Đồ án quang báo hiển thị LED ma trận PIC 16F877A - CĐKT Cao Thắng

Tổng hợp đồ án tốt nghiệp quang báo hiển thị bằng led ma trận chi tiết. Tài liệu bao gồm sơ đồ nguyên lý mạch, code vi điều khiển và hướng dẫn thi công.

• Người hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Ánh
• Trường học: Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng
• Chuyên ngành: Điện tử - Tin học
• Đề tài: Quang Báo Hiển Thị Bằng Led Ma Trận
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan quang báo hiển thị LED ma trận dùng PIC 16F877A

Quang báo LED ma trận là công nghệ hiển thị thông tin số trực quan phổ biến. Thiết bị này xuất hiện nhiều tại nhà ga, sân bay, trường học và trung tâm thương mại. Bảng quang báo hiển thị văn bản chuyển động, thông báo khẩn hoặc hình ảnh đơn giản. Đồ án xây dựng mô hình dựa trên nền tảng vi điều khiển PIC 16F877A kết hợp module ma trận đèn LED. Vi điều khiển PIC 16F877A đóng vai trò trung tâm xử lý dữ liệu và điều phối tín hiệu. Chip thực hiện giải mã font chữ, lưu trữ bộ nhớ đệm và tạo xung quét hiển thị. Sự phối hợp giữa phần cứng và phần mềm quyết định độ mượt của chuyển động chữ. Thiết kế này giải quyết bài toán hiển thị đa ký tự với chi phí chế tạo thấp. Mô hình thực tế chứng minh tính ổn định, tiêu thụ ít điện năng và dễ bảo trì. Đây là nền tảng quan trọng giúp sinh viên ngành kỹ thuật điện tử nắm vững kiến thức vi xử lý, kỹ thuật số và lập trình nhúng chuyên sâu.

1.1. Cấu trúc vi điều khiển PIC 16F877A trong mạch

PIC 16F877A là dòng vi điều khiển 8-bit mạnh mẽ do Microchip sản xuất. Chip sở hữu 8KB bộ nhớ chương trình Flash, 368 byte RAM và 256 byte EEPROM. Cấu trúc phần cứng gồm 40 chân với 35 chân vào ra linh hoạt phân bố trên 5 cổng xuất nhập. Tần số thạch anh hoạt động đạt tới 20MHz, mang lại tốc độ thực thi lệnh nhanh chóng. Vi điều khiển tích hợp sẵn các bộ định thời Timer0, Timer1, Timer2 cùng nhiều ngoại vi truyền thông nối tiếp. Trong hệ thống quang báo, PIC 16F877A đảm nhiệm việc đọc mã nhị phân ký tự từ bộ nhớ và gửi dữ liệu ra ma trận. Nhờ tài nguyên dồi dào, chip đáp ứng tốt yêu cầu xử lý đồ họa chữ phức tạp.

1.2. Nguyên lý hiển thị của module LED ma trận

Module LED ma trận cấu tạo từ nhiều đèn LED đơn sắp xếp theo các hàng và cột giao nhau. Định dạng phổ biến thường là ma trận kích thước 8x8 hoặc ghép nối thành khối 8x32. Mỗi điểm ảnh tương ứng một diode phát quang tại giao điểm hàng và cột. Để thắp sáng một điểm ảnh, mạch cấp điện áp dương vào cực Anode và nối cực Cathode về mức logic thấp. Khi hiển thị chữ, các LED được kích hoạt đồng thời theo mẫu ma trận điểm tương ứng. Mắt người có đặc tính lưu ảnh trong khoảng thời gian ngắn. Tận dụng hiện tượng này, hệ thống quét lần lượt từng cột với tần số thích hợp. Kết quả tạo nên cảm giác hình ảnh đứng yên hoặc chuyển động liên tục trên bề mặt bảng.

II. Phân tích vấn đề kỹ thuật quang báo LED ma trận dùng PIC 16F877A

Quá trình thiết kế mạch quang báo đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Vấn đề cốt lõi nằm ở việc tối ưu hóa tài nguyên phần cứng của vi điều khiển. Số lượng chân I/O trên PIC 16F877A có giới hạn nhất định. Trong khi đó, bảng LED kích thước lớn đòi hỏi hàng chục đường điều khiển độc lập. Nếu đấu nối trực tiếp, chip không đủ số lượng chân để vận hành toàn bộ màn hình. Bên cạnh đó, vấn đề giới hạn dòng điện tải là yếu tố then chốt. Mỗi chân vi điều khiển chỉ cấp dòng tối đa khoảng 25mA. Khi nhiều điểm LED trên cùng một hàng sáng đồng thời, tổng dòng điện tiêu thụ tăng vọt. Hiện tượng này dễ gây quá tải, sụt áp và làm hỏng cổng xuất của vi điều khiển. Ngoài ra, việc duy trì tần số quét ổn định để tránh hiện tượng bóng mờ và nhấp nháy đòi hỏi thuật toán ngắt định thời chính xác. Việc phân tích kỹ lưỡng các hạn chế này giúp định hình giải pháp ghép nối phần cứng và tối ưu mã nguồn hiệu quả.

2.1. Thách thức quét ma trận và hiện tượng nhấp nháy

Hiện tượng nhấp nháy xảy ra khi tần số quét khung hình thấp hơn ngưỡng cảm nhận mắt người. Ngưỡng lưu ảnh của mắt dao động khoảng 25 khung hình trên giây. Nếu thời gian quét mỗi cột quá dài, mắt nhận thấy rõ sự chớp tắt ngắt quãng. Ngược lại, nếu thời gian quét quá ngắn, LED không kịp đạt độ sáng bão hòa, làm hình ảnh bị mờ nhạt. Bên cạnh đó, hiện tượng bóng ma xuất hiện khi dữ liệu cột chưa kịp xóa trước khi chuyển sang hàng tiếp theo. Lỗi tràn bộ đệm hoặc xử lý thuật toán cuộn chữ chậm cũng gây giật khung hình. Do đó, việc cân bằng thời gian sáng điểm ảnh và chu kỳ quét là bài toán kỹ thuật bắt buộc.

2.2. Vấn đề sụt áp nguồn và giới hạn dòng điện ngõ ra

Bộ nguồn một chiều giữ vai trò cung cấp năng lượng cho toàn hệ thống quang báo. Mạch LED ma trận tiêu thụ dòng điện tức thời rất lớn khi toàn bộ điểm ảnh phát sáng. Một khối LED 8x8 có thể tiêu thụ dòng lên tới vài trăm miliampe. Nguồn cấp không ổn định gây sụt áp trên đường dây, khiến vi điều khiển bị reset đột ngột. Đồng thời, điện áp suy giảm làm giảm độ sáng đồng đều giữa các ký tự hiển thị. Ngoài ra, việc các chân xuất của vi điều khiển gánh dòng trực tiếp dễ dẫn đến quá nhiệt phá hủy chip bán dẫn. Do đó, thiết kế mạch đòi hỏi giải pháp đệm công suất và mạch lọc nguồn chuyên biệt để bảo đảm độ bền linh kiện.

III. Giải pháp thiết kế quang báo hiển thị LED ma trận dùng PIC 16F877A

Nhằm khắc phục triệt để các hạn chế phần cứng, đồ án đề xuất mô hình mạch phối hợp IC chốt và mạch đệm công suất. Kiến trúc hệ thống chia thành các khối chức năng rõ ràng: khối vi điều khiển trung tâm, khối giải mã chốt dữ liệu, khối đệm dòng cột và khối nguồn ổn áp DC. Vi điều khiển PIC 16F877A đóng vai trò chủ đạo, xuất dữ liệu hiển thị song song ra bus dữ liệu chung. Giải pháp sử dụng IC chốt 74HC573 giúp mở rộng cổng I/O hiệu quả mà không tốn nhiều chân vi điều khiển. Tại mỗi thời điểm quét, một IC chốt giữ trạng thái dữ liệu cho một module LED nhất định. Để cấp dòng đủ lớn cho LED, mạch tích hợp transistor BJT C1815 hoặc mảng transistor ULN2803 tại các đường quét cột. Phương pháp này giảm thiểu gánh nặng công suất cho vi điều khiển, triệt tiêu sụt áp. Về phần mềm, thuật toán ngắt Timer định kỳ điều khiển tần số quét cố định, mang lại hình ảnh sắc nét, chữ cuộn mượt mà và không bóng mờ.

3.1. Kỹ thuật chốt dữ liệu với IC 74HC573 và đệm dòng

IC chốt 74HC573 là thành phần chủ lực trong thiết kế ghép nối hiển thị mở rộng. Vi mạch này tích hợp 8 chốt D trong suốt với ngõ ra 3 trạng thái. Khi chân kích hoạt chốt LE ở mức cao, dữ liệu từ vi điều khiển đi thẳng vào ngõ ra. Khi chân LE chuyển về mức thấp, dữ liệu được khóa lại ổn định trên chân LED. Điều này cho phép vi điều khiển giải phóng bus để điều khiển các module kế tiếp. Đồng thời, mạch sử dụng transistor C1815 để khuếch đại dòng điều khiển tại từng cột LED. Mỗi transistor chịu dòng cực đại lên đến 500mA, đảm bảo các điểm sáng đạt độ rực rỡ cao nhất mà không gây sụt điện áp.

3.2. Lập trình định thời ngắt Timer tối ưu tần số quét

Thuật toán điều khiển sử dụng ngắt Timer tích hợp bên trong PIC 16F877A để tạo chu kỳ quét chính xác. Timer1 hoặc Timer2 được cấu hình với bộ chia tần số thích hợp nhằm tạo ngắt tràn mỗi vài mili-giây. Trong chương trình phục vụ ngắt, vi điều khiển tắt hiển thị cũ, cập nhật byte dữ liệu mới vào cổng và kích hoạt cột kế tiếp. Việc tách biệt tác vụ quét hiển thị vào ngắt giúp luồng chương trình chính tập trung xử lý giải thuật cuộn chữ, dịch bit và cập nhật chuỗi ký tự. Nhờ đó, tốc độ cuộn chữ duy trì mượt mà, tần số quét đạt trên 60Hz, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng rung giật hay nhấp nháy màn hình.

IV. Ứng dụng thực tiễn của quang báo LED ma trận dùng PIC 16F877A

Đồ án nghiên cứu và chế tạo thành công bảng quang báo LED ma trận điều khiển bằng PIC 16F877A đạt hiệu quả cao. Kết quả thực nghiệm khẳng định mạch hoạt động ổn định, hiển thị rõ ràng ký tự chữ và số dưới nhiều điều kiện ánh sáng. Hệ thống chứng minh tính khả thi vượt trội về mặt kỹ thuật lẫn chi phí sản xuất thấp. Mô hình có tiềm năng ứng dụng thực tế rất rộng rãi trong đời sống xã hội. Bảng quang báo dễ dàng triển khai tại trường học để thông báo lịch trình, phục vụ bệnh viện hướng dẫn số thứ tự khám hoặc đặt tại các cửa hàng quảng bá sản phẩm. Kiến trúc phần cứng linh hoạt cho phép ghép nối mở rộng kích thước hiển thị mà không cần thay đổi cấu trúc vi điều khiển trung tâm. Đồ án tạo tiền đề vững chắc cho các nghiên cứu phát triển hệ thống hiển thị thông minh, tích hợp giao tiếp mạng không dây trong tương lai.

4.1. Khả năng triển khai tại trường học và nơi công cộng

Trong môi trường giáo dục, bảng quang báo LED hỗ trợ truyền đạt thông tin nhanh chóng đến học sinh và giảng viên. Thiết bị đặt tại sảnh chính, hành lang hoặc giảng đường để cập nhật thông báo khẩn, lịch thi cử và sự kiện học thuật. Nhờ độ sáng cao và góc nhìn rộng, người quan sát dễ dàng theo dõi nội dung từ khoảng cách xa. Tại các bến xe, bệnh viện và trung tâm giao dịch, bảng LED đóng vai trò hướng dẫn quy trình, điều phối hàng đợi tự động. Thiết bị vận hành bền bỉ 24/7 trong môi trường bụi bẩn, tiết kiệm điện năng đáng kể so với màn hình LCD truyền thống.

4.2. Tiềm năng nâng cấp kết nối giao tiếp không dây

Hệ thống hiện tại có khả năng mở rộng thêm nhiều tính năng hiện đại thông qua các giao tiếp truyền thông nối tiếp USART của PIC 16F877A. Việc ghép nối module Bluetooth HC-05 hoặc module Wi-Fi ESP8266 cho phép người dùng thay đổi nội dung chữ chạy trực tiếp từ điện thoại thông minh hoặc máy tính cá nhân. Ngoài ra, việc bổ sung chip nhớ EEPROM ngoài hoặc thẻ nhớ SD giúp lưu trữ hàng ngàn ký tự và nhiều hiệu ứng đồ họa sinh động. Sự cải tiến này giúp hệ thống quang báo bắt kịp xu hướng vạn vật kết nối IoT, nâng cao giá trị thương mại và tính ứng dụng thực tế.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển của kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin, nhu cầu truyền tải và phổ biến thông tin nhanh chóng, chính xác tại các khu vực công cộng ngày càng trở nên cấp thiết. Các phương tiện thông tin truyền thống như pano, áp phích in ấn thủ công bộc lộ nhiều hạn chế về khả năng cập nhật nội dung, tính linh hoạt và độ thu hút thị giác. Việc ứng dụng công nghệ vi điều khiển kết hợp với hệ thống hiển thị quang điện tử mang lại giải pháp tối ưu hóa khả năng truyền thông trực quan, cho phép thay đổi nội dung linh hoạt thông qua phần mềm mà không cần thay đổi kết cấu phần cứng.

Đồ án tốt nghiệp "Quang Báo Hiển Thị Bằng Led Ma Trận" được thực hiện tại Khoa Điện tử - Tin học, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng nhằm giải quyết bài toán thiết kế và thi công một mô hình bảng điện tử hiển thị thông tin ứng dụng tại các địa điểm công cộng như công ty, nhà xưởng và các nút giao thông.

Căn cứ theo văn bản đồ án, các nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu được xác định bao gồm:

1. Nghiên cứu và lựa chọn phương án điều khiển cùng giải thuật xử lý dữ liệu cho bảng hiển thị LED ma trận.
2. Thiết kế và thi công phần cứng bảng quang báo hiển thị đơn sắc có kích thước 8×48 điểm ảnh (tương đương kích thước vật lý 6 cm × 36 cm).
3. Xây dựng chương trình điều khiển trên vi điều khiển nhằm xử lý dữ liệu và tạo các hiệu ứng chuyển động chữ (cuộn từ dưới lên, cuộn từ trên xuống, dịch chuyển sang trái, dịch chuyển sang phải).

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc phần cứng và tập lệnh của vi điều khiển Microchip PIC16F877A, vi mạch chốt 74HC573, vi mạch đệm công suất Transistor C1815, cấu tạo module LED ma trận 8×8, cùng kỹ thuật lập trình C cho hệ thống nhúng.
• Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai trong thời gian 4 tuần (Tuần 1: Nhận đề tài, thu thập tài liệu và lập đề cương; Tuần 2 đến Tuần 4: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, thi công mạch in, lập trình phần mềm và hoàn thiện báo cáo).
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm và lắp ráp mô hình phần cứng tại phòng thí nghiệm Khoa Điện tử - Tin học, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

Hệ thống được xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết điện tử số, vi điều khiển và quang điện tử:

• Vi điều khiển PIC16F877A: Vi điều khiển kiến trúc RISC 8-bit của hãng Microchip với 35 lệnh độ dài 14-bit, tốc độ hoạt động tối đa 20 MHz (chu kỳ lệnh 200 ns). Bộ nhớ chương trình Flash 8K×14 bit (8192 lệnh), bộ nhớ dữ liệu RAM 368×8 byte chia làm 4 bank, bộ nhớ dữ liệu EEPROM 256×8 byte lưu trữ trên 40 năm. Hệ thống tích hợp 5 cổng vào/ra (33 chân I/O), 3 bộ định thời (Timer0 8-bit, Timer1 16-bit, Timer2 8-bit), 8 kênh chuyển đổi tương tự - số ADC 10-bit, 2 bộ so sánh tương tự (Comparator), module giao tiếp nối tiếp USART và hỗ trợ nạp chương trình trực tiếp trên mạch ICSP (In-Circuit Serial Programming).
• Vi mạch chốt dữ liệu 74HC573: Vi mạch CMOS tốc độ cao gồm 8 bộ chốt Flip-Flop D và bộ đệm ngõ ra 3 trạng thái. Thời gian trễ truyền tín hiệu đạt 18 ns, dải điện áp làm việc 2V đến 6V. Hoạt động của vi mạch được điều khiển độc lập qua chân cho phép chốt dữ liệu (LE - Latch Enable) và chân cho phép xuất dữ liệu (/OE - Output Enable).
• Module LED ma trận: Cấu trúc gồm các diode phát quang đơn lẻ ghép thành mảng 8 hàng × 8 cột. Phân loại theo kết cấu chân gồm Anode chung (cột Anode, hàng Cathode) và Cathode chung (cột Cathode, hàng Anode). Dòng điện làm việc định mức khoảng 10 mA/LED, điện áp rơi trên LED phân định theo màu sắc (đỏ: 1,6V – 3,2V; xanh da trời: 3,0V – 5,0V).
• Hiện tượng lưu ảnh trên võng mạc: Nguyên lý hiển thị quét ma trận dựa trên đặc tính lưu ảnh của mắt người (tần số quét yêu cầu trên 24 khung hình/giây để mắt cảm nhận được hình ảnh ổn định, không bị nhấp nháy).

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật thực nghiệm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Khảo sát tài liệu kỹ thuật chuyên ngành xung số, điện tử căn bản, tập lệnh và thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR) của dòng PIC16F877A.
• Phương pháp so sánh - lựa chọn giải pháp kỹ thuật: Đánh giá ưu nhược điểm giữa phương pháp hiển thị dùng IC chốt (74HC573) và phương pháp dùng thanh ghi dịch (TPIC6B595) để chọn kiến trúc tối ưu cho bảng kích thước 8×48.
• Phương pháp thiết kế và chế tạo thực nghiệm: Thiết kế sơ đồ nguyên lý các khối mạch nguồn, khối điều khiển trung tâm, khối đệm công suất và khối hiển thị; hàn lắp linh kiện, nạp mã chương trình viết bằng ngôn ngữ C thông qua trình biên dịch CCS C.

Thông số kỹ thuật	Giá trị thực hiện trong đồ án
Vi điều khiển trung tâm	Microchip PIC16F877A (sử dụng thạch anh 12 MHz)
Kích thước hiển thị vật lý	Cao 6 cm × Dài 36 cm
Độ phân giải ma trận	8 hàng × 48 cột (8×48 điểm ảnh, ghép từ 6 khối LED 8×8)
Chế độ màu sắc	Đơn sắc (One color)
Vi mạch chốt dữ liệu cột	74HC573 (06 IC chốt)
Mạch đệm công suất cột	Transistor lưỡng cực BJT C1815
Ngôn ngữ & Trình biên dịch	Ngôn ngữ C, biên dịch bằng CCS C Compiler
Hiệu ứng hiển thị hỗ trợ	Cuốn lên, cuốn xuống, dịch sang trái, dịch sang phải
Cổng giao tiếp máy tính	MAX232 (chuẩn giao tiếp RS232/COM qua đầu nối DB9)

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc tổng thể và sơ đồ khối

Hệ thống quang báo được tổ chức thành 4 khối chức năng chính:

1. Khối nguồn điều khiển: Đảm nhiệm chức năng chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành điện áp một chiều DC +5V ổn định phục vụ toàn bộ mạch điện tử. Cấu trúc gồm khối biến áp chỉnh lưu và lọc tụ, khối công suất cung cấp dòng cho tải và khối lấy mẫu ổn áp.
2. Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển PIC16F877A dao động bằng thạch anh 12 MHz kèm 2 tụ gốm 33 pF. Khối này thực hiện xử lý dữ liệu ký tự từ bộ nhớ, tạo tín hiệu quét hàng qua các chân PORT và xuất dữ liệu cột đến các IC chốt. Ngoài ra, khối điều khiển tích hợp vi mạch MAX232 chuyển đổi mức điện áp TTL/RS232 phục vụ ghép nối máy tính qua cổng DB9 (CON9).
3. Khối công suất và đệm dòng: Do dòng quét tổng qua mỗi hàng hoặc mỗi cột khi toàn bộ LED bật sáng có thể lên tới vài trăm mA, vượt quá khả năng cấp dòng trực tiếp của cổng I/O vi điều khiển, hệ thống bố trí tầng đệm Transistor BJT C1815 tại mỗi đường cột để bảo đảm cung cấp dòng ổn định cho 6 khối LED ma trận (tổng cộng 384 điểm LED).
4. Khối hiển thị ma trận LED: Gồm 6 module LED ma trận 8×8 ghép nối tiếp tạo thành màn hình 8×48 điểm ảnh. Khối nhận dữ liệu song song từ vi điều khiển thông qua các IC chốt 74HC573 (RN1, RN2, RN3...) và nhận xung kích mở hàng từ khối điều khiển.

So sánh các giải pháp kỹ thuật hiển thị

Trong quá trình thiết kế, tác giả đã tiến hành phân tích chi tiết hai phương pháp điều khiển ma trận LED:

Tiêu chí kỹ thuật	Phương pháp sử dụng IC chốt (74HC573)	Phương pháp sử dụng thanh ghi dịch (TPIC6B595)
Ưu điểm	- Dữ liệu truyền song song với tốc độ rất nhanh. - Dễ dàng mở rộng số hàng và số cột. - Linh hoạt chuyển đổi linh hoạt các chế độ quét hàng hoặc quét cột.	- Tiết kiệm tối đa chân PORT của vi điều khiển. - Tiết kiệm đường mạch truyền dẫn trên bo mạch. - Dễ dàng truyền dữ liệu đi khoảng cách xa hơn.
Nhược điểm	- Quá trình tạo bảng mã và xuất dữ liệu phức tạp hơn. - Chiếm dụng nhiều đường bus dữ liệu của vi điều khiển.	- Tốn nhiều chu kỳ xung clock để dịch tuần tự dữ liệu ra các cột. - Kém linh hoạt hơn khi cần thay đổi thuật toán quét.
Lựa chọn của đề tài	Được chọn: Sử dụng 74HC573 kết hợp thuật toán quét hàng và đệm dòng C1815 nhằm tối ưu tốc độ làm tươi.	Được khảo sát lý thuyết và sơ đồ nguyên lý nhưng không chọn thi công trên mô hình thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Dẫn nhập

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh hiện đại hóa truyền thông thông tin công cộng. Văn bản xác định rõ phạm vi công việc trong 4 tuần gồm 3 nội dung trọng tâm: nghiên cứu phương án điều khiển ma trận LED, thi công phần cứng 8×48 điểm ảnh và lập trình hiệu ứng chuyển động. Chương này cũng phân bổ kế hoạch triển khai chi tiết từ khâu lập đề cương, thu thập tài liệu đến thiết kế mạch in và lập trình nhúng.

Chương 2: Giới thiệu về bảng quang báo

Chương 2 phân loại các quy cách bảng quang báo thương mại trên thị trường, tiêu biểu như mẫu 1 dòng chữ (16×240 điểm ảnh, chiều cao 122 mm, hỗ trợ hiển thị 1 dòng chữ 16 điểm hoặc 2 dòng chữ 8 điểm không dấu) và mẫu 2 dòng chữ (32×240 điểm ảnh, chiều cao 244 mm, hỗ trợ kết nối máy tính qua cổng COM/RJ45). Trên cơ sở đó, tác giả xác định cấu hình của mô hình đồ án gồm kích thước 6 cm × 36 cm, độ phân giải 8×48 điểm ảnh đơn sắc, sử dụng PIC16F877A lập trình bằng C trên môi trường CCS C.

Chương 3: Khảo sát linh kiện

Chương 3 trình bày chi tiết cấu trúc phần cứng và tập thanh ghi của vi điều khiển PIC16F877A:

• Cấu tạo 5 cổng I/O (PORTA 6 chân, PORTB 8 chân tích hợp điện trở kéo lên, PORTC 8 chân chia sẻ ngoại vi nối tiếp/PWM, PORTD 8 chân phục vụ cổng song song PSP, PORTE 3 chân).
• Hoạt động của 3 bộ định thời (Timer0 8-bit với bộ chia tần prescaler dùng chung WDT; Timer1 16-bit hỗ trợ đếm đồng bộ/bất đồng bộ; Timer2 8-bit có bộ chia trước prescaler và chia sau postscaler).
• Các khối ngoại vi tương tự: Bộ ADC 10-bit với 8 kênh vào, Bộ so sánh tương tự Comparator và Bộ tạo điện áp so sánh nội 16 mức (sử dụng thang điện trở chia điện áp $V_{DD}/24$ hoặc $V_{DD}/32$).
• Khảo sát vi mạch logic 74HC573 (cấu trúc 8 chốt D-type, điều khiển qua chân LE và /OE, thời gian trễ 18 ns) và cấu tạo bên trong của module LED ma trận 8×8 (Anode chung / Cathode chung, tính toán điện trở hạn dòng $R_T = (V_B - V_D) / I_F$).

Chương 4: Các phương pháp hiển thị led ma trận

Chương 4 phân tích nguyên lý hoạt động, sơ đồ kết nối và lưu đồ thuật toán của 4 giải pháp quét ma trận:

• Hiển thị dùng IC chốt: Chốt hàng (tích cực từng cột, xuất và chốt dữ liệu 8 hàng) và Chốt cột (tích cực từng hàng, xuất và chốt dữ liệu các cột).
• Hiển thị dùng thanh ghi dịch: Quét hàng (dữ liệu dịch nối tiếp qua chân SDI, kích xung clock SRCLK/RCLK rồi kích mở Transistor TIP42/C1815 tại hàng) và Quét cột (dữ liệu đưa ra hàng, kích mở tuần tự từng cột).
• Chương minh họa tường tận ví dụ quét hiển thị ký tự chữ "B" trên ma trận 8×8 theo từng bước quét hàng (xuất mã nhị phân tương ứng 8 hàng) và quét cột (xuất mã nhị phân tương ứng 8 cột) với tần số lặp lại trên 24 lần/giây.

Chương 5: Sơ đồ khối và chức năng từng khối

Chương 5 hiện thực hóa thiết kế hệ thống thành 4 khối chức năng hoàn chỉnh:

• Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm: PIC16F877A kết nối thạch anh 12 MHz, nút nhấn Reset (MCLR), cổng nạp ICSP và IC MAX232 kết nối cổng nối tiếp DB9.
• Sơ đồ mạch khối công suất: Thiết kế mạch đệm Transistor BJT C1815 nhằm nâng dòng cho các cột dữ liệu.
• Sơ đồ mạch khối hiển thị: Kết nối bus dữ liệu từ vi điều khiển đến mảng IC chốt 74HC573 điều khiển 6 module LED ma trận 8×8 (tổng 48 cột).
• Sơ đồ khối bộ nguồn ổn áp: Gồm biến áp, chỉnh lưu cầu, tụ lọc và khối ổn áp DC duy trì điện áp chuẩn +5V liên tục.

Chương 6: Tính toán

Chương 6 trình bày các công thức và bước tính toán tham số điện áp, dòng điện cho mạch nguồn điều khiển, mạch tạo xung Reset cho vi điều khiển (thông qua mạch RC và nút nhấn) và mạch kéo dòng Transistor nhằm bảo đảm các điểm LED sáng đồng đều, không bị quá dòng hay sụt áp.

Chương 7: Sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động

Chương 7 tổng hợp sơ đồ nguyên lý toàn mạch và giải thích quá trình phối hợp đồng bộ giữa vi điều khiển PIC16F877A, các IC chốt 74HC573 và mạch đệm BJT C1815 trong chu trình quét hiển thị dữ liệu 8×48.

Chương 8: Lưu đồ giải thuật và chương trình hoạt động

Chương 8 xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển quét bảng quang báo và cấu trúc chương trình viết bằng C (trên trình biên dịch CCS C). Chương trình bao gồm các hàm khởi tạo cổng I/O, bộ mã font chữ, thuật toán dịch mảng dữ liệu để tạo hiệu ứng cuộn chữ (lên, xuống, trái, phải).

Chương 9: Tổng kết

Chương 9 đánh giá kết quả thực hiện sau thời gian 4 tuần nghiên cứu, đối chiếu các mục tiêu đã hoàn thành về phần cứng và phần mềm, đồng thời nhìn nhận các thiếu sót do hạn chế về thời gian thực hiện đề tài.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

• Chế tạo thành công phần cứng bảng quang báo LED ma trận kích thước hiển thị 6 cm × 36 cm với độ phân giải 8 hàng × 48 cột (ghép từ 6 module LED ma trận 8×8).
• Thiết kế hoàn chỉnh mạch điều khiển trung tâm dùng PIC16F877A chạy với thạch anh 12 MHz, tích hợp cổng giao tiếp nối tiếp RS232 qua IC MAX232.
• Ứng dụng thành công IC chốt 74HC573 và tầng đệm dòng Transistor C1815, đáp ứng dòng điện làm việc định mức cho 384 điểm LED đơn sắc.
• Xây dựng thành công mã nguồn C (CCS C) thực thi hiển thị ký tự với tốc độ quét trên 24 hình/giây, thực hiện mượt mà các hiệu ứng chuyển động chữ gồm: cuộn từ dưới lên, cuộn từ trên xuống, dịch sang trái và dịch sang phải.

Đóng góp thực tiễn của đồ án

• Tự hệ thống hóa tài liệu khảo sát kỹ thuật chi tiết về cấu trúc phần cứng, bộ nhớ và các khối ngoại vi (Timers, ADC, Comparator) của dòng vi điều khiển Microchip PIC16F877A.
• Cung cấp bảng phân tích, so sánh cụ thể giữa phương pháp quét dùng IC chốt và phương pháp dùng thanh ghi dịch, làm tài liệu tham khảo trực quan cho việc thiết kế các hệ thống hiển thị ma trận điểm.
• Hoàn thiện một mô hình phần cứng thực nghiệm hoàn chỉnh, chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng vi điều khiển giá thành thấp trong việc chế tạo bảng thông tin điện tử phục vụ đời sống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Kích thước hiển thị của mô hình còn ở mức hạn chế (8 hàng × 48 cột), chỉ hiển thị được các ký tự chữ cái tiếng Anh cơ bản hoặc tiếng Việt không dấu.
• Hệ thống mới chỉ hiển thị dạng đơn sắc (One color), chưa khai thác hiển thị đa màu (3 màu hoặc Full-color).
• Nội dung văn bản hiển thị còn cố định trong mã nguồn nạp sẵn trên ROM vi điều khiển; chưa tích hợp giao diện phần mềm máy tính để truyền nhận và thay đổi thông điệp trực tiếp theo thời gian thực qua cổng RS232/RJ45.
• Đề tài thực hiện trong khung thời gian ngắn (4 tuần) nên việc tối ưu hóa phần cứng và mở rộng các chế độ tương tác bàn phím rời chưa được hoàn thiện.

Hướng mở rộng nghiên cứu

• Nâng cấp phần cứng lên các kích thước chuẩn thương mại lớn hơn như 16×240 điểm ảnh (hiển thị 1 dòng 16 pixel hoặc 2 dòng 8 pixel) hoặc 32×240 điểm ảnh.
• Xây dựng phần mềm giao diện trên máy tính (sử dụng Visual Basic hoặc C#) ghép nối qua cổng COM (MAX232) hoặc cổng mạng RJ45 để cập nhật nội dung bảng quang báo từ xa.
• Nâng cấp thuật toán hiển thị bộ font chữ tiếng Việt có dấu và hỗ trợ hiển thị đồ họa đa sắc màu.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu thực hành và tham khảo hữu ích cho sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Cơ điện tử, Viễn thông và Kỹ thuật Máy tính khi thực hiện các đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về hệ thống nhúng và vi điều khiển.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

• Khảo sát chi tiết cấu trúc thanh ghi SFR và cách lập trình cấu hình các cổng I/O, Timer0, Timer1, Timer2 trên vi điều khiển PIC16F877A.
• Nguyên lý thiết kế mạch đệm công suất sử dụng Transistor BJT để thúc dòng cho tải LED ma trận.
• Phương pháp luận phân tích, lựa chọn giữa kỹ thuật quét dùng IC chốt 74HC573 và thanh ghi dịch TPIC6B595 kèm ví dụ quét ký tự chi tiết theo từng bước thời gian.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển PIC16F877A trong đồ án sử dụng thạch anh tần số bao nhiêu và có thông số bộ nhớ như thế nào?
Trong sơ đồ mạch điều khiển thực tế (Hình 5.3), hệ thống sử dụng dao động thạch anh ngoài $Y_1$ có tần số 12 MHz (kết hợp 2 tụ gốm 33 pF). Vi điều khiển PIC16F877A có bộ nhớ chương trình Flash 8K×14 bit (8192 lệnh), RAM dữ liệu 368 byte và EEPROM dữ liệu 256 byte.

2. Kích thước vật lý và độ phân giải hiển thị của bảng quang báo trong mô hình thực tế là bao nhiêu?
Bảng quang báo thực tế có kích thước hiển thị vật lý gồm chiều cao 6 cm và chiều dài 36 cm. Độ phân giải hiển thị là 8 hàng × 48 cột (8×48 điểm ảnh), được ghép nối từ 6 khối module LED ma trận 8×8 đơn sắc.

3. Tại sao tác giả lựa chọn phương pháp hiển thị dùng IC chốt 74HC573 thay vì thanh ghi dịch?
Phương pháp dùng IC chốt 74HC573 cho phép truyền dữ liệu song song với tốc độ rất nhanh (thời gian trễ truyền chỉ 18 ns), dễ dàng mở rộng số hàng/cột và linh hoạt trong việc chuyển đổi chế độ quét hàng hoặc quét cột, giúp hình ảnh hiển thị ổn định và không bị giật ở tần số quét trên 24 hình/giây.

4. Khối công suất của bảng LED sử dụng linh kiện gì để đệm dòng và tại sao phải cần khối này?
Hệ thống sử dụng các Transistor BJT C1815 để đệm dòng tại các cột. Mạch đệm dòng là bắt buộc vì khi toàn bộ các điểm LED trên một hàng/cột cùng sáng, tổng dòng điện tiêu thụ có thể lên đến hàng trăm mA, vượt quá khả năng chịu tải trực tiếp của các chân vi điều khiển PIC và IC chốt.

5. Chương trình điều khiển hỗ trợ những hiệu ứng chuyển động hiển thị nào và được viết bằng công cụ gì?
Chương trình được lập trình bằng ngôn ngữ C thông qua trình biên dịch CCS C Compiler, hỗ trợ 4 hiệu ứng chuyển động chữ cơ bản: cuộn từ dưới lên, cuộn từ trên xuống, dịch chuyển sang trái và dịch chuyển sang phải.

Kết luận

Đồ án "Quang Báo Hiển Thị Bằng Led Ma Trận" đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu thiết kế và thi công hệ thống bảng điện tử hiển thị kích thước 8×48 điểm ảnh trên nền tảng vi điều khiển PIC16F877A. Tác giả đã phân tích sâu sắc cơ sở lý thuyết về kiến trúc vi điều khiển, nguyên lý chốt dữ liệu tốc độ cao qua 74HC573 và kỹ thuật đệm dòng công suất bằng Transistor C1815. Kết quả thực nghiệm của đồ án khẳng định tính đúng đắn của giải thuật quét ma trận và tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các bảng quang báo khổ lớn hỗ trợ giao tiếp máy tính trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ: Thông tin liên lạc là vấn đề được quan tâm trong xã hội. Ngay từ ngày xưa, con người đã biết vận dụng những gì đã có sẵn để truyền tin như lửa, âm thanh, các dấu hiệu… Ngày nay, với sự phát triển của xã hội thì ngày càng có nhiều cách tiếp cận với những thông tin mới. Ta có thể biết được thông tin qua báo chí, truyền hình, mạng internet, qua các pano, áp phích… Thông tin cần phải được truyền đi nhanh chóng, kịp thời và phổ biến rộng rãi trong toàn xã hội. Và việc thu thập thông tin kịp thời, chính xác là yếu tố hết sức quan trọng trong sự thành công của mọi lĩnh vực.

Các thiết bị tự động được điều khiển từ xa qua một thiết bị chủ hoặc được điều khiển tr ực tiếp qua hệ thống máy tính. Việc sử dụng vi điều khiển để điều khiển hiển thị có rất nhiều ưu điểm mà các phương pháp truyền thống như panô, áp phích không có được như việc điều chỉnh thông tin một cách nhanh chóng bằng cách thay đổi phần mềm. Với những lý do trên, nhóm thực hiện đề tài đưa ra một cách thức nữa phục vụ thông tin là dùng quang báo. Nội dung nghiên cứu của đề tài chính là tạo ra một bảng quang báo ứng dụng trong việc hiển thị truyền thông ở các nơi công cộng như công ty, nhà xưởng, các ngã tư báo hiệu… Thế giới ngày càng phát triển thì lĩnh vực điều khiển cần phải được mở rộng hơn.

Việc ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp vào sản xuất mang lại nhiều thuận lợi cho xã hội loài người, thông tin được cập nhật nhanh chóng và được điều khiển một cách chính xác .2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI: Với khoảng thời gian thực hiện đề tài 4 tuần, nhóm đã thảo luận và chọn nội dung của đề tài như sau: - Nghiên cứu và tìm phương án điều khiển và xử lý dữ liệu cho bảng led ma trận hiển thị. - Thi công bảng quang báo hiển thị kích thước 8×48 điểm ảnh. - Viết chương trình tạo hiệu ứng và xử lý dữ liệu.3 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI: Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài này nhằm giúp người học: - Tăng khả năng tự nghiên cứu cũng như tự học. - Bước đầu tiếp xúc với thực tế.

- Vận dụng những kiến thức đã có đồng thời tìm tòi những kiến thức mới để hiểu sâu sắc hơn trong lĩnh vực này. Để thiết kế được một hệ thống như đã nêu ở trên thì người nghiên cứu phải nắm vững kiến thức chuyên ngành điện tử, tìm hiểu, nghiên cứu qua sách vở, tài liệu nước ngoài và dạng mạch thực tế để thi công phần cứng.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU: - Các phương án điều khiển và xử lý dữ liệu cho bảng led ma trận. - Tìm hiểu vi điều khiển PIC 16F877A. - Tìm hiểu phương pháp lập trình C.

- Bảng quang báo led ma trận kích thước 8×48 điểm ảnh.5 LẬP KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU:  Để thực hiện đề tài này nhóm sinh viên đã kết hợp sử dụng nhiều phương pháp và phương tiện hỗ trợ gồm có: Tham khảo tài liệu: kỹ thuật xung số, điện tử căn bản, vi điều khiển…. Tổng kết kinh nghiệm. Phương tiện: máy vi tính, Internet, thư viện….  Kế hoạch nghiên cứu: Tuần 1:Nhận đề tài và lập đề cương tổng quát.

Thu thập tài liệu và lập đề cương chi tiết. Tuần 2, 3, 4: Thiết kế thi công và viết đồ án. CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ BẢNG QUANG BÁO Ngày nay, các bảng quang báo ngày càng trở nên phổ biến và rất đa dạng về chủng loại và công nghệ thay thế dần cho các hình thức truyền thống như pano, áp phích,….bởi những tiện lợi và linh hoạt mà nó đem lại.