THIẾT kế và THI CÔNG MẠCH QUANG báo GIAO TIẾP máy TÍNH (có code và sơ đồ mạch)

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
QUANG BÁO GIAO TIẾP MÁY TÍNH


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..........................................................................................VII
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...................................................................................VIII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................IX
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI...........................................................................1
1.1

MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI..................................................................................................1

1.2

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI................................................................................................1

1.3

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI..................................................................................................1

1.4

SƠ ĐỒ KHỐI.............................................................................................................2

CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN VÀ
CÁC GIAO TIẾP SỬ DỤNG TRONG MẠCH.................................................................3
2.1

VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F887....................................................................................3

2.2

IC GHI DỊCH 74HC595............................................................................................4

2.3

IC ĐỆM DÒNG ULN2803........................................................................................6

2.4

MODULE CP2102.....................................................................................................7

2.5

TRANSISTOR A1015...............................................................................................7

2.6

LED MATRIX 88....................................................................................................8

2.7

GIAO TIẾP NỐI TIẾP USART.................................................................................9

2.8

CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỂN THỊ LED MATRIX...................................................9

2.8.1

Phương pháp quét cột:........................................................................................9

2.8.2

Phương pháp quét hàng:..................................................................................10

CHƯƠNG 3. SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH........................11
3.1

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ..............................................................................................11

3.2

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG..................................................................................12

3.3

LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT..........................................................................................13

3.3.1

Lưu đồ giải thuật của chương trình chính........................................................13

3.3.2

Lưu đồ giải thuật của bảng quang báo.............................................................14


3.3.3

Lưu đồ giải thuật chương trình copy font vào RAM.........................................15

3.3.4

Lưu đồ giải thuật chương trình hiển thị............................................................16

3.4

SƠ ĐỒ MẠCH IN...................................................................................................17

3.5

MẠCH QUANG BÁO TRONG THƯC TẾ............................................................18

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................20
4.1

KẾT LUẬN..............................................................................................................20

4.2

ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..............................................................20

TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................21
PHỤ LỤC A......................................................................................................................22


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Sơ đồ khối của mạch...................................................................................2
Hình 2-1: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887.........................................................3

Hình 2-2: Kiến trúc Harvard của PIC16F887.............................................................4
Hình 2-3: Sơ đồ chân IC 74HC595.............................................................................4
Hình 2-4: Sơ đồ chân IC đệm dòng ULN2803...........................................................6
Hình 2-5: Sơ đồ chân module
CP2102........................................................................7
Hình 2-6: Sơ đồ chân transistor A1015.......................................................................8
Hình 2-7: Sơ đồ chân LED Matrix 88.......................................................................8
Hình 2-8: Hình ảnh thực tế LED Matrix 88..............................................................8
Hình 3-1: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển..............................................................11
Hình 3-2: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị...................................................................11
Hình 3-3: Lưu đồ giải thuật chương trình chính.......................................................13
Hình 3-4: Lưu đồ giải thuật của bảng quang báo......................................................14
Hình 3-5: Lưu đồ giải thuật của chương trình copy font vào RAM.......................15
Hình 3-6: Lưu đồ giải thuật chương trình hiển thị....................................................16
Hình 3-7: Sơ đồ mạch in khối hiển thị......................................................................17
Hình 3-8: Sơ đồ mạch in khối điều khiển.................................................................17
Hình 3-9: Hình ảnh thực tế của mạch quang báo......................................................18
Hình 3-10: Bảng điều khiển nội dung hiển thị..........................................................18


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Chức năng của các chân IC 74HC595……………………………...………5
Bảng 2: Chức năng các chân module CP2102............................................................7


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CPU

Central Processing Unit.

I2C

Inter-Integrated Circuit

IC

Integrated Circuit.

LED

Light Emitting Diode.

PIC

Programable Intelligent Computer.

PSP

Parallel Slave Port.

SPI

Serial Peripheral Bus.

SSP

Synchronous Serial Port.

UART

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter.

USART

Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter.

VDC

Voltage Direct Current

ADC

Analog-to-Digital Converter.

RAM

Random Access Memory.

ROM

Read-Only Memory.

EPROM

Erasable Programmable Read-Only Memory.

TTL

Transistor-Transistor Logic.

USB

Universal Serial Bus.

LSB

Least Significant Bit.

MSB

Most Significant Bit.

NRZ

Non-Return-to-Zero.

SMS

Short Message Services.


Trang 1/26

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Mục đích đề tài.
 Thiết kế và thi công mạch quanq báo hiển thị trên bộ 4 LED Matrix ghép lại
832. Mạch có thể giao tiếp với máy tính qua chuẩn giao tiếp UART.
1.2 Giới thiệu đề tài.
 Thông tin liên lạc là vấn đề quan trọng trong xã hội hiện. Chúng ta có thể
biết được thông tin thông qua các phương tiện báo chí, mạng internet, truyền

hình......Việc thu thập thông tin một cách kịp thời và chính xác giúp chúng ta
thành công trong mọi lĩnh vực do đó thông tinh cần phải được truyền đi
nhanh chóng, rộng rãi trong xã hội.


Việc dùng vi điều khiển để điều khiển sẽ có nhiều thuận lợi giúp thông tin
được truyền đi một cách nhanh chóng và chính xác. Do đó em chọn đề tài:
“ Quang báo giao tiếp máy tính ” dùng vi điều khiển PIC16F887 vì có tính
ứng dụng rộng rãi, có thể dùng để làm bảng thông báo ở các cơ quan, trường
học hoặc làm bảng quảng cáo.

1.3 Nhiệm vụ đề tài.
 Sử dụng vi điều khiển PIC16F887.


Hiển thị trên bộ 4 LED Matrix 832.



Điều khiển hiển thị nội dung bằng máy tính thông qua giao tiếp UART.

1.4 Sơ đồ khối

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 2/26

Hình 1-1 Sơ đồ khối của mạch.


Khối nguồn: Dùng IC 7085 tạo nguồn 5 VDC để cung cấp cho các mạch
hoạt động.



Khối điều khiển: Dùng bàn phím và chương trình Visual Basic để tạo chương
trình truyền dữ liệu cần hiển thị từ máy tính xuống vi điều khiển.



Khối giao tiếp máy tính: Sử dụng module chuyển từ USB sang giao tiếp
UART để truyền dữ liệu cần hiển thị.



Khổi xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển PIC16F887 để thu thập và xử lý
dữ liệu.



Khối giải mã và đệm dòng cho cột và hàng:
+ Giải mã cột: Sử dụng IC 74HC595 để ghi dịch và chốt dữ liệu đưa ra
bộ đệm dòng để hiển thị ra LED.
+ Giải mã hàng: dữ liệu từ vi điều khiển qua bộ đệm dòng ULN2803 và
transistor A1015 để đưa dòng ra các hàng cần hiển thị.
+ Đệm dòng: Sử dụng IC ULN2803 và transistor A1015 để đảm bảo các
LED đều sáng đồng đều khi 1 LED sáng hay cả 8 LED sáng.



Khối hiển thị: Sử dụng 4 LED ma trận 88 nối chung hàng với nhau tạo
thành bảng LED 832 để hiển thị dữ liệu.

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 3/26

CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ
CHUẨN GIAO TIẾP
1.5 Vi điều khiển PIC16F887[1].

Hình 2-1: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887[4]
 Vi điều khiển PIC16F887 gồm: 40 chân, trong đó có: 33 chân PORT xuất
nhập ( PORT A, PORT B, PORT C, PORT D, PORT E), 2 chân nối với thạch
anh tạo dao động cho vi điều khiển, 1 chân RESET, 2 chân VSS, 2 chân
VDD.
 Vi điều khiển PIC16F877 gồm có:
+ Ba bộ Timer ( Timer 0, Timer 1, Timer 2 ) để định thời gian và đếm.
+ Các chuẩn giao tiếp nối tiếp như: SSP, SPI, I2C, USART,...
+ Chuẩn giao tiếp song song: PSP.
+ ADC 10 bit: có 8 ngõ vào analog (RA4:RA0, RE2:RE0).

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 4/26

Hình 2-2: Kiến trúc Harvard của PIC16F887[4].

 Vi điều khiển PIC16F887 gồm có 2 bộ nhớ Program Memory và Data
Memory (EPROM).
1.6 IC ghi dịch 74HC595[2].
 Là IC ghi dịch 8 bit kết hợp chốt dữ liệu, đầu vào nối tiếp, đầu ra song song.

Hình 2-3: Sơ đồ chân IC 74HC595[7].

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 5/26

Bảng 1: Chức năng các chân IC 74HC595[2].

1.7 IC đệm dòng ULN2803[6]
 Đây là IC gồm 8 transistor NPN ghép Darlington gắn mạch điện tử trong dãy
này của chuỗi là một bộ lý tưởng để giao tiếp với mạch điện dạng số mức

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 6/26

logic thấp như: TTL, CMOS hoặc PMOS/NMOS. IC ULN2803 được thiết kế
để phù hợp với chuẩn TTL.
 Một vài thông số kĩ thuật của IC ULN2803:
+ Giá trị dòng điện ngõ vào khoảng 25 mA..
+ Giá tri điện áp ngõ ra khoảng 0.5 V – 30 V.
+ Giá trị dòng điện ngõ ra tới 500 mA/ 50 V.
+ Đệm 8 kênh riêng biệt và ngõ ra đảo.

Hình 2-4: Sơ đồ chân IC đệm dòng ULN2803[7].

1.8 Module CP2102[3]
 Là module chuyển đổi từ cổng USB sang giao tiếp URAT.

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 7/26

Hình 2-5: Sơ đồ chân module CP2102[3].

Bảng 2: Chức năng các chân của module CP2102[3].
1.9 Transistor A1015[5]
 Transistor A1015 là loại transistor PNP.
 Transistor A1015 có Uc cực đại là -50 V, dòng Ic cực đại là -150 mA
 Hệ số khuếch đại hfe của transistor thấp nhất bằng 70.

Hình 2-6: Sơ đồ chân transistor A1015[7].
Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 8/26

1.10

LED Matrix 88[5]

Hình 2-7: Sơ đồ chân LED Matrix 88[6].

Hình 2-8: Hình ảnh thực tế LED Matrix 88[6].

1.11 Chuẩn giao tiếp UART[2]
 USART là chuẩn giao tiếp nối tiếp, có thể truyền và nhận cùng 1 thời điểm.
 Vi điều khiển PIC16F887 được tích hợp bộ tạo tốc độ Baud 8 bit sử dụng cho
giao diện UART.
 UART bất đồng bộ truyền theo chuẩn NRZ, các bit truyền đi gồm 1 bit start,
1 bit stop, 8 hay 9 bit dữ liệu. Truyền theo thứ tự LSB đến MSB.
 Các thông số trong truyền và nhận của giao tiếp UART:
+ Tốc độ Baud: là khoảng thời gian truyền 1 bit.
+ Khung truyền ( Frame ): quy định về số bit cho mỗi lần truyền.

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 9/26

+ Start bit: là bit đầu tiên trong khung truyền, báo cho thi ết bị biết
có một gói dữ liệu sắp được truyền tới.
+ Data: dữ liệu được truyền đi.
+ Parity bit: bit kiểm tra dữ liệu truyền.
+ Stop bit: là một hoặc nhiều bit báo cho thiết bị biết các bit đã gửi
xong.
1.12

Các phương pháp hiển thị LED Matrix [6]

1.1.1 Phương pháp quét cột[6]:
 Quét cột là phương pháp mà trong một khoảng thời gian xác định chỉ có một

cột được tích cực để hiển thị trong khi đó các cột khác đều tắt. Các cột được
quét tuần tự ở các khoảng thời gian liên tiếp nhau và được lặp lại nhiều lần.
 Dữ liệu cột thứ nhất được đưa ra hàng sau đó tích cực cột thứ nhất để hiển thị
dữ liệu ra LED Matrix, sau đó tiếp tục đưa dữ liệu cột thứ hai ra hàng rồi tích
cực cột thứ hai để hiển thị dữ liệu ra LED Matrix, cứ nhứ thế cho đến cột
cuối cùng, quá trình trên được lặp lại với tốc độ lớn hơn 24 lần/ 1s nên ta sẽ
thấy một hình ảnh liên tục được hiển thị lên LED Matrix.
1.1.2 Phương pháp quét hàng[6]
 Quét hàng là phương pháp mà trong một khoảng thời gian xác định chỉ có
một hàng được tích cức để hiển thị trong khi các hàng khác đều tắt. Các hàng
được quét tuần tự ở các khoảng thời gian liên tiếp nhau và được lặp lại nhiều
lần.
 Quét hàng sử dụng thanh ghi dịch, dữ liệu lần lượt đưa vào chân data in của
thanh ghi dịch rồi tác động xung clock để dịch dữ liệu.
 Dữ liệu hàng thứ nhất được đưa ra hàng sau đó tích cực hàng thứ nhất để
hiển thị dữ liệu ra LED Matrix, sau đó tiếp tục đưa dữ liệu hàng thứ hai ra
hàng rồi tích cực hàng thứ hai để hiển thị dữ liệu ra LED Matrix, cứ nhứ thế
cho đến hàng cuối cùng, quá trình trên được lặp lại với tốc độ lớn hơn
24 lần/ 1s nên ta sẽ thấy một hình ảnh liên tục được hiển thị lên LED Matrix.

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 10/26

 Mạch quang báo hiển thị 4 LED Matrix 88 có số lượng hàng nhỏ hơn số
lượng cột nên phương pháp quét hàng thích hợp sử dụng cho mạch này.

CHƯƠNG 3.

1.13

SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT
ĐỘNG CỦA MẠCH

Sơ đồ nguyên lý

Hình 3-1: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển.

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 11/26

Hình 3-2: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị.
1.14 Nguyên lý hoạt động
 Bắt đầu cấp nguồn cho mạch quang báo, vi điều khiển sẽ đọc dữ liệu được
lưu trước trong ROM. Sau đó đối chiếu từng kí tự trong nội dung bản tin để
copy font tương ứng vào RAM của chương trình hiển thị, sau đó sẽ gọi
chương trình hiển thị để hiển thị nội dung ra bảng quang báo.
 Khi chương trình điều khiển hiện thị trên máy tính muốn cập nhật nội dung
mới cho bảng quang báo, vi điều khiển sẽ ngưng hiển thị để chờ nhận dữ
liệu mới từ máy tính. Sau đó nội dung vừa nhận được lưu vào ROM để phục
vụ cho việc hiển thị bảng quang báo.
 Tín hiệu điều khiển từ máy tính được đưa qua 2 chân TXD và RXD của
module CP2102 và đưa đến chân 26 (RXD), 25 (TXD) của PIC16F887. Tại
PIC16F887, dữ liệu mới từ máy tính sẽ được lưu vào bộ nhớ ROM, RAM
của PIC16F877 đồng thời cũng lưu vào EEPROM. Khi dữ liệu được đưa vào
chân 14 của IC 74HC595 thì LED đầu tiên sẽ sáng, sau đó dữ liệu này sẽ
được dịch từ từ sang những LED tiếp theo.

 Kỹ thuật quét LED là cấp tín hiệu điều khiển theo dạng xung theo kiểu quét
cho các hàng cần hiển thị tần số quét nhỏ nhất cho mỗi chu kỳ cần khoảng

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 12/26

25 Hz (40 ms) nhằm bảo đảm cho mắt thấy các LED sáng đều không nhấp
nháy.
1.15

Lưu đồ giải thuật

1.1.3 Lưu đồ giải thuật của chương trình chính.

Hình 3-3: Lưu đồ giải thuật chương trình chính.

1.1.4 Lưu đồ giải thuật của bảng quang báo

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 13/26

Hình 3-4: Lưu đồ giải thuật của bảng quang báo.

1.1.5 Lưu đồ giải thuật chương trình copy font vào RAM

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính

Trang 14/26

Hình 3-5: Lưu đồ giải thuật của chương trình copy font vào RAM.

1.1.6

Lưu đồ giải thuật chương trình hiển thị

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 15/26

Hình 3-6: Lưu đồ giải thuật chương trình hiển thị.

1.16

Sơ đồ mạch in

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 16/26

Hình 3-7: Sơ đồ mạch in khối hiển thị.

Hình 3-8: Sơ đồ mạch in khối điều khiển.
1.17

Mạch quang báo trong thưc tế

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 17/26

Hình 3-9: Hình ảnh thực tế của mạch quang báo.

Hình 3-10: Bảng điều khiển nội dung hiển thị.

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 18/26

1.18 Một số thông số trong mạch
 Tần số một LED chớp không nháy là: fmin=25 Hz. Bảng quang báo gồm 8
hàng, vậy tổng tần số quét của bảng bảng là: fquét = 25x8 = 200 Hz
 Với fquét = 200 Hz suy ra 1 chu kỳ quét:
 Thời gian sáng trung bình của mỗi hàng LED là: ttb = 1/8 s.
 Từ thấy dòng qua LED ở chế độ thường trực là 5 mA – 25 mA, chọn dòng
trung bình qua 1 LED là 10 mA. Mạch gồm 8 LED mắc song song cho mỗi
cột nên dòng Ic cao nhất của transistor A1015 là:
Icmax = 8 x 10 = 80 mA..

CHƯƠNG 4.KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
1.19 Kết luận
Mạch quang báo hiển thị ổn định, dễ dàng điều khiển nội dung hiển thị trên bảng .

Chữ hiện thị rõ ràng, tốc độ chạy chữ vừa phải. Tốc độ truyền dữ liệu nhanh.
 Ưu điểm:
+ Nội dung hiển thị rõ ràng, dễ đọc.
+ Điều khiển nội dung hiển thị dễ dàng.
+ Mạch có cấu tạo đơn giản.
 Nhược điểm:
+ Khó khăn trong việc lập trình chương trình điều khiển.
+ Gia công chưa chắc chắn nên dễ gây hỏng.

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính


Trang 19/26

+ Dễ bị ảnh hưởng bởi tác động bên ngoài.
1.20 Ứng dụng và hướng phát triển
 Ứng dụng:
+ Mạch có tính thâm mỹ cao nên có thể ứng dụng làm bảng quảng cáo ở
+

các cửa hàng thời trang, các trung tâm thương mại.
Nội dung hiển thị rõ ràng, dễ đọc nên có thể ứng dụng làm bảng

thông báo ở cơ quan nhà nước, các công ty.
 Hướng phát triển:
+ Tăng kích thức quang báo
+ Sử dụng nhiều font chữ và LED đa màu để hiển thị đa dạng, sinh động
hơn.
+ Có thể điều khiển bằng các giao tiếp khác như: SMS, Bluetooth, Wifi,
….

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1] Giáo trình vi điều khiển PIC16F877A.
[2] codientu.org.
[3] hshop.vn.
[4] picvietnam.com.
[5] machtudong.vn.
[6] dientuvietnam.net
Tiếng Anh:
[7] datasheets360.com.

Thiết kế và thi công mach quang báo giao tiếp máy tính