Đồ án mạch quang báo LED ma trận giao tiếp máy tính dùng PIC 16F877A

Đồ án tốt nghiệp thiết kế mạch quang báo giao tiếp máy tính sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A, trình bày sơ đồ nguyên lý, code lập trình và ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Lê Nguyễn Minh Thành
• Người hướng dẫn: ThS. Phan Văn Hiệp
• Trường học: Trường Đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Mạch quang báo giao tiếp máy tính dùng PIC 16F877A
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạch quang báo giao tiếp máy tính dùng PIC16F877A

Mạch quang báo giao tiếp máy tính sử dụng vi điều khiển PIC16F877A là hệ thống kết hợp LED ma trận với giao diện máy tính để hiển thị thông tin. Thiết bị này chuyển đổi dữ liệu từ máy tính thành tín hiệu điều khiển cho LED, tạo ra hình ảnh hoặc văn bản. PIC16F877A đảm nhiệm xử lý logic và điều khiển thời gian hiển thị. Ứng dụng phổ biến trong hệ thống báo hiệu, quảng cáo và giao diện người dùng. Kích thước hiển thị phụ thuộc vào số điểm LED và độ phân giải. Mạch này đòi hỏi kết nối chuẩn như RJ45 hoặc bàn phím để truyền dữ liệu từ máy tính.

1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống

Hệ thống gồm ba thành phần chính: phần cứng LED ma trận, vi điều khiển PIC16F877A và phần mềm giao diện máy tính. LED ma trận cung cấp hiển thị vật lý, trong khi PIC16F877A xử lý tín hiệu từ máy tính. Phần mềm trên máy tính chuyển đổi dữ liệu văn bản thành mã điều khiển cho PIC. Kết nối giữa các thành phần sử dụng giao diện COM hoặc RJ45. Độ phân giải hiển thị phụ thuộc vào kích thước LED ma trận và số điểm ảnh.

1.2. Ứng dụng thực tế của mạch

Mạch quang báo này được sử dụng trong hệ thống báo hiệu công nghiệp, quảng cáo LED và giao diện người dùng cho thiết bị y tế. Ví dụ, nó có thể hiển thị thông tin thời gian thực trên bảng báo hiệu công ty hoặc thông báo y tế trên máy đo. Đối với quảng cáo, mạch hỗ trợ hiển thị hình ảnh động hoặc văn bản chạy theo hai hướng. Trong giáo dục, thiết bị này giúp minh họa nguyên lý giao tiếp dữ liệu giữa máy tính và thiết bị ngoại vi.

II. Phân tích vấn đề và yêu cầu kỹ thuật của mạch

Mạch gặp khó khăn trong việc tối ưu hóa thời gian phản hồi và quản lý năng lượng cho LED ma trận. PIC16F877A cần xử lý hiệu quả các tín hiệu điều khiển hàng và cột để tránh hiện tượng chớp nháy. Yêu cầu kỹ thuật bao gồm độ phân giải tối thiểu 8x64 điểm ảnh và thời gian hiển thị ổn định. Kết nối với máy tính phải đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu cao để tránh mất mát thông tin. Thiết kế mạch phải khắc phục vấn đề nhiệt độ và tiêu thụ điện năng cao khi sử dụng LED ma trận lớn.

2.1. Thách thức trong giao tiếp dữ liệu

Giao tiếp giữa máy tính và mạch gặp khó khăn do tốc độ truyền dữ liệu thấp và độ trễ trong xử lý. PIC16F877A phải chuyển đổi dữ liệu từ máy tính thành tín hiệu điều khiển LED với tốc độ cao. Nếu tốc độ truyền dữ liệu chậm, hình ảnh trên LED sẽ bị mờ hoặc mất đồng bộ. Để khắc phục, cần sử dụng giao diện COM với tốc độ baud cao hoặc kết nối RJ45 để tăng tốc độ truyền. Thiết kế phần mềm trên máy tính phải tối ưu hóa mã điều khiển để giảm thời gian xử lý.

2.2. Yêu cầu về độ phân giải và hiệu suất

Độ phân giải tối thiểu của mạch là 8x64 điểm ảnh, nhưng để hiển thị văn bản tiếng Việt, yêu cầu cao hơn là 16x40 điểm ảnh. Hiệu suất hiển thị phụ thuộc vào tốc độ refresh của LED ma trận. Nếu tốc độ refresh thấp, LED sẽ bị chớp nháy, gây mất tập trung cho người dùng. PIC16F877A phải điều khiển LED theo chu kỳ refresh nhanh để đảm bảo hình ảnh ổn định. Ngoài ra, thiết kế mạch phải giảm tiêu thụ điện năng để tránh quá nhiệt và tăng tuổi thọ của LED.

III. Giải pháp và phương pháp thiết kế mạch

Giải pháp chính là sử dụng PIC16F877A kết hợp với mạch điều khiển hàng và cột LED. Phần mềm trên máy tính sử dụng Visual Basic để chuyển đổi văn bản thành mã điều khiển. PIC16F877A xử lý mã này và gửi tín hiệu đến LED qua mạch điều khiển. Để tối ưu hóa hiệu suất, sử dụng thuật toán refresh LED và quản lý năng lượng. Kết nối với máy tính sử dụng giao diện COM hoặc RJ45 để tăng tốc độ truyền dữ liệu. Thiết kế mạch phải đảm bảo độ bền và khả năng mở rộng cho tương lai.

3.1. Thiết kế phần cứng và mạch điều khiển

Phần cứng bao gồm LED ma trận 8x64, PIC16F877A và mạch điều khiển hàng/cột. PIC16F877A sử dụng các chân I/O để điều khiển hàng và cột LED. Mạch điều khiển hàng/cột giúp giảm số chân I/O cần thiết và tối ưu hóa hiệu suất. Để giảm tiêu thụ điện năng, sử dụng transistor MOSFET để điều khiển LED. Thiết kế mạch phải đảm bảo cách nhiệt và ổn định điện áp để tránh hiện tượng chớp nháy.

3.2. Phần mềm và giao diện máy tính

Phần mềm trên máy tính sử dụng Visual Basic để chuyển đổi văn bản thành mã điều khiển cho PIC16F877A. Mã này được gửi qua giao diện COM hoặc RJ45. PIC16F877A xử lý mã và gửi tín hiệu đến LED qua mạch điều khiển. Để tối ưu hóa hiệu suất, sử dụng thuật toán refresh LED và quản lý thời gian hiển thị. Phần mềm cũng cung cấp giao diện người dùng để điều khiển nội dung hiển thị và tốc độ refresh. Thiết kế phần mềm phải đảm bảo tương thích với các hệ điều hành máy tính phổ biến.

IV. Kết luận và ứng dụng của mạch quang báo

Mạch quang báo giao tiếp máy tính sử dụng PIC16F877A là giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng hiển thị thông tin thời gian thực. Thiết bị này cải thiện khả năng giao tiếp giữa máy tính và thiết bị ngoại vi, đặc biệt trong hệ thống báo hiệu công nghiệp và quảng cáo LED. Kết quả thực nghiệm cho thấy mạch đạt độ phân giải 8x64 điểm ảnh với tốc độ refresh ổn định. Ứng dụng tương lai bao gồm hệ thống báo hiệu y tế, giao diện người dùng cho thiết bị IoT và quảng cáo LED động. Thiết kế mạch có thể mở rộng để hỗ trợ độ phân giải cao hơn và tích hợp với các công nghệ mới.

4.1. Ưu điểm và hạn chế của mạch

Ưu điểm chính là khả năng hiển thị thông tin thời gian thực, độ bền cao và khả năng mở rộng. Tuy nhiên, mạch gặp hạn chế trong việc hiển thị văn bản tiếng Việt do độ phân giải thấp. Ngoài ra, tiêu thụ điện năng cao và độ phức tạp trong thiết kế mạch điều khiển cũng là những yếu tố cần cải thiện. Để khắc phục, có thể sử dụng LED ma trận có độ phân giải cao hơn và tối ưu hóa thuật toán refresh LED.

4.2. Tương lai và phát triển đề tài

Tương lai của mạch quang báo tập trung vào việc tăng độ phân giải và tích hợp với các công nghệ mới như Wi-Fi hoặc Bluetooth. Sử dụng vi điều khiển mới như PIC16F1887A có khả năng xử lý nhanh hơn sẽ cải thiện hiệu suất. Ngoài ra, tích hợp với hệ thống AI để tự động phân tích và hiển thị thông tin cũng là hướng phát triển. Thiết kế phần mềm có thể được cải tiến để hỗ trợ nhiều loại font chữ và ngôn ngữ khác nhau, mở rộng ứng dụng trong giáo dục và y tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BQ GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC MO THANH PHO HO CHI MINH KHOA XAY DUNG VA DIEN ee _ DO AN TOT NGHIEP KỸ SƯ NGÀNH CONG NGHIEP MACH QUANG BAO GIAO TIEP MAY TINH DUNG PIC 16F877A : Th.S PHAN VĂN HIỆP : LE NGUYEN MINH THANH : 20702034 TP. Hé Chi Minh, thang 02 nam 2012 Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện-điện tử GVHD: ThS Phan Van Hiép LOI MO DAU Ngày nay Khoa học — Kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành kỹ thuật nói chung và điện tử nói riêng. Chúng đã đi sâu vào mọi mặt đời sống hàng ngày của người dân. Đặc biệt sử dụng vi điều khiển đề hiển thị, truyền đạt thông tin ngày càng phát triển rộng rãi và nâng cao.

Trên tinh thần đó, em thực hiện đề tài: LED MA TRẬN GIAO TIẾP MÁY TINH để củng cố các kiến thức đã học cũng như bước đầu thực hiện một sản phẩm mang tính ứng dụng thực tiễn. Những kiến thức và hiểu biết đạt được trong quá trình học tập tại trường sẽ được đánh giá qua đợt bảo vệ đồ án tốt nghiệp. Vì vậy em cố găng tận dụng tất cả những kiến thức đã học ở trường cùng với sự tìm tòi nghiên cứu, để có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp nảy. Những kết quả là những sản phẩm dat được trong ngày hôm nay tuy không lớn lao nhưng nó là thành quả của 4,5 năm học tập tại trường, là thành công đầu tiên của em trước khi bước vào đời.

Do kiến thức còn hạn hẹp và kinh nghiệm còn non kém, dù em đã cố gang hoan thành tốt đồ án tốt nghiệp này đúng thời hạn, nhưng cũng không tránh khỏi những thiếu sót, mong quý Thầy cô góp ý. đánh giá nhận xét. Em mong nhận được những ý kiến đóng góp ý tận tình của quý Thây cô. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn quý Thây cô.

SVTH: Lê Nguyễn Minh Thành Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện-điện tử GVHD: ThS Phan Van Hiép LOI CAM ON Sau những năm tháng học tại trường, em đã được học và tiếp thu những kiến thức mới từ sự tận tình hướng dẫn, chỉ bảo của quý Thầy Cô, sự giúp đỡ của bạn bè. Đây là khoảng thời gian vô cùng quan trọng va day ý nghĩa trong cuộc sống. Đồ án tốt nghiệp là nền tảng quan trọng và đánh dấu bước ngoặt mới trong cuộc đời của mỗi sinh viên. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành dén Thay Phan Văn Hiép.

Thay đã tận tình hướng dẫn em thực hiện đồ án tốt nghiệp và cung cấp cho em những kinh nghiệm quý báu. Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô khoa Xây dựng và Điện và các Cán bộ, Công nhân viên Trường Đại học Mở thành phố Hồ Chí Minh, đã quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi để em có thé hoc tập. nghiên cứu cũng như hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Một lân nữa em xin chân thành cảm ơn và chúc sức khỏe quý Thây Cô.

SVTH: Lê Nguyễn Minh Thành Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện-điện tử GVHD: ThS Phan Van Hiép MUC LUC Loi mé dau Loi cam on Muc luc CHUONG T1: GIỚI THIỆU ĐỂ 'TÀ I.1 Muc đích chon dé tais .2 Nội dung để tài:.3 Đối tượng nghiên €ỨU:.< <5 << s£ se 4s ES£ S4 EsEseseEeEeEeeseseresesese 1 CHUONG 2: GIOI THIEU LED MA TRAN VA BANG QUANG BAO.1 Giới thiệu về LIED ma FẬN: .2 2-5 5 55552 S9 se se se 2 2.1 Phân loại LEH ma trẬn:.2 LED ma trận 8x8: sivececuececauscecueececuececausceaueececuececsueeceusceauececueseceueseeaecennes 2 2.3 Hình đạng thực tê và sơ đô chân ra: .4 Sơ đô nguyên lý LED ma trận 8xS§:.2 Một số hình ảnh về bảng quang báo thực (11177.1 Mau mot dong chit (16x240 diém ảnh):. Mau hai dong chit (32x240 diém ảnh): .3 Giới thiệu về quang bao hién thi LED ma trận trong đồ án:. ---- 2 1111122011 111111328 111111588 1111111151111 ket 4 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT LINH KIỆN.1 Vi điều khiến PIC 16EF877A:.2 Một vài thông sô về PIC 16F§77A:.3 Sơ đồ khôi của PIC 16EF§77A:.4 Tô chức bộ nhớ:.5 Các công xuât nhập của PIC Ló6F877A: .6 NQAtl ccc cccccentcce cece cece eeeensseeeeeeeeeeeeeetssseeeeeeeeeeeeeessssseeeeeeseseeeeenaaaas 9 3.1 Sơ đô chân và đặc tính truyền dẫn: .2 Các thông sô truyên đân:.2 Cac thông sô truyên đân:.1 Giới thiệu IC 7412 6:.2 Chức năng các chân của IC 74138:.1 Sơ đô chân IC 74HC TŠ44:.- c1 221111131211 11111 11111511111 1811 11181 ket 16 SVTH: Lé Nguyén Minh Thanh Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện-điện tử GVHD: ThS Phan Van Hiép 3.2 Sơ đồ bên trong IC 74HC 154:.3 Bảng chức năng của 74HCIS4: i i iene 17 3.4 Nguyên tắc hoạt động ctia IC74H C1542.2 Vài chỉ sô kỹ thuật của ICULN2805:.2 Chức năng các CHAM. eee eee eects eeneeeeeneceeeeeeeeeseneey 20 3.- - - - - c0 000222221111 1210 111111110111 1n vn kh 21 CHUONG 4: CAC PHUONG PHAP HIEN THI CHO BANG QUANG BAO22 4.3 Ưu, nhược điêm của phương pháp dùng IC chôt:.2 Phương pháp hiển thị sử dụng thanh ghi dịch:.

pH HH hhhg 26 4.3 Ưu, nhược điêm của phương pháp hiên thị sử dụng thanh ghi dịch:. 28 CHƯƠNG 5: GIAO TIẾP NÓI TIẾP. Cấu trúc công nối tiẾP. Truyền thông giữa hai nú(.

Truy xuất trực tiếp thông qua công COMM. Truy xuất trực tiếp thông qua công USB:.---< 5 5s << << <ses 35 CHUONG 6: SO DO KHOI, SO DO NGUYEN LY VA CHUC NANG TUNG 4:00) 005.KNOL MQUON: weseccsssssssscccsssssessccsssnsesssccsssnusscssssnsnussccssssneessessssnecsssssaneessessssanees 38 6.1 So d6 nguyen Lt.2 Nhiém vu ctia kh6i nguGne oo. Khoi xir IL QQỤA NA NA 39 6.1 So dO nguy€n Ly? o. eee eee eee eee eens renee eeieeeeeeseeeieeeeeeseetey 39 6.2 Nhiệm vụ của khôi Xử ÏÍ:.

- ---- SH ST ST nen 39 6.Khôi g1ao LIỆP:.1 So d6 nguyEm Lt .2 Nhiém vu ctia kh6i giao ti€p: oe.Khối xuất dữ liệu hàng:. c0 111022122 1111 11152111111 n 111kg kg ket 42 6. 201111112 11H 1H11 tk T ng TH KHE KH vn 42 6.Khỗi xuất đữ liệu €ột:. 1110222222111 1111521 1111111 111kg vn ket 42 SVTH: Lê Nguyễn Minh Thành Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện-điện tử GVHD: ThS Phan Van Hiép 6.Khôi hiện tị:.

-- LG 1 22 220001111111221111 1111001111111 1v kg kh 44 CHƯƠNG 7: VẼ MẠCH VÀ THỊ CÔNG PHẢN CỨNG: .3 Mạch giao tiẾp máy tÍnh: .4 Mạch điều khiẾn hàng:.5 Mạch điều khiỂn CỘT: .6 Mach LED ma ẨrẬ:. 51 CHUONG 8: NGUYEN LY HOAT DONG VA LUU DO GIAI THUAT. Nguyên lý hoạt động của mạch quang ĐáO:: .2 Lưu đồ giải thuật và code chương frÌn:.1 Luu do giat thuat oo. eee ence nent nee eeieneeeieneeeneeeeene 52 8.1 Luu do giai thuật của hệ thông: .2 Chương trình ngắt:.- L1 1101122221111 1111811111111 1 111kg vn kh 55 8.2 Code chương frÌNH:.

Các vẫn đề đã được giải quyết trong đồ án: .1 Các vân đê đã nghiÊn cứu:.2 Các vân đề đã thực hiện: .- --LLL- Q11 SH Y SS ng nh ve reg 65 9.3 Thi công mạch.2 Ưu và nhược điểm của thi công mạch: .2 Nhược điÊm:.- --- - - c1 SH 1k ST TT TT ETkkk ka 65 9.3 Các phương hướng phát triển đề tài.--< 5 5ssesecsesesesesseses 65 SVTH: Lê Nguyễn Minh Thành Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện-điện tử GVHD: ThS Phan Van Hiép CHUONG 1: GIOI THIEU DE TAI 1.1 Mục đích chọn 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 năm 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.2 Nội dung đề tài: Với khoảng thời gian thực hiện đề tài 10 tuần, Em chọn nội dung của để tài như sau: — Nghiên cứu, tìm phương án điều khiển và xử lý dữ liệu cho bảng LED ma trận hiển thị.

—_ Nghiên cứu và tìm phương án để xử lý giao tiếp máy tính và bảng quang báo —_ Thi công bảng quang báo hién thi 2 màu săc đỏ, xanh kích thước 8x64 điểm ảnh. —_ Thi công mạch giao tiếp giữa máy tính và bảng quang báo. — Lập trình CCS cho PIC16F877A. =_ Lập trình VISUAL BASIC để truyền nhận dữ liệu giữa máy tính và mạch quang báo.3 Đối tượng nghiên cứu: —_ Các phương án điều khiển và xử lý dữ liệu cho bảng LED ma trận.

—_ Tìm hiểu vi điều khiển PIC16F877A. — Tim hiéu phuong phap lap trinh CCS cho PIC. — Tim hiéu phuong phap lap trinh VISUAL BASIC. — Bang quang báo LED ma trận kích thước 8x64 điểm ảnh.

SVTH: Lê Nguyễn Minh Thành Trang: I Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện-điện tử GVHD: ThS Phan Van Hiép CHUONG 2: GIOI THIEU LED MA TRAN VA BANG QUANG BAO Ngay nay khi nhu cau vé thong tin quang cao rat lớn, việc áp dụng các phương tiện kỹ thuật mới vào các lĩnh vực trên là rất cần thiết. Khi bạn đến các nơi công cộng, bạn dễ dàng bắt gặp những áp phích quảng cáo điện tử chạy theo các hướng khác nhau với nhiều hình ảnh và màu sắc rất ấn tượng.1: Hinh anh LED ma tran 5x7 2.1 Giới thiệu vé LED ma tran: Ma tran LED bao gồm nhiều LED cùng năm trong một vỏ chia thành nhiều cột và hàng, mỗi giao điểm giữa hàng và cột có thể có 1 LED (ma trận LED một màu) hay nhiều LED (2 LED tại một vị trí tạo thành ma trận LED 3 màu). Đề LED tại một vị trí nào đó sáng thì phải cấp hiệu điện thế dương giữa Anode va Cathode. Trên cơ sở cầu trúc như vậy, ta có thể mở rộng hàng và cột của ma trận LED để tạo thành các bảng quang báo.1 Phần loại LED ma trận: Theo kích cỡ Theo mau sac Theo hinh dang diém cham 5x7 1 mau Tron O 5x8 2 mau Vuông OO 8x8 3 mau Bau duc © 11x9 16x16 Bảng phân loại LED ma trận 2.2LED ma trận 8x8: LED ma trận mxn là LED ma trận có m cột và n hàng.

LED ma trận 8x8 là LED ma trận gồm có 8 cột và 8 hàng. LED ma trận này có hai loại: loại thứ nhất là cathode chung (common cathode — hang cathode, cột anode), loại thứ hai là anode chung (common anode— hang anode, cét cathode). Đề tài sử dụng loại LED ma trận anode chung vì dễ dàng tìm mua được LED ma trận loại này trên thị trường linh kiện điện tử ở nước ta, đa dạng về kích cỡ và màu sắc, có loại indoor, outdoor.3 Hình dạng thực tế và sơ đồ chân ra: SVTH: Lê Nguyễn Minh Thành Trang: 2 Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện-điện tử GVHD: ThS Phan Van Hiép 23 “bELPEEE!