Đồ án Thiết kế bảng quảng cáo LED sử dụng vi điều khiển ATMEGA16 Module điều khiển hiển thị (ĐH BK HN)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ BẢNG QUẢNG CÁO LED SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16 MODULE ĐIỀU KHIỂN HIỂN THỊ Sinh viên thực hiện: PHẠM MINH ĐỨC Lớp ĐT12 – K49 Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN TIẾN DŨNG Cán bộ phản biện: TS. HOÀNG MẠNH THẮNG Hà nội, 5-2009   BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO   CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM   TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------   Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ---------------------------------   NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: .…PHẠM MINH ĐỨC……... Số hiệu sinh viên: …20040847… Khoá:………...49.……….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………………......... Đầu đề đồ án: Thiết kế bảng quảng cáo LED sử dụng vi điều khiển ATMEGA16 Module điều khiển hiển thị Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……………………………………..……………………………………………..……..…………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………….…..………………………..……………………………………………………………………………………. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ………………………………………………………………………………………………………………..….……………………………………………………………………………………………………………………………………..….………………………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………… Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………………………………………..……….…………………………………………………………………………………………………………. Họ tên giảng viên hướng dẫn: …………… NGUYỄN TIẾN DŨNG ..…………………… Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ……………………………………………….…………… Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………………..………  Ngày tháng năm   Chủ nhiệm Bộ môn  Giảng viên hướng dẫn   Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ............. PHẠM MINH ĐỨC ............ Số hiệu sinh viên: .....20040847...... Ngành: .................................................................................................. Khoá: .............. 49 ......................... Giảng viên hướng dẫn:....................... TS. NGUYỄN TIẾN DŨNG .................................................... Cán bộ phản biện: ....................................................................................................................................... Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Nhận xét của cán bộ phản biện: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Ngày tháng năm Cán bộ phản biện Lời nói đầu Quảng báo được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội . Hầu như đi đâu ta cũng có thể thấy những bảng quảng cáo với nhiều hình thức khác nhau. Với mục đích làm nổi bật lên sản phẩm của mình cả khi trời sáng hay tối người ta đã sử dụng rộng rãi các bảng quảng cáo điện tử. Bảng quảng báo điện tử có nhiều loại , được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau , có khả năng hiển thị hình ảnh và màu sắc phong phú . Tuy nhiên do điều kiện có hạn nên trong đồ án này chúng em mong muốn tìm hiểu về nguyên lý thiết kế một bảng quảng cáo điện tử có khả năng điều khiển hiển thị các kí tự theo như mong muốn và thiết kế một module led quảng báo cỡ nhỏ để thử nghiệm. Đầu tiên chúng em xin cảm ơn sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy Nguyễn Tiến Dũng . Thầy đã cung cấp cho chúng em các tài liệu về đề tài giúp chúng em dễ dàng hơn trong quá trình tìm hiểu đồ án . Trong quá trình làm thực hiện đồ án thầy đã chỉ bảo chúng em mỗi khi gặp khó khăn để đồ án có thể hoàn thành. Chúng em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa đã tận tình dạy dỗ chúng em trong nhưng năm học vừa qua đã giúp chúng em có những kiến thức cơ sở để làm đồ án này. Sinh viên Phạm Minh Đức Tóm tắt đồ án Nội dung chính của đồ án là việc điều khiển hiển thị led ma trận. Khi điều khiển hiển thị led ma trận có 2 phương pháp cấp nguồn theo từng hàng hay từng cột. Đồ án sẽ tập trung trình bày về phương pháp cấp nguồn theo từng cột . Việc cấp nguồn cho các cột được thực hiện bằng cách sử dụng IC giải mã 74HC138 , cấp nguồn cho các hàng trong cột được thực hiện bằng cách sử dụng bộ ghi dịch 74HC595. Dữ liệu mã hóa cấp nguồn cho các hàng trong cột được gửi ra bộ ghi dịch thông qua việc sử dụng SPI của vi điều khiển. Việc điều khiển thời gian cấp nguồn cho ma trận tạo tốc độ quét được thực hiện bằng cách sử dụng bộ định thời. Phần cuối của đồ án sẽ trình bày về cách tạo một số hiệu ứng cho ma trận led khi sử dụng phương pháp cấp nguồn theo cột. Project abstract The main content of this project is led matrix display control. There has two power supply methods for controlling the led matrix : row by row or column by column . In this project , I will introduce the column once. When using this method, the 74HC138 decoder is used to power for each column and the 74HC595 shift register is used to power every row in the column which is chosen by 74HC138. The data which is coded the power suply for every row in each column is tranfered to the shift register by using the SPI of the microcontroller. Timing to power the led matrix can be done by using the timer/counter of the microcontroller. This is the simple method to controll the scan rate for led matix display. Some led matrix display effects will be presented in the final part of this document. Mục lục Lời nói đầu 1 Tóm tắt đồ án 2 Danh sách các hình vẽ 5 Danh sách các bảng 6 Danh sách các công thức 7 Phần mở đầu 8 Chương 1 : Giới thiệu chung 10 1.1) Quảng cáo 10 1.2) Bảng led quảng báo 11 1.2.1) Một số đặc trưng 11 1.1.2) Quảng cáo bằng led 12 1.3) Giới thiệu chung về hệ thống 16 Chương 2 : Giới thiệu về vi điều khiển AVR Atmega16 19 2.1) Giới thiệu về vi điều khiển họ AVR 19 2.1.1) Một số đặc trưng 19 2.1.2) Một số đặc trưng 20 2.1.3) Một số đặc trưng 22 2.1.4) Một số họ vi diều khiển AVR 23 2.2) Sơ bộ về vi điều khiển Atmega16 23 2.2.1) Đặc trưng 25 2.2.2) CPU 27 2.2.3) Bộ nhớ 34 Chương 3 : Nguyên tắc điều khiển led ma trận 39 3.1) Cấu trúc và nguyên lý cấp nguồn cho led ma trận 39 3.2) Nguyên tắc tạo font chữ hiển thị 40 3.3) Điều khiển hiển thị led ma trận 41 Chương 4: Điều khiển cấp nguồn cho led ma trận 44 4.1) Điều khiển cấp nguồn cho cột dùng 74HC138 44 4.1.1) Chức năng của 74HC138 44 4.1.2) Sử dụng 74HC138 để cấp nguồn cho các cột ma trận 45 4.2) Điều khiển cấp nguồn cho hàng dùng 74HC595 47 4.2.1) Chức năng của 74HC595 47 4.2.2) Sử dụng 74HC595để cấp nguồn cho các hàng của ma trận 49 4.3) Truyền dữ liệu cấp nguồn cho hàng sử dụng SPI 51 4.3.1) Atmega16 SPI 51 4.3.2) Thiết lập SPI truyền dữ liệu cho 74HC595 55 4.3) Kết luận 56 Chương5: Tạo tần số quét cho ma trận 57 5.1) Timer1 Atmega16 57 5.1.1) Một số chế độ hoạt động 57 5.1.2) Các thanh ghi 62 5.2) Tạo tần số quét ma trận 67 5.3) Kết luận 68 Chương 6: Hiệu ứng hiển thị bảng led 69 6.1) Bảng led hiển thị 69 6.2) Dịch trái, phải 71 6.3) Dịch lên xuống 74 6.4) Hiển thị từng kí tự 77 6.5) Kết luận 79 Kết luận 80 Tài liệu tham khảo 81 Phụ lục A: Sơ đồ ghép nối hệ thống điều khiển led ma trận 82 Phụ lục B: Mã chương trình nạp cho vi điều khiển 86 Danh sách các hình vẽ Hình 1 - 1 Sơ đồ khối hệ thống 16 Hình 2 - 1 Cấu trúc bộ nhớ AVR 21 Hình 2 - 2 Cấu trúc bên trong của AVR 22 Hình 2 - 3 Sơ đồ khối của Atmega16 24 Hình 2 - 4 Sơ đồ chân Atmega16 26 Hình 2 - 5 Sơ đồ khối cấu trúc ATmega16 29 Hình 2 - 6 Các thanh ghi hỗ trợ làm việc AVR CPU 31 Hình 2 - 7 Sơ đồ bộ nhớ process 34 Hình 2 - 8 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu 35 Hình 2 - 9 Những chu kỳ truy xuất SRAM 35 Hình 3 - 1 Led ma trận chung anot 39 Hình 3 - 2 Lưu đồ thuật toán cấp nguồn cho ma trận led 42 Hình 4 - 1 Sơ đồ chân 74HC138 44 Hình 4 - 2 Ghép nối 74HC138 với vi diều khiển dể cấp nguồn cho cột của ma trận 46 Hình 4 - 3 Sơ đồ chân 74HC595 47 Hình 4 - 4 Ghép nối 74HC595 với vi điều khiển để cấp nguồn cho hàng của ma trận 49 Hình 4 - 5 Ghép nối tiếp các IC 74HC595 50 Hình 4 - 6 Sơ đồ khối của SPI 51 Hình 4 - 7 Ghép nối vi điều khiển với 74HC595 sử dụng SPI 55 Hình 5 - 1 Giản đồ thời gian chế độ CTC 58 Hình 5 - 2 Giản đồ thời gian chế độ Fast PWM 60 Hình 5 - 3 Giản đồ thời gian chế độ Phase Corect PWM 61 Hình 6 - 1 Bảng led hiển thị 69 Hình 6 - 2 Mô phỏng hiệu ứng dịch trái 71 Hình 6 - 3 Lưu đồ thuật toán hiệu ứng dịch trái 72 Hình 6 - 4 Mô phỏng hiệu ứng dịch lên 74 Hình 6 - 5 Lưu đồ thuật toán hiệu ứng dịch lên 75 Hình 6 - 6 Mô phỏng hiệu ứng hiển thị từng chữ 77 Hình 6 - 7 Lưu đồ thuật toán hiệu ứng hiển thị tưng ký tự 78 Hình A - 1 Sơ đồ ghép nối hệ thống 82 Hình A - 2 Khối cấp nguồn 83 Hình A - 3 Khối chốt dữ liệu các hàng 83 Hình A - 4 Khối giao tiếp máy tính 84 Hình A - 5 Khối khuếch đại dòng cho cột 84 Hình A - 6 Khối xử lý trung tâm và quét cột 85 Danh sách các bảng Bảng 3 - 1 Tạo font chữ cho kí tự 40 Bảng 4 - 1 Chức nămg hoạt động của 74HC138 45 Bảng 4 - 2 Chức năng hoạt động của 74HC595 48 Bảng 4 - 3 Chức năng của bit CPOL 53 Bảng 4 - 4 Chức năng của bit CPHA 53 Bảng 4 - 5 Quan hệ giữa tần số SCK và tần số giao động 54 Bảng 5 - 1 Thiết lập chế độ đầu ra cho timer 62 Bảng 5 - 2 Các chế độ điều chế xung 63 Bảng 5 - 3 Lựa chọn tần số cho bộ đếm 64 Bảng 5 - 4 Tạo tốc độ quét 60 Hz cho ma trận 68 Danh sách các công thức Công thức 5 - 1 Quan hệ giữa tần số đầu ra với tần số timer ở chế dộ CTC 59 Công thức 5 - 2 Độ phân giải PWM 59 Công thức 5 - 3 Quan hệ giữa tần số đầu ra với tần số timer ở chế độ Fast PWM 61 Phần mở đầu Quảng cáo luôn là một trong các vấn đề đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của một công ty, doanh nghiệp hay thậm chí là của một cửa hàng. Quảng cáo tốt sẽ đem lại nhiều lợi ích to lớn. Cũng chính vì vậy mà không ngạc nhiên khi hàng năm các doanh nghiệp đã đầu tư rất nhiều vào vấn đề này. Một trong những biện pháp được ưa dùng hiện nay đó là sử dụng bảng quảng cáo bằng đèn LED, vì sự đơn giản, hiện đại, bắt mắt, chi phí hợp lý cũng như tính hiệu quả của nó. Những bảng thông tin, cổng chào hay những bảng LED quảng cáo với màu sắc sặc sỡ, bắt mắt, gây nhiều chú ý chắc hẳn đã không còn xa lạ đối với người dân, nhất là người dân đô thị. Quảng cáo bằng đèn LED hiện nay được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực. Nó không chỉ giới hạn bởi việc hiển thị các dòng chữ, các biển hiệu nhấp nháy mà còn có thể hiển thị các hình ảnh đồ họa, các hình ảnh full colour và đặc biệt là có thể hiển thị được cả video. Nó cũng không chỉ giới hạn trong việc quảng cáo trong nhà (indoor), bán ngoài trời (semi – outdoor ) mà còn có thể quảng cáo ở cả ngoài trời, ngay giữa ban ngày với độ sáng và độ sắc nét cao. (Chương I sẽ giới thiệu chi tiết hơn về vấn đề quảng cáo bằng đèn LED). Tuy nhiên do còn hạn chế về nhiều mặt nên trong đồ án này chúng em chỉ giới hạn ở việc hiển thị các dòng chữ được truyền từ máy tính xuống với định dạng font tiếng anh đã lưu sẵn trong bộ nhớ Flash của AVR và một số hiệu ứng hiển thị cơ bản. Trong 2 chương đầu tiên của đồ án chúng em sẽ giới thiệu chung về quảng cáo bằng bảng LED, giới thiệu hệ thống cũng như sơ lược về vi điều khiển AVR và họ ATMega 16. Các chương tiếp theo chúng em sẽ trình bày về đóng góp của mình cho đề tài. Các khối khuếch đại công suất và giao tiếp máy tính sẽ được bạn Bùi Lưu Quỳnh và Nghiêm Xuân Quyền sẽ trình bày nên trong đồ án này em sẽ tập trung trình bày về việc điều khiển hiển thị, chốt dữ liệu cho ma trận : - Chương 3 sẽ trình bày về nguyên tắc cơ bản khi điều khiển ma trận led - Chương 4 sẽ trình bày cề cách sử dụng các IC thông dụng để điều khiển cấp nguồn cho ma trận led - Chương 5 sẽ trình bày về cách tạo tần số quét cho ma trận sử dụng timer - Chương 6 sẽ trình bày về giải thuật tạo một số hiệu ứng hiển thị kí tự trên ma trận led. Đồ án đã hoàn thành có thể điều khiển hiển thị các ký tự trên ma trận gồm có 2x3 ma trận led 8x8, có khả năng lựa chọn màu sắc, tốc độ quét, hiệu ứng hiển thị cho ma trận đồng thời có khả năng mở rộng cho các ma trận kích thức lớn hơn. Chương 1 : Giới thiệu chung 1.1) Quảng cáo Hàng ngày, dù ở bất cứ đâu chúng ta cũng đều bắt gặp những loại hình quảng cáo khác nhau : trong nhà thì là trên ti vi, đài radio, internet … còn ngoài trời thì là các băng rôn, bảng, biển quảng cáo và thậm chí là cả tờ rơi nữa. Vậy quảng cáo là gì và tại sao lại phải quảng cáo ? Quảng cáo là hình thức tuyên truyền, giới thiệu thông tin về sản phẩm, dịch vụ, công ty hay ý tưởng. Quảng cáo là những nỗ lực nhằm tác động tới hành vi, thói quen mua hàng của người tiêu dùng hay khách hàng bằng cách cung cấp những thông điệp bán hàng theo cách thuyết phục về sản phẩm hay dịch vụ của người bán. Các nhà hàng, công ty, doanh nghiệp … tham gia các hoạt động quảng cáo không ngoài mục đích quảng bá hình ảnh, giới thiệu sản phẩm, dịch vụ, thông tin … của họ để từ đó thu hút được thêm các khách hàng tiềm năng, nâng cao tính cạnh tranh và đem lại nhiều nguồn lợi cho công ty. Một chiến dịch quảng cáo tốt sẽ góp phần tích cực vào sự phát triển của doanh nghiệp vì thế cũng có thể nói rằng, quảng cáo đã, đang và vẫn sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống của xã hội loài người hiện nay. Trên thế giới, quảng cáo hiện nay đã phát triển tới những trình độ cao, tuy nhiên ở Việt Nam - do còn nhiều hạn chế - nên đa số các sản phẩm quảng cáo vẫn còn ở trình độ thấp. Các sản phẩm quảng cáo để có thể đến với khách hàng tiềm năng cần phải được truyền tải qua cac hương tiện truyền thông, như: báo in, tạp chí, đài phát thanh, truyền hình, báo điện tử. Các loại hình quảng cáo phổ biến hiện nay : Truyền hình. Internet. Báo chí. Phát thanh. Quảng cáo trực tuyến. Quảng cáo qua bưu điện. Quảng cáo trên các phương tiện vận chuyển. Quảng cáo qua các trang vàng. Quảng cáo trên tờ rơi, áp phích, pano hay băng rôn. Quảng cáo trên bao bì sản phẩm. Quảng cáo qua các thư gửi trực tiếp. Quảng cáo truyền miệng. Quảng cáo bằng đèn LED. 1.2) Bảng led quảng báo Trong các loại hình quảng cáo đề cập đến ở trên thì quảng cáo bằng đèn LED là một loại hình quảng cáo được sử dụng rộng rãi bởi nhiều công ty, cửa hàng bởi tính đơn giản, hiện đại cũng như hữu dụng của nó. Ta hãy cùng tìm hiểu đèn LED là gì, hoạt động ra sao và tại sao nó lại được sử dụng cho mục đích quảng cáo và xu hướng phát triển của quảng cáo bằng đèn LED. 1.2.1) Một số đặc trưng LED (Light Emitting Diode – đi ốt phát quang) là các loại đi ốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như đi ốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N. Hoạt động của LED cũng giống như nhiều loại đi ốt bán dẫn khác : khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn loại n chứa các điện tử tự do thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N, 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 dương (thiếu hụt điện tử và thừa lỗ trống). Ở biên giới hai mặt tiếp giáp, một số điện tử bi lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó). Tùy theo mức năng lượng giải phóng là cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn. Thông thường LED có điện thế phân cực thuận cao hơn các loại đi ốt khác khoảng 1,5 đến 3V nhưng điện thế phân cực ngược ở LED lại không cao. 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 được dùng trong các thiết bị điều khiển từ xa trong điện tử dân dụng… thậm chí ngày nay người ta đã và đang nghiên cứu đèn LED phát ánh sáng trắng để thay thế cho các thiết bị chiếu sáng thông thường như đèn sợi đốt, đèn neon, đèn compact…Điều này là hoàn toàn có thể và có lẽ là sẽ thành hiện thực trong một tương lai không xa. Đây chắc chắn sẽ là một bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp năng lượng vì hiện tại đèn LED trắng có tuổi thọ tới 50.000 giờ sử dụng, gấp 50 lần so với bóng đèn 60W. Điều này có nghĩa là chúng có thể thắp sáng liên tục trong vòng gần 6 năm. Hơn thế nữa chúng dùng điện áp thấp nên không gây cháy nổ mà tiết kiệm điện hơn nhiều so với