bài tập lớn thiết kế hệ thống nhúng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG

NHÓM A01-B
NHÓM 23

GVHD : Thầy Trương Quang Vinh

T12/2018


BÁO CÁO 100%

BÀI TẬP LỚN
MÔN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG
Nhóm 23

STT

Họ & tên

MSSV

1
2
3

4
5

Đặng Phước Hoàng Minh
Trần Nho Đức
Trần Việt Hưng
Lương Hữu Chung
Lê Văn Sơn

1612006
1610802
1611448
1610313
1612964

GVHD : Trương Quang Vinh


MỤC LỤC
I.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ......................................................................................................................... 5

1.

ĐẶC TẢ HỆ THỐNG ......................................................................................................................... 5

a. Product Specification ............................................................................................................................. 5
b. Engineering Specification ...................................................................................................................... 7
g. Hardware Specification ....................................................................................................................... 11

h. Software Specification ......................................................................................................................... 11
i. Test Specification ................................................................................................................................. 11
2.

Embedded Symstem Design Issues .................................................................................................. 12

a. Constraint Issues .................................................................................................................................. 12
b. Functional Issues .................................................................................................................................. 12
c. Real – Time Issues ................................................................................................................................ 12
d. Concurrent issues ................................................................................................................................. 12
e. Reactive issues ...................................................................................................................................... 13
3.

Team Contract .................................................................................................................................. 13

4.

Project Plan ....................................................................................................................................... 14

II.

THIẾT KẾ ..................................................................................................................................... 15

1. HARDWARE ....................................................................................................................................... 15
a.

Schematics ................................................................................................................................. 15

b. Mạch PCB...................................................................................................................................... 17
KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ................................................................................. 15

II.

1. THI CÔNG ........................................................................................................................................... 15
a.

Schematics ................................................................................................................................. 15

b. Mạch PCB...................................................................................................................................... 17
2. THÀNH PHẨM .................................................................................................................................... 17
a.

Schematics ................................................................................................................................. 17

b. Mạch PCB...................................................................................................................................... 17
3. KIỂM TRA ........................................................................................................................................... 17
4. ĐÁNH GIÁ ........................................................................................................................................... 17



I. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1. ĐẶC TẢ HỆ THỐNG
a. Product Specification



Tên sản phẩm : Simple Music Keyboard
Purpose : Chức năng giải trí, phát nhạc, và có bàn phím như một chiếc
piano


Sản phẩm có hình dạng của một chiến piano mini, có kích
thước nhỏ gọn ( chiều dài khoảng 20cm)

Sẽ có một hệ thống phím giống y như bàn phím piano thật,
gồm hệ thống 7 nốt cơ bản ( Đô – Rê – Mi – Pha –Son – La
– Si )

Ngoài ra , sẽ có các nút nhấn khác dùng để chỉnh tone , cao
độ, độ ngân, độ lớn nhỏ của sản phẩm

Ngoài chức năng cơ bản trên, nhóm còn tích hợp vào sản
phẩm chức năng chạy bản nhạc sẵn có, bằng cách sử dụng
remote (hoặc nút nhấn), bạn có thể chọn một trong những
bài hát có sẵn để phát ra ngoài)

Để sản phẩm thêm phần hấp dẫn, sản phẩm còn có một
chiếc LCD, sẽ hiện thị trạng thái, nội dung bài hát khi đang
chạy, cũng như cao độ khi mình nhấn các phím trên
keyboard.

Sẽ có một hệ thống LED bên ngoài nhấp nháy theo điệu
nhạc ( theo cao độ và tiết tấu)

Cuối cùng, nhóm sẽ trang trí sản phẩm với một hộp đèn
làm bằng giấy với nhiều họa tiết bắt mắt



Input & Output
o Input :

 Nút nhấn (nhấn để ra tiếng kêu, các nốt nhạc)
 Remote (bấm để chọn bài hát)
o Ouput :
 LCD (hiện thị nốt và bài nhạc đang chơi)
 Loa phát nhạc
 LED hiện thị chớp nháy cho sinh động
Usecase :






Function








Performance :






Các nút nhấn được vi điều khiển đọc đầu vào liên tục, khi

nút bị nhấn, vi điều khiển sẽ phát ra loa âm thanh với tần số
(cao độ) tương ứng đã được định nghĩa sẵn
Mạch bluetooth nhận tín hiệu từ remote sẽ được vi xử lí
đọc tín hiệu sẽ phát bài hát tương ứng ra loa, đồng thời hiện
thị nội dung trên LCD, các dải LED cũng sẽ được điều
khiển nháy thoe điệu nhạc
 Âm thanh sẽ to và rõ hơn nhờ sự trợ giúp của mạch
khuếch đại âm và những bài hát có sẵn sẽ được lưu
vào thẻ nhớ gắn ở SDcard Breakout Board

Có thể chơi một bài hát đơn giản bằng các nốt cao độ
Có hệ thống nâng và hạ tông
Có thể chơi 5 bài hát mặc định
Có thể dừng, phát tiếp hay chuyển bài
Có led nhấp nháy theo điệu nhạc

Manufactoring Cost :
 Arduino UNO : 100.000 VND
 LCD – 16x2 – B : 30.000 VND
 IC 74HC595 : 2000 VND
 Speaker 8 ohm : 30.000 VND
 Button : 10.000 VND
 Biến trở 10K : 2.500 VND
 Mạch khuếch đại âm 6W : 20.000 VND
 SDcard Breakout Board : 10.000 VND









Tụ điện 4700pF : 1.000 VND
Bread board : 20.000 VND
Tổng : 280.000 VND

Power : Nguồn 9V
Physical size/weight :
 Sử dụng 1 board arduino UNO R3 để điều khiển và 1 loa
spreaker + 1 lcd 16x2 : nhũng linh kiện trên kích thước cũng
khá lớn, nhất là board arduino UNO R3.


Bên cạnh đó còn có thêm bread board nếu khách hàng yêu
cầu sử dụng, làm mạch in sẽ tiết kiệm được kích thước
nhưng giá thành sẽ cao hơn.





Kích thước khoảng 20x20x10 cm, năng khoảng 500g

Installation :
 Để nơi khô ráo thoáng mát, tránh ánh năng trực tiếp


Ngoài ra có thể để bất cứ đâu trong nhà

b. Engineering Specification
 Hardware :














Arduino UNO
LCD – 16x2 – B
IC 74HC595
Speaker 8 ohm
Button
Biến trở 10K
Mạch khuếch đại âm 6W
SDcard Breakout Board
Tụ điện 4700pF
Bread Board ( Test)
Remote , module bluetooth
LED đơn
Dây LED


Nguồn 5V

Thẻ nhớ
 Requirements :
 Real – time processing
 Hiện thị đúng tần số, đúng nốt lên LCD
 Nút nhấn có độ nhạy vừa phải
 Loa phát ra tiếng to vừa nghe, không bị rè
c. Description :
 Thời gian trể không đang kể
 Delay tối đa 0.2s
 Đây coi như là một nhạc cụ, nhấn các nút thì sẽ gửi tín hiệu đến vi xử lý
và phát nhạc ra loa, hiện nội dung lên LCD và LED
d. External Environment:


The product will be used anywhere in your house , put on table



Temperature is from 10 to 50 0C

e. System connectivity:

f. Major modules and their interfaces:
Button interface:
 Purpose:


Có hơn 7 nút nhấn trên bàn phím ma trận

 Requiement:






Hardware
component
Keypad with 7+
button

Có chống rung mỗi phím, hành trình phím dài
Là nút nhấn thả kiểu button
Thời gian nhận tín hiệu liện tiếp cách nhau 0.5 giây

Interface
Single end, GPIO( .0>.7),
3.3 V/ 0 V

Component
Part Number
AK-1607-N-BBW-R

Note
Button is off-board,
connect by wires and

pin header 2mm pitch

EEPROM:
 Purpose:
 Bộ nhớ này chứa dữ liệu âm thanh và các dữ liệu cấu hình ( thời
gian phát tiếng bíp, âm lượng tiếng bíp
 Requirement:
 Chứa 3 loại tiếng bíp khác nhau: kéo dài 0.5 giây, kéo dài 2 giây
và liên hồi trong 10 phút.
 Chứa dữ liệu cấu hình ( nhập đúng, nhập sai, sai 3 lần, âm lượng
được cài đặt truóc.
Hardware
component
EEPROM

Interface
SPI ( .0->.7),
3.3V supply

Component
Part Number
M95M02DWMN3TP/K

Note
EEPROM capacity is
1KB(Atmega 328)

LCD:
 Purpose:
 Màn hình này hiển thị, chế độ hiện tại ( nhập, đổi mật khẩu ),

hiện thị đáp ứng khi nhập đúng/ sai mật khẩu.
 Requirement:
 2.9 inch
 16 bit trắng đen
 Góc rộng.


Hardware
Component

Interface

Component Part
Number

Note

LCD 16x2, 3” inch
5x7 pixel/ letter

SPI(.0->.7),
VDD/VCC/ 5V DC
supply

LM016L

/>
SPeaker:

 Purpose:

 Tạo ra âm thanh ( tiếng bíp ).
 Requirement:
 Độ to không thay đổi được.

Hardware
component
Speaker 8ohm
Rectifier diode

Interface
2 pins header
2 pins header

Componient part
number
SBM2
SBU8J

Note

LED:
 Purpose:
 Mô phỏng mở khóa thành công
 Requirement:
 Độ sáng vừa phải.
Hardware
component

Interface

Green led

Through hole

Component Part
Number

Note
1.9 - 4.0 ( V )
10 mA


Through hole

Red led

1.63 - 2.03 (V)
10 mA

g. Hardware Specification
 Hardware :
1. Arduino UNO
2. LCD – 16x2 – B
3. IC 74HC595
4. Speaker 8 ohm
5. Button
6. Biến trở 10K
7. Mạch khuếch đại âm 6W
8. SDcard Breakout Board
9. Tụ điện 4700pF

10. Bread Board ( Test)
11. Remote , module bluetooth
12. LED đơn
13. Dây LED
14. Nguồn 5V
15. Thẻ nhớ

 Về chức năng của bàn phím :
 Các nút nhấn được vi điều khiển đọc đầu vào liên tục, khi nút
bị nhấn, vi điều khiển sẽ phát ra loa âm thanh với tần số (cao
độ) tương ứng đã được định nghĩa sẵn
 Mạch bluetooth nhận tín hiệu từ remote sẽ được vi xử lí đọc tín
hiệu sẽ phát bài hát tương ứng ra loa, đồng thời hiện thị nội
dung trên LCD, các dải LED cũng sẽ được điều khiển nháy
thoe điệu nhạc
 Âm thanh sẽ to và rõ hơn nhờ sự trợ giúp của mạch khuếch đại
âm và những bài hát có sẵn sẽ được lưu vào thẻ nhớ gắn ở
SDcard Breakout Board
h. Software Specification
 Sử dụng arduino IDE và các thư viện, hàm có sẵn để thực hiện sản phẩm
 Code sẽ được nạp trực tiếp xuống Arduino
 Một số hàm được sử dụng


Hàm tone(pin, frequency, duration)

i. Test Specification




Devide :







Voltage meter
Bread board
Dây cắm bread board
Laptop ( sử dụng trang web nhận diện cao độ , độ
vang của âm)

Test Processing

Nhấn lần lượt các nút ( Đô – Rê – Mi – Pha – Son –
La – Si ) và kiểm tra cao độ , độ lớn …

Nhấn các nút chức năng, cao độ, độ lớn, dừng, phát
xem có hoạt động tốt không

Sử dụng remote để mở một bài hát bất kỳ, kiểm tra
xem Loa phát nhạc có đúng và kịp thời không, LCD
có hiển thị đúng nội dung không và LED nhấp nháy
có đúng và đẹp không

Cuối cùng, xem lại tổng thể khi chơi một bài nhạc thế
nào

2. Embedded Symstem Design Issues
a. Constraint Issues
 Giá thành rẻ
 Nhỏ, gọn dễ mang đi
 Kích thước < 20 cm
 Hiệu suất cao
 Dễ nhìn, các nút bấm phải dễ bấm, có độ nhạy vừa phải
b. Functional Issues





c.

Nút nhấn dễ nhấn, cách xa nhau, an toàn không hở điện
Loa phát ra âm nghe vừa phải , không chói tai, không gây ồn ào, đau
nhức
Cao độ phát ra phải đúng thanh nhạc
Không phát những bài hát không có bản quyền, gây phản cảm hay ảnh
hưởng đến chính trị, kinh tế

Real – Time Issues


d.


LCD, phát bài nhạc cố định :

 Soft real-time system : Delay < 0.5s

Các âm phát ra khi nhấn trên bàn phím
 Soft real-time system : Delay < 0.2s
Concurrent issues
Vi xử lí nhận tín hiệu từ các nút nhấn, remote và truyền ngay tới Loa, LCD và
các dải LED để thực hiện các nhiệm vụ : phát nhạc, hiện thị nội dung và nháy
đền theo nhạc


e.

Reactive issues
+ Sản phẩm có một công tắc, khi ngắt công tắc thì sẽ ngát nguồn, và
không hoạt động
+ Tuy nhiên sau khi bật lên thì nó sẽ chạy liên tục, đợi nhận tín hiệu từ các
nút nhấn, remote và các phím chức năng.
+ Hệ thống tương tác trực tiếp với người dùng qua các nút chức năng

3. Team Contract
Team name : F23
Team member

Role

Signature

Leader, system engineer
Trần Nho Đức
Hardware design

Đặng Phước Hoàng Minh
Software design
Trần Việt Hưng
Hardware design
Lương Hữu Chung
Software design
Lê Văn Sơn
TASKS

Responsible member

1. Develop system architecture

Trần Nho Đức

2. Design hardware

Đặng Phước Hoàng Minh

3. Develop software

Trần Việt Hưng

4. Develop software

Lê Văn Sơn

5.Integrate and test

Lương Hữu Chung

Team meeting

Team rules

14h30 , Wednesday, weekly
1. Participate in all team meetings
2. Listen carefully to all comments at meetings
3. Complete all assigned tasks before deadlines
4. Focus on results rather than excuses after.
5. Don’t offense together
6. Mutual trust


4. Project Plan
PROJECT PLANNING
Team name
Product name
Main features

Estimate time
Estimate cost

F23
Simple Music Keyboard
Like a mini pinano
Can play a song with button
Play some default song with remote control
Display contents in LCD and LED
3 months (8hour/ a day)

Arduino UNO : 100.000 VND
LCD – 16x2 – B : 30.000 VND
IC 74HC595 : 2000 VND
Speaker 8 ohm : 30.000 VND
Button : 10.000 VND
Biến trở 10K : 2.500 VND
Mạch khuếch đại âm 6W : 20.000 VND
SDcard Breakout Board : 10.000 VND
Tụ điện 4700pF : 1.000 VND
Bread Board ( Test) : 20.000 VND
Remote , module bluetooth : 10.000
VND
Dây LED : 10.000 VND
Nguồn 5V : 20.000 VND
Thẻ nhớ : 15.000 VND
Tổng : 280.000 VND

Team members

Schedule
1. Design system architecture
2. Design hardware part
2. Design hardware part
2.2. Design interface
2.3. Implement hardware board
3. Develop software part

Student 1 : Leader
Student 2 ,3 : Hardware design
Student 4,5 : Software design

Month 1

Month 2

Month 3


3.1. Develop control algorithm
3.2. Develop driver, user
interface
3.3. Implement software
program
4. Integrate and test
4.1. Simulate operations
4.2. Verify system

II.
THIẾT KẾ
1. HARDWARE
a. Schematics
 Phần nhạc piano


 Phần phát bài hát qua SD card


b. Mạch PCB


2. SOFTWARE

a. Lưu đồ giải thuật


START

Các đèn led tắt
Các phím piano hoạt động

Các phím
piano được
bấm

Phím menu
được bấm

Phát nốt ra loa
Delay 0.2s

Chuyển qua chế độ menu và
led sáng

Lệnh thoát menu

b. Giải thích giải thuật
+ Xác định tên công tắc menu, các giá trị tần số cho mỗi phím trong số 7 phím
đàn piano.
+ Viết các chương trình con cho mỗi bài hát để dễ dàng thêm hoặc xóa nhiều
bài hát hơn.
Bắt đầu bật piano:
+ Các đèn led tắt, tất cả các phím piano hoạt động.

+ Vòng lặp phát hiện nút menu được bấm thì sẽ tắt tất cả các phím piano và bật
led để biết đang ở trong chế độ menu
Trong chế độ menu
+ Nhấn nút menu để qua lại các bài hát, nhấn bất kỳ phím đàn để phát bài hát
đang được hiển thị trên LCD
+ Màn hình LCD sẽ hiển thị bài hát đang phát, sau đó quay lại cùng 1 đeirm
trong menu khi bài hát kết thúc. Từ đó có thể phát lại hoặc tiếp tục phát các bài
hát có trong danh sách có sẵn.
+ Nhấn đúp vào nút menu để khởi động lại menu từ đầu.
+ Để quay lại sử dụng các phím đàn piano, hãy chuyển qua phần còn lại của
các bài hát trong menu. Khi màn hình menu trống và các đèn led tắt. các phím
đàn piano sẽ hoạt động trở lại.
III. KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
1. TIẾN HÀNH THI CÔNG
a.
Mô phỏng và chạy thử demo
- Để đảm bảo an toàn cho sản phẩm cuối cùng, cũng như chỉnh sửa
và bổ sung thêm tính năng cho sản phẩm
- Nhóm quyết định mô phỏng trước sản phẩm của mình, cụ thể là
băng proteus và một số bên thứ 3 khác
- Kết quả chạy mô phỏng thành công
- Nhóm tiếp tục tiến hành cắm breadboard để test sản phẩm
- Kết quả cũng thành công
b.
Thi công
- Đi layout trên phần mềm Altium

- Sau khi thiết kế và làm mach in xong , kết hợp breadboard và
VOM để test mạch (trước đó đã test trên phần mềm)
- Cuối cùng là kết nối các phần cứng lại với nhau


2. THÀNH PHẨM
 Nhìn chung sản phẩm đã hoàn
thiện, có tính thẩm mĩ khá cao
 Kích thước : 10x7x15 (cm)
 Cân nặng (khoảng 150g)
 Sử dụng nguồn nuôi từ adapter
hoặc jack cắm USB
3. KIỂM TRA

Trong suốt quá trình thi công
cũng như thiết kế, nhóm test sản phẩm
liên tục để đảm bảo độ chính xác

Sản phẩm chạy tốt và đáp ứng
đầy đủ các tiêu chí mình đặt ra
4. ĐÁNH GIÁ
 Sản phẩm chạy tốt
 Delay thấp, đáp ứng được
yêu cầu realtime
 Thẩm mĩ cao, hình khối
đẹp, nhẹ và dễ mang đi
 Âm thanh phát ra đê nghe, âm vừa phải (do đã có bộ khuếch đại
âm dung LM386)
 Tuy nhiên cần phải dùng nguồn điện ổn định, nếu không sẽ bị
nhiễu, dẫn đến lao bị rè

Tài liệu tham khảo
[1] Slide thiết kế hệ thống nhúng – Thầy Trương Quang Vinh
[2] Các tài liệu tham khảo trên internet