Thiết kế mạch đồng hồ và đo nhiệt độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
====o0o====

BÁO CÁO

BÀI TẬP LỚN VI XỬ LÝ
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ
VÀ ĐO NHIỆT ĐỘ

Nhóm: 03 – TC406 – kỳ 20142
GVHD: PGS.TS. PHẠM NGỌC NAM


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

Hà Nội, 6/2015
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
====o0o====

BÁO CÁO

BÀI TẬP LỚN VI XỬ LÝ
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ

VÀ ĐO NHIỆT ĐỘ

Nhóm: 03 – TC406 – kỳ 20142
GVHD: PGS.TS. PHẠM NGỌC NAM

2


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

Hà Nội, 6/2015
NHÓM 03 – TC406

Thành viên (#1 là trưởng nhóm):
STT

Họ và Tên

MSSV

1

Nguyễn Việt Anh

20121228

2

Trần Trung Hiếu

20121698

3

Đào Tuấn Minh

20121072

4

Trịnh Văn Tiến

20122558

Điểm

Nhận xét (phần GVHD ghi):
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

3


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................................................... 4

DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................................... 5
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1: MÔ TẢ ĐỀ TÀI .......................................................................................................... 7
1.1

Yêu cầu chức năng ............................................................................................................. 7

1.2

Yêu cầu phi chức năng ....................................................................................................... 7

1.3

Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................................... 7

1.4

Kế hoạch thực hiện và phân chia công việc ....................................................................... 8

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG .............................................................................................. 9
Chương2. ...................................................................................................................................... 9
2.1

Khối nguồn......................................................................................................................... 9

2.2

Khối điều khiển .................................................................................................................. 9

2.3

Khối Setup........................................................................................................................ 12

2.4

Khối đo nhiệt độ............................................................................................................... 13

2.5

Khối thời gian thực .......................................................................................................... 14

2.6

Khối hiển thị..................................................................................................................... 15

2.7

Khối báo thức ................................................................................................................... 17

2.8

Hoàn thiện sản phẩm ........................................................................................................ 19

2.9

Sơ đồ nguyên lý toàn mạch .............................................................................................. 20

2.10

Sơ đồ Layout mạch .......................................................................................................... 21

2.11

Hình ảnh thật sản phẩm .................................................................................................... 22

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN ............................................................................................................... 23
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................ 24
PHỤ LỤC A: ĐÓNG GÓP CÁC THÀNH VIÊN ........................................................................... 25
PHỤ LỤC B: SOFTWARE CODE.................................................................................................. 26
PHỤ LỤC C: HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ........................................................................................ 36

4


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống .....................................................................................7
Hình 1.2 Phân công nhiệm vụ .....................................................................................8
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý jack DC .............................................................................9
Hình 2.2 Sơ đồ chân PIC 16F887 ...........................Error! Bookmark not defined.0
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển..............................................................101
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý thạch anh ngoài và nút reset ..........................................111
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên jump nạp code ...................................................................122
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý khối cài đặt ....................................................................122
Hình 2.7 IC LM35 ...................................................................................................133
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý khối đo nhiệt độ ............................................................144
Hình 2.9 Sơ đồ chân ic DS1307 ..............................................................................144
Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực ......................................................145
Hình 2.11 LED ma trận 8x8 ......................................................................................15

Hình 2.12 Sơ dồ chân ic 74HC595 ...........................................................................16
Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị ..................................................................17
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý jump mở rộng ................................................................18
Hình 2.15 Còi báo thức 5v ........................................................................................18
Hình 2.16 Sơ đồ nguyên khối báo thức .....................................................................18
Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ....................................................................200
Hình 2.18 Sơ đồ layout toàn hệ thống.....................................................................211
Hình 2.19 Hình ảnh mạch thật ................................................................................222

5


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, những ứng dụng của vi điều khiển đã đi sâu vào đời sống sinh
hoạt và sản xuất của con người, là một phần tất yếu không thể thiếu trong đời sống
hiện đại. Thế kỷ 21 được xem là thế kỷ của khoa học công nghệ, là thế kỷ mà máy
móc được thiết kế và lập trình một cách tự động để thay thế hoạt động của conngười
trong sản xuất, cũng như để phục vụ các công việc trong sinh hoạt. Trong cuộc sống
mang tính tự động hóa cao thì các vi xử lý như là một công cụ đắc lực hỗ trợ cho
con người thực hiện nhu cầu ngày càng cao và càng hoàn thiện của mình.
Đang là sinh viên ngồi trên ghế nhà trường, cơ hội tiếp cận, học tập những
công nghệ tiên tiến, hiện đại chưa nhiều, nên trong quá trình tự học và nghiên cứu,
chúng em đã cố gắng tìm hiểu về bộ vi xử lý, cũng như các ứng dụng của nó, đặc
biệt là vi xử lý PIC16F877. Với những gì nghiên cứu được nhóm chúng em đã làm
thực hành ứng dụng thông qua việc thiết kế đồng hồ đa năng có thể hiện thị nhiệt
độ. Đây là cơ hội rất lớn cho chúng em trau dồi kiến thức thực tế, áp dụng lý thuyết
đã học và rèn luyện bản thân trong môi trường làm việc nhóm.
Do thời gian thực hiện và kiến thức còn hạn chế nên còn nhiều sai sót trong

quá trình thực hiện đề tài, rất mong được sự bổ sung đóng góp của các thầy cô và
các bạn.
Chúng em xin chân trọng cảm ơn thầy TS. Phạm Ngọc Nam và anh Hoà đã
nhiệt tình hướng dẫn chúng em suốt quá trình học tập.

6


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ ĐỀ TÀI
1.1 Yêu cầu chức năng
 Đồng hồ
o Hiển thị ngày, giờ theo chế độ 12h và 24h trên LED ma trận
o Chỉnh ngày, giờ của mạch
o Hẹn giờ báo thức
 Nhiệt độ: hiện thị nhiệt độ hiện tại của phòng

1.2 Yêu cầu phi chức năng
 Sử dụng PIC16F887A
 Mã nguồn sử dụng cả C và assembly
 PCB có tên các thành viên
 Mạch nhỏ gọn, dễ sử dụng, giá thành thấp

1.3 Sơ đồ khối hệ thống

Khối
cài
đặt
Khối

Nguồn

Khối
thời
gian

Khối
nhiệt
độ

Khối điều khiển

Khối báo thức

Khối hiển thị

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống

7


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

1.4 Kế hoạch thực hiện và phân chia công việc

Hình 1.2 Phân công nhiệm vụ

8

Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 Khối nguồn
Khối nguồn sẽ sử dụng để cấp nguồn cho vi điều khiển (trong project này là
PIC) và các module (nếu cần). Vì thế nên khối nguồn sẽ phải đưa ra được nguồn 5v
cho vi điều khiển, đồng thời dùng 1 pin 3V để nuôi khối thời gian thực. Để làm
được điều này ta có thể sử dụng adapter 5V. Giải pháp này có ưu điểm: dễ kết nối,
dễ mua và nhỏ gọn.

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý jack DC

2.2 Khối điều khiển
Theo yêu cầu của project, ta sử dụng PIC. Trong dự án này, nhóm chúng tôi
sử dụng PIC 16F877.
PIC16F877 có các đặc điểm :
- PIC 16F877 là loại vi điều khiển 8bit tầm trung của hãng microchip.
- PIC 16F877 có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC (Reduced
Instruction Set Computer) với chỉ 35 lệnh cơ bản.
- Tất cả các lệnh được thực hiện trong một chu kì lệnh ngoại trừ các
lệnh rẽ nhánh.
- Sơ đồ chân với chip loại cắm 40 chân:

9


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

Hình 2.2 Sơ đồ chân PIC16F887

Các chức năng cơ bản của PIC16F877 là:
- PIC16F877 có tất cả 5 PORT I/O (RA, RB, RC, RD, RE) với tổng cộng
33 chân I/O.
- TIMER: có 3 bộ timer/counter là Timer 0 (8bit) ; Timer 1 (16bit) ; Timer
2 (8bit).
-

COMPARE /CAPTURE/PWM: Có 2 bộ COMPARE 16bit ; 2 bộ

CAPTURE 16bit; PWM phân giải 10bit.
- Chuẩn giao tiếp : PIC16F877 hỗ trợ các chuẩn giao tiếp là UART, SPI,
I2C, PSI.
- ADC: có 14 kênh ADC 10bit.
- Bộ nhớ: 8K x 14Words Flash; 368x8 Bytes RAM; 256x8Bytes EEPROM
- Ngoài ra còn có 2 bộ so sánh tương tự.
Khối điều khiển sẽ được thiết lập các chân vào ra để giao tiếp với các khối khác:

10


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển
Ngoài ra, để tạo tần số dao động ngoại cho PIC, chúng ta dùng thạch anh và
để reset mạch sẽ sử dụng thêm phím bấm.

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý thạch anh ngoài và nút reset

11

Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

Việc nạp code sẽ được thực hiện thông qua các jump nạp code (dùng để kết
nối với mạch nạp PIC sử dụng phần mềm nạp Burn E)

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý jump nạp code

2.3 Khối Setup

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý khối cài đặt
Mỗi nút bấm đều được nối với PIC để điều chỉnh những chức năng riêng.
SW1 được nối với chân RB1 giúp ta chuyển giữa các chế độ. SW2 cho phép ta tăng
các giá trị hiện thị. SW3 giảm các giá trị hiện thị.

12


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

2.4 Khối đo nhiệt độ
Để đo được nhiệt độ môi trường, chúng ta sử dụng LM35 làm cảm biến nhiệt độ.
Cấu trúc của LM35:

Hình 2.3 IC LM35

LM35 có 3 chân: 1 chân Ucc, 1 chân đất(ground) và 1 chân đầu ra(output).
Cảm biến này giao tiếp với PIC theo con đường sau: LM35ADCVĐK. Chúng
ta có phương trình thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp đầu ra của ADC
U= T x K

Trong đó,
 U là điện áp đầu vào
 T là nhiệt độ môi trường
 K là hệ số theo nhiệt độ của LM35, 10mV/1C

13


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý khối đo nhiệt độ

2.5 Khối thời gian thực
Module thời gian sử dụng IC thời gian thực DS1307.

Hình 2.5 Sơ đồ chân ic DS1307

Đi kèm với nó là thạch anh để tạo xung nhịp đồng hồ. DS1307 là chip thời
gian thực hay RTC (Read time clock). 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 được chế tạo bởi Dallas. Chip này có 7 thanh ghi 8
bit mỗi thanh ghi này chứa : Thứ, ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây. Ngoài ra
DS1307 còn 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 thông qua
chuẩn truyền thông này. Do nó được giao tiếp chuẩn Xung nhịp thạch anh sẽ

14

Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

được đưa vào chân X1 và X2. Vbat là nguồn cung cấp cho DS1307, thường là 2.53V. Vì vậy ta có thể sử dụng nguồn pin 3,3V để cấp cho DS1307. Vcc là nguồn
cho giao tiếp I2C, trong project này là sử dụng cho PIC nên Vcc sẽ là chuẩn 5V.
Chân SCL và SDA là 2 chân ghi và truyền dữ liệu sẽ được nối với vi xử lý. Sau khi
nhận được dữ liệu từ DS1307 thì vi xử lý sẽ phát tín hiệu hiển thị ngày, giờ, tháng,
năm lên LCD, cũng như bật tắt cho đèn.

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực

2.6 Khối hiển thị
Với yêu cầu của project, chúng ta dùng led ma trận 8x8.

Hình 2.7 LED ma trận 8x8

Như chúng ta nhìn thấy, để mỗi 1 led trong bảng sáng cần phải cấp nguồn
cho hàng R và nối đất cột C. Nếu như vậy tại 1 thời điểm ta không thể làm sáng các
đèn theo ý muốn. Do đó điều khiển được led ma trận chúng ta sử dụng thuật toán

15


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

quét led, hiểu một cách đơn giản là chúng ta sẽ cho các hàng led sáng liên tục trong
thời gian ngắn hơn khả năng lưu ảnh của mắt. Tuy nhiên nếu làm như vậy số lượng
chân của led rất lớn nên ta sẽ dùng 74HC595.

Hình 2.8 Sơ dồ chân ic 74HC595

Nó là IC ghi dịch 8bit kết hợp chốt dữ liệu, đầu vào nối tiếp đầu ra song song
được dùng để tiết kiệm số chân VĐK (tối đa 3 chân). Để làm được điều này, chân
Q7’ của IC trước được nối với chân 14 (DATA) của IC tiếp theo. Bằng các này
chúng ta có thể kiểm soát số chân của VĐK theo ý muốn.

16


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị

2.7 Khối báo thức
Khi bắt tay và làm mạch, để có thể linh hoạt hơn trong việc phát triển các

17


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

chức năng, chúng tôi có thiết kế thêm các jump mở rộng.

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý jump mở rộng

Các chân từ 1 đến 9 của khối mở rộng được nối tương ứng với các chân từ 2
đến 10 của PIC. Chức năng được nhóm phát triển trên jump mở rộng này báo thức
dùng còi chip 5V.

Hình 2.15 Còi báo thức 5v

Còi có 2 chân và được sử dụng rất đơn giản.

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý khối báo thức

18


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

2.8 Hoàn thiện sản phẩm
Sau khi nghiên cứu về dòng vi điều khiển PIC, nhóm chúng tôi đã bắt tay vào
tiến hành thiết kế và chế tạo các module của sán phẩm. Trình tự thiết kế bao gồm.
- Xây dựng sơ đồ nguyên lý, viết code, mô phỏng và test trên board trắng để
kiểm tra mạch.
- Sau khi đã kiểm tra độ chính xác của mạch, nhóm tiến hành vẽ mạch
schematic và layout các khối.
- Tiếp theo đó là thực hiện làm mạch. Ở project này, nhóm thống nhất đặt
mạch in để mạch có thể nhỏ gọn với 7 LED hiển thị và nhiều chi tiết phức tạp.
- Sau khi đã làm mạch xong, nhóm tiến hành hàn mạch và hoàn thiện sản
phẩm. Trong quá trình làm mạch, nếu có sai sót thì kiểm tra và chỉnh sửa thiết kế

19


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

2.9 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị

20


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

2.10 Sơ đồ Layout mạch

Hình 2.18 Sơ đồ layout toàn hệ thống

21


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

2.11 Hình ảnh thật sản phẩm

Hình 2.19 Hình ảnh mạch thật

22


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN
Trong thời gian làm project vừa qua, chúng em đã tìm hiểu, nghiên cứu và
chế tạo thành công một số chức năng của đồng hồ đa năng.
Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian cũng như trình độ nên trong khi thực
hiện project này chúng em cũng không thể tránh khỏi những hạn chế. Chúng em
mong được sự góp ý của thầy, các anh chị khóa trên cũng như các bạn để có thể
hoàn thiện tốt hơn project cũng như thêm các chức năng mới cho project trong thời

gian tới.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

23


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] />[2] />[3] />[4] />
24


Báo cáo BTL Vi Xử Lý 2015

PHỤ LỤC A: ĐÓNG GÓP CÁC THÀNH VIÊN
A.1 Nguyễn Việt Anh: Phụ trách khối thời gian thực, các phím bấm, ghép nối
modul, vẽ mạch in chính.
A.2 Trần Trung Hiếu: Phụ trách khối khối cảm biến nhiệt độ, viết chính báo cáo.
A.3 Đào Tuấn Minh: Phụ trách về timer và vấn đề quét led, chỉnh sửa báo cáo.
A.4 Trịnh Văn Tiến: Phụ trách về ic 74HC595.
Cả nhóm tham gia hàn mạch và test mạch.

25