Đồ án thiết kế mạch đếm sản phẩm bằng nút ấn hiển thị trên led 7 đoạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN CƠ SỞ 2

Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM SẢN PHẨM
BẰNG NÚT ẤN HIỂN THỊ TRÊN LED 7 ĐOẠN

Khoa:

CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

TP. Hồ Chí Minh


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................iv
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................iv
MỤC LỤC...................................................................................................................vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.....................................................................1
1.

ĐẶT VẤN ĐỀ:...........................................................................................................................1

2.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI:..................................................................................................................1

3.

NỘI DUNG ĐỀ TÀI:.................................................................................................................1

5.

KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN:...........................................................................................................2

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................3
2.1. Vi điều khiển PIC16F877A.........................................................................................................3
2.2. LED 7 Đoạn................................................................................................................................7
2.2.1. Giới thiệu LED 7 đoạn..........................................................................................................7
2.2.2. Mã led 7 thanh......................................................................................................................9
2.3. Điện trở:....................................................................................................................................11
2.4. Thạch anh 8 Mhz:......................................................................................................................11
2.5. Tụ điện......................................................................................................................................12
2.6. Nút nhấn BUTTON...................................................................................................................13
2.7. Giới Thiệu Phần mềm lập trinh PIC CCS..................................................................................14
2.7.1. CCS....................................................................................................................................14
2.7.2. Biên chương trình:..............................................................................................................16
2.7.3. Các phép toán irons CCS:...................................................................................................16
2.7.4 Các điều kiên losic:..............................................................................................................16
2.7.5. Các đinh nghĩa trong CCS:.................................................................................................16
2.7.6. Các hàm thông dụng trong CCS:........................................................................................17
2.7.6.1 Hàm delay: liên quan đến #use delay(clock = tần số thạch anh)...................................17
2.7.6.2. Hàm I/O: xuất/ nhập một giá trị ra/ từ PIN (bit) hoặc PORT (byte) set_tris_x(byte)...17

Chương 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ..........................................................................19
3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG:..............................................................................................19
3.2 Sơ đồ nguyên lý:.........................................................................................................................19

3.3. Giá trị điện trở hạn dòng led 7 đoạn..........................................................................................20
3.4. Sơ đồ luận lý..............................................................................................................................21


3.5. Code vi điều khiển.....................................................................................................................21
3.6. Chức năng và nhiệm vụ từng khối.............................................................................................23
3.6.1. Khối nguồn.........................................................................................................................23
3.6.2. Khối hiển thị.......................................................................................................................23
3.6.3. Khối VDK PIC 16F877A...................................................................................................23
3.6.4. Khối phím nhấn..................................................................................................................23

Chương 4. THI CƠNG MƠ HÌNH (hoặc MƠ PHỎNG)............................................24
4.1. Mơ phỏng bằng Protues 8.6.......................................................................................................24
4.2. Mạch in......................................................................................................................................24
4.3.

Ảnh 3d board mạch...............................................................................................................25

4.4.

Thi Công...............................................................................................................................25

4.6.

Sản phẩm..............................................................................................................................27

5.1

Kết luận................................................................................................................................28

5.2

Hướng phát triển đề tài.........................................................................................................28

TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................i


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện
tử mà trong đó là kỹ thuật số đóng vai trị quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ
thuật, quản lí, cơng nghiệp tự động hóa, cung cấp thơng tin. Do đó chúng ta phải nắm
bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa
học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng.
Trong q trình sản xuất thì nhiều khâu được tự động hóa. Một trong những
khâu đơn giản trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sản phẩm làm ra
được đếm một cách tự động.
Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hồn
tồn chưa được áp dụng trong những khâu đếm sản phẩm, đóng bao bì mà vẫn cịn sử
dụng nhân cơng.
2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI:
Từ những điều đã được thấy đó và khả năng của em, em muốn làm một điều gì
nhỏ để góp phần vào giúp người lao động bớt phần mệt nhọc chân tay mà cho phép
tăng hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời đảm bảo được độ chính xác cao.
Nên em quyết định thiết kế một mạch đếm sản phẩm vì nó rất gần gũi với thực tế và
nó thật sự rất có ý nghĩa đối với em vì đã làm được một phần nhỏ đóng góp cho xã
hội.
3. NỘI DUNG ĐỀ TÀI:
Đề tài được chọn là mạch đếm sản phẩm sữ dụng nút nhất và hiển thị trên LED 7
đoạn. tác dụng là giảm bớt khó khăn khi quản lý số lượng sản phẩm khi sản xuất

với số lượng lớn.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
Sử dụng các kiến thức đã học ở các môn kỹ thuật số và vi điều khiển điện tử 1 để
vẽ sơ đồ nguyên lý.
1


Sử dụng phần mềm protues 8.6 để mô phỏng và thiết kế mạch in.
Sử dụng phần mềm CCS để lập trình code cho PIC 16F877A.
Sử dùng phần mềm PICKIT2 để nạp code cho PIC 16F877A
5. KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN:
Đồ án gồm có 5 chương chính:
- TỔNG QUANG VỀ ĐỀ TÀI
- CỞ SỞ LÝ THUYẾT
- TÍNH TỐN THIẾT KÊT
- THI CƠNG MƠ HÌNH ( MƠ PHỎNG)
- KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

2


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Vi điều khiển PIC16F877A
PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ
nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường). Cấu trúc tổng quát của PIC 16F877A
như sau:
-

8 K Flash ROM.

-

368 Bytes RAM.

-

256 Bytes EEPROM.

-

5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập.

-

2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2).

-

Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng
lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài.

-

2 bô CCP( Capture / Compare/ PWM).

-

1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào.

-

2 bộ so sánh tương tự (Compartor).

-

1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer).

-

Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển.

-

Một cổng nối tiếp.

-

15 nguồn ngắt.

-

Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP(In-Circuit Serial Programming)

-

Được chế tạo bằng công nghệ CMOS

-

35 tập lệnh có độ dài 14 bits.

-

Tần số hoạt động tối đa 20MHz.

3


PIC là một họ vi điều khiển RISC của MICROCHIP
PIC: Programmable Intelligent Computer

Hình 2.1.2 Sơ đồ cơ cấu PIC16F877A

Bảng 2.1 Một số đặc tính của vi điều khiển PIC16F877A

4


Hình 2.1.2 PIC16F877A

5


 Điều kiện hoạt động:


VDD: 5VDC



RESET: tích cực mức thấp



Thạch anh 4/8/12/20 MHz



Cổng ghi chương trình: JTAG

Hình 2.1.3 Điều kiện hoạt động của PIC16F877A

6


 Cấu trúc I/O: dịng IL và IH là 25mA

Hình 2.1.4 Cấu trúc I/O

2.2. LED 7 Đoạn
2.2.1. Giới thiệu LED 7 đoạn.
Có thể hiểu một cách vơ cùng đơn giản về LED 7 đoạn như sau:
-

LED 7 đoạn hay LED 7 thanh (Seven Segment display) là 1 linh kiện rất phổ
dụng , được dùng như là 1 công cụ hiển thị đơn giản nhất.

-

Trong LED 7 thanh bao gồm ít nhất là 7 con LED mắc lại với nhau , vì vậy mà
có tên là LED 7 đoạn là vậy ,7 LED đơn được mắc sao cho nó có thể hiển thị
được các số từ 0 - 9 , và 1 vài chữ cái thơng dụng, để phân cách thì người ta còn
dùng thêm 1 led đơn để hiển thị dấu chấm (dot) . Các led đơn lần lượt được gọi
tên theo chữ cái A- B -C-D-E-F-G, và dấu chấm dot (DP).

-

8 led đơn trên led 7 thanh có Anode (cực +) hoặc Cathode (cực -) được nối
chung với nhau vào một điểm và được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch
điện. 7 cực còn lại trên mỗi led đơn của led 7 đoạn và 1 cực trên led đơn ở góc
dưới, bên phải của led 7 đoạn được đưa thành 8 chân riêng để điều khiển cho
led sáng tắt theo ý muốn.

-

Nếu led 7 đoạn có Anode (cực +) chung, đầu chung này được nối với +Vcc, các
chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng
khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0.

7


-

Nếu led 7 đoạn có Cathode (cực -) chung, đầu chung này được nối xuống
Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của
các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1.

Hình 2.2. Sơ đồ đơn giản của chân led 7 đoạn

8


2.2.2. Mã led 7 thanh.
- Mã LED 7 đoạn có Anode chung, muốn thanh nào sáng ta xuất ra chân Cathode
của LED đơn đó mức 0. Từ đó ta có bảng giải mã LED 7 đoạn Anode chung như
sau:

Hình 2.3 bảng mã led 7 đoạn Anode
chung
 

9


- Mã LED 7 đoạn Cathode chung, muốn thanh nào sáng ta xuất ra chân Anode của
LED đơn đó mức 1. Từ đó ta có bảng giãi mã LED 7 đoạn Cathode chung như sau:

Hình 2.4 Mã LED 7 đoạn Cathode chung

Hình 2.5 Sơ đồ chân
LED 7 đoạn
10


2.3. Điện trở:
Điện trở là linh kiện thụ động có tác dụng cản trở cả dòng và áp. Điện trở được sử
dụng rất nhiều trong các mạch điện tử.

Trong đó: ρ là điện trở suất của vật liệu
S là thiết diện của dây; ℓ là chiều dài của dây.
U
Điện trở là đại lượng vật lí đặc trưng cho tính chất cản trở dịng điện của một vật thể
I

dẫn điện. Nó được định nghĩa là tỉ số của hiệu điện thế giữa hai đầu vật thể đó với
cường độ dịng điện đi qua nó:
R=
U
I

Trong đó:
U : là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng vôn (V).
I : là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đo bằng ămpe (A).
R : là điện trở của vật dẫn điện, đo bằng Ohm (Ω).
Ký hiệu:

Giá tri của điện trở là Ohm
Ứng dụng: Điện trở được dùng để chế tạo ra dịch mức điện áp giữa hai điểm khác
nhau của mạch.
2.4. Thạch anh 8 Mhz:
Tạo tần số hoạt động cho Pic 16F877A.
Đặc tính vật lý: độ bền cơ học, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và các tác dụng hóa học.
Thạch anh có tính chất áp điện, nghĩa là dưới tác dụng của điện trường thì sinh ra dao
động. Do đó có thể dùng thạch anh như một khung cộng hưởng.
Ký hiệu:

11

Hình 2.6 Hình và kí hiệu thạch anh
Giá trị của thạch anh là tần số hz, trong thực tế giá trị Thạch anh thường dùng là Mhz
(8Mhz, 12Mhz, 20Mhz)
2.5. Tụ điện
Tụ điện là một linh kiện thụ động cấu tạo của tụ điện là hai bản cực bằng kim loại
ghép cách nhau một khoảng d ở giữa hai bản tụ là dung dịch hay chất điện mơi cách
điện có điện dung C. Đặc điểm của tụ là cho dòng điện xoay chiều đi qua, ngăn cản
dịng điện một chiều.
Ký hiệu:

Hình 2.7. ký hiệu tụ điện
Giá trị của tụ điện là điện dung
Đơn vị của đại lượng điện dung là Fara [F]. Trong thực tế đơn vị Fara là trị số rất lớn,
do đó thường dùng các đơn vị đo nhỏ hơn như micro Fara (1µF=10 −6F), nano Fara
(1nF=10−9F), picoFara (1pF=10−12F).
Cơng thức tính điện dung của tụ:

Trong đó: ε là hằng số điện mơi
S là điện tích bề mặt tụ m2
d là bề giày chất điện môi
Tụ điện phẳng gồm hai bàn phẳng kim loại diện tích đặt song song và cách nhau một
khoảng d.
Cường độ điện trường bên trong tụ có trị số:
Trong đó:
= 8.86.10-12 C2/ N.m2 là hằng số điện môi của chân không.
là hằng số điện môi tương đối của môi trường; đối với chân không
= 1, giấy tẩm dầu = 3,6, gốm = 5,5; mica = 4 5
12

Trong mạch sử dụng 1 loại tụ đó là: Tụ gốm. Tụ gốm được sử dụng cho 30 pF.
2.6. Nút nhấn BUTTON
Button là nút bấm, bạn có thể tìm thấy nó ở mọi thứ trong cuộc sống, chẳng hạn như
cái nút trong bàn phím của bạn.

Hình 2.7. Nút nhấn BUTTON
Nút nhấn có hai trạng thái:
- Dẫn điện (thường dùng để tạo mức LOW cho vi điều khiển)
- Không dẫn (thường dùng để tạo mức HIGHT cho vi điều khiển

13


2.7. Giới Thiệu Phần mềm lập trinh PIC CCS
2.7.1. CCS

14


15


2.7.2. Biên chương trình:
Kiểu biên

Giá tri •

Ý nghĩa

intl

True hay False ( 0 hay 1)

số 1 bit

int8

0 đến 255

Số nguyên 1 byte ( 8 bit)

int16

0 đến 65,535

Số nguyên 2 byte

int32

0 đến 4,294,967,295

Số nguyên 4 byte

Char

-128 đến 127

Ký tự 8 bit

Float

3,4-38 đến 3,438

Số thực 32 bit

short

Mặc định như kiểu int1

Byte

Mặc định như kiểu int8

Int

Mặc định như kiểu int8

Long

Mặc định như kiểu int16

Lưu ý: có thể sử dụng signed hoặc unsigned trước các kiểu để chỉ cho trường hợp có
dấu và khơng có dấu.
2.7.3. Các phép toán irons CCS:
-

Cộng (+)

-

Trừ (-)

-

Nhân (*)

-

ChỉaỢ)

-

Chia lấy phần dư (%)

-

Đảo(~)

-

Phép toán logic: AND (&); OR( I)

-

Dịch trái n bit biến a: a = a«n

-

Dịch phải n bit biến a: a = a» n (Xem thêm trong HELP: operators)

2.7.4 Các điều kiên losic:
-

AND (&&)

-

OR(\\)

-

EQUAL (==)

-

Phủ định (!)

2.7.5. Các đinh nghĩa trong CCS:
LED PINDO SET= 100
SW1 = 0x86.0 //REO
16


2.7.6. Các hàm thông dụng trong CCS:
2.7.6.1 Hàm delay: liên quan đến #use delay(clock = tần số thạch anh)
-

delay_ms(giá trị 2 byte)

Ví dụ:
-

delay_ms(1000);// trì hỗn 1000 ms

-

delay_ms(200);// trì hỗn 200 ms

-

delay_us(giá trị 2 byte)

-

delay_us(10);//trì hỗn 10 ựs

-

delay_us(5);//trì hỗn 5 ựs

-

delay_cycles(giá trị 2 byte)

Ví dụ:
delay_cycles(1): trì hỗn 1 xung clock = 1/(fXTAL/4 )
2.7.6.2. Hàm I/O: xuất/ nhập một giá trị ra/ từ PIN (bit) hoặc PORT (byte)
set_tris_x(byte)
Trong đó: x: a, b, c, d, e

Byte: xác định ngõ vào hoặc ngõ ra cho các tín hiệu của một PORT bit = 1: tín hiệu
tương ứng là ngõ vào bit = 0: tín hiệu tương ứng là ngõ ra
Ví dụ: cấu hình PORT D với RD0 và RD1 là ngõ vào, RD7 đến RD2 là ngõ ra
Set_tris_d(0x03);// 0x03 = 00000011b
Hoặc: cấu hình RC7-RC4 là ngõ vào, RC3-RC0 là ngõ ra
Set_tris_c(0b11110000);
-

output_high(PIN)

Ví dụ:
Output_high(PIN_C0); // RC0 = 1
-

output_low(PIN)

Ví dụ:
Output_low(PIN_D0); // RD0 = 0
-

output_toggle(PIN)

Ví dụ:
Output_toggle(PIN_C4); // RC4 = ~RC4
-

output_x(byte): x là a, b, c,d, hoặc e (port a, b, c,d, hoặc e) Ví dụ:

Output_d(0xc0); // PORTD = C0H
17

- input(PIN)
Ví dụ 1:
State = input(PIN_E0); // State là biến nhị phân (intl State) Ví dụ 2:
#define SW1 PIN_D4
#define LED PIN C1
If (!input(SW1)) { output_toggle(LED); delay_ms(300);}
- input_x(): x là a, b, c,d, hoặc e (port a, b, c,d, hoặc e)
Ví dụ:
Unsigned char a;
a = input_d(); // đọc 1 byte từ port d và gán vào a

18


Chương 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ
3.1 SƠ ĐỒ KHỚI CỦA HỆ THỚNG:

KHỚI
NGUỒN

KHỚI XỬ
LÝ

KHỚI
PHÍM
NHẤN

KHỚI

HIỂN THỊ

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống
 Khối nguồn: có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện một chiều cho mạch.
 Khối xử lý: IC xử lý tín hiệu theo chương trình đã được nạp sẵn.
 Khối hiển thị: LED 7 đoạn hiển thị thông tin theo mã code được lập trình trong
khối xử lý.

19


3.2 Sơ đồ nguyên lý:

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý
3.3. Giá trị điện trở hạn dòng led 7 đoạn
Trong các mạch thì thường dùng nguồn 5V nên để tránh việc đốt cháy led thì cách đơn
giản nhất là mắc thêm trở hạn dịng.
Thơng số làm việc của LED 7 đoạn là:
Điện áp = 2V.
Dòng = 20mA.
Vậy nếu dùng nguồn 5V , thì áp rơi trên trở = 5 -2 = 3 V.
R = U / I = 3/(20*10^-3) = 150 ôm, chọn giá trị điên trở thực tế gần đúng với yêu câu
là 220 Ohm

20


3.4. Sơ đồ luận lý

Bắn Đầu

Dem =0

Sai

Dem < 100

Đúng
Dem=Dem + +

Xuất ra giá trị
Dem

Hình 3.2 Sơ đồ luận lý

21


3.5. Code vi điều khiển

#include <16f877.h>
#FUSES NOWDT, HS, NOPUT, NOPROTECT, NODEBUG, NOBROWNOUT,
NOLVP, NOCPD, NOWRT
#use delay(clock=8000000)
int8 array[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};
#DEFINE SW PIN_C0
void main()
{
int16 DEM=0;
output_b(0xFF);

output_d(0xFF);
while(TRUE)
{
if(!input (PIN_C0))
{
if(DEM<100)
{
int16 dv=DEM%10;
int16 Ch=DEM/10;
output_d(array[dv]);
output_b(array[ch]);
delay_ms(200);
DEM++;
}else {DEM=0;}
}}}
22