Thiết kế, thi công mô hình led quay đồng hồ

i

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu để thực hiện chuyên đề tốt nghiệp, em đã
nhận đƣợc sự quan tâm tận tình của các thầy cô hƣớng dẫn trong khoa Điện – điện
tử và các bạn trong lớp 53D-DT đã giúp em hoàn thành chuyên đề này.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẩn Th.s Nguyễn Văn
Hân, đã hết lòng chỉ bảo và hƣớng dẫn tận tình, thƣờng xuyên theo dõi quá trình
thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu và Ban chủ nhiệm khoa Điện – Điện tử đã
tạo điều kiện thuận lợi cho em để hoàn thành tốt chuyên đề này.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
MỤC LỤC ...................................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... v
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................vii
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG .......................................................................... 1
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 2
2.1.

Sơ lƣợc về LED ............................................................................................. 2

2.2.

Quang báo bằng ma trận LED. ...................................................................... 3

2.2.1.

Khái niệm ................................................................................................3

2.2.2.

Ma trận LED hình tròn............................................................................3

2.3.

Cấu trúc của mô hình. .................................................................................... 4

2.3.1.

Khối điều khiển. ......................................................................................4

2.3.1.1.

Vi điều khiển AT89S52. ..................................................................5

2.3.1.2.

Cảm biến. .........................................................................................6

2.3.1.3.

Thời gian thực DS1307. ...................................................................7

2.3.2.

Nguồn nuôi .............................................................................................9

2.3.2.1.

Nguồn Pin ........................................................................................9

2.3.2.2.

Chổi quét ........................................................................................10

2.3.2.3.

Cấp nguồn không dây ( biến áp không khí, bức xạ điện từ). ........10

2.3.2.4.

Phƣơng pháp cấp nguồn lên mạch bằng ổ bi .................................11

2.3.3.

Hiển thị LED. ........................................................................................12

2.3.4.

Chức năng các linh kiện còn lại trong mạch: .......................................12

CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ..................................................................... 13
3.1.

Giới thiệu sơ lƣợc về mô hình ..................................................................... 13

3.1.1.

Đặt vấn đề .............................................................................................13

3.1.2.

Giải quyết vấn đề ..................................................................................13

3.1.2.1.

Sơ đồ khối ......................................................................................14

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


iii

3.2.

3.1.2.2.

Chức năng của các khối .................................................................14

3.1.2.3.

Khối nguồn .....................................................................................15

3.1.2.4.

Khối vi điều khiển AT89S52. ........................................................17

3.1.2.5.

Khối hiển thị...................................................................................21

3.1.2.6.

Khối cảm biến ................................................................................21

Lƣu đồ giải thuật.......................................................................................... 23

3.2.1.

Giải thuật hiển thị chữ. .........................................................................23

3.2.2.

Giải thuật hiển thị kí tự đầu tiên trên một vong pro 1 ..........................24

3.2.3.

Giải thuật hiển thị đồng hồ kim. ...........................................................25

3.2.4.

Giải thuật hiển thị chữ và đồng hồ số. ..................................................26

CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 27
4.1.

Một vài hình ảnh về mô hình thực tế. .......................................................... 27

4.2.

Một số khó khăn gặp phải khi thi công. ...................................................... 29

KẾT LUẬN ............................................................................................................... 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 31
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 32

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


iv

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Chức năng riêng của Port 3 ....................................................................19

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


v

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Hoạt động của LED. .................................................................................. 2
Hình 2.2: Quang báo bằng ma trận LED ................................................................. 3
Hình 2.3: Dải LED tạo thành LED ma trận hình tròn ............................................... 4
Hình 2.4: Vi điều khiển AT89S52 ............................................................................... 5
Hình 2.5 : Hình dạng thực tế của cảm biến từ A3144 ............................................... 6
Hình 2.6: Cấu trúc A3144 .......................................................................................... 6
Hình 2.7: Sơ đồ chân của DS1307 ............................................................................. 7
Hình 2.8 : Tổ chức bộ nhớ của DS1307 ..................................................................... 8
Hình 2.9: Nguồn Pin 9V ........................................................................................... 10
Hình 2.10: Chổi quét cấp nguồn cho mạch ............................................................. 10
Hình 2.11 : Nguồn bức xạ điện từ ............................................................................ 11
Hình 2.12 : Hình dạng ổ bi ...................................................................................... 11
Hình 3.1: Sơ đồ khối mô hình led ............................................................................ 14
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho VDK .............................................. 15
Hình 3.3: Mô hình cấp điện led quay kiểu vòng bi .................................................. 15
Hình 3.4: Cách gắn ổ bi lên động cơ ....................................................................... 16
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển AT89S52 .................................... 17
Hình 3.6: Cấu trúc Port 0 ........................................................................................ 18
Hình 3.7: Cấu trúc Port 1 ........................................................................................ 18
Hình 3.8: Cấu trúc Port 3 ........................................................................................ 19
Bảng 3.1: Chức năng riêng của Port 3 .................................................................... 19
Hình 3.9: Sơ đồ mạch Reset cho AT89S52 .............................................................. 20
Hình 3.10: Sơ đồ mạch dao động cho AT89S52 ...................................................... 20
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị ................................................................. 21

Hình 3.12: Sơ đồ kết nối khối cảm biến A3144 với VDK ........................................ 22
Hình 3.13: Lưu đồ giải thuật chung của 1 chương trình giải thuật hiển chữ trên 1
vòng quay ................................................................................................................. 23
Hình 3.14: Giải thuật hiển thị ký tự đầu tiên trên 1 vòng pro1 ............................... 24
Hình 3.15: Lưu đồ giải thuật hiển thị đồng hồ kim .................................................. 25

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


vi

Hình 3.16: Lưu đồ giải thuật hiển thị đồng hồ số và chữ. ....................................... 26
Hình 4.1: Mạch in và mạch thực .............................................................................. 27
Hình 4.2: Hiệu ứng hiển thị đồng hồ kim. ............................................................... 27
Hình 4.3: Hiệu ứng chạy chữ. .................................................................................. 28
Hình 4.4: Hình dạng dải LED trong mô hình. ......................................................... 28
Hình 4.5: Khối vi điều khiển AT89S52 thực tế ........................................................ 28
Hình 4.6: Hình dạng mô hình thực tế. ..................................................................... 29

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


vii

MỞ ĐẦU
Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, cuộc sống con ngƣời

càng trở nên tiện nghi và hiện đại hơn. Điều đó đem lại cho chúng ta nhiều giải
pháp tốt hơn trong việc xữ lý những vấn đề tƣởng chừng nhƣ rất phức tạp gặp phải
trong cuộc sống. Việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại trong tất
cả các lĩnh vực đã và đang phổ biến trên toàn thế giới, thay thế dần những phƣơng
thức thủ công, lạc hậu và ngày càng đƣợc cải tiến hiện đại hơn, hoàn mỹ hơn.
Cùng với sự phát triển chung đó, nƣớc ta cũng đang mạnh mẽ tiến hành công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc để theo kịp sự phát triển của các nƣớc trong khu
vực và trên thế giới. Trong đó lĩnh vực điện tử đang ngày càng đóng vai trò quang
trọng trong việc phát triển kinh tế và đời sống con ngƣời. Sự phổ biến của nó đóng
góp không nhỏ tới sự phát triển của tất cả các nghành sản xuất, giải trí,… Trong
những năm gần đây đặc biệt trong lĩnh vực giải trí, quảng cáo đã có sự phát triển
mạnh mẽ với nhiều hình thức, phƣơng pháp tiếp cận, quảng bá, chia sẻ thông tin
hiện đại và toàn diện hơn dựa trên quang báo led.
Với lòng đam mê và yêu thích của mình trong lĩnh vực này,em đã quyết định
chọn chuyên đề “Thiết kế, thi công mô hình led quay đồng hồ” nhằm đáp ứng
ham muốn học hỏi của bản thân cũng nhƣ nâng cao giá trị điện tử trong đời sống xã
hội.
 Mục đích nghiên cứu
Chế tạo một quang báo sử dụng động cơ và môt dải LED thẳng gắn
vào trụ động cơ. Khi động cơ quay, điều kiển dải LED hiển thị ra giờ
và chữ.
 Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu về cấu tạo,nguyên lý hoạt động và ứng dụng vi điều kiển
để hiển thị hình ảnh trên bề mặt LED xoay dựa trên hiện tƣợng lƣu
ảnh mắt ngƣời.
 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Từ đề tài này giúp mọi ngƣời biết đến vào hiểu hơn về loại quang báo
ảnh quay, phục vụ đời sống con ngƣời, ngoài hiển thị đồng hồ thời
gian quang báo này có thể hiển thị chữ, hình ảnh phục vụ quảng cáo…

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


1

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
Ngày nay, quang báo đƣợc sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội.
Hầu nhƣ đi đâu chúng ta cũng có thể bắt gặp những bảng hiệu điện tử với nhiều
hình thức khác nhau. Nhằm mục đích làm nổi bật lên thƣơng hiệu của mình các cửa
hàng ngƣời ta đã sử dụng rộng rãi các bảng quảng cáo điện tử.
Hiện nay có khá nhiều hình thức quang báo, chẳng hạn nhƣ các bảng hiệu LED
đơn đƣợc sắp xếp thành các bảng chữ hay hình ảnh thƣờng thấy ở các cửa hàng,
quán cafe, karaoke… hoặc là các bảng LED ma trận dùng để hiển thị những hình
ảnh và nội dung nhiều, hay dùng để làm các bảng thông báo thƣờng thấy ở sân bay
dùng để hiển thị các chuyến bay, giờ đến, giờ bay ….
Đề tài này sẽ thực hiện một loại hình quang báo, đó là “quang báo ảnh quay”.
Đây là một hình thức quang báo khá mới. Nó sử dụng một dải đèn LED quét thành
một màn hình hình tròn nhờ động cơ. Khi quay với tốc độ cao, những hình ảnh hay
nội dung sẽ đƣợc hiện ra trên màn hình hình tròn này.
Dựa theo nguyên lý quét LED MA TRẬN theo cột. Việc quét cột đƣợc thực
hiện nhờ quay của động cơ. Dựa vào nguyên lý hoạt động của cảm biến từ để tạo ra
ngắt cho vi điều khiển khi quay đƣợc 1 vòng. Để dữ liệu đƣợc cố định trên vòng
tròn quay, ta thực hiện bằng cách cứ ngắt xảy ra mới cho xuất dữ liệu,nếu trong thời
gian thực hiện ngắt mà dữ liệu đã xuất hết thì thoát ngắt và chờ đến ngắt tiếp theo
lại xuất dữ liệu."
Nội dung báo cáo này gồm 4 chƣơng:
+ Chƣơng 1: Giới thiệu chung
+ Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết

+ Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống
+ Chƣơng 4: Kết quả và thảo luận
Trong đó, chƣơng 1 sẽ giới thiệu khái quát về chuyên đề. Chƣơng 2 nói về cơ
sở lý thuyết của mô hình. Chƣơng 3 là cách thiết kế và các lƣu đồ giải thuật để làm
rõ nguyên lý hoạt động của mô hình. Chƣơng 4 tổng kết lại những gì đã làm đƣợc
và một số khó khăn vấp phải khi tiến hành thi công mô hình.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


2

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

Sơ lƣợc về LED

LED (Light Emitting Diode – diode phát quang) là các loại diode có khả năng
phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống nhƣ diode, LED đƣợc cấu
tạo từ một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N.
Hoạt động của LED cũng giống nhƣ nhiều loại diode bán dẫn khác (hình 2.1):
khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống mang điện tích dƣơng nên khi ghép với khối
bán dẫn loại n chứa các điện tử tự do mang điện âm thì các điện tử này có xu hƣớng
chuyển động khuếch tán sang khối P, cùng lúc đó khối P lại nhận thêm các điện tử
(điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ
trống và thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dƣơng (thiếu hụt điện tử và thừa lỗ
trống). Ở mặt tiếp giáp P-N, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại
gần nhau, chúng có xu hƣớng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa.

Quá trình này có thể giải phóng năng lƣợng dƣới dạng ánh sáng. Tùy theo mức năng
lƣợng giải phóng là cao hay thấp mà bƣớc sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức
màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lƣợng (và màu sắc của LED) hoàn toàn
phụ thuộc vào cấu trúc năng lƣợng của các nguyên tử chất bán dẫn. Thông thƣờng
LED có điện thế phân cực thuận cao hơn các loại diode khác khoảng 1,5 đến 3V
nhƣng điện thế phân cực ngƣợc ở LED lại không cao.

Hình 2.1: Hoạt động của LED.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


3

Đèn LED có những ứng dụng rất phong phú và rộng rãi: làm bộ phận hiển thị
trong các thiết bị điện, điện tử, trang trí, làm đèn giao thông, các đèn LED phát ra
tia hồng ngoại đƣợc dùng trong các thiết bị điều khiển từ xa trong điện tử dân
dụng… thậm chí ngày nay ngƣời ta đã và đang nghiên cứu đèn LED phát ánh sáng
trắng để thay thế cho các thiết bị chiếu sáng thông thƣờng nhƣ đèn sợi đốt, đèn
neon, đèn compact…Điều này là hoàn toàn có thể và có lẽ là sẽ thành hiện thực
trong một tƣơng lai không xa. Một trong những ứng dụng quan trọng và phổ biến
hiện nay của đèn LED chính là trong lĩnh vực quảng cáo, bảng quảng cáo bằng đèn
LED.
2.2.

Quang báo bằng ma trận LED.

2.2.1. Khái niệm

Ma trận LED là tập hợp nhiều đèn LED đƣợc bố trí thành ma trận dạng hình chữ
nhật hoặc vuông với số hàng là a và số cột là b. Để giảm số lƣợng các đƣờng điều
khiển, trong các ma trận LED, các LED đƣợc nối chung với nhau theo hàng và cột.
Số lƣợng LED trên ma trận LED là axb trong khi số lƣợng ngõ ra bằng tổng số hàng
và cột: a+b.

Hình 2.2: Quang báo bằng ma trận LED
2.2.2. Ma trận LED hình tròn.
Khi ta ghép các LED đơn lại thành một dải thẳng, sau đó giữ cố định LED đầu
tiên, và quay các LED còn lại xung quanh trục đi qua LED đầu tiên đó, sẽ thu đƣợc
một hình tròn tạo bởi các LED gọi là ma trận LED hình tròn.
Hình tròn này đóng vai trò nhƣ một màn hình hiển thị thông tin theo ý muốn.
Việc hiển thị trên ma trận LED hình tròn này chính là việc điều khiển dải LED xếp
theo đƣờng thẳng.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


4

Hình 2.3: Dải LED tạo thành LED ma trận hình tròn
Nguyên lý hoạt động của ma trận LED hình tròn cũng tƣơng tự nhƣ đối với ma
trận LED hình vuông hay chữ nhật. Tức là, lúc này ta chia hình tròn ra thành các cột
(ví dụ: hình tròn có 360o thì ta chia mỗi độ tƣơng ứng với một cột thì ta thu đƣợc
ma trận LED có 360 cột…). Số lƣợng cột càng nhiều thì khi LED quay độ phân giải
càng cao sẽ hiển thị hình ảnh càng rõ. Tuy nhiên, số lƣợng cột càng cao thì đòi hỏi
vi điều khiển xử lý càng nhiều dẫn đến tốn bộ nhớ, nên để thích hợp đối với mô
hình này ta chia vòng tròn thành 192 cột. Tƣơng ứng với điều này, khi cho hiển thị

đồng hồ kim lên ma trận LED tròn, ta chia hình tròn thành 12 khoảng (giống với
đồng hồ kim thực tế), mỗi khoảng tƣơng ứng với 16 cột LED.
Đối với ma trận LED hình tròn, phƣơng pháp quét LED có một vài điểm khác so
với ma trận LED hình vuông hay chữ nhật. Đó là ta chỉ xuất dữ liệu lên một dải
LED, vì vậy để dải LED này hiển thị đƣợc nội dung hay hình ảnh rõ ràng ta cần tính
toán đến độ trễ của nó. Vì tốc độ lƣu ảnh ở mắt ngƣời là 24 hình/s nên tốc độ tối
thiểu của động cơ là 24 vòng/s => thời gian 1 vòng = 1/24 = 0.0416 s ~ 42ms. Trên
vòng quay chia làm 192 cột thì khoảng cách giữa mỗi cột = 42/192 = 0.218 ms ~
268us. Đây là thời gian delay giữa 2 lần xuất dữ liệu ra.
2.3. Cấu trúc của mô hình.
2.3.1. Khối điều khiển.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


5

2.3.1.1. Vi điều khiển AT89S52.

Hình 2.4: Vi điều khiển AT89S52
 Các đặc điểm của chip AT89S52 đƣợc tóm tắt nhƣ sau [2] :
 8 KB bộ nhớ có thể lập trình nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ
ghi/xoá.
 Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 33 MHz.
 3 mức khóa bộ nhớ lập trình.
 3 bộ Timer/counter 16 Bit.
 128 Byte RAM nội.
 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit.

 Giao tiếp nối tiếp.
 64 KB vùng nhớ mã ngoài.
 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại.
 4 µs cho hoạt động nhân hoặc chia.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


6

2.3.1.2.

Cảm biến.

Cảm biến từ A3144:

Hình 2.5 : Hình dạng thực tế của cảm biến từ A3144

Hình 2.6: Cấu trúc A3144
 Thông số kỹ thuật:
Loại

Cảm biến

Họ

Cảm biến từ trƣờng

Kiểu

Chuyển mạch đơn cực

Điện áp cung cấp

4,5V ~ 24V

Dòng điện cung cấp

4,4mA ~ 9mA

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


7

Dòng điện ra ( Max)

10 μA

Nhiệt độ hoạt động

-40oC ~ 85oC

Số chân

3

 Chức năng:
Cảm biến từ dùng đánh dấu 1 vòng quay nhằm giúp khối xử lý xác định vị trí bắt
đầu của vòng quay để xử lý dữ liệu cho hiển thị chính xác.
2.3.1.3. Thời gian thực DS1307.
 DS1307: [6] là chip đồng hồ thời gian thực (RTC: Real Time Clock), khái
niệm thời gian thực ở đây đƣợc dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con ngƣời
đang sử dụng, tính bằng giây, phút, giờ…. DS1307 là một sản phẩm của Dallas
Semiconductor (một công ty thuộc Maxim Integrated Products). Chip này có 7
thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm.
Ngoài ra DS1307 còn có một thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống
có thể dùng nhƣ RAM. DS1307 đƣợc đọc và ghi thông qua giao diện nối tiếp I2C
nên cấu tạo bên ngoài rất đơn giản. DS1307 xuất hiện ở hai gói SOIC và DIP có 8
chân nhƣ trong hình 1.13.

Hình 2.7: Sơ đồ chân của DS1307
 Các chân của DS1307 đƣợc mô tả nhƣ sau:
 X1 và X2: là 2 ngõ kết nối với một thạch anh 32,768KHz làm nguồn tạo dao
động cho chip.
 VBAT : cực dƣơng của một nguồn pin 3V nuôi chip.
 GND: chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc.
 Vcc: nguồn cho giao diện I2C, thƣờng là 5V và dùng chung với vi điều khiển.
Chú ý là nếu Vcc không đƣợc cấp nguồn nhƣng VBAT đƣợc cấp thì DS1307 vẫn đang
hoạt động (nhƣng không ghi và đọc đƣợc).

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam

8

 SQW/OUT: một ngõ phụ tạo xung vuông (Square Wave / Output Driver), tần
số của xung đƣợc tạo có thể đƣợc lập trình. Nhƣ vậy chân này hầu nhƣ không liên
quan đến chức năng của DS1307 là đồng hồ thời gian thực, chúng ta sẽ bỏ trống
chân này khi nối mạch.
 SCL và SDA là 2 đƣờng giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C.
Cấu tạo bên trong DS1307 bao gồm một số thành phần nhƣ mạch nguồn, mạch
dao động, mạch điều khiển logic, mạch giao diện I2C, con trỏ địa chỉ và các thanh
ghi (hay RAM). Do đa số các thành phần bên trong DS1307 là thành phần “cứng”
nên chúng ta không có quá nhiều việc khi sử dụng DS1307. Sử dụng DS1307 chủ
yếu là ghi và đọc các thanh ghi của chip này.

Hình 2.8 : Tổ chức bộ nhớ của DS1307
Vì 7 thanh ghi đầu tiên là quan trọng nhất trong hoạt động của DS1307 nên ta sẽ
khảo sát các thanh ghi này một cách chi tiết.
Thanh ghi giây (SECONDS): thanh ghi này là thanh ghi đầu tiên trong bộ nhớ
của DS1307, địa chỉ của nó là 0x00. Bốn bit thấp của thanh ghi này chứa mã BCD 4
bit của chữ số hàng đơn vị của giá trị giây. Do giá trị cao nhất của chữ số hàng chục
là 5 (không có giây thứ 60) nên chỉ cần 3 bit là có thể mã hóa đƣợc. Bit cao nhất, bit
7, trong thanh ghi này là 1 điều khiển có tên CH (Clock Halt – treo đồng hồ), nếu
bit này đƣợc set bằng 1 bộ dao động trong chip bị vô hiệu hóa, đồng hồ không hoạt
động. Vì vậy, nhất thiết phải reset bit này xuống 0 ngay từ đầu.
Thanh ghi phút (MINUTES): có địa chỉ 0x01, chứa giá trị phút của đồng hồ.
Tƣơng tự thanh ghi SECONDS, chỉ có 7 bit của thanh ghi này đƣợc dùng lƣu mã
BCD của phút, bit 7 luôn luôn bằng 0.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam

9

Thanh ghi giờ (HOURS): có thể nói đây là thanh ghi phức tạp nhất trong
DS1307. Thanh ghi này có địa chỉ 0x02. Trƣớc hết 4 bit thấp của thanh ghi này
đƣợc dùng cho chữ số hàng đơn vị của giờ. Do DS1307 hỗ trợ 2 loại hệ thống hiển
thị giờ (gọi là mode) là 12h (1h đến 12h) và 24h (1h đến 24h), bit 6 ( trong hình 4)
xác lập hệ thống giờ. Nếu bit 6=0 thì hệ thống 24h đƣợc chọn, khi đó 2 bit cao 5 và
4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giá trị giờ. Do giá trị lớn nhất của chữ số hàng
chục trong trƣờng hợp này là 2 nên 2 bit 5 và 4 là đủ để mã hóa. Nếu bit 6 =1 thì hệ
thống 12h đƣợc chọn, với trƣờng hợp này chỉ có bit 4 dùng mã hóa chữ số hàng
chục của giờ, bit 5 chỉ buổi trong ngày, AM hoặc PM. Bit 5 =0 là AM và bit 5 =1 là
PM. Bit 7 luôn bằng 0.
Thanh ghi thứ (DAY – ngày trong tuần): nằm ở địa chỉ 0x03. Thanh ghi DAY
chỉ mang giá trị từ 1 đến 7 tƣơng ứng từ Chủ nhật đến thứ 7 trong 1 tuần. Vì thế, chỉ
có 3 bit thấp trong thanh ghi này có nghĩa.
Các thanh ghi còn có cấu trúc tƣơng tự, DATE chứa ngày trong tháng (1 đến
31), MONTH chứa tháng (1 đến 12) va YEAR chứa năm (00 đến 99). Chú ý,
DS1307 chỉ dùng cho 100 năm, nên giá trị năm chỉ có 2 chữ số, phần đầu của năm
do ngƣời dùng tự thêm vào ( ví dụ 20xx).
Ngoài các thanh ghi trong bộ nhớ, DS1307 còn có một thanh ghi khác nằm riêng
gọi là con trỏ địa chỉ hay thanh ghi địa chỉ (Address Register).Giá trị của thanh ghi
này là địa chỉ của thanh ghi trong bộ nhớ mà ngƣời dùng muốn truy cập. Giá trị của
thanh ghi địa chỉ (tức địa chỉ của bộ nhớ) đƣợc set trong lệnh Write.
2.3.2. Nguồn nuôi
Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp điện áp cho vi điều khiển hoạt động.
Với đặc thù của mô hình LED này là khi hoạt động cần phải quay tròn nên không
thể đấu dây trực tiếp lên mạch mà cần phải có module cấp điện lên. Vì vậy yêu cầu
đặt ra cho khối nguồn là vừa cấp đƣợc điện áp cho vi điều khiển hoạt động vừa

không gây ảnh hƣởng đến việc xoay tròn của động cơ.
Sau khi nghiên cứu ta đƣợc các phƣơng pháp cấp nguồn lên mạch sau:
+ Cấp nguồn bằng cách dùng chổi quét.
+ Cấp nguồn không dây.
+ Cấp nguồn bằng ổ bi.
2.3.2.1.

Nguồn Pin

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


10

Hình 2.9: Nguồn Pin 9V
 Ƣu điểm: Phƣơng pháp này có ƣu điểm dễ chế tạo, nguồn điện nằm ngay
trên mạch
 Nhƣợc điểm: Vì thiết kế đòi hỏi nhỏ gọn, nhẹ để motor quay một cách dễ
dàng nên không thể gắn pin lên cánh quạt. Hơn nữa dùng pin thì LED chỉ hoạt động
đƣợc trong một khoảng thời gian nhất định vì dung lƣợng pin không cao.
=>> không đáp ứng đc yêu cầu thực tế
2.3.2.2.

Chổi quét

Hình 2.10: Chổi quét cấp nguồn cho mạch
 Ƣu điểm : dễ chế tạo, hiệu suất truyền điện khá cao.
 Nhƣợc điểm: có tiếng ồn khi hoạt động, do tiếp xúc ma sát dễ gây mòn chổi

quét nên phải bảo trì định kỳ. Lực ma sát làm ảnh hƣởng đến momen quay của động
cơ làm động cơ nóng và giảm tuổi thọ. =>> không đáp ứng đc yêu cầu thực tế
2.3.2.3.

Cấp nguồn không dây ( biến áp không khí, bức xạ điện từ).

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


11

Hình 2.11 : Nguồn bức xạ điện từ
 Ƣu điểm: cấp nguồn liên tục, không có chuyển động cơ khí nên không ảnh
hƣởng đến momen quay của động cơ.
 Nhƣợc điểm: Hiệu suất truyền điện thấp nhất, module chế tạo phức tạp.
=>> không đáp ứng đc yêu cầu thực tế
2.3.2.4.

Phƣơng pháp cấp nguồn lên mạch bằng ổ bi

Hình 2.12 : Hình dạng ổ bi
 Phƣơng pháp này có ƣu điểm cấp nguồn lên mạch liên tục, không gây ồn,
không cần bảo trì thƣờng xuyên. Ma sát của ổ bi loại ma sát lăn nên ít ảnh hƣởng
đến momen quay của động cơ.
 Nhƣợc điểm: phức tạp, khó chế tạo.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


12

Sau khi tìm hiểu các phương pháp trên thì phương pháp cấp nguồn bằng ổ bi
đáp ứng được yêu cầu của đề tài và giá thành cũng hợp lý. Sẽ được làm rỏ ở
chương 3.
2.3.3. Hiển thị LED.
Gồm dãy led, bán kính quay 28LED (pixel) 18cm nên khi quay tạo mặt phẳng hiển
thị đƣờng kính 36cm với 56 pixel. Khoảng cách giữa 2 pixel = 6mm, diện tích hiển
thị 1018 cm2. Nhƣ vậy khi dải LED quay tròn có thể hiện đƣợc hình ảnh với độ
phân giải là (56x56) pixel.
2.3.4. Chức năng các linh kiện còn lại trong mạch:
 Diode: có chức năng bảo vệ mạch khi nối nguồn sai, ngoài ra, khi tụ xả điện
thì diode ngăn không cho xả ngƣợc về nguồn cấp. Mạch dung LM7805 cho ra dòng
max 1.5A nên chọn loại diode 2A.
 Tụ C4 :có chức năng bù điện khi quá trình cấp điện không liên tục hoặc khi
các LED sáng đồng loạt khiến dòng ra tải cao.Vị trí lắp sau diode nhằm mục đích
khi xả điện thì chỉ cho xả vào mạch LED mà không đi ngƣợc lại.
Thời gian có thể xảy ra mất điện: là khoảng thời gian giữa 2 vòng quay do quá
trình động cơ quay làm ổ bi rung. Hoặc thời gian giữa 2 cột LED sáng toàn bộ, chủ
yếu xả điện khi sụt áp do LED sáng nhiều.
 Tụ C5: nguồn vào các vi điều khiển nhƣ 8051thì để chạy ổn định cần có tụ
lọc nhiễu nguồn nên dùng tụ lọc nhiễu 104 pF.
 IC7805 có đặc tính:
Ốn áp ngõ ra 5 V với các đặc tính:
VIN = 7V - 25V.
VOUT = 5V.
IOUT = 1.5A.

 Diode zener 5.1V: bảo vệ mạch và các linh kiện khi bị ngắn mạch. Đặc tính
của diode zener là ổn định điện áp 5.1V nên khi chập mạch thì điện áp có thể tăng
vọt, khi đó zener sẽ xả điện xuống GND, nếu dòng điện cao quá diode zener sẽ chết
và trở thành dây dẫn từ nguồn xuống GND, lúc này cầu chì bên ngoài sẽ bị ngắt để
bảo vệ nguồn.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


13

CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.1. Giới thiệu sơ lƣợc về mô hình
3.1.1. Đặt vấn đề
 Ý tƣởng thiết kế
 Thiết kế, chế tạo một quang báo sử dụng động cơ và một dải LED thẳng
đƣợc gắn vào trục động cơ. Khi động cơ quay, lợi dụng hiện tƣợng lƣu ảnh mắt
ngƣời, điều khiển dải LED hiển thị ra những hình ảnh và nội dung tùy ý.
 Kích thƣớc quang báo đủ lớn để có thể hiển thị rõ nội dung cũng nhƣ các
hiệu ứng cần thiết.
 Hiển thị đƣợc ảnh động và tĩnh.
 Giá thành phải phù hợp với thị trƣờng tại Việt Nam.
 Có khả năng nâng cấp về kích thƣớc dải LED và một số chức năng khác nhƣ
điều khiển từ xa, hẹn giờ báo thức…
 Phƣơng pháp thực hiện
 Thực hiện bằng các cổng logic cơ bản cùng các linh kiện cơ bản: transitor, R,
L, C… Phƣơng pháp này cần nhiều linh kiện, mạch cồng kềnh, không có nhiều khả
năng linh hoạt, khả năng mở rộng rất hạn chế.

 Thực hiện bằng vi mạch tích hợp lập trình đƣợc thuộc họ FPGA. Phƣơng
pháp này cho kết quả mạch khá nhẹ nhàng vì đôi lúc chỉ cần một con chip mà
không cần dùng thêm các linh kiện khác. Tuy nhiên, phƣơng pháp này giá thành cao
vì các chip FPGA rất đắt.
 Thực hiện bằng vi mạch điều khiển, vi mạch xử lý. Đây là phƣơng pháp
đƣợc chọn để thực hiện đề tài này vì nó cho kết quả khả quan hơn hai phƣơng pháp
trên. Chỉ cần dùng chip vi xử lý và một số IC để điều khiển dải LED. Nhƣ vậy,
mạch quay sẽ nhẹ hơn, và quan trọng là giá thành chip vi xử lý cũng không quá đắt.
3.1.2. Giải quyết vấn đề
Trong mạch này có thể chia làm nhiều khối, mỗi khối sẽ đảm nhiệm từng
chức năng riêng. Sau đây em sẽ đi làm rỏ nhiện vụ và nguyên lý hoạt động
của từng khối để thiết kế một mạch hoàn chỉnh.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


14

3.1.2.1.

Sơ đồ khối

Hình 3.1: Sơ đồ khối mô hình led
3.1.2.2.

Chức năng của các khối

 Khối nguồn:đảm bảo cung cấp điện liên tục cho khối điều khiển hoạt

động.
 Khối điều khiển:xử lý các tín hiệu điều khiển, ngắt ngoài, truy xuất dữ
liệu trong bộ nhớ và xử lý các hiệu ứng tạo các data xuất ra khối hiển thị.
 Khối cảm biến:tạo các tín hiệu ngắt đƣa về khối xử lý nhằm đảm bảo các
LED hiển thị chính xác vị trí.
 Khối hiển thị:có vai trò xuất các tín hiệu logic sau khi xử lý xong ra các
LED, khối này quyết định chất lƣợng của nội dung cần hiển thị.
 Bộ nhớ: chứa các thông số điều khiển, các mảng dữ liệu cho hình ảnh,
text…Khi ngƣời dùng thay đổi nội dung, hình ảnh thì các dữ liệu sẽ đƣợc
lƣu vào bộ nhớ này. Khi LED hoạt động, các ô nhớ đƣợc truy cập liên tục
cho khối điều khiển.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


15

3.1.2.3.

Khối nguồn

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho VDK
Để khối nguồn hoạt động ta cần cấp nguồn 12V qua ổ bi đến đầu vào vin qua IC
7805 sẽ cho ra nguồn 5V cấp ch0 VDK
 Nguyên lý cấp nguồn thông qua ổ bi:

Hình 3.3: Mô hình cấp điện led quay kiểu vòng bi
 Do vành trong và vành ngoài chuyển động trên các viên bi, tất cả đều làm

bằng kim loại nên trong quá trình bi quay vẫn dẫn điện từ vòng trong ra vòng ngoài.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


16

Hình 3.4: Cách gắn ổ bi lên động cơ
Ổ bi đƣợc gắn vào trục động cơ, giữa vòng trong của ổ bi và trục có lớp cách
điện bằng cao su.Trục và vỏ động cơ đƣợc nối nguồn (-), trục quay dẫn điện với vỏ
nên cấp nguồn (-) lên mạch.Vòng ngoài của ổ bi cố định và đƣợc nối nguồn (+), nhƣ
vậy vòng trong của ổ bi khi quay sẽ có điện (+) cấp lên mạch.
Sử dụng phƣơng pháp này là tối ƣu nhất vì vòng bi quay trơn tru, không gây ma
sát tạo tiếng ồn, đồng thời mạch gọn nhẹ làm motor quay dễ dàng.
 Ổ bi: khi quay các bi chuyển động chống tiếng ồn ma sát so với các phƣơng
pháp cấp nguồn khác. Hơn nữa, đây là phƣơng pháp tối ƣu cho việc cấp nguồn ổn
định lên mạch.
 Vòng cách điện: làm bằng cao su đƣờng kính trong 6 mm, đƣờng kính ngoài
8 mm, chức năng cách điện tốt giữa nguồn âm và nguồn dƣơng
 Lò xo: gồm có 2 chức năng:
+ Thứ nhất: cấp nguồn dƣơng lên ổ bi ( nguồn dƣơng đƣợc đƣa vào đai ốc, đai
ốc bắt vào lò xo nhƣ hình 1.21).
+ Thứ hai: tạo lực kéo nhẹ đủ làm cho các viên bi luôn tiếp xúc với vòng trong
và vòng ngoài ở 1 bên khi quay, vì khi quay có thể do lực ly tâm làm các viên bi có
xu hƣớng ra xa vòng trong của ổ bi, chống rung khi motor quay với tốc độ cao. Nếu

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam


17

dùng dây dẫn sau 1 tg dùng dây sẽ đứt vì liên tục bị biến dạng khi quay, lò xo đáp
ứng đc yêu cầu chuyển động liên tục này
Nguồn 12V sau khi đƣợc cấp lên mạch, cho qua IC LM7805 để chuyển thành
5V cấp cho khối điều khiển và LED.
3.1.2.4.

Khối vi điều khiển AT89S52.

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển AT89S52
 Các thành phần của AT89S52 đƣợc sử dụng trong mạch:
 Chân Vcc: chân số 40 là Vcc cấp điện áp nguồn cho vi điều khiển
Nguồn điện cấp là +5V± 0.5V


Chân GND: Chân số 20 nối GND (hay nối Mass).

Khi thiết kế cần sử dụng một mạch ổn áp để bảo vệ cho vi điều khiển, cách đơn
giản là sử dụng IC ổn áp 7805.
 Port 0 (P0.X): Port 0 chiếm tất cả 8 chân (từ chân 32 đến 39). Nó có thể
đƣợc dùng nhƣ cổng đầu ra, để sử dụng các chân cổng 0 vừa làm đầu ra, vừa làm
đầu vào thì mỗi chân phải đƣợc nối tới một điện trở kéo bên ngoài.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam

18

Điều này là do Port 0 đƣợc thiết kế theo kiểu cực máng hở khác với các Port còn
lại.



Hình 3.6: Cấu trúc Port 0
Port 1 (P1.X): Cổng P1 gồm 8 chân ( từ chân 1 đến 8), nó có thể đƣợc sử

dụng nhƣ đầu vào hoặc đầu ra.
So với cổng P0 thì cổng này không cần đến điện trở kéo vì nó đã có các điện trở
kéo bên trong.Trong quá trình tái lập thì cổng P1 đƣơc cấu hình nhƣ một cổng đầu
ra. Để biến cổng P1 thành đầu vào thì nó phải đƣợc lập trình bằng cách ghi 1 đến tất
cả các bit của nó.

Hình 3.7: Cấu trúc Port 1
 Port 3 (P3.X): Port 3 gồm 8 chân ( từ chân 10 đến 17).
Nó có thể đƣợc sử dụng nhƣ đầu vào hoặc đầu ra.Cổng P3 cũng không cần điện
trở kéo.

GVHD: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Trương Minh Nam