Đề tài: Thiết kế mạch hiển thị dùng ma trận Led sử dụng họ VĐK MCS51

Đề tài: Thiết kế mạch hiển thị dùng ma trận Led. Sử dụng họ VĐK MCS51

1, Dương Văn Đạt
2, Khổng Văn Hải
3, Nguyễn Xuân Huy
4, Nguyễn Khắc Việt

Nhóm Trưởng

Nhiệm vụ thiết kế :
Dùng 2 modul ma trận Led 8x8 (3 màu xanh, đỏ, vàng)
• Có ma trận 16 phím bao gồm:
- 1 phím dừng toàn bộ hiển thị nếu đang ở 1 trong các chế độ hiển thị. Led ở
trạng thái tắt.
- 3 phím chọn chế độ màu hiển thị.
- 1 phím chọn chế độ hiện thị số hay chữ. Mặc định ban đầu là hiển thị số.
- 1 phím cho phép hiển thị chữ hoa hay chữ thường. Mặc định ban đầu là hiện
thị chữ hoa.
- 10 phím tương ứng với số 0 ÷ 9 trong chế độ hiện thị số hoặc chữ từ A ÷ K
hay a ÷ k tùy theo tưng chế độ cụ thể.
• Hiển thị được dòng chữ chạy: ” LỚP D7 CNTD1 TRƯỜNG ĐHĐL”
• Kết nối máy tính. Giao diện
Yêu cầu: • Chương 1: Đặt vấn đề và nhiệm vụ thư.
(1 tuần)
• Chương 2: Tổng quan về phương pháp điều khiển Led ma trận.
(2 tuần)
•

• Chương 3: Thiết kế phần cứng.
• Chương 4: Thiết kế phần mềm.
• Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển.

(2 tuần)
(2 tuần)
(1 tuần)


LỜI MỞ ĐẦU

Trong đời sống hiện nay, ta có thể gặp đèn Led ở bất kì nơi đâu, đèn Led được ứng
dụng trong quảng cáo, phát sáng,... trong đó quảng cáo luôn là một trong các vấn đề quan
trọng trong sự phát triển của một công ty, doanh nghiệp tùy theo mục đích người sử dụng.
Quảng cáo tốt sẽ đem nhiều lợi ích to lớn. Một trong những biện pháp được ưa dùng hiện nay
đó là sử dụng bảng quảng cáo bằng đèn Led, vì sự đơn giản, hiện đại, bắt mắt, chi phí hợp lí
cũng như tính hiệu quả của nó. Những bảng thông tin, cổng chảo hay những bảng Led quảng
cáo với màu 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 có thể hiển thị các hình ảnh đồ họa, các hình ảnh đầy đủ màu sắc và đặc biệt có thể hiển
thị được cả video. Nó cũng không chỉ giới hạn trong việc quảng cáo trong nhà, bán ngoài trời
mà còn có thể quảng cáo ở ngoài trời, ngay giữa ban ngày với độ sáng và độ sắc nét cao.
Do vậy, nhóm em nghiên cứu và tìm hiểu về đề tài: " Thiết kế mạch hiển thị dùng ma
trận Led. Sử dụng họ VĐK MCS51 ".
Trong thời gian làm đồ án nhóm em luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình chỉ bảo của
các thầy cô và bạn bè, đặc biệt là cô Bùi Thị Duyên đã giúp nhóm em hoàn thành đồ án một
cách tốt nhất. Tuy nhiên do trình độ chúng em còn hạn chế và thời gian có hạn nên bản đồ án
của chúng em còn nhiều thiếu sót. Em kính mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô
giáo và các bạn để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC


1 CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ
1.1. Đặt vấn đề:
Quảng cáo luôn là một trong các vấn đề đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của
một công ty, doanh nghiệp hay thậm chí là một của hàng.Quảng cáo tốt sẽ đem lại nhiều
lợi ích to lớn.Cũng chính vì vậy mà không ngạc nhiên khi hàng năm các doanh nghiệp,
công ty đầu tư rất nhiều cho lĩnh vực này. Một trong những biện pháp được sử dụng phổ
biến hiện nay là sử dụng bảng quảng cáo bằng đèn LED, vì sự đơn giản, hiện đại, bắt mắt
và chi phí hợp lý cũng như tính hiểu quả cao của nó. Những bảng thông tin, cổng chào hay
những bảng LED quảng cáo với nhiều màu sắc sặc sỡ, bắt mắt, gây nhiều chú ý chắc chắn
không còn xa lạ đối với người dân đặc biệt trong các thành phố, thị trấn…
Quảng cáo bằng đèn LED hiện nay được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành, nhiều
lĩnh vực. Nó không chỉ giới hạn với việc hiển thị các dòng chữ, các biển hiệu nhấp nháy
mà còn có thể hiện thị các hình ảnh đồ họa, các hình ảnh đầy đủ màu sắc và đặc biệt là có
thể hiện thị cả video. No cũng không còn giới hạn trong việc quảng cáo trong nhà, bán
ngoài trời, mà còn có thể quảng cáo ở cả ngoài trời, ngay giữ ban ngày với độ sáng và độ
sắc nét cao.
Từ những nhưng cầu thực tế, dựa trên những gì đã được học trên lớp và tham khảo tìm
hiểu ngoài thực tế chúng em đã nhận đề tài : “Thiết kế mạch hiển thị dùng ma trận
Led” làm đề tài nghiên cứu và tiến hành thực tập.
1.2. Nhiệm vụ thư:
Với đề tài này chúng em sử dụng:
•

Sử dụng họ VĐK MCS51

•

Dùng 2 modul ma trận Led 8x8 (3 màu xanh, đỏ, vàng)

•

Có ma trận 16 phím bao gồm:
-

1 phím dừng toàn bộ hiển thị nếu đang ở 1 trong các chế độ hiển thị. Led ở
trạng thái tắt.

-

3 phím chọn chế độ màu hiển thị.

-

1 phím chọn chế độ hiện thị số hay chữ. Mặc định ban đầu là hiển thị số.

-

1 phím cho phép hiển thị chữ hoa hay chữ thường. Mặc định ban đầu là hiện
thị chữ hoa.


-

10 phím tương ứng với số 0 ÷ 9 trong chế độ hiện thị số hoặc chữ từ A ÷ K
hay a ÷ k tùy theo tưng chế độ cụ thể.

•

Hiển thị được dòng chữ chạy: ” LỚP D7 CNTD1 TRƯỜNG ĐHĐL”

•

Kết nối máy tính.


1

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN LED MA TRẬN

2.1 Khái quát chung về LED
2.1.1

Lịch sử hình thành đèn LED
Sự xuất hiện của đèn LED 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, bảng quảng cáo,…
Đèn LED đã có mặt từ những thập niên 60, nhưng mà hầu hết chỉ dùng hiển 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. Đến năm 1993, công ty hóa 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 để 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 lí
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 để phát triển đèn LED ánh sáng
trắng.
• Những năm 2000: Thời điểm bùng nổ đèn LED chiếu sáng.
2.1.2 .Khái niệm về LED
LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là Diode phát quang) là các diode có khả
năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như diode, LED được cấu tạo
từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n.
2.1.3 Phân loại LED:
- Có nhiều phương pháp và cách phân loại LED, tuy nhiên nếu theo công dụng thì người ta
phân thành 2 loại:
+ LED trong nhà (LED indoor): Cường độ sáng yếu, góc nhìn hẹp, công suất nhỏ ...
+ LED ngoài trời (LED outdoor): Cường độ sáng mạnh, góc nhìn rộng, công suất lớn và kích
thước lớn hơn so với LED trong nhà ...


Hình 2.2. Các hình dạng LED phổ biến
2.1.4 Cấu tạo LED đơn và nguyên lý hoạt động
- Bản chất LED: Là một diot phát quang, khi có dòng điện chạy qua... phát ra ánh sáng trong
dải tần nhìn được.
- Điện áp rơi trên LED trong khoảng từ 1,7 đến 2,4 V.
- Dòng điện chạy qua LED trong khoảng 1 đến 20 mA.
•Cấu tạo LED đơn:

Hình 2.1 Sự chuyển dời của hạt điện và lỗ qua mối nối PN và cấu tạo của một LED đơn
•Nguyên tắc hoạt động của LED đơn:
- Hình vẽ cho thấy Led được cấu tạo từ một mối nối bán dẫn PN, khi chất bán dẫn Silicon cho
pha Indium (có 3 nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ có một nối thiếu điện
tử và cho ra 1 lỗ trống) chúng ta sẽ có chân bán dẫn loại P và khi cho pha với Phosphor (có 5

nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ dư ra 1 hạt điện tử), chúng ta có chân N.


- Chất bản dẫn loại P tạo điều kiện dẫn điện bằng các lỗ trống, đó chính là các nối hóa trị thiếu
điện tử. Còn chất bán dẫn loại N có điểu kiện dẫn điện là do các điện tử tự do (điện tử dư ra
do phosphor có 5 điện tử hóa trị mà trong kết nối tinh thể chỉ cần có 4).
- Khi mối nối PN được cho phân cực thuận với nguồn pin ngoài, một dòng điện kích thích khi
chảy qua mối nối bán dẫn PN sẽ tạo các dao động của các điện tử (Bạn xem hình) và các dao
động này sẽ phát ra sóng điện từ trường đó chính là các tia sáng. Tóm lại Led có 2 chân, gọi là
chân âm cực hay Catode ( do chân này cho nối vào cực âm của pin) và chân dương cực hay
Anode (do chân này cho nối vào cực dương của pin), khi chúng ta cho dòng điện chảy qua
một Led nó sẽ phát ra chùm tia sáng, và để có điềm sáng đủ mạch, chúng ta dùng vật liệu
nhựa trong suốt làm kính hội tụ.

2.2 Giao tiếp với LED ma trận:
2.2.1. Bản chất LED ma trận:
Ma trận LED bao gồm nhiều LED đơn cùng nằm trong một vỏ, chia thành nhiều hàng và
nhiều cột. Theo đó giao điểm của mỗi hàng và cột là một điểm sáng. Kích thước của LED ma
trận có nhiều loại mudule như : 8x8 , 5x7 , ...

Hình 2.4. Ví dụ một module ma trận LED 5x7
2.2.2. Phân loại LED ma trận:
Ma trận LED bao gồm 2 loại:
- Loại đơn sắc: Trong đó mỗi điểm sáng trên ma trận LED chỉ có một LED. Thường ma trận
LED đơn sắc có màu đỏ hoặc màu xanh.
- Loại đa sắc: Trong đó mỗi điểm sáng có ít nhất từ 2 LED trở lên. Tùy theo yêu cầu thực tế,
công năng sử dụng mà mỗi điểm sáng có thể gồm:
+ Một LED màu xanh lục + một LED màu đỏ.

+ Một LED màu xanh lục + một LED màu xanh lơ + một LED màu đỏ.
+ Một LED màu xanh lục + một LED màu xanh lơ + hai LED màu đỏ.
Với loại ma trận mà mỗi điểm sáng gồm một LED màu xanh lục + một LED màu đỏ thì điểm
sáng hiển thị màu xanh nếu LED đỏ tắt, màu đỏ nếu LED xanh tắt, màu vàng nếu cả hai LED
sáng và tắt nếu cả hai LED cùng tắt.
2.2.3 Cấu tạo một ma trận LED
- Ma trận LED gồm nhiều LED đơn bố trí thành hàng và cột trong một vỏ. Các tín hiệu điều
khiển cột được nối với Anode trên tất cả các LED trên cùng một cột. Các tín hiệu điều khiển
hàng cũng được nối với Catode của tất cả các LED trên cùng một hàng như hình vẽ :

Hình 2.5. Một ma trận LED cỡ 4x4


Hình 2.6. Ma trận LED cỡ 8x8

2.2.4 Nguyên lý hoạt động:
- Dựa trên nguyên tắc quét màn hình, ta có thể thực hiện việc hiển thị ma trận đèn bằng cách
quét theo hàng và quét theo cột. Mỗi LED trên ma trận LED có thể coi như một điểm ảnh. Địa
chỉ của mỗi điểm ảnh này được xác định đồng thời bởi mạch giải mã hàng và giải mã cột,
điểm ảnh này sẽ được xác định trạng thái nhờ dữ liệu đưa ra từ bộ vi điều khiển AT 89C52
thuộc họ vi điều khiển MCS51 được sử dụng trong đồ án của chúng em. 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 điểm ảnh tiếp theo thì các điểm ảnh còn lại sẽ chuyển vè trạng thái tắt (nếu
LED đang sáng thì sẽ tắt dần). Vì thế để hiển thị được toàn bộ hình ảnh của ma trận đèn, ta có
thể quét ma trận nhiều lần 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 đổi nhỏ của đèn mà sẽ thấy được toàn bộ hình ảnh cần hiển thị.
- Khi có một tín hiệu điều khiển ở cột và hàng, các chân Anode của các LED trên cột tương
ứng được cấp điện áp cao, đồng thời các chân Catode của các LED trên hàng tương ứng được
cấp điện áp thấp. Tuy nhiên lúc đó chỉ có một LED sáng, vì nó có đồng thời điện thế cao trên

Anode và điện thế thấp trên Catode. Như vậy khi có một tín hiệu điều khiển hàng và cột thì tại


một thời điểm chỉ có duy nhất một LED tại chỗ gặp nhau của hàng và cột là sáng. Các bảng
quáng cáo với số lượng LED lớn cũng được thiết kế như vậy.
+ Trong trường hợp ta muốn cho sáng đồng thời một số LED rời rạc trên ma trận, để hiện thị
một kí tự nào đó, nếu trong hiển thị tĩnh ta phải cấp áp cao cho Anode và áp thấp cho Catode,
cho LED tương ứng mà ta muốn sáng. Nhưng khi đó một số LED ta không mong muốn cũng
sẽ sáng, miễn là nó nằm tại vị trí gặp nhau của các cột và hàng mà ta cấp nguồn. Vì vậy trong
điều khiển LED ma trận ta không thể sử dụng phương pháp hiển thị tĩnh mà phải sử dụng
phương pháp quét (hiển thị động), có nghĩa là ta phải tiến hành cấp tín hiệu điều khiển theo
dạng xung quét trên các hàng và cột cần hiển thị. Để cho mắt nhìn thấy các LED không bị
nháy, thì tần số quét nhỏ nhất của mỗi chu kì là khoảng 20Hz (50ms). Trong lập trình điều
khiển LED ma trận bằng vi xử lí ta cũng phải sử dụng phương pháp quét như vậy.
+ Ma trận LED có thể là loại chỉ hiển thị được một màu hoặc hiển thị được 2 màu trên một
điểm, khi đó LED có số chân ra tương ứng: đối với LED 8x8 hiển thị một màu, thì số chân ra
là 16, trong đó 8 chân dùng để điều khiển hàng và 8 chân còn lại dùng để điều khiển cột. Đối
với loại 8x8 có 2 màu thì số chân ra của LED là 24 chân, trong đó có 8 chân dùng để điều
khiển cột (hoặc hàng) chung cho cả hai màu, 16 chân còn lại thì 8 chân dùng để điều khiển
hàng (hoặc cột) màu thứ nhất, 8 chân còn lại dùng để điều khiển màu thứ hai. Đối với loại
8x8 3 màu cũng tương tự như vậy với số chân ra của LED là 32.

2.3 Các phương pháp kết nối để điều khiển LED ma trận:
2.3.1 Phương pháp chốt:
Điều khiển LED ma trận bằng phương pháp chốt giúp cho người lập trình thay đổi cách thức
quét và hiển thị một cách linh hoạt và nhanh chóng.
• Chốt hàng :
Chốt hàng là phương pháp trong một khoảng thời gian xác định chỉ có một cột được tích cực,
dữ liệu được đưa ra 8 hàng rồi chốt lại, dữ liệu được hiển thị trên màn hình LED ma trận. Sau
đó dữ liệu kế tiếp được đưa ra 8 hàng và được chốt lại bởi một IC khác, trong khi đó dữ liệu

trước đó vẫn hiện diện tại ngõ ra của IC chốt. Như vậy dữ liệu của hàng nào được đưa ra đúng
địa chỉ của hàng đó trong khi các dữ liệu của các hàng khác vẫn hiện diện trên hàng mà không
bị mất đi.
• Chốt cột :
Chốt cột là phương pháp trong một khoảng thời gian xác định chỉ có một hàng được tích cực,
dữ liệu được đưa ra 8 cột rồi chốt lại, dữ liệu được hiển thị trên màn hình LED ma trận. Sau
đó dữ liệu được đưa ra 8 cột kế tiếp và được chốt lại bởi một IC chốt khác, trong khi đó dữ
liệu trước đó vẫn hiện diện tại ngõ ra của IC chốt. Như vậy dữ liệu của cột nào được đưa ra


đúng địa chỉ của cột đó trong khi các dữ liệu của các cột khác vẫn hiện diện trên cột mà không
bị mất đi.
• Ưu và nhược điểm của phương pháp dùng IC chốt:
- Ưu điểm:
+ Mở rộng số hàng, số cột của bảng quang báo.
+ Dữ liệu được truyền đi nhanh.
+ Chuyển đổi cách quét hàng, cột một cách linh hoạt.
- Nhược điểm:
+ Tạo bảng mã khó khăn.
+ Khó khăn trong việc lập trình xuất dữ liệu ra.
2.3.2 Phương pháp sử dụng thanh ghi dịch:
a. Quét hàng:
- Quét hàng là phương pháp mà trong một khoảng thời gian xác định chỉ cho một hàng được
tích cực hiển thị trong khi các hàng khác đều tắt, các hàng được quét (tích cực) tuần tự ở các
khoảng thời gian kế tiếp nhau được lặp lại nhiều lần với tốc độ lớn hơn 24 hình/s sẽ cho ta
một hình ảnh liên tục cần hiển thị trên màn hình LED ma trận.
Ví dụ hiển thị chữ B lên màn hình LED ma trận ( hàng được tích cực ở mức 1, cột được tích
cực ở mức 0).

Hình 2.7. Hiển thị chữ B trên LED ma trận dùng phương pháp quét hàng

Dữ liệu thứ nhất có giá trị : 11111111 được đưa ra cột tích cực hàng thứ nhất (điều khiển hàng
thứ nhất cho ra giá trị 1); dữ liệu thứ hai có giá trị 00001111 đưa ra cột, tích cực hàng thứ hai;
dữ liệu thứ 3 có giá trị: 01110111 đưa ra cột, tích cực hàng thứ ba; dữ liệu thứ 4 có giá trị:
01110111 đưa ra cột, tích cực hàng thứ 4; tiếp tục dữ liệu hàng thứ 5 có giá trị: 00001111 đưa


ra cột, tích cực hàng thứ 5; kế tiếp là dữ liệu hàng thứ 6 có giá trị: 01110111 được đưa ra cột,
tích cực hàng thứ 6; dữ liệu của hàng thứ 7 có giá trị: 01110111 đưa ra cột, tích cực hàng thứ
7; dữ liệu thứ 8 có giá trị: 00001111 đưa ra cột, tích cực hàng thứ 8. Như vậy toàn bộ dữ liệu
của chữ B đã được đưa ra hiển thị trên màn hình LED ma trận. Quá trình trên được diễn ra rất
nhanh >24 hình/s nên chúng ta có cảm giác nó diễn ra một cách đồng thời nhờ đó mà chúng ta
quan sát được trên màn hình LED ma trận là một chữ B liên tục.
b. Quét cột
Phương pháp quét cột là phương pháp mà trong khoảng thời gian xác định chỉ có một cột
được tích cực hiển thị trong khi các cột khác đều tắt, các cột được quét (tích cực) tuần tự ở các
khoảng thời gian kế tiếp nhau được lặp lại nhiều lần với tốc độ >24 hình/s sẽ cho ta một hình
ảnh liên tục cần hiển thị trên màn hình LED ma trận.
Ví dụ hiển thị chữ B lên màn hình LED ma trận

Hình 2.8. Hiển thị chữ B trên LED ma trận dùng phương pháp quét cột
Dữ liệu thứ nhất có giá trị : 1111110 được đưa ra hàng, tích cực cột thứ nhất (điều khiển cột
thứ nhất cho ra giá trị 0); dữ liệu thứ hai có giá trị 10010010 đưa ra hàng, tích cực cột thứ hai;
dữ liệu thứ 3 có giá trị: 10010010 đưa ra hàng, tích cực cột thứ ba; dữ liệu thứ 4 có giá trị:
10010010 đưa ra hàng, tích cực cột thứ 4; tiếp tục dữ liệu hàng thứ 5 có giá trị: 01101100 đưa
ra hàng, tích cực cột thứ 5; kế tiếp là dữ liệu hàng thứ 6 có giá trị: 0000000 được đưa ra hàng,
tích cực cột thứ 6; dữ liệu của hàng thứ 7 có giá trị: 0000000 đưa ra hàng, tích cực cột thứ 7;
dữ liệu thứ 8 có giá trị: 0000000 đưa ra hàng, tích cực cột thứ 8. Như vậy toàn bộ dữ liệu của
chữ B đã được đưa ra hiển thị trên màn hình LED ma trận. Quá trình trên được diễn ra rất
nhanh >24 hình/s nên chúng ta có cảm giác nó diễn ra một cách đồng thời nhờ đó mà chúng ta
quan sát được trên màn hình LED ma trận là một chữ B liên tục.

c.Ưu và nhược điểm của phương pháp
• Ưu điểm:
- Tiết kiệm đường truyền, hiệu quả kinh tế.
- Tiết kiêm chân PORT.
- Truyền dữ liệu đi xa hơn.
- Mở rộng bảng ma trận lên một cách dễ dàng.
- Lập trình dễ dàng trong phương pháp quét cột.
• Nhược điểm:
- Tốn thời gian để thực hiện việc truyền dữ liệu đến các cột.
- Chuyển đổi không linh hoạt bằng phương pháp chốt.
- Lập trình khó khăn hơn khi sử dụng phương pháp quét hàng.

2.4 Ứng dụng của đèn LED:
+ Đèn chiếu sáng sử dụng các LED phát ánh sáng trắng.
+ LED được dùng để làm bộ phận hiển 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.
+ Các LED phát ra tia hồng ngoại được dùng trong các thiết bị điều khiển từ xa cho đồ điện tử
dân dụng.
+Đèn LED có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như đèn đọc, chiếu sáng bể bơi, nhất là
cho chiếu sáng quảng cáo ngoài trời tại những nơi khó thay lắp, do có tuổi thọ cao hơn nhiều
lần so với bóng đèn neon, đồng thời có nhiều màu sắc phong phú như: đỏ, xanh lá, xanh da
trời, màu hổ phách, …
Ở nước ta, đèn LED được ứng dụng để 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 Nẵng).

2.5 Tổng quan các bảng LED trong thực tế:
Ngày nay, đèn LED được ứng dụng nhiều trong thực tế như làm bảng quảng cáo, trang trí,...

Hình 2.9 Đèn chiếu sáng sử dụng các LED phát ánh sáng trắng


Hình 2.10 LED được dùng làm biển quảng cáo, đèn giao thông

Hình 2.11 Đèn LED dùng để trang trí


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.1

Phương pháp điều khiển đèn LED

Theo yêu cầu của đồ án: Thiết kế mạch hiển thị dùng ma trận LED. Hiển thị dòng chữ chạy “
LỚP D7 CNTD1 TRUONG ĐHĐL “ và kết nối với máy tính. Mạch dùng 2 modul ma trận
với kích thước mỗi modul là 8x8 LED tương đương với một LED ma trận có kích thước 8x8.
Sau đó ta điều khiển theo nguyên tắc của LED ma trận.
3.1.1

Cơ sở lý thuyết

Dựa trên nguyên tắc quét màn hình, ta có thể thực hiện việc hiển thị ma trận đèn bằng cách
quét theo hàng và quét theo cột. Mỗi LED trên ma trận LED có thể coi như một điểm ảnh. Địa
chỉ của mỗi điểm ảnh này được xác định đồng thời bởi mạch giải mã hàng và giải mã cột,
điểm ảnh này sẽ được xác định trạng thái nhờ dữ liệu đưa ra từ bộ vi điều khiển AT 89C52
thuộc họ vi điều khiển MCS51. 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 điểm ảnh tiếp theo thì các
điểm ảnh còn lại sẽ chuyển vè trạng thái tắt (nếu LED đang sáng thì sẽ tắt dần). Vì thế để hiển
thị được toàn bộ hình ảnh của ma trận đèn, ta có thể quét ma trận nhiều lần 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 đổi nhỏ của đèn mà sẽ thấy
được toàn bộ hình ảnh cần hiển thị.
Sơ đồ khối:
Giải mã cột

Dữ liệu

Giải mã hàng

Ma trận đèn
LED


Hình 3.1.Sơ đồ khối dùng ma trận LED

Để thực hiện 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 môt ma trận LED đơn giản 4x4 như sau:

Hình 3.2.Sơ đồ thiết kế ma trận LED cỡ 4x4
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 nối 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 8x8 LED để hiển thị.
Ta có sơ đồ nguyên lý của ma trận LED 8x8:

Hình 3.3.Sơ đồ nguyên lý ma trận LED 8x8

Giới thiệu chung về hệ thống
Với mục đích tìm hiểu về cách thiết kế hiển thị LED dòng chữ chạy có điều khiển chúng em
3.1.2

xây dựng một hệ thống với sơ đồ khối như sau:

Giao tiếp với
máy tính
Điều khiển
hiển thị
Chốt dữ liệu cột

Chốt dữ liệu
hàng
Khuyếch đại

Khuyếch đại

công suất hàng

công suất cột
LED ma trận


Hình 3.4.Sơ đồ khối hệ thống
-Khối giao tiếp với máy tính: có chức năng trao đổi dữ liệu giữa máy tính và vi điều khiển,

truyền các dữ liệu như nội dung hiển thị, màu sắc hiển thị, hiệu ứng hiển thị, … đến vi điều
khiển, đồng thời nhận các dữ liệu đó tại vi điều khiển để có thể điều khiển hiển thị như mong
muốn. Do đó, khối này khi thực hiện gồm có một phần mềm sử dụng trên máy tính có chức
năng giao tiếp với người dùng để chọn các thông số cần truyền tới vi điều khiển và một số thủ
tục để nhận dữ liệu tại vi điều khiển. Các dữ liệu này sẽ được khối điều khiển hiển thị xử lí để
có thể điều khiển ma trận LED hiển thị nội dung cũng như hiệu ứng mong muốn.
- Khối điều khiển hiển thị: Có chức năng xử lí các dữ liệu mà máy tính truyền tới để tạo ra các
dữ liệu về mức logic cần cấp cho các LED trong từng cột đồng thời điều khiển quá trình cấp
nguồn cho LED mâ trận. Khối này được xây dựng bằng các thủ tục xử lí dữ liệu trên vi điều
khiển. Khi nhận được dữ liệu về chuỗi kí tự cần hiển 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 dữ liệu hàng và cột.
- Khối chốt dữ liệu hàng: có chức năng chốt các giá trị logic cấp nguồn cho các hàng của ma
trận. Khối này gồm một chuỗi các bộ IC 74HC595 mắc nối tiếp.Dữ liệu về mức logic của các
hàng và tín hiệu báo chốt dữ liệu sẽ được khối điều khiển hiển thị gửi đến.Các dữ liệu này sẽ
được chốt lại tại đầu ra của khối cho đến khi dữ liệu mới được yêu cầu chốt.
- Khối chốt dữ liệu cột: có chức năng chốt các giá trị logic cấp nguồn cho các cột của ma trận.
Khối này được thực hiện bằng cách sử dụng IC 74HC138.Dữ liệu về mức logic của các cột sẽ
được khối điều khiển hiển thị gửi đến phù hợp với dữ liệu của các hàng để có thể hiển thị
đúng như mong muốn.Các dữ liệu này sẽ được chốt lại tại đầu ra của khối cho đến khi dữ liệu
mới được yêu cầu chốt.
- Khối khuyếch đại công suất hàng: có chức năng đảm bảo cấp đủ nguồn cho các hàng của
LED ma trận, đồng thời hạn chế dòng chạy qua chân của các IC chốt dữ liệu hàng. Để đảm
bảo chức năng này khối này gồm các IC ULN 2803 mắc nối tiếp với các IC 74HC595.
-Khối khuyếch đại công suất cột: có chức năng đảm bảo cấp đủ nguồn cho các cột của LED
ma trận, đồng thời hạn chế dòng chạy qua các chân của các IC chốt dữ liệu cột. Để đảm bảo
chức năng này khối được xây dựng gồm các transistor B562.Cực B của các transistor được
điều khiển bởi IC 74HC138.

3.1.3 Sơ đồ khối của mạch hiển thị dùng ma trận LED

Khối đệm dòng

Khối điều khiển
LED

Khối giải mã

Khối kết nối VĐK
với PC

Khối nguồn

Khối điều khiển

Khối giao tiếp với
VĐK

a. Khối điều khiển :
Đây là khối điều khiển chính của bảng điện tử với bộ xử lí trung tâm là vi điều khiển
AT89C52. Khối điều khiển là khối 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.
Dựa trên nguyên lý và yêu cầu công việc, khối điều khiển được thiết kế như sau:
Trung tâm của khối điều khiển cũng là thành phần chính của khối điều khiển là vi điều khiển
AT89C52, vi điều khiển này sẽ điều khiển mọi hoạt động của khối điều khiển, vi điều khiển
được chế tạo trên công nghệ SRAM có khả năng lưu trữ chương trình lớn. Vi điều khiển có

thể được lập trình bằng ngôn ngữ ASSEMBLY hoặc ngôn ngữ C để thực hiện chức năng cần
thiết. Ưu điểm của việc sử dụng vi điều khiển là:
Nhanh chóng xây dựng được các thiết bị điều khiển cần thiết với các chức năng phức tạp dựa
vào các công cụ thiết kế mạch và ngôn ngữ lập trình.
Vi điều khiển thực hiện đọc dữ liệu từ RAM đẩy dữ liệu ra khối quét dòng thông các chân
Port 1 là AD0, AD1, AD2, AD3, AD4, AD5, trong đó AD0 - AD3 là các tín hiệu chọn dòng.
Mặt khác vi điều khiển đẩy dữ liệu ra khối hiển thị qua các chân của Port 1 là: AD3, AD4,


AD5. Trong đó AD3 là chân tín hiệu CLK dùng để đưa dữ liệu thanh ghi dịch của các IC
74HC595, AD4 là chân tín hiệu dùng để chốt dữ liệu vào thanh ghi dịch của các IC đó, chân
còn lại là AD5 là chân tín hiệu điều khiển cho các hàng của khối hiển thị.

Hình 3.5.Vi điều khiển đọc dữ liệu từ RAM đẩy dữ liệu ra khối quét dòng
Gồm có bộ vi điều khiển AT89C52 và các khối chức năng khác như mạch reset, mạch dao
động. Đây là nơi lưu giữ 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 nối 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.
* Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C52:


Hình 3.6.Sơ đồ chân IC 89S52
-Vcc: Chân cung cấp 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 dữ liệu đa hợp trong khi truy xuất bộ nhớ dữ 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 kiểm tra chương trình.

- 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 bởi các điện trở
kéo lên bên trong và có thể 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 sẽ 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.
- Port3: 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 AT89S52:
P3.0 ngõ vào Port nối tiếp.
P3.1 ngõ ra Port nối tiếp.
P3.2 ngõ vào ngắt ngoài 0.
P3.3 ngõ vào ngắt ngoài 1.
P3.4 ngõ vào bên ngoài của bộ định thời 1.
P3.5 ngõ vào bên ngoài của bộ định thời 0.
P3.6 điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài.
P3.7 điều khiển 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.

Hình 3.7.Mạch reset tự động khi khởi động máy
Với bài này chúng em thực hiện Reset bằng cách nối chân 9 của 89C52 với nguồn 5V.
- ALE: ALE là một xung ngõ ra cho phép chốt địa chỉ ALE (AddressLatch 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 bằng 1/6 tần số của mạch dao động trên


chip, có thể được sử dụng cho các mục đích định thời từ bên ngoài và tạo xung Clock. Tuy
nhiên cần lưu ý là một xung ALE sẽ bị bỏ qua trong mỗi 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
đượckéo 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 chương 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. Để 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: C1 = C2 =33pF.
Trong bài 2 chân XTAL1 và XTAL2 được nối với mạch dạo động như sau:

Hình 3.8. Khối mạch dao động
Ta có sơ đồ cụ thể của khối điều khiển :