Thiết kế đồng hồ và lịch điện tử dùng PIC

Ngày khoa học cơng nghệ kỹ thuật đóng vai trị quan trọng đời sống người Bên cạnh đó, thời gian trở thành tài sản quý mong muốn tận dụng cách tối đa Tuy nhiên, việc quản lý thời gian cách hiệu vấn đề nan giải cần giải cách triệt để đề tài mà nhóm ln muốn tìm cách giải Kết hợp với kiến thức thiết kế lập trình hệ thống nhúng, nhóm định lựa chọn đề tài “Thiết kế đồng hồ số vi xử lý PIC16F877A” Nhiệm vụ đề tài phân công công việc: Phú Nhật + Tìm hiểu sở lí thuyết PIC (cụ thể PIC16F877A), LCD, + Viết giải thuật + code thời gian, lịch dương, lịch âm, thứ, tùy chỉnh cài đặt thời gian, làm báo cáo word + Viết giải thuật + code cài đặt hiển thị báo thức, giao tiếp hiển thị LCD Tổng hợp code tổng, làm báo cáo powerpoint X X + Thực sơ đồ nguyên lí, mơ phỏng, layout X X X mạch X + Thi công mạch + Nạp code cho mạch X X II LÝ THUYẾT Vi điều khiển PIC 1.1 Giới thiệu vi điều khiển PIC - PIC bắt nguồn chữ viết tắt “Programmable Intelligent Computer” (Máy tính khả trình thơng minh) sản phẩm hãng General - PIC họ vi điều khiển RISC sản xuất cơng ty Microchip Technology Dịng PIC PIC1650 phát triển Microelectronics Division thuộc General Instrument - Instrument đặt cho dòng sản phẩm họ PIC1650 Lúc này, PIC1650 dùng để giao tiếp với thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16bit CP1600, vậy, người ta gọi PIC với tên “Peripheral Interface Controller” (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) CP1600 CPU tốt, lại hoạt động xuất nhập, PIC 8-bit phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600 PIC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Khoa Điện - Điện Tử 

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên nhóm em xin cảm ơn chân thành đến thầy

Hồ Trung Mỹ đã giúp đỡ cho nhóm em hoàn thành đồ án

này.

Trong quá trình thực hiện đề tài, không tránh khỏi

những sai xót Kính mong nhận được sự giúp đỡ và góp ý

của quý thầy cô để nhóm hoàn thiện hơn sau này.

Tp Hồ Chí Minh,ngày 23 tháng 12 năm 2019

Sinh viên Trần Đình Nhật Bùi văn

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Thiết kế đồng hồ và lịch điện tử dùng PIC có các chức năng:

Yêu cầu :

 Đề tài đồ án là dựa vào chức năng timer PIC để tạo nên chuẩn 1 giây Cứ

sau 1 giây thì cập nhập phút, giờ, ngày, tháng và năm ( dương lịch )

 Hiển thị và cho phép điều chỉnh thời gian trên LCD

Phần làm thêm:

 Cho phép đặt báo thức

 Tính toán quy đổi dương lịch thành âm lịch và hiển thị LCD ( nhóm

thực hiện tính toán được trong vòng 5 năm từ 2020-2025)

 Hiển thị được các thứ trong tuần

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU

1.1 Tổng quan

1.2 Nhiệm vụ đề tài và phân công công việc

II LÝ THUYẾT

1 Vi điều khiển PIC

2 PIC16F877A

3 LCD 20x4

III THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG

1 Sơ đồ khối

2 Sơ đồ nguyên lý

IV THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM (Mô tả bằng Pseucode)

V KẾT QUẢ THỰC HIỆN

VI KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1 Kết luận

2 Hướng phát triển

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA

Hình 1 Hình ảnh thực tế của PIC 16F877A

Hình 2 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC

16F877A Hình 3 Sơ đồ chức năng của PIC

16F877A Hình 4 Sơ đồ khối vi điều khiển

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1 Tổng quan

- Ngày nay khoa học công nghệ và kỹ thuật đang đóng một vai trò quan trọng

trong đời sống con người Bên cạnh đó, thời gian luôn trở thành một tài sản

quý giá mà bất kì ai cũng mong muốn được tận dụng một cách tối đa Tuy

nhiên, việc quản lý thời gian một cách hiệu quả vẫn là một trong những vấn

đề nan giải cần được giải quyết một cách triệt để và đây là một đề tài mà

nhóm luôn muốn tìm cách giải quyết Kết hợp với kiến thức thiết kế và lập

trình hệ thống nhúng, nhóm đã quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế đồng hồ

+ Viết giải thuật + code thời gian, lịch dương, lịch

âm, thứ, tùy chỉnh cài đặt thời gian, làm báo cáo

word

X

+ Viết giải thuật + code cài đặt hiển thị báo thức,

giao tiếp hiển thị LCD Tổng hợp code tổng, làm

báo cáo powerpoint

II LÝ THUYẾT

1. Vi điều khiển PIC

1.1. Giới thiệu vi điều khiển PIC

- PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của “Programmable Intelligent

Computer” (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng

General

- PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip

Technology Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi

Microelectronics Division thuộc General Instrument

- Instrument đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650 Lúc

này, PIC1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ

16bit CP1600, vì vậy, người ta cũng gọi PIC với cái tên “Peripheral

Interface Controller” (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) CP1600 là một CPU

tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, và vì vậy PIC 8-bit được phát

triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600 PIC

sử dụng microcode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù, cụm từ RISC chưa

được sử dụng thời bây giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến

trúc RISC, chạy một lệnh một chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động)

1.2. Các dòng PIC và cách chọn vi điều khiển

a Các kí hiệu trên vi điều khiển PIC:

 PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit

 PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit

 PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit

C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM)

F: PIC có bộ nhớ flash

LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp

LV: tương tụ như LF, đây là ký hiệu cũ

- Bên cạnh đó một số vi điều khiển có kí hiệu xXxxx là EEPROM, nếu

có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn

PIC16F877A là flash)

- Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC Ở Việt Nam

phổ biến nhất là các họ vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất

b Cách lựa chọn một vi điều khiển phù hợp

- Cần để ý đến số chân của vi điều khiển cần thiết cho ứng dụng Có nhiều

vi điều khiển PIC với số lượng chân khác nhau, thậm chí có vi điều khiển

PIC chỉ có 8 chân, ngoài ra còn có các vi điều khiển 28, 40, 44… chân

- Cần chọn vi điều khiển PIC có bộ nhớ flash để có thể nạp xóa chương

trình được nhiều lần hơn

- Cần chú ý đến khối lượng chức năng được tích hợp sẵn trong vi điều

khiển, các chuẩn giao tiếp bên trong

- Cuối cùng là cần chú ý đến bộ nhớ chương trình mà vi điều khiển cho phép

1.3. Một vài tính năng của PIC

- Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần

cứng, nhưng chúng ta có thể điểm qua một vài nét như sau:

 8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard có sửa đổi

 FLASH và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte

 Các cổng Xuất/Nhập (I/O ports) (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với

logic 0 và logic 1)

 8/16 Bit Timer

 Công nghệ Nanowatt

 Các chuẩn Giao Tiếp Ngoại Vi nối tiếp Đồng bộ/Không đồng bộ

USART, AUSART, EUSARTs

 Bộ chuyển đổi ADC Analog-to-digital converters, 10/12 bit

 Bộ so sánh điện áp (Voltage Comparators)

 Các module Capture/Compare/PWM

 LCD

 MSSP Peripheral dùng cho các giao tiếp I²C, SPI, và I²S

 Bộ nhớ nội EEPROM – có thể ghi/xoá lên tới 1 triệu lần

 FLASH (dùng cho bộ nhớ chương trình) có thể ghi/xóa 10.000 lần

 Module Điều khiển động cơ, đọc encoder

 Hỗ trợ giao tiếp USB

 Hỗ trợ điều khiển Ethernet

 Hỗ trợ giao tiếp CAN

 Hỗ trợ giao tiếp LIN

 Hỗ trợ giao tiếp IrDA

 Một số dòng có tích hợp bộ RF (PIC16F639, và rfPIC)

 KEELOQ Mã hoá và giải mã

 DSP những tính năng xử lý tín hiệu số (dsPIC)

2. PIC 16F877A

Hình 1 Hình ảnh thực tế của PIC 16F877A

2.1. Sơ đồ chân của PIC 16F877A

Hình 2 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC 16F877A

2.2. Một vài thông số về vi điều khiển PIC 16F877A

Hình 3 Sơ đồ chức năng của PIC 16F877A

- Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ

dài 14 bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock Tốc độ

hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns Bộ nhớ

chương trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu

EEPROM với dung lượng 256x8 byte Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O

- Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:

 Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

 Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm

dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ

sleep

 Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler

 Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rộng xung.

 Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C

 Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ

 Cổng giao tiếp song song PSP ( Parallel Slave Port) với các chân điều

khiển RD, WR, CS ở bên ngoài

- Các đặc tính Analog:

 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit

 Hai bộ so sánh

- Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:

 Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần

 Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần

 Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm

 Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm

 Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Ciruit Serial

Programming) thông qua hai chân

 Watchdog Timer với bộ dao động trong

 Chức năng bảo mật mã chương trình

 Chế độ sleep

 Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau

2.3. Sơ đồ vi điều khiển PIC 16F877A

Hình 4 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

3. LCD 20x4

3.1. Khái niệm LCD

- Text LCD là các loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị các dòng

chữ hoặc số trong bảng mã ASCII

- Kích thước của Text LCD được định nghĩa bằng số ký tự có thể hiển thị trên

1 dòng và tổng số dòng mà LCD có Một số kích thước Text LCD thông

thường gồm 16x1, 16x2, 16x4, 20x2, 20x4…

Hình 5 LCD 20x4

3.2. Chức năng các chân LCD:

Hình 6 Sơ đồ chân và chức năng của LCD

 Ghi chú: ở chế độ “ đọc”, nghĩa là MPU sẽ đọc thông tin từ LCD thông qua

các chân DBx Còn ở chế độ “ghi”, nghĩa là MCU xuất thông tin điều khiển

cho LCD thông qua các chân DBx

3.3. Bảng mã kí tự của LCD

Hình 7 Bảng mã kí tự (ROM code A00)

3.4. Các lệnh điều khiển LCD.

- Để điều khiển được LCD thì cần có IC chuyên dùng được tích hợp bên

dưới LCD có mã số 447801 đến các IC 447809 Trong IC này có bộ nhớ

RAM dùng để lưu trữ dữ liệu cần hiển thị và thực hiện việc điều khiển LCD

hiển thị

Real time (timer 0)

PIC 16F877A

Âm thanh

Khối nguồn Button

- Nút nhấn giao tiếp ngoài cho phép chỉnh ngày giờ

- Real time sử dụng timer 0 tạo chuẩn 1s

- Âm thanh là mạch còi báo cuả báo thức

- Hiển thị LCD 20*4 các thông số ngày giờ lịch và thứ

2 Sơ đồ nguyên lí.

Hình 9 Sơ đồ nguyên lí

3 Khối nguồn.

Hình 10 Khối nguồn

- Khối nguồn sử dụng Adaptor 9V-1A làm nguồn vào chính, mạch nguồn có công

tấc và đèn báo để tiện cho bật tắt thiết bị.

- Tụ C5 giá trị 470u-35V có tác dụng lọc nguồn cấp vào để tăng tính ổn định cho

nguồn và cho mạch IC 7805 làm nhiệm vụ ổn áp cho ra nguồn điện ổn định 5V

với dòng tối đa là 1A cho toàn mạch hoạt động Nguồn 5V này sẽ được lọc lại một

lần nữa bằng tụ C6 có giá trị 47u-16V

4 Khối xử lí (vi điều khiển).

Hình 11 Khối vi điều khiển

- Khối xử lí sử dụng IC chính là PIC 16F877A.

- Sử dụng thạch anh 16MHz cùng với 2 tụ điện 22pF (có tác dụng ổn định xung,

tránh được xảy ra sai số xung của thạch anh) đưa vào chân số 13 OSC1/CLKIN và

chân số 14 OSC2/CLKOUT tạo xung clock để tính toán cho mạch.

- Tụ C1 10uF chống nhiễu cho mạch reset R1 (10k) là điện trở kéo lên, mạch sẽ

reset khi Button được nhấn và giá trị mức logic cấp cho chân số 1 MCLR là 0.

- Sử dụng các chân RB0-RB7 kết nối với các nút nhấn Các chân RD4-RD7 kết nối

Data của LCD ở chế độ 4 bit Chân RD0 nối với chân E, RD1 nối với chân Rs điều

khiển cho LCD Chân RD2 dùng để kích hoạt còi báo.

5 Khối nút nhấn.

Hình 12 Khối nút nhấn

- Sử dụng nút nhấn để có tiếp điểm tạo ra sự thay đổi mức logic từ của mạch, giúp

cho vi điểu khiển biết được có sự tác động từ bên ngoài, các nút được nối với các

chân khác nhau và số lượng nút tùy vào mục đích của người lập trình.

6 Khối hiển thị

Hình 13 Khối hiển thị

- Khối hiển thị cụ thể là LCD 20*4, sử dụng giao tiếp 4 bít với vi điều khiển, biến

trở 10k cài đặt độ tương phản của nội dung hiển thị lên LCD

7 Khối âm thanh

Hình 14 Khối âm thanh

- Sử dụng còi báo buzzer để phát ra âm thanh, được cấp nguồn điều khiển bởi BJT

Q1 C1815 có tác dụng khuếch đại dòng điều khiển đủ cung cấp cho còi báo, điền

trở R4 là điện trở phân cực cho Q1 Tín hiệu được cấp từ VĐK sẽ qua R4 rồi đi

vào Q1 cấp dòng cho còi báo.

- Dòng của Q1 C1815 có thể lên đến 50mA Hệ số khuếch đại là 120

- Vậy để C1815 dẫn bảo hòa thì

Ib = Icmaxbeta

8 Sơ đồ layout mạch

Hình 15 Mạch layout

IV THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM

- Về cơ bản, đồng hồ hiển ghị ngày – tháng – năm và giờ – phút – giây bao

gồm các thông số cùng với tầm hoạt động sau đây:

 Thứ : Monday – Tuesday – Wednesday– Thursday – Friday – Saturday –

Sunday tương ứng với thứ hai, thứ ba, thứ tư, thứ năm, thứ sáu, thứ bảy, chủ

nhật trong tuần

- Tùy chỉnh cài đặt thời gian mong muốn

- Cho phép cài đặt báo thức ( tối thiểu 4 báo thức)

- Cho phép hiển thị lịch âm vài năm nhất định

2 Giải thuật timer.

Chương trình thực hiện đếm xung 1s để cập nhập phút, giờ, ngày, tháng,

{ giây quay lại bằng 0 ,

Phút sẽ tăng lên 1 đơn vị}

if (phút lớn hơn 59)

{ phút sẽ quay lại bằng 0

giờ sẽ tăng lên 1 đơn vị}

if (giờ lớn hơn 23)

{ giờ sẽ quay lại bằng 1

ngày sẽ tăng lên 1 đơn vị}

Thứ sẽ tăng lên 1 đơn vị

if ( tháng là tháng 4, 6, 9,11)

if (ngày lớn hơn 31){ ngày quay lại bằng 0}

if ( tháng là tháng 2)

if ( năm chia hết cho 4 và không chia hết

cho 100 hoặc chia hết cho 400 )

if ( ngày lớn hơn 28)

{ ngày sẽ quay lại bằng không}

if ( năm không chia hết cho 4)

if( ngày lớn hơn 29)

{ ngày sẽ quay lại bằng không}

}

Tháng sẽ tăng lên 1 đơn vị

if( tháng lớn hơn 12)

{ tháng quay lại bằng không}

Năm sẽ tăng lên 1 đơn vị

End

3 Giải thuật chỉnh thời gian

- Chương trình được thực hiện với mục đích chỉnh được thời gian mong muốn

cài đặt của người

dùng -Begin

if( nút tùy chỉnh được nhấn)

{

hiển thị giá trị cần chỉnh trên LCD

if( nút tăng được nhấn)

{ tăng tới giá trị mong muốn chỉnh}

if( nút giảm được nhấn)

{ giảm tới giá trị mong muốn chỉnh}

}

if( nút break được nhấn)

{ thoát khỏi hàm tùy chỉnh}

End

4 Giải thuật chỉnh báo thức

- Chương trình cho phép người dùng cài đặt các báo thức mong muốn—

Begin

if( nút báo thức được nhấn)

{

Hiển thị giá trị cần cài đặt lên LCD

if( khi nút tăng được nhấn)

{ cài đặt thông số báo thức cần tăng}

if( khi nút giảm được nhấn)

{ cài đặt các thông số cần giảm}

If( khi nhấn nút chuyển mode)

{ chuyển tới thông số cần cài đặt tiếp theo}

if( khi nút báo thức được nhấn lần nữa)

{ chuyển báo thức tiếp theo}

If( khi nhấn nút báo thức 4 lần)

{ thoát khỏi hàm báo thức }

}

End

V KẾT QUẢ THỰC HIỆN.

1 Kết quả mô phỏng proteus.

Hình 16 Mô phỏng hiển thị giờ

Hình 17 Mô phỏng báo thức

2 Sản phẩm sau khi thi công mạch.

Hình 18 Mạch sau khi hoàn thành

- Mạch làm thực tế hiển thị và chạy đúng với mô phỏng, tuy nhiên vẫn còn

một số lỗi nhiễu hiển thị trên LCD

Sau khi kiểm tra và chỉnh sửa, ta thu được kết quả cụ thể sau đây:

- Sau khi hoàn thành đề tài đồ án, nhóm em đã có thêm nhiều kinh nghiệm

trong làm việc nhóm, từng bước vận dụng những kiến thức đã học và học

hỏi được nhiều kinh nghiệm làm mạch và tiếp thu được nhiều kiến thức mới

- Qua thực hiện đồ án giúp sinh viên làm quen với những đồ án tốt ngiệp hay

luận văn khi ra trường

2 Hướng phát triển

- Có thể phát triển thêm nhiều tính năng khác tích hợp trên đồng hồ như đo độ ẩm,

nhiệt độ trong nhà,…

- Có thể cài đặt hẹn lịch nhắc nhở các sự kiện quan trọng.

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Giáo trình Vi xử lý – Th.S Hồ Trung Mỹ, NXB Đai học Quốc gia Tp.HCM

[2] Tài liệu vi điều khiển – Nguyễn Đình Phú 2014

[3] Diễn đàn điện tử Việt Nam, http://www.dientuvietnam.net/

[4] Tài liệu thiết kế hệ thống nhúng – Th.s Bùi Quốc Bảo.