Cấu tạo Led RGB dán 19

Hình 2.18: Sơ đồ chân và kích thước của led RGB dán 20

Hình 2.19: Đầu kết nối USB 22

Hình 2.20: Cách thực hiện NRZI 23

Hình 2.21: Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp 24

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 28

Hình 3.2: Sơ đồ kết nối vi điều khiển với module led P10 30

Hình 3.3: Sơ đồ kết nối vi điều khiển 31

Hình 3.4: Nguồn tổ ong 5V-40A 34

Hình 3.5: LED P5 Fullcolor Indoor 36

Hình 3.6: LED P10 Fullcolor Indoor 37

Hình 3.7: Sơ đồ khối led P10 38

Hình 3.8: Cổng kết nối HUB75 38

Hình 3.9: Dây bus gắn vào HUB75 38

Hình 3.10: Sơ đồ chân của IC 74HC245 39

Hình 3.11: Sơ đồ chân IC 74HC245 40

Hình 3.12: Sơ đồ chân IC 74HC138 41

Hình 3.13: IC SSF4953 42

Hình 3.14: Mosfet kênh P 42

Hình 3.15: Cấu tạo của FDS4953 43

Hình 3.16: Sơ đồ chân IC TLC5926 43

Hình 3.17: Giản đồ xung của IC TTL5926/5927 44

Hình 3.18: Sơ đồ kết nối hai module led P10 45

Hình 3.19: Lưu đồ giải thuật hệ thống 48

Hình 3.20: Lưu đồ giải thuật chương trình Arduino 49

Hình 3.21: Lưu đồ giải thuật chương trình hiển thị 50

Hình 3.22: Lưu đồ giải thuật nhận dữ liệu từ Arduino 52

Hình 4.1: Sản phẩm sau khi hoàn thành 54

Hình 4.2: Màn hình điều khiển 55

Hình 4.3: Hiển thị chữ đứng im 55

Hình 4.4: Hiệu ứng dịch trái 56

Hình 4.5: Thay đổi màu chữ 57

Hình 4.6: Màn hình thông báo đã kết nối với cổng Com 58

Hình 4.7: Thanh chọn hiệu ứng 58

Hình 4.8: Bảng màu 58

Hình 4.9: Dữ liệu được gửi đi và lưu lại trong history 59

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Chức năng các chân Led P10 Fullcolor 22

Bảng 3.1: Chức năng các chân Led P10 39

Bảng 3.2: Trạng thái của IC74HC245 40

Bảng 3.3:Trạng thái hoạt động của IC 74HC138 41

Bảng 3.4:Trạng thái chế độ Normal mode 44

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

IC Integrated Circuit Mạch tích hợp

Led Light emitting diode Diode phát quang

ICSP In-Circuit Serial programming Các chân giao tiếp theo chuẩn

SPI SPI Serial Peripheral Interface Giao diện ngoại vi nối tiếp

I2C Inter-Integrated Circuit Vi mạch tích hợp truyền thông

nối tiếp

PC Personal Computer Máy tính

I/O Input/Output Ngõ vào/ngõ ra

UART Universal Asynchronous Receiver

– Transmitter

Truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ

ĐATN Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY

Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ.Việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại trong tất cả các lĩnh vực đã và đang rất phổ biến trên toàn thế giới, thay thế dần những phương thức lao động thủ công , lạc hậu và ngày càng được cải tiến hiện đại hơn

Trong đó lĩnh vực Điện Tử - Tin Học – Viễn Thông ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế và đời sống con người Sự phát triền của nó ảnh hưởng không nhỏ tới sự phát triển của tất cả các ngành sản xuất, giải trí, và thúc đẩy sự phát triển chung của xã hội Đồng thời việc tiếp cận, quảng bá hình ảnh, thương hiệu của sản phẩm đến người tiêu dùng là một trong những chiến lược mà

bộ phận maketing của nhiều công ty hướng đến Trong nhiều hình thức đa dạng của thông tin quảng cáo như: báo, đài, tivi, tờ rơi, áp phích… thì việc dùng bảng thông tin điện tử là một cách đơn giản và hiệu quả để quảng cáo.Với khoảng không gian nhỏ một bảng led điện tử đã thể hiện được hình ảnh cần thiết cho sản phẩm, giúp người tiêu dùng nhanh chóng có thể nhận biết.Với đủ loại màu sắc, hình thức thề hiện bảng thông tin điện tử đã ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: giới thiệu sản phẩm, thông báo tin tức,…Với ứng dụng rộng rãi như vậy mà nhóm chúng tôi chọn đề tài “ MẠCH QUANG BÁO SỬ DỤNG KIT ARDUINO ” 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay, với sự phát triển của xã hội thì ngày càng có nhiều cách tiếp cận với những thông tin mới Ta có thể biết được thông tin qua báo chí, truyền hình, mạng internet, qua các pano, áp phích… Thông tin cần phải được truyền đi nhanh chóng, kịp thời và phổ biến rộng rãi trong toàn xã hội Và việc thu thập thông tin kịp thời, chính xác là yếu tố hết sức quan trọng trong sự thành công của mọi lĩnh vực Các thiết bị tự động được điều khiển từ xa qua một thiết bị chủ hoặc được điều khiển trực tiếp qua hệ thống máy tính

Việc sử dụng vi điều khiển để điều khiển, lập trình hiển thị có rất nhiều ưu

điều chỉnh thông tin một cách nhanh chóng bằng cách thay đổi phần mềm Với những lý do trên, nhóm thực hiện đề tài đưa ra một cách thức nữa phục vụ thông tin

là dùng quang báo giao tiếp với máy tính Nội dung nghiên cứu của đề tài chính là tạo ra một bảng quang báo ứng dụng trong việc hiển thị truyền thông ở các nơi công cộng như công ty, nhà xưởng, các ngã tư báo hiệu, các cửa hàng…mà chúng ta có thể thay đổi thông tin một cách dễ dàng

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong khoảng thời gian thực hiện đề tài, nhóm chúng tôi đã thảo luận và chọn nội dung của đề tài như sau:

 Thi công bảng quang báo hiển thị kích thước 16x64 điểm ảnh

 Tìm phương án điều khiển và xử lý dữ liệu cho bảng led ma trận hiển thị

 Tìm phương án giao tiếp giữa máy tính và bảng quang báo

 Viết chương trình và xử lý dữ liệu

 Kit Arduino mega 2560

 Tìm hiểu về cách tạo font chữ Tiếng Việt có dấu cho led ma trận

1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài này nhằm giúp người học:

 Tăng khả năng tự nghiên cứu cũng như tự học

 Tiếp xúc với những ứng dụng thực tế

 Vận dụng những kiến thức đã học như kĩ thuật số, điện tử cơ bản, lập trình C

#, vi điều khiển, led ma trận để thiết kế một mạch quang báo có khả năng thay đổi trên máy tính

1.5 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

 Các phương án điều khiển và xử lý dữ liệu cho bảng led ma trận

 Tìm hiểu KIT Arduino Mega 2560

 Font bằng chữ tiếng việt có dấu

 Tìm hiểu phương pháp lập trình cho Arduino

 Tìm hiểu phương pháp lập trình C#

 Bảng quang báo led ma trận P10 kích thước 16x64 điểm ảnh

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong quá trình thực hiện đề tài chúng tôi đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

 Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết

 Phương pháp tham khảo và đọc hiểu tài liệu

1.8 BỐ CỤC ĐỒ ÁN

 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

 CHƯƠNG 2 : CỞ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

 CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

 CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU ARDUINO MEGA 2560

2.1.1 Tổng quan về Arduino

Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các

thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi

bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ rộng rãi cộng với bộ thư

viện vô cùng mạnh mẽ giúp tiết kiệm thời gian thời trình Và điều làm nên hiện

tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới

phần mềm

Hình 2.1: Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560 sử dụng chip ATmega2560 Nó có 54 chân digital I/O

(trong đó có 15 chân điều chế độ rộng xung PWM), 16 chân đầu vào tương tự

(Analog Inputs), 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), một thạch anh dao động 16

MHz, kết nối USB, một jack cắm điện, một đầu ICSP và một nút reset Nó chứa tất

cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, chỉ đơn giản là kết nối nó với một

máy tính bằng cáp USB hoặc với một bộ chuyển đổi điện AC-DC hoặc có thể sử

dụng pin Board có khả năng tự động reset nhờ phần mềm thay vì đòi hỏi phải ấn

nút reset trước khi tải lên, Arduino Mega 2560 được thiết kế theo một cách mà cho

nó Một trong những dòng điều khiển lưu lượng phần cứng (DTR) của ATmega8U2 được thiết lập kết nối với các đường dây của ATmega2560 qua một tụ điện 100nF Khi đường dây này ở trạng thái mức thấp, các thiết lập đường dây giảm thời gian

đủ dài để thiết lập lại chip Phần mềm Arduino sử dụng khả năng này để cho phép nạp code lên chỉ cần nhấn vào nút upload trong môi trường Arduino Điều này có nghĩa rằng bộ nạp khởi động có thể có một thời gian chờ ngắn hơn, như hạ thấp DTR có thể phối hợp tốt với sự bắt đầu tải lên Thiết lập này có ý nghĩa khác khi Mega 2560 được kết nối với một trong hai máy tính chạy Mac OS X hay Windows,

nó reset mỗi khi một kết nối được thực hiện với phần mềm (thông qua USB) Trong nửa giây sau hoặc lâu hơn, bộ nạp khởi động đang chạy trên Mega 2560 Trong khi

nó được lập trình để bỏ qua dữ liệu bị thay đổi (tức là bất cứ điều gì ngoài việc tải lên các mã mới), nó sẽ ngăn chặn các byte dữ liệu đầu tiên được gửi đến board sau khi kết nối được mở ra Arduino Mega 2560 có thể bảo vệ cổng USB của máy tính

từ khi xảy ra hiện tượng quá dòng Mặc dù hầu hết các máy tính cung cấp bảo vệ nội bộ, các cầu chì cung cấp thêm một lớp bảo vệ Nếu dòng cao hơn 500mA được

áp dụng cho các cổng USB, cầu chì sẽ tự động phá vỡ các kết nối cho đến khi ngắt hoặc hiện tượng quá tải được khắc phục

Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 như sau:

 Chip: ATmega2560

 Điện áp cấp nguồn: 5V

 Điện áp đầu vào (kiến nghị): 7-12V

 Điện áp đầu vào (giới hạn): 6-20V

 Số chân Digital I/O: 54 (có 15 chân điều chế độ rộng xung PWM)

 Số chân Analog (Input ): 16

 Dòng DC trên chân I/O: 40 mA

 Dòng DC cho chân 3.3V: 50 mA

 Flash Memory: 256KB trong đó có 8KB được sử dụng bởi bộ nạp khởi động

 SRAM: 8 KB

 EEPROM: 4 KB

 Xung nhịp: 16 MH

Các Khối của Arduino Mega 2560

Hình 2.2: Các thành phần trên board mạch Arduino Mega 2560

 USB (1): Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính Thông qua cáp USB chúng ta có thể Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngoài ra USB còn là nguồn cho Arduino

 Nguồn (2 và 3): Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn ngoài thông qua jack cắm 2.1mm (cực dương ở giữa) hoặc có thể

sử dụng 2 chân Vin và GND để cấp nguồn cho Arduino Bo mạch hoạt động với nguồn ngoài ở điện áp từ 5 – 20 volt Chúng ta có thể cấp một áp lớn hơn tuy nhiên chân 5V sẽ có mức điện áp lớn hơn 5 volt Và nếu sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt thì sẽ có hiện tượng nóng và làm hỏng bo mạch Khuyết cáo các nên dùng nguồn ổn định từ 5 đến dưới 12 volt

 Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage): các chân này dùng để lấy nguồn ra từ nguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino Lưu ý: không được cấp nguồn vào các chân này vì sẽ làm hỏng Arduino

 GND: chân mass

 Chip ATmega2560:

 Chip ATmega2560 có 256KB bộ nhớ flash trong đó 8KB sử dụng cho bootloader

 Ngoài ra còn có 8K SRAM, 4K EEPROM

 Input và Output (4, 5 và 6): Arduino Mega 2560 có 54 chân digital với chức năng input và output sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() để điều khiển các chân Cũng trên 54 chân digital này chúng ta còn một số chân chức năng đó là: Serial: 0 (RX) và 1 (TX); Serial 1: 19 (RX)

và 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) và 16(TX); Serial 3: 15 (RX) và 14 (TX) Dùng

để truyền (Tx) và nhận (Rx) dữ liệu nối tiếp TTL Chúng ta có thể sử dụng nó

để giao tiếp với cổng COM của một số thiết bị hoặc các linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp PWM (pulse width modulation): các chân 2 đến 13 và 44 đến 46 trên bo mạch Các chân chúng ta có thể sử dụng nó để điều khiển tốc độ động

cơ, độ sáng của đèn… SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS) các chân này hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn SPI I2C: Arduino hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn I2C Các chân 20 (SDA) và 21 (SCL) cho phép chúng ta giao tiếp giữa Arduino với các linh kiện có chuẩn giao tiếp là I2C Reset (7): dùng để reset Arduino

2.1.2Bộ nhớ Arduino Mega 2560

a Bộ nhớ Flash

Bộ nhớ ATmega2560 có 64K, 128K, 256K byte bộ nhớ Flash được lập trình lại cho chương trình lưu trữ Trong khi các cấu trúc AVR là 16 bit hoặc 32 bit thì bộ nhớ Flash được tổ chức lên đến 32K, 64K, 128K x 16 Để bảo đảm an toàn cho phần mềm, không gian bộ nhớ chương trình Flash được chia thành hai phần, phần chương trình khởi động và phần chương trình ứng dụng Độ bền của ít nhất 10.000 chu kỳ ghi và xóa Bộ nhớ Flash có độ bền của ít nhất 10.000 chu kỳ ghi - xóa Bộ

đếm Chương trình ATmega2560 (PC) rộng 15-16-17 bit, do đó làm tăng vị trí bộ nhớ chương trình 32K-64K-128K

Hình 2.3: Cấu trúc bộ nhớ chương trình Flash

Đối với không gian mở rộng IO từ 060 1FF trong SRAM, chỉ có thể sử dụng các hướng dẫn ST / STS / STD và LD / LDS / LDD Vị trí bộ nhớ dữ liệu 4,608 / 8,704 đầu tiên đáp ứng cả các tệp thanh ghi là bộ nhớ IO Memory, bộ nhớ mở rộng

IO và dữ liệu SRAM bên trong SRAM này sẽ chiếm một vùng trong các vị trí còn lại trong không gian địa chỉ 64K Khu vực này bắt đầu tại địa chỉ theo SRAM nội

bộ Tệp thanh ghi, I/O

I/O mở rộng và SRAM nội bộ chiếm ít nhất 4.608 - 8.704 byte Vì vậy khi sử dụng bộ nhớ ngoài 64KB (65.536 byte), có thể có 60.478 / 56.832 bytes của bộ nhớ ngoài khả dụng

Hình 2.5: Sơ đồ vòng truy cập bộ nhớ dữ liệu SRAM

b Bộ nhớ EEPROM

ATmega2560 chứa 4K byte dữ liệu bộ nhớ EEPROM Nó được tổ chức như một không gian dữ liệu riêng biệt, trong đó có thể đọc và ghi các byte đơn EEPROM có độ bền ít nhất 100.000 chu kỳ ghi - xóa Việc truy cập giữa EEPROM

và CPU được mô tả như sau: Xác định các thanh ghi địa chỉ EPE, thanh ghi dữ liệu EEPROM, và thanh ghi điều khiển EEPROM Trong nguồn cấp điện bị lọc rất nhiều, VCC có thể tăng hoặc giảm chậm khi bật lên - xuống Điều này làm cho thiết

bị trong một khoảng thời gian để chạy ở điện áp thấp hơn được xác định là tối thiểu cho tần số đồng hồ được sử dụng Điều này làm cho thiết bị hoạt động trong một khoảng thời gian để chạy ở điện áp thấp hơn được xác định là tối thiểu cho tần số xung clock được sử dụng Khi đọc EEPROM, CPU sẽ bị dừng lại trong bốn chu kỳ xung clock trước khi lệnh tiếp theo được thực hiện Khi EEPROM được viết, CPU

sẽ bị dừng lại cho hai xung clock trước khi lệnh tiếp theo được thực hiện Các bộ dao động được dùng để định cỡ thời gian truy cập EEPROM

bật cú pháp, khớp dấu ngặc khối chương trình, thụt đầu dòng tự động và cũng có khả năng biên dịch và tải lên các chương trình vào board mạch với một nhấp chuột duy nhất Một chương trình hoặc mã viết cho Arduino được gọi là "sketch"

Chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++ Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring" từ dự án lắp ráp ban đầu, cho hoạt động đầu vào/đầu ra phổ biến trở nên dễ dàng hơn nhiều Người sử dụng chỉ cần định nghĩa hai hàm để thực hiện một chương trình điều hành theo chu kỳ: voi setup(): hàm chạy một lần duy nhất vào lúc bắt đầu của một chương trình dùng để khởi tạo các thiết lập void loop(): hàm được gọi lặp lại liên tục cho đến khi bo mạch được tắt đi

Khi các chúng ta bật điện bảng mạch Arduino, reset hay nạp chương trình mới, hàm setup() sẽ được gọi đến đầu tiên Sau khi xử lý xong hàm setup(), Arduino

sẽ nhảy đến hàm loop() và lặp vô hạn hàm này cho đến khi tắt điện bo mạch Arduino Chu trình đó có thể mô tả trong hình dưới đây:

Hình 2.6:Mô hình hoạt động của chương trình Arduino Arduino IDE sử dụng GNU toolchain và AVR libc để biên dịch chương trình, và sử dụng avrdude để tải lên các chương trình vào board mạch chủ Do nền tảng Arduino sử dụng vi điều khiển Atmel, môi trường phát triển của Atmel, AVR Studio hoặc Atmel Studio mới hơn, cũng có thể được sử dụng để phát triển phần

Arduino IDE là nơi để soạn thảo code, kiểm tra lỗi và upload code cho Arduino, dưới đây là các thanh công cụ sử dụng trong Arduino IDE:

Hình 2.7:Arduino IDE Arduino Toolbar có một số button và chức năng của chúng như sau:

Hình 2.8:Arduino Toolbar

 Verify: kiểm tra code có lỗi hay không (1)

 Upload: nạp code đang soạn thảo vào Arduino (2)

 New, Open, Save: Tạo mới, mở và lưu sketch (3)

 Serial Monitor: Đây là màn hình hiển thị dữ liệu từ Arduino gửi lên máy tính (4) Arduino IDE Menu:

Hình 2.9:IDE menu

3

1

Hình 2.10:File menu Trong file menu chúng ta quan tâm tới mục Examples đây là nơi chứa code mẫu ví dụ như: cách sử dụng các chân digital, analog, sensor,…

Hình 2.11:Examples menu Sketch menu:

 Verify/ Compile: chức năng kiểm tra lỗi code

 Show Sketch Folder: hiển thị nơi code được lưu

 Add File: thêm vào một Tap code mới

 Import Library: thêm thư viện cho IDE

Hình 2.12:Sketch menu Edit menu:

Hình 2.13:Edit menu

Hình 2.14:Tool menu Trong Tool menu ta quan tâm các mục Board và Serial Port

Mục Board: cần phải lựa chọn bo mạch cho phù hợp với loại bo sử dụng nếu là Arduino Mega 2560 thì phải chọn như hình:

Hình 2.15:Board Arduino sử dụng

Hình 2.16:Hiển thị Board và Serial Port Nếu sử dụng loại board khác thì phải chọn đúng loại board mà mình đang có nếu sai thì code Upload vào chip sẽ bị lỗi

Serial Port: đây là nơi lựa chọn cổng Com của Arduino Khi chúng ta cài đặt driver thì máy tính sẽ hiện thông báo tên cổng Com của Arduino là bao nhiêu, ta chỉ việc vào Serial Port chọn đúng cổng Com để nạp code, nếu chọn sai thì không thể nạp code cho Arduino được

2.2 LED RGB

Led RGB có 4 chân, trong đó có 1 chân dương chung và 3 chân âm riêng cho từng màu (R - đỏ, G - xanh lá, B - xanh dương) Led RGB thực chất là 3 con diode led bình thường gộp chung thành một khối

Hình 2.17:Cấu tạo của Led RGB dán

Để thay đổi màu sắc của led RGB, ta chỉ việc thay đổi độ sáng của từng con diode (led) trong led RGB Để thay đổi độ sáng của một con led ta chỉ việc điều chỉnh điện áp xuất ra con led

Dưới đây là hình ảnh thực tế và sơ đồ chân, kích thước của led RGB:

Hình 2.18:Sơ đồ chân và kích thước của led RGB dán

2.3 NGUỒN TỔ ONG

Như chúng ta đã biết thì nguồn điện là một phần rất quan trọng đối với một mạch điện hay một hệ thống điện nào đó Nguồn điện ảnh hưởng trực tiếp đếnhoạt động của mạch hay hệ thống Đối với mỗi mạch điện hay hệ thống nó cần đòi hỏi các nguồn đầu vào khác nhau từ một nguồn đầu vào cố định hay có sẵn

Nguồn DC được sử dụng rất rộng rãi và được sử dụng hầu hết trong các mạch điện hay các hệ thống điện Nhưng để sử dụng nguồn DC vào hệ thống của mình thì nguồn DC này cần phải được biến đổi thành nguồn DC khác hay nhiều nguồn DC cung cấp cho hệ thống Hiện nay thì nguồn xung hay nói cách khác nó là các bộ nguồn biến đổi DC-DC nó được sử dụng phổ biến hầu hết trên các mạch điện và các

hệ thống điện tự động

Với ưu điểm là khả năng cho hiệu suất đầu ra cao, tổn hao thấp, ổn định được điện áp đầu ra khi đầu vào thay đổi, cho nhiều đầu ra khi với một đầu vào Nguồn xung hiện nay có rất nhiều loại khác nhau nhưng nó được chia thành 2 nhóm nguồn : Cách ly và không cách ly

2.4 CHUẨN GIAO TIẾP USB

Universal Serial Bus (USB) là một trong những giao thức phổ biến nhất được

sử dụng trong các sản phẩm điện tử hiện nay USB là một giao thức truyền nối tiếp tốc độ cao nó có thể cung cấp điện cho các thiết bị kết nối với nó Những sợi USB đơn lẻ được kết nối thông qua dây cáp có chiều dài lên đến 5 mét

Các đặc điểm kỹ thuật bus USB có 3 phiên bản : phiên bản USB 1.1 hỗ trợ tốc

độ lên tới 11Mbps, phiên bản 2.0 hỗ trợ tốc độ lên đến 480Mbps, và phiên bản mới nhất là 3.0 và có tốc độ gấp 10 lần phiên bản cũ 2.0

Nguồn tối đa cho một thiết bị bên ngoài kết nối sử dụng điện áp cấp bởi cổng USB được giới hạn trong khoảng 100mA tại điện áp 5V

Có hai loại đầu kết nối được sử dụng là đầu A và B:

Hình 2.19: Đầu kết nối USB Bảng 2.1: Quy định chân của đầu kết nối USB Chân số Tên Màu sắc

Hình 2.20: Cách thực hiện NRZI 2.5 SƠ LƯỢC VỀ USART

Thuật ngữ USART trong tiếng anh là viết tắt của cụm từ: Universal Synchronous & Asynchronous serial Receiver and Transmitter, nghĩa là bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ Cần chú ý rằng khái niệm USART (hay UART nếu chỉ nói đến bộ truyền nhận không đồng bộ) thường để chỉ thiết bị phần cứng (device, hardware), không phải chỉ một chuẩn giao tiếp USART hay UART cần phải kết hợp với một thiết bị chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao tiếp nào đó Ví dụ, chuẩn RS232 (hay COM) trên các máy tính cá nhân là sự kết hợp của chip UART và chip chuyển đổi mức điện áp Tín hiệu từ chip UART thường theo mức TTL: mức logic high là 5, mức low là 0V Trong khi đó, tín hiệu theo chuẩn RS232 trên máy tính cá nhân thường là -12V cho mức logic high và +12 cho mức low Chú ý là các giải thích trong tài liệu này theo mức logic TTL của USART, không theo RS232 Truyền thông nối tiếp: giả sử bạn đang xây dựng một ứng dụng phức tạp cần sử dụng nhiều vi điều khiển (hoặc vi điều khiển và máy tính) kết nối với nhau Trong quá trình làm việc các vi điều khiển cần trao đổi dữ liệu cho nhau, ví dụ tình huống Master truyền lệnh cho Slaver hoặc Slaver gởi tín hiệu thu thập được về Master xử lí…Giả sử dữ liệu cần trao đổi là các mã có chiều dài 8 bits, bạn có thể sẽ nghĩ đến cách kết nối đơn giản nhất là kết nối 1 PORT (8 bit) của mỗi

vi điều khiển với nhau, mỗi line trên PORT sẽ chịu trách nhiệm truyền/nhận 1 bit

liệu được xuất và nhận trực tiếp không thông qua bất kỳ một giải thuật biến đổi nào

và vì thế tốc độ truyền cũng rất nhanh Tuy nhiên, như bạn thấy, nhược điểm của cách truyền này là số đường truyền quá nhiều, bạn hãy tưởng tượng nếu dữ liệu của bạn có giá trị càng lớn thì số đường truyền cũng sẽ nhiều thêm Hệ thống truyền thông song song thường rất cồng kềnh và vì thế kém hiệu quả Truyền thông nối tiếp sẽ giải quyết vần đề này, trong tuyền thông nối tiếp dữ liệu được truyền từng bit trên 1 (hoặc một ít) đường truyền Vì lý do này, cho dù dữ liệu của bạn có lớn đến đâu bạn cũng chỉ dùng rất ít đường truyền Hình 2.4 mô tả sự so sánh giữa 2 cách truyền song song và nối tiếp trong việc truyền con số 187 thập phân (tức 10111011 nhị phân)

Hình 2.21: Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp

Một hạn chế rất dễ nhận thấy khi truyền nối tiếp so với song song là tốc độ truyền và độ chính xác của dữ liệu khi truyền và nhận Vì dữ liệu cần được “chia nhỏ” thành từng bit khi truyền/nhận, tốc độ truyền sẽ bị giảm Mặt khác, để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, bộ truyền và bộ nhận cần có những “thỏa hiệp” hay những tiêu chuẩn nhất định Phần tiếp theo trong chương này giới thiệu các tiêu chuẩn trong truyền thông nối tiếp không đồng bộ

Khái niệm “đồng bộ” để chỉ sự “báo trước” trong quá trình truyền Lấy ví dụ thiết bị 1 (tb1) kết với với thiết bị 2 (tb2) bởi 2 đường, một đường dữ liệu và 1 đường xung nhịp Cứ mỗi lần tb1 muốn send 1 bit dữ liệu, tb1 điều khiển đường xung nhịp chuyển từ mức thấp lên mức cao báo cho tb2 sẵn sàng nhận một bit

Bằng cách “báo trước” này tất cả các bit dữ liệu có thể truyền/nhận dễ dàng với ít

“rủi ro” trong quá trình truyền Tuy nhiên, cách truyền này đòi hỏi ít nhất 2 đường truyền cho 1 quá trình (send or receive) Giao tiếp giữa máy tính và các bàn phím (trừ bàn phím kết nối theo chuẩn USB) là một ví dụ của cách truyền thông nối tiếp đồng bộ

Khác với cách truyền đồng bộ, truyền thông “không đồng bộ” chỉ cần một đường truyền cho một quá trình “Khung dữ liệu” đã được chuẩn hóa bởi các thiết

bị nên không cần đường xung nhịp báo trước dữ liệu đến Ví dụ 2 thiết bị đang giao tiếp với nhau theo phương pháp này, chúng đã được thỏa thuận với nhau rằng cứ 1ms thì sẽ có 1 bit dữ liệu truyền đến, như thế thiết bị nhận chỉ cần kiểm tra và đọc đường truyền mỗi mili-giây để đọc các bit dữ liệu và sau đó kết hợp chúng lại thành

dữ liệu có ý nghĩa Truyền thông nối tiếp không đồng bộ vì thế hiệu quả hơn truyền thông đồng bộ (không cần nhiều lines truyền) Tuy nhiên, để quá trình truyền thành công thì việc tuân thủ các tiêu chuẩn truyền là hết sức quan trọng Chúng ta sẽ bắt đầu tìm hiểu các khái niệm quan trọng trong phương pháp truyền thông này

Baud rate (tốc độ Baud): như trong ví dụ trên về việc truyền 1 bit trong 1ms, bạn thấy rằng để việc truyền và nhận không đồng bộ xảy ra thành công thì các thiết

bị tham gia phải “thống nhất” nhau về khoảng thời dành cho 1 bit truyền, hay nói cách khác tốc độ truyền phải được cài đặt như nhau trước, tốc độ này gọi là tốc độ Baud Theo định nghĩa, tốc độ baud là số bit truyền trong 1 giây Ví dụ nếu tốc độ baud được đặt là 19200 thì thời gian dành cho 1 bit truyền là 1/19200 ~ 52.083us Frame (khung truyền): do truyền thông nối tiếp mà nhất là nối tiếp không đồng bộ rất dễ mất hoặc sai lệch dữ liệu, quá trình truyền thông theo kiểu này phải tuân theo một số quy cách nhất định Bên cạnh tốc độ baud, khung truyền là một yếu tốc quan trọng tạo nên sự thành công khi truyền và nhận Khung truyền bao gồm các quy định về số bit trong mỗi lần truyền, các bit “báo” như bit Start và bit Stop, các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra số lượng các bit trong một data cũng

UART, khung truyền này được bắt đầu bằng một start bit, tiếp theo là 8bit data, sau

đó là 1bit parity dùng kiểm tra dữ liệu và cuối cùng là 2 bits stop

Start bit: start là bit đầu tiên được truyền trong một frame truyền, bit này có chức năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới Ở module USART trong các vi điều khiển, đường truyền thường ở trạng thái cao khi nghỉ (Idle), nếu một vi điều khiển muốn thực hiện việc truyền dữ liệu nó sẽ gởi một bit start bằng cách “kéo” đường truyền xuống mức 0 Như vậy, với các vi điều khiển bit start thường mang giá trị 0 và có giá trị điện áp 0V (với chuẩn RS232 giá trị điện áp của bit start là ngược lại) start là bit bắt buộc phải có trong khung truyền Data: data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gởi và nhận Data không nhất thiết phải là gói 8 bit, với vi điều khiển thường bạn có thể quy định số lượng bit của data là 5, 6, 7, 8 hoặc 9 (tương tự cho hầu hết các thiết bị

hỗ trợ UART khác) Trong truyền thông nối tiếp UART, bit có ảnh hưởng nhỏ nhất (LSB – Least Significant Bit, bit bên phải) của data sẽ được truyền trước và cuối cùng là bit có ảnh hưởng lớn nhất (MSB – Most Significant Bit, bit bên trái)

Parity bit: parity là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền đúng không (một cách tương đối) Có 2 loại parity là parity chẵn (even parity) và parity lẻ (odd parity) Parity chẵn nghĩa là số lượng số 1 trong dữ liệu bao gồm bit parity luôn là số chẵn Ngược lại tổng số lượng các số 1 trong parity lẻ luôn là số lẻ Ví dụ, nếu dữ liệu của bạn là 10111011 nhị phân, có tất cả 6 số 1 trong dữ liệu này, nếu parity chẵn được dùng, bit parity sẽ mang giá trị 0 để đảm bảo tổng các số 1 là số chẵn (6 số 1) Nếu parity lẻ được yêu cầu thì giá trị của parity bit là 1 Hình 2.3 mô tả ví dụ này với parity chẵn được sử dụng Parity bit không phải là bit bắt buộc và vì thế chúng ta có thể loại bit này khỏi khung truyền (các ví dụ trong bài này tôi không dùng bit parity)

Stop bits: stop bits là một hoặc các bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu đã được gởi xong Sau khi nhận được stop bits, thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Stop bits là các bits bắt

buộc xuất hiện trong khung truyền, trong các vi điều khiển USART có thể là 1 hoặc

2 bits (Trong các thiết bị khác Stop bits có thể là 2.5 bits) Trong ví dụ ở hình 2.3,

có 2 stop bits được dùng cho khung truyền Giá trị của stop bit luôn là giá trị nghỉ (Idle) và là ngược với giá trị của start bit, giá trị stop bit trong vi điều khiển luôn là mức cao (5V) Chú ý khung truyền phổ biến nhất là start bit + 8bit data + 1 stop bit

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

3.1.1 Yêu cầu hệ thống

 Có thể hiện thị được bảng chữ cái tiếng việt

 Có thể thay đổi màu và hiệu ứng quét cho phù hợp với nhu cầu

 Có thể giao tiếp được với giao diện được tạo trên máy tính

 Tín hiệu ngõ ra truyền và hiển thị được trên Led ma trận

 Kết hợp quét được nhiều bảng Led ma trận

3.1.2 Sơ đồ khối

Hình 3.1:Sơ đồ khốihệ thống

LÝ TRUNG TÂM

KHỐI HIỂN THỊ

KHỐI NGUỒN