Đồ án bảng quảng cáo chạy dùng led ma trận ghép từ các led đơn

1

LỜI MỞ ĐẦU

Quảng cáo luôn là một trong các vẫn đề đóng vai trò quan trọng trong sừ
phát triển của một công ty, doanh nghiệp hay thậm chí là một của hàng. Quảng
cáo tốt sẽ đem lại lợi ích to lớn. Cũng chính vì vậy mà không ngạc nhiên khi
hàng trăm doanh nghiệp đã đầu tư rất nhiều vào vẫn đề này. Một trong những
biện pháp được ưu dùng hiện nay đó là sử dụng bảng quảng cáo bằng đèn LED.
Vì sự đơn giản, hiện đại, bắt mắt chi phí hợp lý cũng như tín hiệu quả của nó.
Những bảng thông tin, cổng chào hay những bảng LED quảng cáo với màu sắc
sặc sỡ, bắt mắt, gây nhiều chú ý chắc hẳn đã không còn xa lạ đối với người dân,
nhất là người dân đô thị.
Quảng cáo bằng LED hiện nay được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều
ngành, nhiều lĩnh vực. Nó không chỉ giới hạn bởi việc hiển thị các dòng chữ, các
biển hiệu nhấp nháy mà còn hiển thị các hình đồ hoạ, các hình ảnh đầy đủ màu
sắc và đặc biệt là có thể hiển thị được cả video. Nó không chỉ giới hạn việc
quảng cáo trong nhà (indoor), bán ngoài trời (senmi – outdoor) mà còn có thể
quảng cáo ở cả ngoài trời, ngay giữa ban ngày với độ sáng và độ sắc nét cao.
Do vậy em chọn đề tài: “ Nghiên cứu xây dựng bảng quảng cáo từ LED
ma trận ” là đề tài môn thực tập tốt nghệp.

Sinh viên thực hiện
Hoàng Ngọc Tâm

2

CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ

1.1. Lý do chọn đề tài
Điện - Điện tử là một trong những lĩnh vực rất phát triển và đánh giá được
tốc độ phát triển về kinh tế cũng như khoa học kĩ thuật của một đất nước. Việc
phát triển, chế tạo các lọai Chip, các lọai IC tích hợp thông dụng, có ứng dụng
nhiều trong thực tế có vai trò to lớn trong quá trình phát triển khoa học kĩ thuật
liên quan đến kĩ thuật điện - điện tử - tự động hóa. Ở Việt Nam công nghệ chế tạo
các lọai Chip vi điều khiển, các công nghệ tích hợp IC chưa được chú trọng phát
triển, phần lớn còn ứng dụng và phụ thuộc nhiều vào các công nghệ tiên tiến của
các nước phát triển như: Mỹ, Nhật Bản  đặc biệt là tập đoàn điện tử khổng lồ
Intel
Vì vậy việc học tập, tìm hiểu nghiên cứu lại những công nghệ phát triển
của các nước bạn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với người học và đóng vai
trò không nhỏ trong quá trình phát triển nền giáo dục của nước nhà.

1.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đồ án môn học nói riêng và các môn học chuyên
ngành Điện tử nói chung là các sinh viên theo học, tìm hiểu và nghiên cứu trong
lĩnh vực Điện tử, đồng thời là tất cả những người yêu thích chuyên ngành Điện
tử, vì đây là môn học cơ bản làm nền tảng, trang bị kiến thức cho người học để có
thể tự tìm hiểu, nghiên cứu các tài liệu học tập cho các môn học tiếp theo, đồng
thời cũng cố kiến thức các môn học đã được học trong thời gian theo học tại
trường.

1.3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu đề tài của đồ án môn học : Nghiên cứu xây dựng
Bảng quảng cáo từ LED ma trận chủ yếu bằng thực nghiệm. Vì môn học có tính

chất lý thuyết, và liên quan mật thiết đến thực tế nên việc tìm kiếm tài liệu tiếng
Việt liên quan đến đề tài là rất khó khăn nên quá trình hòan thành đồ án môn học
3

chủ yếu bằng các tài liệu do giáo viên hướng dẫn cung cấp cùng sự giúp đỡ của
bạn bè, các sinh viên khóa trên và một số tài liệu trên mạng Internet hoàn thành
nhiệm vụ được giao. Đề tài này có ý nghĩa rất lớn bởi vì nó mang tính khoa học,
tính thực tế và tính kinh tế cao.

4

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP LED MA TRẬN

2.1. Khái quát chung về LED
2.1.1. Lịch sử phát triển LED
Cách đây 13 năm, đèn LED quả là không tưởng cho tới khi khoa học công
nghệ xuất hiện. Nó đã giải quyết mọi khó khăn còn vướng mắc. Kể từ đó, đèn
LED đã tạo nên cuộc cách mạng nhanh chóng. Chúng hiện đang được lắp đặt
trong rất nhiều thiết bị, bao gồm cả hệ thống chiếu sáng của bể bơi, đèn đọc…
Đèn LED đã có mặt từ những thập niên 60, nhưng mà hầu hết chỉ dùng
hiên thị thời gian của đồng hồ báo thức hay dung lượng pin của máy ghi hình.
Một thời gian dài, đèn LED đã không được dùng làm nguồn sáng bởi vì chúng
chỉ cho ánh sáng đỏ, xanh lá cây và vàng mà không cho ánh sáng trắng. Đen
năm 1993, công ty hoá chất Nichia của Nhật Bản cho ra đời loại đèn LED xanh
dương, là sự kết hợp giữa ánh sáng đỏ và xanh lá cây đổ cho ra ánh sáng trắng.
Sự kiện này đã mở ra một lĩnh vực mới về công nghệ LED. Đèn LED dựa trên
công nghệ bán dẫn ngày càng tăng về độ chiếu sáng, hiệu suất và tuổi thọ, giống
như bộ xử lý của máy tính, phát triển ngày càng nhanh và giá thành ngày càng
giảm theo thời gian.
- Những năm 1960: Phát minh ra đèn Led ánh sáng đỏ.
- Những năm 1970: Phát minh ra Led 7 đoạn.
- Những năm 1980: Phát minh ra led xanh lá cây.
- Những năm 1990: Phát minh ra led xanh dương là cơ sở đê phát triên đèn led
ánh sáng trắng.
- Những năm 2000: Thời điểm bùng nố đèn Led chiếu sáng.

2.1.2. Khái niệm về LED
LED (viết tắt của Light Emitting Diodc, có nghĩa là điốt phát quang) là
các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống
như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán
dẫn loại n.
5


2.1.3. Hoạt động của đèn LED
Hoạt động của đèn LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn. Khối bán dẫn
loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán
dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyễn động
khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm)
từ khối n chuyển sang. Ket quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư
thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lồ
trống).
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lồ trống thu hút và khi
chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các
nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh
sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng
phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng (và
màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên
tử chất bán dẫn.
LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong
khoảng 1,5 đến 3V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do
đó, LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra.
Loại LED điện thế phân cực thuận: Đỏ: 1,4- 1,8V; Vàng: 2 - 2,5V; Xanh lá cây:
2 - 2,8V.

2.1.4. Ưu nhược điểm của đèn LED
 Ưu điểm:
+ Tuổi thọ cao: Hiện tại đèn LED cho ánh sáng trắng có tuổi thọ lên tới 50,000
giờ sử dụng liên tục gấp 50 lần so với bóng đèn 60w thông thường. Nếu sử dụng
10 giờ mỗi ngày, thì bóng có thể sử dụng trong 23 năm.
+ Lợi ích kinh tế: Đèn LED tiết kiệm 70-80% năng lượng so với các loại bóng
đèn thông thường.
6

+ Tốt cho thị lực của người sử dụng: Ánh sáng của đèn LED dịu mát, hiệu ứng
chói mắt thấp và hoàn toàn không nhấp nháy hư của bóng huỳnh quang, vốn bị
coi là nguyên nhân gây ra bệnh đau nửa đầu và động kinh.
+ Ít ảnh hướng tới môi trường: Do phần lớn năng lượng được chuyên hóa thành
quang năng, do đó hiệu ứng nhiệt của đèn LED rất thấp. Nó hoàn toàn không tỏa
nhiệt vào môi trường. Các nghiên cứu khoa học cho thấy một bóng LED trung
bình tỏa ra một lượng nhiệt 3,4 btu/h (tương đương với 1W), trong khi một bóng
đèn dây tóc có độ sáng tương đương tỏa ra nhiệt lượng khoảng 85 btu/h (tương
đương với 25W). Ngoài ra bóng đèn LED không chứa thủy ngân và do đó sẽ ít
gây hại cho môi trường hơn.
+ Thời gian khởi động nhanh: Không giống với bóng đèn huỳnh quang, đèn
LED gần như bật sáng ngay lập tức khi được cấp điện.
+ Bền vừng đặc biệt: Do được làm từ chất liệu nhựa cao cấp nên đèn LED có thể
chịu đựng các lực va đập mạnh, hoặc các ảnh hưởng bởi thời tiết như mưa, nắng.
 Nhược điểm:
+ Chi phí sản xuất cao, lắp đặt thi công phức tạp, tốn nhiều thời gian hơn các
loại bóng thông thường khác.
+ Toả nhiệt ở chân đèn, gây ảnh hưởng đến các bộ phận liền kề.
+ Chưa tiện dụng: Đèn LED vẫn là mặt hàng công nghệ cao phải mua từ đại lý
của hãng, bộ điều khiển của hãng nào chỉ chạy với đèn LED của đúng hãng đấy
mà thôi.

2.1.5. Ứng dụng của đèn LED
+ Đèn chiếu sáng sử dụng các LED phát ánh sáng trắng.
+ LED được dùng để làm bộ phận hiến thị trong các thiết bị điện, điện tử, đèn
quảng cáo, trang trí, đèn giao thông.
+ Có nghiên cứu về các loại LED có độ sáng tương đương với bóng đèn bằng
khí neon. Đèn chiếu sáng bằng LED được cho là có các ưu điểm như gọn nhẹ,
bền, tiết kiệm năng lượng.
7

+ Các LED phát ra tia hồng ngoại được dùng trong các thiết bị điều khiển tù’ xa
cho đồ điện tử dân dụng.
+ Đèn LED có thế được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như đèn đọc, chiếu sáng
bê bơi, nhất là cho chiếu sáng quảng cáo ngoài trời tại những nơi khó thay lắp,
do có tuổi thọ cao hon nhiều lần so với bóng đèn neon, đồng thời có nhiều mầu
sắc phong phú như: đỏ, xanh lá, xanh da trời, mầu hổ phách
Ở nước ta, đòn LED được úng dụng đế tiết kiệm năng lượng, phục vụ cho
quảng cáo, chiếu sáng đô thị. Điển hình là việc lắp đặt hệ thống đèn LED tại cầu
sông Hàn và Thuận Phước (TP. Đà Nằng).

2.2. Phương pháp điều khiến đèn LED
Theo yêu cầu của đồ án: Nghiên cứu xây dựng Bảng quảng cáo từ LED
đơn. Hiển thị được dòng chữ chạy: “KHOA KTCN”. Bảng hiển thị màu đỏ, với
kích thước 16x64. Vì vậy ta chia ra làm 2 modul nhỏ với kích thước mồi modul
là 16x32 LED tương đương với một LED ma trận có kích thước 16x32. Sau đó
ta điều khiển theo nguyên tắc của LED ma trận.

2.2.1. Cơ sở lý thuyết
Dựa trên nguyên tắc như quét màn hình, ta có thể thực hiện việc hiến thị
ma trận đèn bàng cách quét theo hàng và quét theo cột. Mỗi LED trên ma trận

LED có thể coi như một điểm ảnh. Địa chỉ của mồi điểm ảnh này được xác định
đồng thời bởi mạch giải mã hàng và giải mã cột, điếm ảnh này sẽ được xác định
trạng thái nhờ dừ liệu đưa ra từ bộ vi điều khiển AT 89C52. Như vậy tại mỗi
thời điểm chỉ có trạng thái của một điểm ảnh được xác định. Tuy nhiên khi xác
định địa chỉ và trạng thái của điếm ảnh tiếp theo thì các điểm ánh còn lại sẽ
chuyền về trạng thái tat (nếuu LED đang sáng thì sẽ tắt dần). Vì thế đê hiên thị
được toàn bộ hình ảnh của ma trận đèn, ta có thê quét ma trận nhiêu lân với tốc
độ quét rất lớn, lớn hơn nhiều lần thời gian kịp tắt của đèn. Mắt người chỉ nhận
biết được tối đa 24 hình/s do đó nếu tốc độ quét rất lớn thì sẽ không nhận ra
được sự thay đôi nhỏ của đèn mà sẽ thấy được toàn bộ hình ảnh cần hiển thị.
8

Sơ đồ khối:

Hình 2.1. Sơ đồ khối dùng ma trận LED
Để thực hiện được quét hàng và quét cột thì ma trận LED được thiết kế
như sau:
+ Các LED trên cùng một hàng sẽ được nối các chân dương với nhau.
+ Các LED trên cùng một cột sẽ được nối các chân âm với nhau như hình vẽ.
Ta có thể mô phỏng một ma trận LED đơn giản 4x4 như sau:

Hình 2.2. Sơ đồ thiết kế ma trận LED
Trạng thái của một LED sẽ được quyết định bởi tín hiệu điện áp đi vào
đồng thời cả 2 chân. Ví dụ để LED sáng thì điện áp 5v phải đưa vào chân dương
và chân âm phải được nổi đất, LED sẽ tắt khi không có điện áp đưa vào chân
dương. Với đề tài này, chúng em chia ra làm 2 modul nhỏ với kích thước mỗi
modul là 16x32 LED để hiển thị.
Sơ đồ nguyên lý ma trận LED 8x8:
9

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý ma trận LED 8x8.

2.2.2. Giới thiệu chung về hệ thống
Với mục đích tìm hiếu về cách thiết kế và xây dựng một bảng quảng cáo
điện tử bàng đèn LED đơn giản chúng em xây dựng một hệ thống quang báo với
sơ đồ khối như sau:
Khối điều khiến hiến thị: có chức năng xử lý các dừ liệu mà máy tính truyền tới
đê tạo ra các dữ liệu về mức logic cần cấp cho các LED trong từng cột đồng thời
điều khiên quá trình cấp nguồn cho led ma trận. Khối này được xây dựng bằng
các thủ tục xử lý dữ liệu trên vi điều khiến. Khi nhận được dừ liệu về chuỗi ký
tự cần hiến thị thì khối này sẽ tạo dữ liệu về mức logic cần cấp cho LED ma
trận. Khi nhận được dữ liệu về màu sắc,hiệu ứng hiển thị thì khối này sẽ xác
định thủ tục gửi dữ liệu cho các khối chốt dừ liệu hàng và cột.

2.3. Sơ đồ khối của mạch hiển thị dùng ma trận LED
Nhiệm vụ của các khối
 Bộ vi điều khiển 89S52
10

Đây là nơi lưu giừ chương trình điều khiển chính và dữ liệu cho các mạch
giải mã hàng và cột. AT89C52 là một hệ vi tính 8 bit đơn chip CMOS có hiệu
suất cao, công suất nguồn tiêu thụ thấp và có 4Kbyte bộ nhớ ROM Flash xoá
được/lập trình được. Chip này được sản xuất dựa vào công nghệ bộ nhớ không
mất nội dung có độ tích hợp cao. AT89S52 có các đặc trưng chuẩn sau: 8Kbyte
Flash, 256 byte RAM, 32 đường xuất nhập, ba bộ định thời/đếm 16 bit, một cấu
trúc ngắt hai mức ưu tiên và 6 nguyên nhân ngắt, một port nổi tiếp song công,
mạch tạo dao động và tạo xung Clock trên Chip. Chế độ nghỉ dừng CPU trong
khi vẫn cho phép RAM, các bộ định thời/đếm, Port nối tiếp và hệ thống ngắt
hoạt động.

Mô tả các chân IC 89S52:

Hình 2.4. Sơ đồ chân IC 89S52
-Vcc: Chân cung câp điện.
-GND: Chân nối đất.
-Port 0: Port 0 là port xuất nhập 8 bit 2 chiều cực D hở. Port 0 còn được cấu hình
làm bus địa chỉ (byte thấp) và làm bus dừ liệu đa hợp trong khi truy xuất bộ nhớ
dừ liệu ngoài và bộ nhớ chương trình ngoài. Port 0 cũng nhận các byte mã trong
khi lập trình cho Flash và xuất các byte mã trong khi kiếm tra chương trình.
11

-Port 1: Port 1 là port xuất nhập 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong.
Khi các logic 1 được ghi lên các chân của port 1, các chân này được kéo lên
mức cao bới các điện trở kéo lên bên trong và có thê được sử dụng như là các
ngõ vào. Khi làm nhiệm vụ là các port nhập, các chân của port 1 đang được kéo
xuống mức thấp do tác động bên ngoài sè cấp dòng do có các điện trở kéo lên
bên trong.
-Port 2: Port 2 là port xuất nhập 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong.
Khi các logic 1 được ghi lên các chân của port 2, các chân này được sử dụng
như là các ngõ vào. Khi làm nhiệm vụ port nhập, các chân của port 2 đang được
kéo xuống mức thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở kéo
lên bên trong. Port 2 tạo ra byte cao của bus địa chỉ trong thời gian tìm nạp lệnh
từ bộ nhớ chương trình ngoài, và trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài
sử dụng các địa chỉ 16 bit.
-Port 3: Là port xuất nhập 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong. Khi
các logic 1 được ghi lên các chân của port 3, các chân này được kéo lên mức cao
bởi các điện trở kéo lên bên trong và có thể được sử dụng như là các ngõ vào.
Khi làm nhiệm vụ port nhập, các chân của port 3 đang được kéo xuống mức
thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở kéo lên bên trong.
Port 3 còn được sử dụng làm các chức năng khác của AT89C52:

+ P3.0 gõ vào Port nối tiếp.
+P3.1 gõ ra Port nối tiếp.
+P3.2 gõ vào ngắt ngoài 0.
+P3.3 gõ vào ngắt ngoài 1.
+P3.4 gõ vào bcn ngoài của bộ định thời 1.
+P3.5 gõ vào bên ngoài của bộ định thời 0.
+P3.6 điều khiên ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài.
+P3.7 điều khiên đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài.
-RST: Ngõ vào Reset. Mức cao trên chân này trong 2 chu kỳ máy trong khi bộ
dao động đang hoạt động sẽ Reset AT89S52.
12


Hình 2.5. Mạch Reset tự động khi khởi động máy.
Với bài này thực hiện Reset bằng cách nối chân 9 của 89S51 với nguồn 5 V .
-ALE: ALE là một xung ngõ ra cho phép chốt địa chỉ ALE (Address Latch
Enable) cho phép chốt byte thấp của địa chỉ trong thời gian truy xuất bộ nhớ
ngoài. Chân này cũng được dùng làm ngõ vào xung lập trình (PROG) trong thời
gian lập trình cho FlashC.
Khi hoạt động bình thường, xung của ngõ ra ALE luôn luôn có tần số
bàng 1/6 tần số mạch dao động trên chip, có thể được sử dụng cho các mục đích
định thời tù' bên ngoài vàtạo xung Clock. Tuy nhiên cần lưu ý là một xung ALE
sẽ bị bó qua trong mồi chu kì truyxuất của bộ nhớ dữ liệu ngoài.
Khi cần, hoạt động cho phép chốt byte thấp của địa chỉ sẽ được vô hiệu
hoá bằng cách set bit 0 của thanh ghi chức năng đặc biệt có địa chỉ byte là 8E(h).
Khi bit này được set, ALE chỉ tích cực trong thời gian thực thi lệnh MOVX hoặc
MOVC. Ngược lại chân này sẽ được kéo lên mức cao. Việc set bit không cho
phép hoạt động chốt byte thấp của địa chỉ sẽkhông có tác dụng nếu bộ vi điều
khiển đang ở chế độ thực thi chưong trình ngoài.
XTAL1: Ngõ vào đến mạch khuếch đại đảo của mạch dao động và ngõ

vào đến mạch tạo xung Clock bên trong chip.
XTAL2: Ngõ ra từ mạch khuếch đại đảo của mạch dao động. Đe tạo mạch
dao động cho vi điều khiển 89C52 hoạt động, chúng em chọn mạch tạo dao
động như hình vẽ dưới đây, với các giá trị của linh kiện là: Cl = C2 =30pF.
Thạch anh dao động có tần số 12MHz.
13


Hình 2.6. Kết nối của mạch dao dộng.
C1, C2 = 30 pF ± 10 pF for Crystals
= 40 pF ± pF for Ceramic Resonators
Mạch giải mã hàng:
Dùng IC 74LS138 (3 đầu vào, 8 đầu ra) đe giải mã cho các cột của các ma
trận LED. Do mỗi thời điêm chỉ có một IC giải mã được làm việc nên ta phải
thiết kế mạch phân kênh để chọn IC làm việc.Ví dụ dùng chân P2.3 & P2.4 của
vi điều khiển 89C52 đe làm đầu vào cho mạch phân kênh.

Hình 2.7. Sơ đồ chân IC 74LS138

Hình 2.8. Sơ đồ chân IC 74L
14

Bảng 1: Bảng trạng thái cho mạch phân kênh

Theo nguyên tắc quét ma trận led thì tại mỗi thời điểm ta chỉ cấp nguồn
cho một hàng của ma trận do đó có thể dùng 74LS138 để cấp nguồn cho các
hàng của ma trận . Các đầu vào ( A,B,C) của 74LS138 sẽ được nổi với các chân
của IC đệm tăng dòng, các đầu ra của 74LS138 được nối với các cột của ma trận
led thông qua một cống phủ định ( hoặc các bộ đệm dòng cấp nguồn cho hàng ),
còn các chân Gi được nối với dương nguồn,G

2
A được nối đất, G
2
B nối với chân
cho phcp đầu ra của IC đệm tăng dòng .Thông qua việc gửi tín hiệu từ vi điều
khiển tới các chân đầu vào của 74LS138 ta có thê chọn được hàng cần cấp
nguồn.
Khi mở rộng ma trận ta tăng thêm số lượng IC đề cấp nguồn cho tất cả các
hàng, các IC này có thể cùng nối chung hoặc riêng chân điều khiển. Hoặc chỉ sử
dụng một IC nhưng cấp nguồn đồng thời cho tất cả các ma trận, khi đó một chân
của IC sẽ được nối với các hàng của các ma trận khác nhau.
 Mạch giải mã cột
Điều khiển cấp nguồn cho cột dùng 74HC59.
Chức năng của 74HC59
74HC595 là bộ ghi dịch 8 bít gồm có :
- 1 đầu vào cho phép (OE )
- 1 đầu vào chọn thanh ghi dịch (
MR
)
- 1 đầu vào dữ liệu nổi tiếp (DS)
- 1 đầu vào cấp xung cho thanh ghi dịch (SH_CP)
15

- 1 đầu vào cấp xung cho thanh ghi chứa (ST_CP)
- 8 đầu ra 3 trạng thái ( Q1 đến Q7 và Q7’

Hình 2.10. Sơ đồ chân 74HC595

Bảng 2: Chức năng hoạt động của 74HC595
Đầu vào Đầu ra

Chức năng
SH_CP

ST_CP

OE

M R

DS Q7’

Qn

X

X

L

L

X

L

kđ
MR mức thấp dữ liệu chỉ
dịch trong thanh ghi dịch đầu
ra không đổi trạng thái
X



L L X L L
Xóa thanh ghi dich nạp dữ
liệu vào thanh ghi chứa
X X H L X L Z
Xóa thanh ghi dịch đầu ra ở
trạng thái trở kháng cao






X


L


H


H


Q6’

kđ
Dịch chuyển trạng thái cao
vào thanh ghi dịch, giá trị
trước đó của bít thứ 6 trong
thanh ghi dịch được chuyển
sang đầu ra Q7’

X




L

H

X

kđ

Qn’

Nội dụng của thanh ghi dịch
được chuyển sang thanh ghi
16

chứa và chuyển sang đầu ra








L


H


X


Q6’



Qn’

D
ịch chuyển nội dung của
thanh ghi dịch đồng thời nội
dung của thanh ghi dịch cũ
được chuyển vào thanh ghi
chứa và các đầu ra song song

-Sử dụng 74HC595 đế cấp nguồn cho các cột của ma trận
Khi dùng 74HC595 để cấp nguồn cho ma trận led ta nối các đầu ra song
song của 74HC595 với các chân cấp nguồn cho các cột của ma trận. Đồng thời
phải sử dụng 3 chân của vi điều khiển để nối với các chân DS,SH_CP,ST_CP
của 74HC595. Các bit dừ liệu mã hóa mức logic cần cấp cho các cột của 1 hàng
ma trận sẽ được truyền liên tiếp DS của 74HC595. Đe đồng bộ bit thì vi điều
khiển mỗi khi xuất 1 bit tới chân DS sê phát một xung có sườn dương vào chân
SH CP. Sau khi truyền xong hết dữ liệu, đề các led trên cột sáng thì ta phải
chuyển dữ liệu trong thanh ghi dịch vào các đầu ra của 74HC595 bằng cách cấp
1 xung sườn dương vào chân ST_TP. Chú ý đề IC có thề hoạt động và đẩy dừ
liệu ra các chân đầu ra thì chân OE phải nối đất, chân MR nối dương nguồn.

Hình 2.11. Ghép nối 74HC595 với vi điều khiến đê cấp nguồn
cho hàng của ma trận
17

Khi mở rộng ma trận led ta ghép nhiều 74HC595 nối tiếp nhau: các chân
SH CP được nổi chung với 1 nguồn cấp xung, các chân ST_CP cũng được nối
chung với nhau, đầu ra Q7’ của IC phía trước được nối với đầu vào DS của IC
tiếp theo. Khi đó dừ liệu sẽ được dịch đồng bộ từ IC này sang IC khác và đầu ra
của các IC cũng được chốt đồng bộ.

Hình 2.12. Ghép nối tiếp các IC 74HC595

18

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1. Phân tích hệ thống
3.1.1. Nguyên lý hoạt động của bảng điện tử

Nguyên lý hoạt động của bảng điện tử dựa theo nguyên lý hoạt động của
các màn hình, đó là sử dụng phương pháp quét hình theo từng dòng.Mỗi dòng
gồm nhiều điểm ảnh, mỗi điểm ảnh có thể có một hoặc vài đèn, màu sắc khác
nhau. Mỗi đèn được biểu diễn thông qua một bit dữ liệu, bit 1 tương ứng với đèn
sáng, bit 0 tương ứng với đèn tắt.
Tại một thời điểm, không phải tất cả các dòng trên màn hình đều sáng
nhưng do tốc độ quét nhanh và sự lưu ảnh trên võng mạc tạo cho người nhìn
thấy hình ảnh liên tục. Trong quá trình quét, mạch điều khiển sẽ đưa dữ liệu ra
Module hiển thị, chính dữ liệu này sẽ quyết định điểm ảnh nào sáng, điểm ảnh
nào tắt, màu sắc của điểm ảnh là gì. Các điểm ảnh này sẽ tạo ra hình ảnh trên
bảng điện tử.

Hình 3.1. Nguyên tắc tạo ảnh trên ma trận LED

3.1.2. Phân tích hệ thống
Trong đồ án này, bảng điện tử có kích thước 16x64 cm, ta chia làm 16x64
điểm ảnh, mỗi điểm ảnh là một đèn LED, ta chia làm 2 Module, mỗi Module có
kích thước 16x32 điểm ảnh.
Để hiển thị một hình ảnh ta phải quét hết 16 dòng. Nếu thời gian quét một
dòng là 1ms, thì để quét xong một hình ảnh ta phải mất 16ms. Nếu thời gian trễ

19

cho một hình ảnh là 34ms thì thời gian hiển thị của hình ảnh đó là 50ms. Như
vậy, ta có thể hiển thị được 1000/50 = 20 hình/s.
Chất lượng hình ảnh phụ thuộc vào tốc độ dòng quét, tỉ lệ thời gian sáng
và thời gian tối của từng dòng. Thời gian quét dòng phụ thuộc vào thời gian đẩy
dữ liệu ra và thời gian trễ sáng cho dòng đó. Độ trễ sáng của dòng có ảnh hưởng
đến mức độ sáng tối cũng như màu sắc của hình ảnh, vì vậy, để tạo ra nhiều mức
sáng tối và tăng số màu hiển thị thì phải có khả năng thay đổi độ trễ sáng của

dòng.
3.2. Thiết kế tổng quan hệ thống
3.2.1. Thiết kế tổng quan phần cứng
Phần cứng bảng điện tử gồm có: Module điều khiển, Module quét dòng,
Module quet cột và các Module hiển thị. Module điều khiển lấy dữ liệu đưa ra
bảng điện tử, đồng thời đưa các tín hiệu điều khiển tới Module quét dòng để
điều khiển việc quét dòng. Module quét dòng dựa vào các tín hiệu từ Module
điều khiển để đưa tín hiệu chọn dòng ra Module hiển thị, quyết định dòng nào
sáng, dòng nào tối. Các Module hiển thị nhận dữ liệu và tín hiệu điều khiển từ
Module điều khiển và Module quét dòng, thông qua các IC chuyên dụng để điều
khiển các đèn sáng tối, tạo ra hình ảnh trên bảng điện tử.
Sơ đồ khối tổng quan phần cứng như sau:

Hình 3.2. Sơ đồ khối tổng quan phần cứng

Vì hệ thống được thiết kế theo mô hình của hệ thống tự động, nên chương
trình điều khiển phải đáp ứng tất cả những công việc đặt ra của hệ thống, khi
khởi động hệ thống chương trình điều khiển thực hiện quét xâu văn bản cần hiển

20

thị, nạp dữ liệu nhận được vào bộ đệm của bảng điện tử, sau đó thể hiện thông
tin lên bảng điện tử, công việc đó được lặp đi lặp lại nhiều lần.
3.2.2. Thiết kế phần cứng
Như đã mô tả, phần cứng của bảng điện tử gồm có Module điều khiển,
Module quét dòng, và các Module hiển thị.
Module điều khiển lấy dữ liệu đưa ra bảng điện tử, đồng thời đưa các tín hiệu
điều khiển tới Module quét dòng để điều khiển việc quét dòng.
Module quét dòng dựa vào các tín hiệu từ Module điều khiển để đưa tín
hiệu chọn dòng ra Module hiển thị, quyết định dòng nào sáng, dòng nào tối.

Các Module hiển thị nhận dữ liệu và tín hiệu điều khiển từ Module điều
khiển và Module quét dòng, thông qua các IC chuyên dụng để điều khiển các
đèn sáng tối, tạo ra hình ảnh trên bảng điện tử.
Sau đây là thiết kế chi tiết từng module.
a. Module hiển thị
Module này có nhiệm vụ nhận dữ liệu và các tín hiệu điều khiển đưa tới từ
Module điều khiển để xác định điểm ảnh nào sẽ sáng hay tắt, sáng màu gì trên
mỗi dòng được quét.
Hệ thống sử dụng bảng hiển thị Led ma trận anode chung có kích thước
16x32 LED. Các ma trận này được nối với nhau thành 16 dòng và 32 cột.
Module hiển thị sử dụng các ma trận LED.Trong một Module 16x32 ta chia làm
4 phần nhỏ, mỗi phần có kích thước 4x32 LED. Sau đây chúng em trình bày sơ
đồ nguyên lý của một bảng hiển thị có kích thước 16x32 Led.
Sơ đồ nguyên lý của một Module ma trận LED như sau:
Led ma trận hàng Anôt, cột Catôt kích thước 4x32 Led
Led ma trận hàng Anôt, cột Catôt kích thước 4x32 Led
Led ma trận hàng Anôt, cột Catôt kích thước 4x32 Led
Led ma trận hàng Anôt, cột Catôt kích thước 4x32 Led
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý của một ma trận LED



21

Tại mỗi điểm là một đèn LED. Mỗi đèn có hai cực dương và âm. Cực
dương sẽ dùng để điều khiển quét dòng. Do đó tất cả các đèn trên cùng một
dòng có chung cực dương (Li). Các đèn trên cùng một cột có chung cực âm .
Dữ liệu và các tín hiệu điều khiển được đưa ra Module hiển thị theo kiểu
đẩy nối tiếp. Các IC điều khiển led trên Module hiển thị sẽ dựa vào các tín hiệu
điều khiển để quyết định đẩy dữ liệu đến các Module hiển thị tiếp theo hoặc chốt

dữ liệu để hiển thị ra bảng điện tử.
Trên cơ sở đó, mỗi module hiển thị cần phải có các tín hiệu chính sau :
SHIFT(CLOCK) :Xung đồng hồ để dịch 1 bit dữ liệu vào từ (và ra khỏi)
thanh ghi dịch.
DATA :Xuất tín hiệu điều khiển ra khuếch đại công suất 74HC245.
OE : Chân cho phép đầu ra
A, B : Chân xuất tín hiệu ra hàng
LATCH : Chốt dữ liệu ra thanh ghi dịch để cập nhật các điểm ảnh trên cột.
Sau đây là sơ đồ nguyên lý của Moule hiển thị led:


Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý của một Moule hiển thị led

22

Hệ thống sử dụng các IC điều khiển led 74HC595.
Sơ đồ chân của IC này như sau:

Hình 3.6. Sơ đồ chân của IC 74HC595
Mỗi module hiển thị kích thước 16x32 được điều khiển bởi 16 IC 74HC595.
Mỗi IC này có các tín hiệu vào ra như sau :
SRCLK(SHIFTM): Xung đồng hồ vào Module.
SDI : Tín hiệu dữ liệu vào thanh ghi dịch.
SDO : Dữ liệu ra từ thanh ghi dịch.
RCLK(LATCHM): Tín hiệu cho phép chốt dữ liệu từ thanh ghi dịch.
QA, ,QH : Các chân ra từ bộ thanh ghi dịch 8 bit sau khi đã được chốt
Ngoài ra còn một số thành phần khác :
Sử dụng 1 IC 74HC245 làm IC đệm dữ liệu và khuếch đại tín hiệu (tăng dòng).
Sơ đồ chân của IC này như sau:

Hình 3.7. Sơ đồ chân của IC 74HC245


23

Hoạt động của Module này như sau: Các bít dữ liệu cho các Led trên
Module được đưa đến chân SDI của IC 74HC595 trên Module điều khiển Led
tương ứng , đầu ra SDO của IC trước được nối với đầu vào SDI của IC tiếp
theo.
Khi xung SHIFTM được kích hoạt, tại mỗi IC, bit dữ liệu ở đầu vào SDI
được lưu vào thanh ghi dịch tại bit b0, đồng thời bit b6 dịch sang bit b7 và giá trị
của bít b7 được đưa ra SDO.
Quá trình dịch liên tục đến khi hết một hàng ngang các Module, tương ứng
với các điểm ảnh cần hiển thị.
Sau khi đợi một khoảng thời gian (phụ thuộc vào tốc độ quét), dữ liệu cho
cột mới được cập nhật bằng cách kích hoạt tín hiệu LATCH để chốt tín hiệu từ
các thanh ghi dịch đồng thời nguồn điện cung cấp cho cột trước đó bị tắt để
chuyển cho cột kế tiếp.
AM, BM là chân xuất tín hiệu ra hàng.
OEM là chân cho phép xuất tín hiệu đầu ra đưa tới Module hiển thị thứ nhất.
LATCHM là chân chốt dữ liệu của Module hiển thị thứ nhất.
SHIFTM là chân ghi dịch tín hiệu ra Module hiển thị thứ nhất.
DATAM là chân xuất tín hiệu ra Module hiển thị thứ nhất.
LATCHN là chân chốt dữ liệu của Module hiển thị tiếp theo.
SHIFTN là chân ghi dịch tín hiệu ra Module hiển thị tiếp theo.
Ưu điểm :
Do sử dụng IC chuyên dụng nên tốc độ đẩy dữ liệu nhanh, nên có thể tận
dụng thời gian còn lại vào việc khác
Do sử dụng bộ chốt bên trong nên đảm bảo thời gian tắt rất nhỏ, không ảnh
hưởng tới độ sáng của các điểm ảnh

b. Khối giải mã hàng
Nhiệm vụ của module này là giãi mã tín hiệu chọn dòng từ module điều
khiển đưa xuống, để tại mỗi thời điểm chỉ cho một dòng được sáng. Bảng điện
tử có kích thước 16 dòng và 64 cột, được quét bởi một Module quét dòng, đầu
vào là các tín hiệu điều khiển được đưa xuống từ Module điều khiển, đầu ra sẽ

24

BM

AM

VCC

GND


OEM

Row 1

Row 0

Row 15

.
.
.

.

.
.



Bộ phận
giải mã

Bộ phận
khuyếch
đại công
suất

chọn một trong số 16 dòng để hiện thị. Mỗi Module hiển thị tại một thời điểm
chỉ cho một dòng được sáng.
Module quét dòng phải chọn một trong số 16 dòng để hiển thị nên cần tín
hiệu chọn dòng từ Module điều khiển đưa xuống là các tín hiệu AM, BM. Các
tín hiệu chọn dòng sẽ được giải mã bằng IC giải mã 74LS138. Trên mỗi dòng
của bảng điện tử có 64 điểm , do vậy một dòng sẽ có 64 đèn. Vì vậy, các tín hiệu
chọn dòng này phải đi qua bộ khuếch đại công suất để có thể cung cấp đủ dòng
cho 64 đèn sáng đồng thời trong trường hợp cực đại.
Sau đây là sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của một Module quét dòng:
Sơ đồ khối của một Module quét dòng:

Hình 3.9. Sơ đồ khối của Module quét hàng

Bộ phận giải mã gồm IC 74LS138, ngoài 2 tín hiệu chọn dòng AM, BM,
còn có một tín hiệu OEM là tín hiệu cho phép đầu ra của bộ điều khiển đưa tớ
Module dùng để bật tắt dòng được chọn. Thực chất đó là tín hiệu cho phép IC
giải mã hoạt động, nó cũng được nối chung đến tất cả các chân cho phép của IC
74LS138. Khi tín hiệu này ở mức cao, IC giải mã không hoạt động, dòng tắt.
Khi tín hiệu này ở mức thấp, IC giải mã hoạt động, tùy thuộc vào tín hiệu
AM,BM cho phép chọn một trong số 16 dòng. Điều này giúp ta hoàn toàn có thể
điều khiển được thời điểm sáng của các dòng được chọn.
Bộ phận khuếch đại công suất khi có tín hiệu chọn dòng sẽ cung cấp một
dòng điện có khả năng cho 64 đèn sáng đồng thời. Trên mỗi Module sẽ gồm 8
đèn công suất, trong đó mỗi đèn điều khiển hai dòng của Module hiển thị. Sử

25

dụng 4 con khuếch đại công suất APM4953: Là các đường cung cấp nguồn cho
16 dòng.Sơ đồ cấu tạo của APM4953 như sau:

Hình 3.11. Sơ đồ cấu tạo của APM4953

Tín hiệu đầu ra H1, H2, H3, H4 là các tín hiệu chọn hàng, mỗi một tín hiệu
này được đưa tới 2 con khuếch đại APM 4953, đầu ra của APM 4953 tương ứng
với các tín hiệu H1, H2, H3, H4 là HLED1, HLED2, HLED3, HLED4, HLED5,
HLED6, HLED7, HLED8. Ở đây ta sử dụng chuẩn quét Led ma trận 1:4 tức là
với một tín hiệu chọn hàng H1 ở đầu ra của IC 74LS138 được đưa tới đầu vào
của 2 con khuếch đại công suất APM 4953 ta sẽ được 2 tín hiệu đầu ra của APM
4953 là HLED1 và HLED5 được đưa tới Anode của hàng 1 và hàng 5 của
Module hiển thị Led làm cho hàng 1 và hàng 5 sáng đồng thời. Tương tự với các

tín hiệu H2, H3, H4 ta có đầu ra tương ứng là HLED2 và HLED6, HLED3 và
HLED7, HLED4 và HLED8
c. Module điều khiển
Đây là Module điều khiển chính của bảng điện tử với bộ xử lý trung tâm
là vi điều khiển AT89C52. Module điều khiển là Module quan trọng nhất, nó
điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống. Có thể nói đây là bộ não của toàn bộ
hệ thống, nó thực hiện các chức năng sau.
- Nhận dữ liệu từ bộ nhớ chương trình ghi vào bộ nhớ RAM.
- Lấy dữ liệu từ bộ nhớ RAM và hiển thị qua bảng điện tử thông qua các thao tác
đẩy dữ liệu và quét hàng.