THIẾT kế MẠCH ĐỒNG hồ HIỂN THỊ CHỮ

MỤC LỤC
Contents

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ TRONG BÁO CÁO


LỜI NÓI ĐẦU
Từ lâu, nhu cầu làm chủ thời gian đã là nhu cầu thiết yếu của con người.
Đồng hồ ra đời như một sự tất yếu, với nhiều loại như đồng hồ quả lắc, đồng hồ
kim, đồng hồ số… Không thế phủ nhận vai trò của đồng hồ trong đời sống con
người, về mọi mặt: học tập, làm việc và sinh hoạt. Ngày nay, thế giới đã có những
bước tiến dài về kĩ thuật cũng như công nghệ chế tạo. Những chiếc đồng hồ trong
quá khứ nay nay đã trở nên cũ kĩ, tuy vẫn thực hiện được vai trò của nó, nhưng đã
không còn phù hợp với nhu cầu của đại đa số người sử dụng nó. Giờ đây, những
chiếc đồng hồ quả lắc “đồ sộ” chỉ còn trông thấy ở một số nơi: nhà thờ, quảng
trường … Hiện nay, hầu hết mỗi gia đình đều có trong nhà những chiếc đồng hồ
treo tường. Mỗi người lại có những chiếc đồng hồ đeo tay riêng nữa. Sản phẩm
đồng hồ đang trở nên quá phổ biến, và sự trùng lặp về mẫu mã, kiểu dáng là không
thể tránh khỏi. Nhiều khi, điều đó lại gây nhiều khó khăn cho người sử dụng trong
việc chọn mua cho mình chiếc đồng hồ.
Câu hỏi là: Tại sao không cố gắng tạo ra những mẫu sản phẩm sáng tạo, hiện đại,
chính xác hơn mà vẫn đáp ứng yêu cầu của người sử dụng? Sau khi tìm hiểu kĩ,
nhóm Wordclock đã quyết định thực hiện sản phẩm “Đồng hồ để bàn hiển thị bằng
chữ”.
Đây là sản phẩm đã được thương mại hóa ở nước ngoài, tuy nhiên lại không được
phổ biến tại Việt Nam. Đây là cơ sở để nhóm em tin rằng, sản phẩm này sẽ nhận
những phản hồi tích cực từ mọi người về ý tưởng. Tuy nhiên, đây là sản phẩm đầu
tiên của nhóm, thế nên sai sót là điều khó tránh khỏi. Nhóm em rất mong nhận được
những góp ý, phê bình để sản phẩm được hoàn thiện hơn nữa.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
Các thành viên của Wordclock

2


1. Xác định ý tưởng
Sau khi đăng kí tham gia cuộc thi, nhóm đã đưa ra nhiều đề tài khác nhau
xoay quanh đồng hồ như: đồng hồ hiện thị bằng laser, hiện thị bằng LED 7 thanh,…
Đây là những sản phẩm đơn giản nhưng hữu dụng. Tất cả chúng đều thực hiện đươc
các chức năng cơ bản mà người sử dụng yêu cầu. Tuy nhiên, đây đều là những mẫu
đồng hồ đã trở nên phổ biến, dễ dàng cho người mua muốn tìm kiếm nó trên thị
trường.
Sau một thời gian cân nhắc về thời gian thực hiện cũng như khả năng của
nhóm, nhóm em đã thống nhất ý tưởng: Thiết kế đồng hồ hiện thị bằng chữ (Word
Clock)

2. Yêu cầu kĩ thuật
2.1. Yêu cầu chức năng
-

Hiển thị 75 kí tự chữ, gồm “bây, giờ, là, một, hai, ba, bốn, năm, sáu, bảy, tám,

-

chín, mười, mười một, mười hai,kém.”
Có nút chỉnh giờ, phút.

3


2.2. Yêu cầu phi chức năng

-

Khối lượng: ~ 400g
Kích thước sản phẩm: 20x20x5 cm
Có khung bảo vệ cả sản phẩm
Các chữ cái cách đều nhau, độ sáng đều nhau.
Thời gian thiết kế: 2 tháng
Giá thành sản phẩm: 500.000 VNĐ
Thời gian bảo hành: 6 tháng

4


3. Bảng phân công kế hoạch
Để cho đề tài có thể hoàn thành đúng tiến độ, giảm bớt khối lượng công việc của
mỗi thành viên, nhóm em đã làm một bảng phân công kế hoạch cụ thể cho từng
thành viên. Dựa vào đó, mọi người có thể biết rõ phần công việc của mình, chủ
động trong công việc để hoàn thành đề tài một cách tốt nhất.
Bảng phân công kế hoạch gồm có 4 phần chính:
-

Lên ý tưởng: Tìm ý tưởng và xem nhu cầu thực tế về ý tưởng đó, qua đó dự

-

trù kinh phí.
Thiết kế và thử nghiệm mạch: Dựa vào ý tưởng từ đó đi thiết kế từ tổng quát

-

đến chi tiết từng phần của mạch.
Thi công: Lắp đặt các linh kiện dựa vào sơ đồ thiết kế.
Hoàn thiện sản phẩm

Dưới đây là bảng phân công kế hoạch chi tiết của nhóm:
Bảng 3.1 Bảng phân công kế hoạch

4. Sơ đồ khối và chức năng của từng khối
4.1. Sơ đồ khối của sản phẩm

Hình 4.1 Sơ đồ khối của mạch
5


4.2. Chức năng của từng khối
-

Khối nguồn: Có chức năng cung cấp điện áp và dòng điện 1 chiều cho khối

-

điều khiển, khối hiển thị và khối lưu giờ.
Khối điều khiển: Có chức năng tạo ra các hiệu ứng và truyền tín hiệu đến

-

khối hiển thị như đã lập trình.
Khối hiển thị: Hiển thị ra các đèn LED.
Khối lưu giờ: Lưu trữ thông tin khi không có nguồn cấp điện.

5. Sơ đồ khối chi tiết

6. Các phương án tối ưu
6.1. Khối nguồn
Để cung cấp được điện áp và dòng 1 chiều, nhóm đã đề xuất ra 2 phương án để
lựa chọn nguồn:
Bảng 5.1 Các phương án lựa chọn nguồn
Nhận xét
Phương án
Sạc điện thoại
Pin tiểu

Ưu điểm

Nhược điểm

Cung cấp điện áp 5V ổn định, Phải nối với nguồn điện
dòng điện có cường độ đủ lớn xoay chiều, tính linh động
kém
Cung cấp điện áp 1,5V, gọn, Dung lượng nhỏ, phải nối
nhẹ, gắn trực tiếp được lên nhiều pin với nhau, nhanh
mạch
hết pin do hoạt động liên tục

Qua bảng trên, dựa vào ưu nhược điểm của từng phương án, nhóm chúng em đã
chọn sạc điện thoại cho khối nguồn, với tính ổn định cao, phù hợp với khả năng sử
dụng của sản phẩm.
6.2. Khối điều khiển
Để đáp ứng được các hiệu ứng đề ra, nhóm đã đề xuất ra 2 phương án lựa
chọn IC điều khiển:

6


Bảng 5.2 Các phương án lựa chọn IC
Nhận xét
Phương án

Ưu điểm
Rẻ, dễ tìm kiếm.

AT89C52

Vi điều khiển
ATmega328-PU

Nhược điểm
Bộ nhớ chương trình nhỏ:
256Kbit (RAM) và 8Kbytes
(ROM)
Số chân quá nhiều, không phù
hợp với đặc điểm mạch

Bộ nhớ lớn: 2Kbytes(RAM) Đắt, khó tìm mua.
và 32Kbytes(ROM)
Dễ lập trình, không cần
mạch nạp

Dựa vào yêu cầu, đặc điểm phức tạp của mạch, nhóm chúng em quyết định sử
dụng vi điều khiển ATmega328 để thiết kế sản phẩm.
Vi điều khiển Atmega328 thuộc dòng vi điều khiển 8 bit do tập đoàn ATMEL

sản xuất. Chíp này có bộ nhớ Flash là 32K Bytes, Ram là 2K Bytes. Sau đây là sơ
đồ và điều kiện làm việc của vi xử lý này:

Hình 6.1: Sơ đồ Atmega328
Chân
1(Reset)
7,20(VCC)
8,22(GND)
2,3,4,5,6,11,12,13,14
15,16,17,18,19
9,10(Quartz)
21(Analog Reference)

Ý nghĩa
Khởi động lại
Điện áp đầu vào dương
Chân nối đất (mass)
Chân vào/ra
Thạch anh
Bộ so sánh điện áp

7


Điều kiện làm việc của vi điều khiển:
-

Điện thế làm việc: 1.8 – 5.5V
Cường độ dòng trong điều kiện chuẩn(25oC, 1.8V): 0.2mA
Nhiệt độ làm việc: -40oC - 85oC

Tốc độ làm việc: 0Mhz – 20Mhz

Do sử dụng vi điều khiển Atmega328 nên cần thiết phải có 1 linh kiện hay 1 bộ
mạch để tạo dao động cho CPU, timer của IC. Nhóm em đưa ra những gợi ý:
Linh kiện
Ưu điểm
Bộ mạch ổn định dao Được hỗ trợ sẵn trên
động LC
Atmega328 nên không
cần lắp thêm
Thạch anh
Cực kì ổn định, hầu như
không chịu ảnh hưởng
nhiều từ nhiệt độ
Có thể điều chỉnh tần số
phù hợp (kể cả có phần lẻ)

Nhược điểm
Độ chính xác không cao
Bị ảnh hưởng bởi môi
trường bên trong và ngoài

Để ổn định và gọn mạch, nhóm em chọn thạch anh cho thiết kế sản phẩm.
Ngoài ra, trong mạch còn sử dụng IC dịch nhằm mục đích chuyển tín hiệu từ
nối tiếp sang song song. Nhóm em có những lựa chọn:
Ưu điểm

Nhược điểm

74HC595

HCF40

6.3. Khối hiển thị
Theo yêu cầu của sản phẩm, nhóm em sử dụng đèn LED trắng.

Bảng 5.3 Các phương án lựa chọn đèn led
Nhận xét
Phương án
LED siêu sáng
5mm
LED đục 5mm

Ưu điểm
Có độ sáng mạnh, bền, có thể
dùng để chiếu sáng
Có độ sáng vừa phải, không
gây chói mắt khi nhìn trực

Nhược điểm
Gây chói khi nhìn trực tiếp
tiêu tốn nhiều điện năng
Không dùng chiếu sáng
được
8


LED lùn

tiếp, tiêu tốn ít điện năng, bền
Có độ sáng vừa phải, không

gây chói

Gọn nhẹ, phù hợp đặc điểm
mạch

Dựa vào bảng đặc điểm của từng loại bóng, nhóm đã chọn LED lùn, màu đỏ để
làm bộ phận hiển thị, với ưu điểm không gây chói mắt, tiêu tốn ít điện năng hơn led
siêu sáng.
Sau đây là một số thông số của led lùn:
+ Điện áp định mức: ULED = 2V
+ Dòng định mức: ILED = 10mA

7. Sơ đồ nguyên lý của mạch và lựa chọn linh kiện
Dựa vào các phương án lựa chọn ở trên, chúng em đã thiết kế được sơ đồ
nguyên lý của khối điều khiển và khối hiển thị.
7.1. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển

Hình 6.1 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển
7.2. Sơ đồ khối hiển thị

9


Hình 6.2 Sơ đồ nguyên lý của 1 module khối hiển thị
7.3. Lựa chọn linh kiện
7.3.1. Điện trở
Điện trở là một loại linh kiện điện tử thụ động, nó là một loại linh kiện quan
trọng trong các mạch điện tử. Trên thực tế, chúng được làm từ hợp chất của cácbon
và kim loại, được pha theo tỉ lệ mà tạo ra các con điện trở có trị số khác nhau. Điện
trở có tác dụng cản trở dòng điện,hạ áp để thực hiện chức năng theo ý muốn.

Hình 6.3 Kí hiệu điện trở trong mạch điện

10


Trong mạch điều khiển đồng hồ chữ, nhóm sử dụng 4 điện trở có chức năng
hạn dòng. Giá trị của các điện trở như sau:
-

R1=R2= 10kΩ
R3=R4= 1kΩ

7.3.2. Tụ điện
Tụ điện là loại linh kiện thụ động và được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện
tử, được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, trong các mạch thu phát tín
hiệu, các mạch dao động… Tụ điện có tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều, và
ngăn không cho dòng điện một chiều đi qua, tụ điện còn có khả năng phóng nạp khi
cần thiết.

Trên thị trường có rất nhiều loại tụ như tụ giấy, tụ gốm, tụ hóa, tụ mica…

Hình 6.4 Kí hiệu tụ điện trong mạch điện
Để có đáp ứng được yêu cầu chức năng, nhóm đã lựa chọn cả 2 loại tụ. Giá
trị các tụ như sau:
-

C1=C2= 22pF (tụ gốm )
C3=0,1uF (tụ hóa)

7.3.3. Connector
Do đặc điểm của mạch, nhóm em sử dụng các Connector loại 8 chân, 4 chân, 3
chân và 2 chân.

11


Hình 7: Kí hiệu Connector (header)

8. Kiểm tra
Sau khi hoàn thành các khâu thiết kế và chọn linh kiện, nhóm đã thực hiện chạy
mô phỏng trên phần mềm Proteus. Sau khi mô phỏng trên Proteus đã chạy, nhóm
tiến hành chạy thử trên breadboard, sử dụng bộ mạch Arduino Pro. Ban đầu, nhóm
đã cho chạy thử 16 bóng LED nhằm mục đích kiểm tra xem khối điều khiển có hoạt
động tốt không. Sau khi kiểm tra xong, nhóm đã nối khối hiển thị vào khối điều
khiển để chạy thử. Trong quá trình chạy thử đã gặp một số lỗi sau:
-

Đèn không nhận được tín hiệu do mạch vẽ thiếu
Đèn sáng sai vị trí
Hiển thị LED chập chờn, không đều nhau
Đọc sai giờ do code xử lí sai

Ngoài ra, nhóm còn gặp một số lỗi khác như: cắm ngược chân tụ, chọn trở sai giá
trị, cắm sai thứ tự dây... nhưng đã đều khắc phục được.
Sau khi kiểm tra chạy tốt, nhóm đã thiết kế mạch in bằng phần mềm Altium dựa
trên sơ đồ mô phỏng ở Proteus. Sau đó, mạch in được đưa đi đặt tại 70 Quán Thánh

9. Thi công
Sau khi đã có mạch in, nhóm bắt đầu hàn các linh kiện lên mạch in. Khi hàn,

nhóm đã đảm bảo các tiêu chuẩn sau:
12


-

Thực hiện đúng các thao tác yêu cầu kĩ thuật về hàn điện.
Mối hàn bám chắc giữa chân linh kiện và mạch in, tránh chập nối giữa các

-

mối hàn.
Hàn đúng theo sơ đồ linh kiện trên mạch in.

Sau khi hàn xong, nhóm đã tiến hành lắp khung bảo vệ bằng nhựa, khối điều
khiển vào trong khung, đi dây dẫn nguồn ra ngoài khung.

10.

Bàn giao sản phẩm

Để chuẩn bị bàn giao sản phẩm vào ngày, nhóm chúng em đã làm bản báo cáo
và slide để thuyết trình về sản phẩm, đồng thời kiểm tra lại sản phẩm lần cuối trước
khi bàn giao sản phẩm. Yêu cầu của sản phẩm sau khi đã bàn giao:
-

Chạy ổn định dưới các điều kiện đã yêu cầu.
Chạy đúng các hiệu ứng đã đặt ra.
Giá thành phải như yêu cầu đã đặt ra hoặc có thể thay đổi trong phạm vi cho

-

phép tùy từng hoàn cảnh.
Đảm bảo các điều kiện bảo hành cho khách hàng.

13


KẾT LUẬN
Trong suốt quá trình thực hiện sản phẩm “Đồng hồ hiển thị bằng chữ”, nhóm
em có cơ hội được củng cố chuyên môn. Bên cạnh đó, đề tài này giúp nhóm được
tiếp cận với mảng kiến thức khá mới về Arduino và tích lũy thêm kinh nghiệm thiết
kế mạch, điều mà các thành viên trong nhóm còn chưa hoàn thiện. Sau khi kết thúc
đề tài những kết quả đạt được đó là:
o

Tìm hiểu về hệ sinh thái Arduino, các vi điều khiển thuộc dòng

Atmega
o Tìm hiểu về lập trình vi điều khiển

14


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Các nguồn từ internet:
[1] />[2] />[3] />[4] />[5] />%9Bc.144/

15