ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG LCD16x2, DS1307 VÀ PIC 18F4520

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ
----- -----

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CƠ SỞ
ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG
LCD16x2, DS1307 VÀ PIC 18F4520

GVHD: Nguyễn Văn Dũng
Nhóm : 7
Sinh viên:
1. Hồng Thiên Vũ

MSV : 2020601800

2. Nguyễn Trọng Kính MSV : 2020600990
3. Vũ Hồng Sơn

MSV : 2020601027

Hà Nội - 2023


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ
----- -----

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CƠ SỞ
ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG
LCD16x2, DS1307 VÀ PIC 18F4520

GVHD: Nguyễn Văn Dũng
Nhóm : 7
Sinh viên:
1. Hồng Thiên Vũ

MSV : 2020601800

2. Nguyễn Trọng Kính MSV : 2020600990
3. Vũ Hồng Sơn

MSV : 2020601027

Hà Nội - 2023


MỤC LỤC

MỤC LỤC............................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH ẢNH...................................................................................3
DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................4
DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT..................................................................5
LỜI MỞ ĐẦU......................................................................................................6
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................8
CHƯƠNG 1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT..............................................................9

1.1 Giới thiệu về LCD......................................................................................9
1.2 Giới thiệu về PIC 18F4520......................................................................10
1.3 Giới thiệu về chip DS1307.......................................................................11

1.4 Ngơn ngữ lập trình nhúng......................................................................12
1.5 Phần mềm thiết kế phần cứng................................................................14
1.6 Kết luận chương 1...................................................................................14
CHƯƠNG 2.

THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ....................15

2.1 Mục đích u cầu.....................................................................................15
2.1.1 Các tính năng......................................................................................15
2.1.2 Thơng số kỹ thuật...............................................................................15
2.1.3 Các yêu cầu cụ thể..............................................................................15
2.2 Sơ đồ khối.................................................................................................16
2.2.1 Khối nguồn.........................................................................................16
2.2.2 Khối vi xử lý.......................................................................................17
2.2.3 Khối nút nhấn.....................................................................................17
2.2.4 Khối hiển thị LCD..............................................................................18
2.2.5 Khối thời gian thực.............................................................................18
1


2.2.6 Khối nạp chip.....................................................................................19
2.3 Mô phỏng và thiết kế phần cứng............................................................19
2.3.1 Mô phỏng trên Proteus.......................................................................19
2.3.2 Thiết kế mạch in.................................................................................20
2.3.3 Kết luận chương 2..............................................................................22
CHƯƠNG 3.

KẾT QUẢ THỰC HIỆN.......................................................23

3.1 Sản phẩm..................................................................................................23

3.2 Kết quả đạt được.....................................................................................24
3.3 Đánh giá kết quả làm việc nhóm............................................................27
KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN...........................................................28
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................30
PHỤ LỤC...........................................................................................................31

Chương 1.

2


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1 LCD16x2...........................................................................................9
Hình 1-2 Pic18f4520......................................................................................10
Hình 1-3 Sơ đồ chân DS1307.........................................................................12
Hình 1-4 Phần mềm MPLAB IDE.................................................................13
Hình 1-5 Phần mềm Altium...........................................................................14
Hình 2-1 Lưu đồ khối tồn mạch...................................................................16
Hình 2-2 Khối nguồn......................................................................................16
Hình 2-3 Khối vi xử lý...................................................................................17
Hình 2-4 Khối nút nhấn..................................................................................18
Hình 2-5 Khối LCD........................................................................................18
Hình 2-6 Khối thời gian thực.........................................................................19
Hình 2-7 Khối nạp chíp..................................................................................19
Hình 2-8 Sơ đồ ngun lý..............................................................................20
Hình 2-9 Mạch in 2D.....................................................................................21
Hình 2-10 Mạch in 3D...................................................................................21
Hình 3-1 Sản phẩm hồn thiện.......................................................................23
Hình 3-2 Chỉnh giờ.........................................................................................24
Hình 3-3 Chình phút.......................................................................................24

Hình 3-4 Chỉnh giây.......................................................................................25
Hình 3-5 Chỉnh thứ........................................................................................25
Hình 3-6 Chỉnh ngày......................................................................................26
Hình 3-7 Chỉnh tháng.....................................................................................26
3


Hình 3-8 Chỉnh năm.......................................................................................27

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Thơng số kĩ thuật PIC18F4520.....................................................12

4


DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng anh

Tiếng Việt

LCD

Liquid Crystal Display

Màn hình tinh thể lỏng

IC

Intergrated Circuit

Vi mạch tích hợp

EEPROM

Electrically Erasable
Programmable ReadOnly Memory

Bộ nhớ không mất dữ
liệu khi ngừng cung cấp
điện

RTC

Real-time clock

Đồng hồ thời gian thực

RAM

Random Access
Memory

Bộ nhớ

I/O

Input/Output

Đầu vào , đầu ra

DC

Direct Current

Điện 1 chiều

SCL

Serial data line

Đường truyền dữ liệu
nối tiếp

SDA

Serial clock line

Đường xung nhịp nối
tiếp

LỜI MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, khoa học công nghệ và kỹ thuật đang đóng một vai trị quan trọng
trong đời sống con người. Bên cạnh đó, thời gian ln trở thành một tài sản quý
5


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 ln 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 điện tử sử dụng
LCD16x2, DS1307, PIC18F4520”.
Đề tài này được thực hiện trong khoảng thời gian hơn 3 tháng với sự hỗ trợ
của những kiến thức về lập trình C, thiết kế và mơ phỏng mạch. Hơn thế nữa,
nhóm cũng tận dụng những khả năng của vi xử lý PIC18F4520 để giải quyết
những vấn đề phát sinh trong quá trình thực hiện. Kết quả nhận được là khả
quan khi thành phẩm có thể hiện thị thời gian một cách chi tiết và có thể được
điều chỉnh thông qua các nút nhấn. Trong tương lai, sản phẩm này hồn tồn có
thể được phát triển xa hơn với các tính năng mới hơn như báo thức, thiết lập lịch
làm việc… nhằm đáp ứng nhu cầu quản lý thời gian mà mỗi người mong muốn.
2. Nhiệm vụ đề tài
Bài báo cáo trình bày mạch đồng hồ điện tử hiển thị thời gian thông qua việc
nắm những kiến thức cơ bản về thiết kế hệ thống nhúng. Trước hết, bài báo cáo
sẽ trình bày về những đặc tính cơ bản của sản phẩm. Nhìn chung, mạch được tạo
thành từ các thành phần linh kiện khá phổ biến trong việc thiết kế hệ thống
nhúng như vi xử lý PIC18F4520, màn hình LCD16x2, DS1307 nút nhấn cùng
với các linh kiện cơ bản như điện trở, tụ điện…
Mạch đồng hồ điện tử sử dụng giải thuật là ngôn ngữ lập trình C trên CCS C
Compiler.
3. Phân cơng cơng việc trong nhóm
Cơng việc
Lựa chọn đề tài
Tìm hiểu sản phẩm tương tự

Người thực hiện - Owner(s)
Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ
Hồng Sơn

Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ

6


Hồng Sơn
Lên ý tưởng sản phẩm, vẽ sơ đồ khối
Thực hiện mô phỏng
Thiết kế nguyên lý
Thiết kế mạch in
Chế tạo mạch điện
Thiết kế lưu đồ thuật tốn
Lập trình
Vận hành sửa lỗi đánh giá
Viết báo cáo chương 1
Viết báo cáo chương 2
Viết báo cáo chương 3
Viết slide báo cáo

Hoàng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ
Hồng Sơn
Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ
Hồng Sơn
Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ
Hồng Sơn
Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ
Hồng Sơn
Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ
Hồng Sơn
Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ

Hồng Sơn
Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ
Hồng Sơn
Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ
Hồng Sơn
Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ
Hồng Sơn
Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ
Hồng Sơn
Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ
Hồng Sơn
Hồng Thiên Vũ, Nguyễn Trọng Kính, Vũ
Hồng Sơn

LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Khoa Điện Tử, Trường đại học
Công Nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập và hồn
thành đồ án mơn học này. Đặc biệt, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đến thầy Nguyễn Văn Dũng đã dày công truyền đạt kiến thức và hướng dẫn
chúng em trong quá trình làm, hoàn thiện đồ án cơ sở ngành và bài báo cáo này.

7


Nhóm chúng em đã cố gắng vận dụng những kiến thức đã học được trong
học kỳ qua để hoàn thành bài báo cáo. Nhưng do kiến thức hạn chế và khơng có
nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên khó tránh khỏi những thiếu sót trong q trình
nghiên cứu và trình bày. Rất kính mong sự góp ý của q thầy cơ để bài báo cáo
của nhóm em được hồn thiện hơn.
Một lần nữa, nhóm em xin trân trọng cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của các

thầy cô đã giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện bài báo cáo này.
Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng 12 năm
2023
Nhóm sinh viên
Nhóm 7

8


Chương 1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Giới thiệu về LCD

Hình 1-1 LCD16x2

Được sản xuất từ năm 1970, LCD là một loại vật chất phản xạ ánh sáng khi
điện thế thay đổi. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc ánh sáng nền (Back Light).
Các điểm ảnh trong màn hình LCD là một transistor cực nhỏ ở một trong 2 chế
độ: cho phép ánh sáng đi qua hoặc không. Điểm ảnh bao gồm 3 yếu tố màu: đỏ,
xanh lá, xanh dương. Các màn hình LCD trước đây thường tiêu thụ điện năng
nhiều, độ tương phản thấp cho đến khi các nhà khoa học người Anh tìm ra
"Biphenyl" - vật liệu chính của tinh thể lỏng, thì LCD mới thực sự phổ biến.
LCD xuất hiện đầu tiên trong các máy tính cầm tay, trị chơi điện tử cầm tay,
đồng hồ điện tử, … LCD ngày nay được thiết kế nhỏ gọn, nhẹ, chiếm ít khơng
gian, chất lượng hình ảnh tốt, tiêu thụ ít năng lượng.
Thơng số kĩ thuật: LCD 16×2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các

thơng số. LCD 16×2 có 16 chân trong đó:
9


- 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN).
- 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2.
- Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc
chế độ dữ liệu giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi.
LCD 16×2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang
làm.
1.2 Giới thiệu về PIC 18F4520
Pic18f4520 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãng Microchip
thuộc họ Pic. Pic18f4520 là một bộ vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC
bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 256B
EEPROM, một bộ nhớ RAM vơ cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bit (2KB
SRAM)
Với 33 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra i/O, 32 thanh
ghi, 3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một
vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C. Ngồi ra có thể
sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 12 kênh, khả
năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử
dụng tới 2 kênh điều chế độ rộng xung (PWM)…

Hình 1-2 Pic18f4520

10


Thơng số kĩ thuật:
Nhà sản xuất:

Microchip

Kiểu gắn:

SMD/SMT

Lõi:

PIC18

Kích thước bộ nhớ chương
trình:

32kB

Độ rộng bus dữ liệu

8 bit

Độ phân giải ADC:

10 bit

Tần số đồng hồ tối đa:

40 MHz

Số lượng I/O:

36 I/O

Kích thước Dữ liệu RAM:

1.5 kB

Điện áp cấp vận hành:

2 V to 5.5 V

Nhiệt độ làm việc tối thiểu:

- 40 C

Nhiệt độ làm việc tối đa:

+ 85 C

Sản phẩm:

MCU

Loại bộ nhớ chương trình:

Flash

Nhãn hiệu:

Microchip Technology

Loại RAM dữ liệu:

RAM

Kích thước ROM dữ liệu:

256 kB

Loại ROM dữ liệu:

Flash

Số lượng kênh ADC:

13 Channel

Số bộ hẹn giờ/bộ đếm:

1 Timer

Điện áp cấp nguồn - Tối đa:

5.5 V

Điện áp cấp nguồn - Tối
thiểu:
Thương hiệu:

4.2 V
PIC

11


Bảng 1-1: Thông số kĩ thuật PIC18F4520
1.3 Giới thiệu về chip DS1307

Hình 1-3 Sơ đồ chân DS1307

DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC: Real-time clock), khái niệm
thời gian thực ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con người
đang sử dụng, tình bằng giây, phút, giờ…DS1307 là một sản phẩm của Dallas
Semiconductor (một công ty thuộc Maxim Integrated Products). Chip này có 7
thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng,
năm. Ngồi ra DS1307 cịn có 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi
trống có thể dùng như RAM. DS1307 được đọc và ghi thông qua giao diện nối
tiếp I2C (TWI của AVR) nên cấu tạo bên ngoài rất đơn giản. DS1307 xuất hiện
ở 2 gói SOIC và DIP có 8 chân như hình sau:
Các chân của DS1307 được mô tả như sau:
- X1 và X2: là 2 ngõ kết nối với 1 thạch anh 32.768KHz làm nguồn tạo dao
động cho chip.
- VBAT: cực dương của một nguồn pin 3V nuôi chip.
- GND: chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc.
12


- Vcc: nguồn cho giao diện I2C, thường là 5V và dùng chung với vi điều
khiển. Chú ý là nếu Vcc khơng được cấp nguồn nhưng VBAT được cấp
thì DS1307 vẫn đang hoạt động (nhưng không ghi và đọc được).
- SQW/OUT: một ngõ phụ tạo xung vuông (Square Wave / Output Driver),

tần số của xung được tạo có thể được lập trình. Như vậy chân này hầu như
khơng liên quan đến chức năng của DS1307 là đồng hồ thời gian thực,
chúng ta sẽ bỏ trống chân này khi nối mạch.
- SCL và SDA là 2 đường giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C mà
chúng ta đã tìm hiểu trong bài TWI của AVR.
- Có thể kết nối DS1307 bằng một mạch điện đơn giản.
1.4 Ngôn ngữ lập trình nhúng
MPLAB IDE (Integrated Development Environment) cung cấp người dùng
một chương trình để phát triển ứng dụng cho các vi điều khiển nhúng của
Microchip. Qua môi trường phát triển này, người dùng có thể viết mã cho hệ
thống nhúng. Họ cũng có khả năng chỉnh sửa và gỡ lỗi mã nguồn để đảm bảo
rằng các ứng dụng sẽ được tích hợp vào các vi điều khiển mà không gặp sự cố.
Người dùng được cung cấp các công cụ giúp họ thiết kế mạch vi điều khiển
dựa trên vi điều khiển cụ thể sẽ được sử dụng bởi nhà phát triển. Khi mạch đã
được tạo ra, người dùng có thể tiếp tục phát triển firmware, đó là chương trình
sẽ kiểm sốt cách phần cứng thực hiện ứng dụng tích hợp. IDE cũng cung cấp
một trình biên dịch và biên dịch mã nguồn, có thể chuyển đổi các kịch bản thành
mã nhận diện được bởi phần cứng.

13


MPLAB IDE là đa nền tảng, điều này có nghĩa là nó có thể chạy trên các hệ
thống Windows, Mac OS X và Linux.

Hình 1-4 Phần mềm MPLAB IDE

1.5 Phần mềm thiết kế phần cứng

14

Altium Designer là một phần mềm chuyên dụng trong lĩnh vực thiết kế PCB
(Printed Circuit Board) và mạch điện tử. Được phát triển bởi công ty Altium
Limited, phần mềm này cung cấp một mơi trường tích hợp cho việc thiết kế từ
khâu concept đến sản xuất PCB.

Hình 1-5 Phần mềm Altium
Với Altium Designer 21, Altium tiếp tục duy trì sự cân bằng hoàn hảo giữa
thân thiện với người dùng và hiệu suất. Với các tính năng như định tuyến tương
tác và DRC, cho phép bạn thiết kế PCB của mình với độ chính xác cao.
Giao diện người dùng mới có thể tùy chỉnh theo sở thích của từng người
dùng. Khả năng 3-D đã được cải thiện sau phản hồi của người dùng và thiết kế
ECAD của bạn cũng có thể được kiểm tra bằng tệp MCAD của vỏ bọc.
1.6 Kết luận chương 1
Ở chương đã đưa ra kiến thức tổng quát về đồng hồ điện tử, cùng với cơ sở lý
thuyết và các linh kiện cần thiết cho việc thiết kế một mơ hình đồng hồ điện tử
thơng minh. Chương 2, chúng ta sẽ thiết kế phần cứng và thiết kế phần mềm
cho mơ hình đồng hồ điện tử này.

15


Chương 2.

THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ

2.1 Mục đích yêu cầu
2.1.1 Các tính năng
- Hiển thị LCD thời gian thực với bộ thời gian thực DS1307.

- Có cài đặt thời gian bằng nút nhấn để thay đổi thời gian.
2.1.2 Thơng số kỹ thuật
- Kích thước màn hình LCD 16x2.
- Dùng IC DS1307 để hiển thị thời gian thực và có nút nhấn để điều chỉnh
thời gian.
- Pin CMOS 3V dùng để cấp nguồn cho IC thời gian thực vẫn chạy đúng
giờ ngay cả khi mất điện.
2.1.3 Các yêu cầu cụ thể
- Thiết kế, lắp ráp, đo kiểm thử phần cứng gồm:
+ Sử dụng nguồn 5V có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện 5V cho mạch
được hoạt động ổn định.
+ Khối vi điều khiển, khối nút nhấn, khối hiển thị LCD, khối thời
gian thực.
- Hiển thị trên màn hình LCD. Có thể hiển thị được giờ, phút, giây ở hàng
đầu tiên và hiển thị được thứ, ngày, tháng, năm ở hàng thứ 2.
- Các nút nhấn có thể điều chỉnh được thời gian và điều chỉnh các qua lại
giữa giờ, phút, thứ, ngày, tháng, năm.
- Thiết kế phần mềm.(Vẽ lưu đồ thuật tốn và viết chương trình trên
MPLAB IDE)
- Đánh giá kết quả thực nghiệm.

16


2.2 Sơ đồ khối

Hình 2-6 Lưu đồ khối tồn mạch

17

2.2.1 Khối nguồn

Hình 2-7 Khối nguồn

Khối nguồn: Sử dụng nguồn cấp DC 5V có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện
5V cho mạch được hoạt động ổn định.

18