Đồ án môn học thiết kế đồng hồ số giao tiếp LCD sử dụng PIC

VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
TUYỂN TẬP TÀI LIỆU HAY, BÀI TẬP, GIÁO TRÌNH, BÀI GIẢNG, ĐỀ THI
PHỔ THÔNG, ĐẠI HỌC, SAU ĐẠI HỌC
LUẬN VĂN-KHOÁ LUẬN-TIỂU LUẬN NHIỀU LĨNH VỰC KHOA HỌC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ SỐ GIAO TIẾP LCD
SỬ DỤNG PIC

1


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Mục Lục

2


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Lời mở đầu
Ngày nay,khoa học công nghệ và kỹ thuật đang đóng một vai trò quan trọng trong đời sống
con người. Bên cạnh đó, thời gian luôn trở thành một tài sản quý 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 luôn 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 số bằng vi xử lý PIC16F877A”.
Đề tài này được thực hiện trong khoảng thời gian 4 tháng với sự hỗ trợ của những kiến thức
về lập trình C, thiết kế và mô phỏng mạch. Hơn thế nữa, nhóm cũng tận dụng những khả năng
của vi xử lý PIC16F877A 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 hoàn toàn 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.

Giới thiệu chung
Bài báo cáo trình bày mạch đồng hồ hiển thị thời gian thông qua việc sử dụng ngôn ngữ lập
trình C trên PIC C Compiler và 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
PIC16F877A, màn hình LCD, nút nhấn cùng với các linh kiện cơ bản như điện trở, tụ điện…
Ngoài ra, bài báo cáo này cũng trình bày về cách thức mô phỏng bằng Proteus cũng như thiết
kế mạch in thông qua ứng dụng Orcad, trong đó, việc thiết kế mạch in đóng vai trò quan trọng
hơn hết khi chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào yếu tố này. Tiếp theo, sơ đồ khối cơ bản cùng với
những thuật toán dành cho sản phẩm sẽ được giới thiệu. Về cơ bản, mạch đồng hồ này sử dụng
Timer0 của vi xử lý PIC để tạo bộ đếm 1 giây cho các thành phần khác hoạt động. Thêm vào đó,
thuật toán dành cho màn hình LCD và nút nhấn cũng được chú trọng kĩ càng khi những phần này
đóng vai trò quan trọng trong việc khẳng định hiệu năng của thiết bị.

Công cụ sử dụng
Trong quá trình thực hiện đồ án này, sản phẩm đã được hình thành thông qua việc sử dụng
các phần mềm hữu ích sau đây:
•
•

•

PIC C Compiler, hỗ trợ viết mã và biên dịch mã nguồn thành file .hex.
Proteus 8.0, hỗ trợ mô phỏng sản phẩm.
Orcad 9.2, hỗ trợ thiết kế mạch in và hoàn thiện sản phẩm.

Nội Dung
1. Đặc tính sản phẩm

3


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Sản phẩm được thiết kế là đồng hồ điện tử có khả năng hiển thị thời gian. Cụ thể hơn, mạch
có khả năng hiển thị thời gian với các thông số: ngày – tháng – năm và giờ - phút – giây. Ngoài
ra, người dùng có thể thực hiện việc điều chỉnh các thông số này thông qua các nút nhấn.
Để thực hiện được các tính năng trên, sản phẩm sử dụng giao tiếp với màn hình LCD để hiển
thị thời gian cùng với bộ định thì timer0 trong chip xử lý PIC16F877A để tạo bộ đếm giây. Ngoài
ra, như đã đề cập ở trên, sản phẩm có sử dụng các nút nhấn để nhập thông tin về thời gian mà
người dùng mong muốn. Sau khi hoàn thành quá trình nhập, thời gian sẽ được hiển thị phù hợp
với yêu cầu của người dùng.
2. Đặc tính kĩ thuật:

3.

Nút nhấn

PIC16F877A

LCD
Hiển thị thời gian

Tạo xung

Hình 1: Sơ đồ hoạt động tổng quát
Sản phẩm sử dụng đầu các thành phần linh kiện sau đây để thực hiện chức năng:
a. Nút nhấn:

Trong mạch thiết kế, sản phẩm sử dụng ba nút nhấn với tên gọi lần lượt là SET TIME, UP và
DOWN. Mỗi nút nhấn có từng chức năng riêng biệt như sau:
•
•
•

SET TIME: thiết lập thời gian cho từng thông số hiển thị trên đồng hồ
UP: tăng giá trị của thông số đang tùy chỉnh lên 1 với giờ phút giây, tháng năm và tang thứ tự
ngày trong tuần
DOWN: giảm giá trị thông số đang tùy chỉnh xuống 1 với giờ phút giây, tháng, năm và giảm thứ
tự ngày trong tuần.
Hệ thống nút nhấn:

4


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

b. Vi xử lý PIC16F877A:

Hình 2: Sơ đồ chân Vi xử lý PIC16F877A

Về cơ bản, PIC là viết tắt của Programmable Intelligent Computer,do hãng General
Instrument đặt tên cho sản phẩm xử lý đầu tiên của họ. Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều họ
vi điều khiển như 8051, ARM, v.v nhưng họ vi điều khiển PIC được ưa chuộng vì rất nhiều lý
do:
•
•
•

Họ vi điều khiển này dễ dàng tìm thấy tại thị trường Việt Nam
Giá thành phù hợp với nhu cầu học hỏi của sinh viên
Có đầy đủ tính năng của một vi điều khiển hoạt động độc lập
5


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
•

Là sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như về ứng dụng cho họ vi điều khiển mang tính truyền
thống như 8051.
Ngoài ra, sự hỗ trợ của các nhà sản xuất về trình biên dịch (PIC C Compiler, MickroC), các
công cụ lập trình, nạp chương trình dành cho họ sản phẩm này khá đa dạng, chính vì thế PIC là
một lựa chọn hoàn hảo để xây dựng mô hình sản phẩm.
Cụ thể hơn, PIC16F877A có tập lận gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi

trong một chu kì xung clock. Tốc độ tối đa cho phép là 20MHz với một chu kì lệnh là 200ms. Bộ
nhớ chương trình 8k x14 bit, bộ nhớ dữ liệu là 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với
dung lượng là 258 x 8 byte. Sổ PORT I/O là 5 với 33 chân I/O

Hình 3: Sơ đồ khối Vi xử lý PIC16F877A
Ngoài ra, các đặc tính ngoại vi của sản phẩm này bao gồm các khối chức năng sau:
•

Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

6


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
•
•
•
•
•
•

Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung
clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ ngủ.
Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.
Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ xung
Các chuẩn giao tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C
Chuẩn giao tiếp nối USART với 9 địa chỉ bit
Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR, CS

ở bên ngoài.

Ngoài ra, chúng ta cũng có thể nhắc tới các đặc tính Analog như sau:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

8 kênh chuyển đổi ADC 10bit
Hai bộ so sánh
Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100,000 lần
Bộ nhớ EEPROM với khả năng xóa được 1,000,000 lần
Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm
Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm
Watchdog Timer với bộ dao động trong
Chức năng bảo mật mã chương trình
Chế độ Sleep
Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau
c. Khối hiển thị LCD:
Màn hình LCD đóng vai trò hiển thị các thông số thời gian như ngày tháng năm – giờ phút
giây.
d. Khối nguồn:

Để mạch hoạt động một cách hiệu quả, sản phẩm sử dụng nguồn 5V cung cấp từ adapter

hoặc USB kết nối với máy tính. Ở đây, nhóm chọn nguồn cung cấp cho mạch là từ cổng USB.
Sơ đồ bộ nguồn được thiết kế như sau:

Hình 4: Sơ đồ bộ nguồn

e. Các thành phần khác:

Ngoài ra, để thực hiện mạch hoạt
cũng như thực hiện được các chức
bản như điều chỉnh thời gian, sản phẩm
thêm các linh kiện là biến trở, điện trở,
nhấn.
f.

động
năng cơ
sử dụng
nút

Yêu cầu:

7


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Mạch hoạt động một cách hiệu quả khi thời gian hiển thị phù hợp với thời gian chuẩn theo
giờ GMT. Để thực hiện được điều này, ta cần tạo được bộ đếm thời gian một giây để đồng hồ

hoạt động. Ngoài ra, người dùng hoàn toàn có thể điều chỉnh thời gian theo ý mình muốn cũng
như có thể xóa tất cả các thiết lập ban đầu để thiết lập mới hoàn toàn. Hơn nữa, sản phẩm cũng
phải có giao diện thiết kế đẹp, dễ nhìn và cuốn hút.
4. Đặc tính phần cứng:
a. Sơ đồ mô phỏng và sơ đồ khối mạch:

Trước tiên, quá trình mô phỏng được thực hiện để kiểm tra hoạt động của mã nguồn chương
trình. Sơ đồ mô phỏng mạch được thiết kế như sau:

Hình 5: Sơ đồ mạch mô phỏng bằng Proteus

Sau đó, để thực hiện sản phẩm, mạch được thiết kế với mô hình nguyên lý hoạt động sau đây:

8


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Hình 6: Sơ đồ hoạt động của mạch
Vi xử lý PIC16F877A có tần số là 4 MHz. Ngoài ra, mạch sử dụng bộ định thì timer0 để tạo
bộ đếm 1 giây cho đồng hồ. Hơn nữa, mạch nhận thông tin điều chỉnh thời gian thông qua các
nút nhấn và thông tin đầu vào được đưa vào cổng E. Thông tin đầu ra sử dụng cổng D để hiển thị
lên LCD.

9


VIỆT PHÁP 10

6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Hình 7: Sơ đồ khối hiển thị LCD
Khối LCD sử dụng trong mạch là LCD 16 chân: trong đó, mạch sử dụng các chân 1, 2, 3, 4,
5, 6, 11, 12, 13, 14, 15, 16 để hiển thị thời gian. Ngoài ra, thành phần này được tích hợp thêm
một biến trở để điều khiển độ sáng màn hình.
Thạch anh với tần số 4MHz và thành phần này kết hợp với 2 tụ 22pF để đưa vào chân số 13
OSC1/CLKIN và 14 OSC2/CLKOUT tạo xung clock cho đồng hồ.
Điện trở sử dụng trong mạch có giá trị là 4.7K, một số tụ kẹo 104 để lọc nhiễu.
b. Nguyên lý hoạt động cơ bản:

Mạch bắt đầu hoạt động khi được cung cấp nguồn 5V thông qua dây kết nối USB với máy
tính cá nhân hoặc adapter. Khi cấp nguồn cho mạch, vi xử lý PIC16F877A sẽ bắt đầu đếm thời
gian. Ngoài ra, khi bắt đầu khởi động, các giá trị ban đầu sẽ là 00:00:00. Do đó, để điều chỉnh
thời gian, người dùng có thể sử dụng các nút nhấn SET TIME, UP, DOWN. Khi đó, mạch sẽ sử
dụng thuật toán điều chỉnh thời gian cũng như xác định năm nhuận để thực hiện xác lập thời gian
hiển thị.
5. Đặc tính phần mềm
a. Đồng hồ sẽ hoạt động như thế nào?

Về cơ bản, đồng hồ hiển ghị ngày – tháng – năm và giờ – phút – giây bao gồm các thông số
cùng với tầm hoạt động sau đây:
•
•
•
•
•
•

Giây: 0 – 59
Phút: 0 – 59
Giờ: 0 – 23
Ngày: SUN – MON – TUE– WED – THU – FRI – SAT tương ứng với chủ nhật, thứ hai, thứ ba,
thứ tư, thứ năm, thứ sáu, thứ bảy trong tuần. 1 – 7 tương ứng với các ngày trong tuần.
Số ngày: 1 – 28/29/30/31 với cận trên tương ứng với tháng trong năm.
Tháng: 1 – 12
Như vậy, để đồng hồ hoạt động, biến giây của đồng hồ sẽ bắt đầu đếm từ 0 đến 59. Khi đó,
biến phút sẽ được cộng lên 1; đồng thời, biến giây sẽ được trả lại 0 và tiếp tục quá trình đếm. Sau
đó, biến phút sẽ được tăng từ 1 đến 59; khi đó, thông số giờ sẽ được tăng lên 1 và thông số phút
sẽ bắt đầu đến lại bằng 0. Tiếp theo,biến giờ sẽ được đếm từ 1 và khi giá trị này đạt 23, ngày và
số ngày được tăng lên một và giờ sẽ đếm lại với giá trị là 0. Ngoài ra, thông số ngày sẽ được tăng
lên ở mốc tối đa là 7, ứng với thứ 7 và sau đó giá trị này sẽ bắt đầu lại từ 0 (ứng với chủ nhật).
Trong khi đó, thông số số ngày sẽ tăng từ 1 tới 28/29/30/31 với cận trên tương ứng với tháng
trong năm hoặc năm nhuận hay không. Gỉa sử tháng đang nói tới là tháng 1, 3, 5, 7, 8, 10 hoặc
12 thì số ngày tối đa là 31; tháng hiện tại là 4, 6, 9, 10 hoặc 11 thì số ngày sẽ là 30. Nếu tháng
hiện tại là tháng 2 năm thường thì số ngày là 28 và tháng 2 năm nhuận là 29 ngày. Khi số ngày
của tháng đạt mức tối đa, giá trị tháng sẽ tăng lên 1 và số ngày sẽ bắt đầu lại từ 0. Cuối cùng,nếu
tháng hiện tại là 12 thì sau đó, số năm sẽ tăng lên 1 và giá trị tháng bắt đầu lại là 1.

b. Cách tạo bộ đếm thời gian?

10


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Để đồng hồ hoạt động, ta cần tạo ra một đếm thời gian cũng như cập nhật thời gian để liên

tục đếm cũng như hiển thị lên màn hình LCD. Có rất nhiều cách thực hiện nhiệm vụ này, trong
đó nổi bật là hai cách thức : sử dụng Real Time Clock IC (IC thời gian thực) hoặc sử dụng Timer
của PIC16F877A . Dựa trên yêu cầu của đồ án , phương án thứ hai được lựa chọn để thực hiện.
c. Sơ đồ khối và các hàm quan trọng.

Để đồng hồ hoạt động, ta sử dụng sơ đồ khối cũng như các đoạn mã sau đây:

11


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Hình 11: Sơ đồ khối chung

12


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Mã nguồn phần main() của chương trình:
Mã nguồn thành phần tạo bộ đếm thời gian cho đồng hồ:
void main()

void TIMER0_isr()
{
{ Initialize_RTC();

set_timer0(-125);
clear_interrupt(INT_TIMER0);
enable_interrupts(GLOBAL);
K++;
lcd_init();
if (K == 126) {
if (++secs > 59) {
delay_ms(10);
secs = 0;
if (++mins > 59) { output_low(PIN_D7);
mins = 0;
if (++hours > 23) while(true)
{
hours = 0;
{ buttonchecked();
if ((++date > 6)
& (++day > 7))
date = 0;
if (set_time_button)
day = 0;
if (++date > end_of_month[month-1][is_leap_year(year + 2000)]) {
{
date = 1;
if (++month > 12) set_time_button
{
= 0;
month = 1;
++year;
time_setting_mode();
}

}
}
}
LCD_display();
}

}

Sơ đồ khối Buttonchecked()
– Có tác dụng điều khiển hoạt động khi các nút được nhấn.
}

13


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Hình 12: Sơ đồ khối hàm ButtonChecked

14


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Mã nguồn hàm ButtonChecked()

15


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Hàm Incre_Decre – để tăng giảm giá trị khi nhấn nút UP và DOWN
int8 incre_decre(int8 min_value, int8 value, int8 max_value)
{
buttonchecked();
if (incre_button)
{
incre_button = 0;
if

(value < max_value)

return(value + 1);
else return(min_value);
}
if (decre_button)
{
decre_button = 0;
if (min_value < value)
return(value - 1);
else return (max_value);
} else return value;
}

16


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Hình 13: Hàm Incre_Decre với phần Incre

17


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Hình 14: Hàm Incre_Decre với phần Decre

18


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Sơ đồ khối Date Setting Mode – Hàm Date Setting Mode có tác dụng điều chỉnh ngày cũng
như thứ trong tuần tương ứng với tháng trong năm.

Hình 15: Sơ đồ khối hàm Date Setting Mode
Mã nguồn hàm Date Setting Mode:

19


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
void date_setting_mode()
{
switch(month)

Sơ đồ khối và mã nguồn hàm Time setting mode – Hàm có chức năng điều chỉnh thời gian
{
hiển thị tương ứng với
từng ngày trong tuần.
case 1:
case 3:
case 5:
case 7:
case 8:
case 10:
case 12:
while (!set_time_button) {
date = incre_decre(1,date,31);
LCD_DISPLAY();
}
break;
case 4:
case 6:
case 9:

case 11:
while (!set_time_button){
date = incre_decre(1,date,30);
LCD_DISPLAY();
}
break;
case 2:
if (year%4 == 0)
while (!set_time_button){
date = (incre_decre(1,date,29));
LCD_DISPLAY();
}
else
while (!set_time_button) {
date = (incre_decre(1, date, 28));
LCD_DISPLAY();
}
break;
}
}

20


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Hình 16: Sơ đồ khối hàm Time Setting Mode

21


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
void time_setting_mode()
{
int1 exit_1 = 0;
int8 Time_SM = 0;
while (exit_1 == 0){
set_time_button = 0;
while (!set_time_button) {

22


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
6. Đặc tính kiểm tra

Quá trình kiểm tra bao gồm việc mô phỏng mạch trên ISIS Proteus, thiết kế mạch in cũng
như thực hiện mạch trên thực tế:
a. Mô phỏng mạch trên Proteus 8.0:

Hình 17: Sơ đồ mạch mô phỏng trên Proteus
Ta tiến hành kiểm tra lần lượt từng chế độ xem có đúng yêu cầu đặt ra không và chỉnh sửa
code cho phù hợp.
b. Thiết kế mạch in và kết quả thực tế:

23


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Hình 18: Sơ đồ mạch in, thiết kế bằng Layout trên Orcad

24


VIỆT PHÁP 10
6/2014
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Hình 19: Hình ảnh mạch hoạt động
Để tiến hành kiểm tra hoạt động thực tế của mạch, ta tiến hành kiểm nghiệm từng thành
phần:
•
•
•
•

Điều chỉnh độ sáng màn hình
Nút nhấn: SET_TIME, UP, DOWN và RESET
Hoạt động LCD.
Nguồn

Sau khi kiểm tra và chỉnh sửa, ta thu được kết quả cụ thể sau đây:
Thành phần
Độ sáng màn hình
Nút nhấn
SET_TIME
UP
DOWN

Kết quả kì vọng
Tốt
Tốt
Tốt
Tốt

25

Kết quả thực tế
Tốt
Đạt
Đạt
Đạt