THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ THỜI GIAN THỰC SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F887

LỜI NĨI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển khơng ngừng của khoa học kỷ thuật, thì kỹ
thuật số cũng đã đem lại cho con người những thành tựu to lớn. Ngày càng có
nhiều sản phẩm kỷ thuật số ra đời, đáp ứng được nhiều nhu cầu lợi ích cho con
người. Hịa cùng xu hướng đó vi điều khiển đã khẳng định được vị thế vững chắc
của mình trong nhiều ứng dụng, điển hình là đồng hồ điện tử hiển thị lên màn
hình LCD với độ chính xác gần như tuyệt đối thay thế cho đồng hồ cơ.
Chính vì vậy nhóm chúng em đã chọn đề tài “THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ
THỜI GIAN THỰC SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F887” để tìm hiểu
và nghiên cứu.
Để hồn thành đồ án “THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ THỜI GIAN
THỰC SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F887” em xin chân thành cảm ơn
sự hướng dẫn tận tình của Thầy Trương Ngọc Anh – Giảng viên khoa Điện –
Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM. Cùng với sự giúp đỡ tận
tình của các thầy cô bộ môn và các bạn trong lớp đã giúp đỡ em hoàn thành tốt
đồ án này.
Trong quá trình nghiên cứu, tìm hiểu về đề tài và thi cơng mạch khơng
tránh khỏi những sai sót. Em mong Thầy cùng các bạn góp ý để đề tài được hồn
thiện hơn và có thể ứng dụng nhiều trong thực tế.
Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC
NHIỆM
VỤ
ĐỒ
HỌC ...........................................................................

ÁN

MƠN

******* ...................................................................................................................
.
PHIẾU
NHẬN
XÉT
DẪN .....................................

CỦA

GIÁO

VIÊN

HƯỚNG

******* ...................................................................................................................
.
PHIẾU
NHẬN
XÉT
BIỆN ........................................

CỦA

GIÁO

VIÊN

PHẢN

LỜI
ĐẦU .........................................................................................................

NĨI

DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................
DANH

MỤC

CÁC

TỪ

VIẾT

TẮT .......................................................................
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ...........................................................
1
1.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI .............................................................................
1
CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT. ..................................................................
2
2.1. GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 16F887 ...............................................
2


2.2. MÀN HÌNH LCD 16x2 .................................................................................

4
2.3. IC THỜI GIAN THỰC DS1307 ..................................................................
6
2.4. ĐIỆN TRỞ......................................................................................................
7
2.5. TỤ ĐIỆN .........................................................................................................
9
2.6. BIẾN TRỞ ....................................................................................................
10
2.7. IC LM7805 ...................................................................................................
11
2.8. CÁC LINH KIỆN KHÁC ...........................................................................
12
2.9. GIAO TIẾP I2C ...........................................................................................
12
2.9.1. Đặc điểm giao tiếp I2C ...........................................................................
13
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...............................
18
3.1. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG ..............................................................
18
3.1.1. Yêu cầu của hệ thống. .............................................................................
18
3.1.2. Sơ đồ khối của hệ thống..........................................................................
18
3.2. THIẾT KẾ CÁC KHỐI ..............................................................................
19
3.2.1. KHỐI NGUỐN 5V .................................................................................
19
3.2.2.

KHỐI
XỬ
LÍ
TRUNG
TÂM .................................................................. 21
3.2.3. KHỐI NÚT NHẤN .................................................................................
22


3.2.4. KHỐI THỜI GIAN THƯC DS1307 .......................................................
23
3.2.5. KHỐI HIỂN THỊ LCD. ..........................................................................
24
3.2.6. KHỐI CHUÔNG BÁO ...........................................................................
25
3.3. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TỒN MẠCH ........................................................
26
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THI CƠNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM......
27
4.1. KẾT QUẢ .....................................................................................................
27
4.2. THỰC NGHIỆM (TEST, DEMO SẢN PHẨM) ......................................
29
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................
29
5.1. KẾT LUẬN ..................................................................................................
29
5.2. ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN .................................................................
30
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................

31
PHỤ LỤC ............................................................................................................
32

Danh mục hình ảnh
Hình 1.1: Mạch đồng hồ điện tử .............................................................................
1


Hình 2.1: PIC 16F887 .............................................................................................
2
Hình 2.2: Sơ đồ chân PIC 16F887 ..........................................................................
4
Hình 2.3: Màn hình LCD 16x2 ...............................................................................
4
Hình 2.4: Sơ đồ chân của LCD 16x2......................................................................
5
Hình 2.5: IC thời gian thực DS1307 .......................................................................
6

Hình

2.6:

Sơ

đồ

chân

IC

DS1307 ........................................................................... 6
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý của IC DS1307 ............................................................
7
Hình 2.8: Điện trở ...................................................................................................
8
Hình 2.9: Cách đọc trị số điện trở ..........................................................................
9
Hình 2.10: Ký hiệu tụ điện .....................................................................................
9
Hình 2.11: Các ký hiệu biến trở ...........................................................................
11
Hình 2.12: Biến trở ...............................................................................................
11
Hình 2.13: Sơ đồ các chân của IC LM7805 .........................................................
12
Hình 2.14: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi .........................................................
13
Hình 2.15 ..............................................................................................................
13
Hình 2.16 ..............................................................................................................
14
Hình 2.17 ..............................................................................................................
15


Hình 2.18 ..............................................................................................................
16
Hình 2.19 ..............................................................................................................

16
Hình 2.20 ..............................................................................................................
17
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống .......................................................................
19
Hình 3.2: Khối nguồn 5V .....................................................................................
20
Hình 3.3: Adapter 5V 2A .....................................................................................
21
Hình
3.4:
Khối
vi
điều
khiển
PIC
16F887 ............................................................ 22
Hình 3.5: Khối nút nhấn .......................................................................................
23
Hình 3.6: Khối thời gian thực ...............................................................................
24
Hình 3.7:Khối hiển thị LCD .................................................................................
25
Hình 3.8: Khối chng báo ..................................................................................
25
Hình 3.9: Sơ đồ ngun lý tồn mạch ..................................................................
26
Hình 4.1: Hình ảnh kết nối các khối .....................................................................
28
Hình 4.2 ................................................................................................................

29


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Tên viết tắt t tắt t
(Xết tắt p theo ABC)
AC
DC
LED
IC
IoT

Tên tiết tắt ng Anh

Tên tiết tắt ng Việt t

Alternative Cirrrent
Alternative Cirrrent
Light EmittingDiode
Integrated Circuit
Internet of Things

GPIO

General-purpose
input/output

Dòng điện xoay chiềun xoay chiềuu
Dòng điện xoay chiềun một chiều t chiềuu
Đèn lêd

Mạch tích hợp ch tích hợp p
Mạch tích hợp ng lưới thơng minh i thơng minh
kết nối máy tính và t nối máy tính và i máy tính và
mạch tích hợp ng
Cổng đầu vào và ra vớing đầu vào và ra vớiu vào và ra với thơng minh i
mục đích cơ bản c đích cơ bản bản n

GPS

Global Positioning System

Hện xoay chiều thối máy tính và ng định vị tồn nh vịnh vị tồn toàn
cầu vào và ra vớiu

SPI

Serial Peripheral Interface

Giao diện xoay chiềun ngoạch tích hợp i vi nối máy tính và i
tiết nối máy tính và p

I2C

Inter-Integrated Circuit

Vi mạch tích hợp ch tích hợp p


truyềun thơng nối máy tính và i tiết nối máy tính và p
Hện xoay chiều điềuu hành

Cơng nghện xoay chiều giao tiết nối máy tính và p
tầu vào và ra vớim ngắn n

OS
NFC

Operating System
Near-Field
Communications

CSS

Cascading Style Sheets

PHP

Hypertext Preprocessor

I/O
MCU

Input/Output
Microprocessor Control
Unit
Universal Asynchronous
Receiver – Transmitter

Ngõ vào/ngõ ra
Khối máy tính và i vi điềuu khiển n

Liquid Crystal Display
Hyper Text Markup
Language
Hyper Text Transfer
Protocol

Màn hình tinh thển lỏngng
Ngơn ngữ lập trình đánh dất đồng bộ u
siêu văn bản n
Giao thức truyền siêuc truyềun siêu
văn bản n

Analog Digital Converter

Chuyển n đổng đầu vào và ra vớii tín hiện xoay chiềuu
tươ bản ng tự sang tín hiệu sang tín hiện xoay chiềuu
sối máy tính và

UART
LCD
HTML
HTTP
ADC hay A/D

Một chiều t dạch tích hợp ng file text với thông minh i
phầu vào và ra vớin tên mở rộng là rột chiều ng là
.css
Ngơn ngữ lập trình lập trình p trình
kịnh vị tồn ch bản n

Truyềun dữ lập trình liện xoay chiềuu nối máy tính và i
tiết nối máy tính và p bất đồng bộ t đồng bộ ng bột chiều



CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
Mạch đồng hồ điện tử sử dụng IC thời gian thực DS1307 hiển thị lên LCD ngày
giờ thực.
Ưu điểm của mạch là có thể chạy đúng ngày giờ dù đã ngắt nguồn, thêm vào đó là
mạch có phần báo thức giúp chúng ta có thể kiểm sốt và sử dụng thời gian 1 cách
hợp lý và hiệu quả nhất.
Mạch sử dụng vi điều khiển PIC16F887 là khối xử lý trung tâm. Hiển thị lên
LCD thời gian thực với bộ thời gian thực DS1307. Đồng thời có cịi báo khi đến
thời gian cài đặt, với 3 nút nhấn để thay đổi thời gian.

Hình 1.1: Mạch đồng hồ điện tử

1


CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
2.1. GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 16F887
PIC là vi điều khiển do hãng General Intrusment đặt tên viết tắt là “Programable
Intellegent Computer”, tạm dịch là “ Máy tính thơng minh khả trình” •
Cấu hình chung của vi điều khiển Pic16F887

Hình 2.1: PIC 16F887
Được hãng Microchip sản x́t, thuộc dịng PIC 16, có 5 port xuất nhập với 35
lệnh đơn. Thời gian thực hiện tất cả các lệnh là 1 chu kỳ máy, ngoại trừ lệnh rẽ

nhánh là hai lệnh.
Tốc độ hoạt động là :
▪

Ngõ vào xung clock có tần số 20MHz

▪

Chu kì thực hiện lệnh là 200ns.

VDK Pic 16F887 có hỗ trợ nhiều nguồn ngắt và 3 kiểu định địa chỉ trực tiếp, gián
tiếp, tức thời.
Cấu trúc đặc biệt của vi điều khiển là bộ dao động nội chính xác, sai số là ±1% ,
có thể lựa chọn tần số từ 31kHz đến 8MHz bằng phần mềm, có chuyển mạch
nguồn xung clock trong q trình hoạt động để tiết kiệm cơng śt. Chế độ ngủ
tiết kiệm công suất, dãy điện áp hoạt động rộng từ 2V đến 5V.
Bộ định thời chờ ổn định điện áp khi mới có điện ( Power up Timer – PWRT) và
bộ định thời chờ dao động hoạt động ổn định khi mới cấp điện ( Oscillator Star-up

2


Timer – OST), bộ định thời giám sát ( Watchdog Timer –WDT) dùng dao động
trong chip cho phép bằng phần mềm( có thể định thời lên đến 268 giây).
Cấu trúc nguồn cơng śt thấp:
▪

Chế độ chờ: dịng tiêu tán khoảng 50nA, sử dụng nguồn 2V.

▪

Dòng hoạt động: 11𝜇𝐴 ở tần số 32kHz, nguồn 2V; 220𝜇𝐴 ở tần số

4MHz, ngồn 2V.
▪

Bộ định thời Watchdog Timer khi hoạt động tiêu thụ 1.4 , điện áp

2V.
Cấu trúc ngoại vi:
▪

Có 35 chân I/O cho phép lựa chọn hướng độc lập, mỗi ngõ có thể

nhập/ cấp dịng lớn 25mA nên có thể trực tiếp điều khiển led, có các port báo ngắt
khi có thay đổi mức logic, port điện trở kéo lên có thể lập trình.
▪

Có cá module so sánh tương tự, 2 bộ so sách điện áp tương tự.

▪

Có 14 bộ chuyển đổi tương tự sang số với độ phân giải 10bit.

▪

Timer0: 8 bit hoạt động định thời, đếm xung ngoại, bộ chia trước có

thể lập trình.
▪

Timer 1: 16bit hoạt động định thời, đếm xung ngoại, bộ chia trước có

thể lập trình, bộ sao động công suất thấp 32kHz.
▪

Timer 2: 8 bit hoạt động định thời với thanh ghi chu kì, có bộ chia

trước và chia sau.
▪

Module capture, compare và điều chế PWM

▪

Lập trình I2C thông qua 2 chân, module truyền dữ liệu nối tiếp đồng

bộ MSSP hỗ trợ chuẩn truyền 3 dây SPI, chuẩn I2C ở chế độ chủ và tớ.

• Sơ đồ chân của PIC 16F887
Sơ đồ chân của PIC 16F887 được trình bày rõ ở hình 3 dưới đây.

3


Hình 2.2: Sơ đồ chân PIC 16F887

2.2. MÀN HÌNH LCD 16x2
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại màn hình LCD, tùy vào nhu cầu sử
dụng vào yêu cầu của mỗi người mà ta chọn loại LCD cho phù hợp. Ở mạch

đồng hồ thời gian thực ta chọn LCD 16x2. Sau đây là hình ảnh thực tế của LCD
16x2:

Hình 2.3: Màn hình LCD 16x2
LCD 16x2 đã được tích hợp sẵn các chân để người dùng có thể dễ dàng sử dụng,
sau đây là sơ đồ các chân của LCD:

4


Hình 2.4: Sơ đồ chân của LCD 16x2
Chức năng từng chân của LCD 16x2
Chân 1 : VSS Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND
của mạch điều khiển.
Chân 2 : VCC Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
VCC = 5v của mạch điều khiển.
Chân 3 : VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD
Chân 4 : RS Chân chọn thanh ghi (Register select).
Chân 5 : RW Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân RW với logic
“0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.
Chân 6 : E Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus
DB0DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.
Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên
trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E. Ở
chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên
(lowto-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E
xuống mức thấp.
Chân 7 – 14 : DB0 - DB7 có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :
Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường từ DB0-DB7, với bit MSB là
bit DB7.

5


Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7.
Chân 15 : A Nguồn dương cho đèn nền.
Chân 16 : K GND cho đèn nền.

2.3. IC THỜI GIAN THỰC DS1307
DS1307 là chip thời gian thực hay RTC (Read time clock). Chip này có 7 thanh
ghi 8 bit mỗi thanh ghi này chứa : Thứ , ngày, tháng, năm, giờ , phút, giây. Đây
là một IC tích hợp cho thời gian bởi vì tính chính xác về thời gian tuyệt đối cho
thời gian : Thứ, ngày,tháng, năm, giờ, phút, giây. DS1307 là chế tạo bởi Dallas.
Ngồi ra DS1307 cịn chứa 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi
trống các thanh ghi này có thể dùng như là RAM. DS1307 được đọc thông qua
chuẩn truyền thông I2C nên do đó để đọc được và ghi từ DS1307 thơng qua
chuẩn truyền thơng này. Nên cấu tạo bên ngồi nó rất đơn giản.

Hình 2.5: IC thời gian thực DS1307

Hình 2.6: Sơ đồ chân IC DS1307
Chip này có 8 chân và chúng ta hay dùng là dạng Dip và các chân nó được mơ tả
như sau:
6


+ X1 và X2 là đầu vào dao động cho DS1307. Cần dao động thạch anh
32.768Khz.
+ Vbat là nguồn nuôi cho chip. Nguồn này từ ( 2V- 3.5V) ta lấy pin có nguồn
3V. Đây là nguồn cho chip hoạt động liên tục khi khơng có nguồn Vcc mà

DS1307 vẫn hoạt động theo thời gian
+ Vcc là nguồn cho giao tiếp I2C. Điện áp cung cấp là 5V chuẩn và được dùng
chung với vi xử lý. Nếu mà Vcc khơng có mà Vbat có thì DS1307 vẫn hoạt động
bình thường nhưng mà không ghi và đọc được dữ liệu.
+ GND là nguồn Mass chung cho cả Vcc và Vbat
+ SQW/OUT là một ngõ ra phụ tạo xung dao động (xung vuông). Chân này tôi
nghĩ không ảnh hưởng đến thời gian thực nên chúng ta không sử dụng chân này
trong thời gian thực và bỏ trống chân này!
+ SCL và SDA là hai bus dữ liệu của DS1307. Thông tin truyền và ghi đều được
truyền qua 2 đường truyền này theo chuẩn I2C

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý của IC DS1307

2.4. ĐIỆN TRỞ
Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dịng điện của một vật
thể dẫn điện. Nó được định nghĩa là tỷ số của hiệu điện thế giữa hai đầu vật thể
đó với cường độ dịng điện đi qua nó:
𝑈
7


𝑅=
𝐼
Trong đó:
+ U là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn, đơn vị Volt (V)
+ I là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn, đơn vị Ampe (A)
+ R là điện trở vật dẫn, đơn vị Ohm (Ω) )

Hình 2.8: Điện trở

• Cách đọc giá trị điện trở
Quy ước màu quốc tế :
Màu sắc

Giá trị

Đen

0

Nâu

1

Đỏ

2

Cam

3

Vàng

4

Xanh lá

5

Xanh dương

6

Tím

7

Xám

8

8


Trắng

9

Nhũ vàng

-1

Nhũ bạc

-2

Bảng: Màu sắc và giá trị điện trở
+ Cách đọc trị số điện trở 4 vòng màu được mơ tả qua hình 2.25 sau đây:

Hình 2.9: Cách đọc trị số điện trở

2.5. TỤ ĐIỆN
Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện
được ngăn cách bởi điện mơi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề
mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.

Hình 2.10: Ký hiệu tụ điện
Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng
điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay

9


chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ
điện trong mạch điện xoay chiều.
Điện dung là đại lượng vật lý nói lên khả năng tích điện giữa hai bản cực
của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm
chất điện mơi và khong cỏch gi hai bn cc theo cụng thc:


ì0


Trong ú,
ã

C: là điện dung tụ điện, đơn vị là Fara [F]

•

ε: Là hằng số điện mơi của lớp cách điện;

•

ε0: Là hằng số điện thẩm;

•

d: là chiều dày của lớp cách điện;

•

S: là diện tích bản cực của tụ điện.
Đơn vị của đại lượng điện dung là Fara [F].
Tụ điện có nhiều loại: Tụ điện phân cực (Hầu hết là tụ hố, có phân cực

dương âm rõ rang khi nối phải nối đúng cực), tụ điện không phân cực (tụ giấy, tụ
gốm, tụ mica, khơng xác định cực tính), tụ có giá trị biến đổi( tụ xoay, có thể thay
đổi giá trị điện dung).

2.6. BIẾN TRỞ
Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn.
Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của
mạch điện.
Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của
dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi,
ánh sáng hoặc bức xạ điện từ, ...
10

Ký hiệu biến trở:

Hình 2.11: Các ký hiệu biến trở

Hình 2.12: Biến trở

2.7. IC LM7805
Thông số kỹ thuật của LM7805:
- Cơng śt cực đại:2W. Dịng cực đại 1A.
- Một số điểm lưu ý khác:
- Áp lối ra có thể đạt giá trị nào đó trong khoảng 4.8--5.2 V. Nếu đo được áp là
4.85V thì khơng nên nói là IC bị hỏng. 7805 là ic ổn áp 5V cho ra điện áp 5VDC,
78xx là loại dòng IC dùng để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện đầu vào
luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V.

Hình 2.13: Sơ đồ các chân của IC LM7805
11