Đồ án Tốt Nghiệp: Mạch Quang Báo PIC18 Điều Khiển SMS & Máy Tính - ĐH SPKT TP.HCM

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế và thi công mạch quang báo sử dụng pic18 điều khiển bằng tin nhắn điện thoại và, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu

• Tác giả: Châu Huỳnh Tài
• Người hướng dẫn: Ks. Hà A Thồi
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Mạch Quang Báo Sử Dụng Pic18 Điều Khiển Bằng Tin Nhắn Điện Thoại Và Máy Tính
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Mạch Quang Báo PIC18

Mạch quang báo PIC18 là một hệ thống điều khiển tiên tiến được thiết kế để hiển thị thông tin bằng công nghệ LED ma trận 16x32. Đây là giải pháp tối ưu cho các ứng dụng hiển thị thông tin công cộng, quảng cáo điện tử và các hệ thống báo hiệu hiện đại. Dự án này được phát triển tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, kết hợp các công nghệ giao tiếp không dây với điều khiển vi xử lý PIC18F4620. Hệ thống cho phép người dùng điều khiển bằng tin nhắn SMS hoặc máy tính cá nhân một cách linh hoạt và tiện lợi. Sự kết hợp này mang đến sự đổi mới trong lĩnh vực thông tin trực quan, đặc biệt phù hợp với nhu cầu truyền bá thông tin nhanh chóng trong các ứng dụng thương mại, giáo dục và quản lý công cộng.

1.1. Khái Niệm Vi Xử Lý PIC18F4620

PIC18F4620 là vi xử lý 8-bit mạnh mẽ với tần số hoạt động cao, bộ nhớ lớn và nhiều chân I/O. Chip này hỗ trợ giao tiếp UART, RS232 và các chuẩn khác, giúp kết nối dễ dàng với các module ngoại vi như module SIM900 để gửi nhận tin nhắn. Nó được lập trình bằng trình biên dịch CCS, cho phép xây dựng các ứng dụng phức tạp với hiệu năng cao.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống

Hệ thống mạch quang báo điều khiển SMS và máy tính có nhiều ứng dụng thực tiễn: quảng cáo bảng hiệu điện tử, hiển thị thông tin giao thông, báo hiệu khẩn cấp, hệ thống thông báo tòa nhà, và quản lý thông tin sự kiện. Khả năng điều khiển từ xa bằng SMS giúp tiết kiệm chi phí vận hành và tăng tính linh hoạt.

II. Kiến Trúc Hệ Thống Và Các Thành Phần Chính

Hệ thống mạch quang báo PIC18 được chia thành nhiều khối chức năng riêng biệt, mỗi khối đảm nhận một vai trò quan trọng trong hoạt động tổng thể. Vi xử lý PIC18F4620 là bộ não của hệ thống, điều khiển toàn bộ quy trình hoạt động. Module SIM900 xử lý giao tiếp không dây, nhận tin nhắn SMS từ người dùng. Led ma trận 16x32 là thiết bị hiển thị cuối cùng, phát sáng theo lệnh điều khiển từ PIC18. Giao tiếp UART/RS232 kết nối máy tính với vi xử lý để truyền dữ liệu. Các thành phần được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo tính ổn định, hiệu năng cao và khả năng tương thích trong hệ thống tổng hợp.

2.1. Module SIM900 Và Giao Tiếp Không Dây

Module SIM900 là module GSM/GPRS, cho phép hệ thống nhận và gửi tin nhắn SMS. Module này kết nối với PIC18 thông qua giao tiếp UART, cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng. Người dùng có thể gửi lệnh điều khiển qua tin nhắn để thay đổi nội dung hiển thị trên màn hình LED.

2.2. Led Ma Trận 16x32 Và Giao Diện Hiển Thị

Ma trận LED 16x32 cung cấp độ phân giải tốt với 512 LED chiếu sáng từng điểm ảnh. Hệ thống điều khiển LED được thiết kế để hiển thị các ký tự, chữ số và hình ảnh động. Cấu trúc multiplexing cho phép tiết kiệm chân I/O của PIC18 trong khi vẫn duy trì hiệu suất cao.

III. Quy Trình Thiết Kế Và Lập Trình Hệ Thống

Quy trình thiết kế mạch quang báo PIC18 bao gồm nhiều bước quan trọng từ lý thuyết đến thực hành. Đầu tiên là thiết kế sơ đồ khối để xác định cách kết nối các thành phần. Tiếp theo là thiết kế mạch điện chi tiết sử dụng các công cụ CAD chuyên dụng. Mô phỏng mạch trên máy tính giúp kiểm tra thiết kế trước khi thi công thực tế. Lập trình PIC18 bằng trình biên dịch CCS với các thuật toán xử lý LED ma trận, giao tiếp SMS và RS232. Lập trình giao diện máy tính bằng Visual Basic để cung cấp công cụ điều khiển thân thiện. Cuối cùng là thi công mạch, nạp chương trình và kiểm tra toàn bộ hệ thống để đảm bảo hoạt động ổn định.

3.1. Lập Trình Vi Xử Lý Bằng CCS Compiler

Trình biên dịch CCS là công cụ chuyên dụng cho lập trình PIC. Mã chương trình xử lý giao tiếp UART với module SIM900, điều khiển LED ma trận bằng logic multiplexing, và quản lý dữ liệu nhận được. Các lưu đồ giải thuật được xây dựng chi tiết để đảm bảo logic chương trình rõ ràng.

3.2. Giao Diện Điều Khiển Trên Máy Tính

Visual Basic được sử dụng để phát triển giao diện người dùng trên máy tính. Giao diện cho phép nhập nội dung cần hiển thị, điều chỉnh tốc độ, và chọn chế độ. Giao tiếp RS232 kết nối máy tính với PIC18, truyền lệnh điều khiển một cách đơn giản và trực quan.

IV. Kiểm Thử Và Đánh Giá Hiệu Năng Hệ Thống

Sau khi thi công mạch và nạp chương trình, hệ thống mạch quang báo PIC18 được kiểm thử toàn diện. Kiểm thử chức năng xác nhận rằng tất cả tính năng hoạt động đúng như thiết kế. Kiểm thử giao tiếp SMS đảm bảo module SIM900 nhận và xử lý lệnh chính xác. Kiểm thử giao tiếp máy tính qua RS232 xác minh truyền dữ liệu ổn định. Kiểm thử hiển thị LED xác nhận rằng ma trận 16x32 hiển thị nội dung chính xác, sáng rõ và không bị nhiễu. Kiểm thử độ tin cậy được thực hiện dài hạn để phát hiện lỗi tiềm ẩn. Các báo cáo kiểm thử chi tiết ghi lại tất cả kết quả, cung cấp cơ sở để cải thiện hệ thống trong tương lai.

4.1. Kiểm Thử Chức Năng Và Hiệu Suất

Kiểm thử chức năng bao gồm: kiểm thử nhận SMS từ nhiều số điện thoại, kiểm thử đổi nội dung hiển thị, kiểm thử tốc độ cập nhật ma trận LED. Hiệu suất được đo lường bằng thời gian phản ứng, độ ổn định điện áp, và khả năng xử lý đồng thời.

4.2. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Hệ thống mạch quang báo PIC18 đã đạt được các mục tiêu thiết kế, cung cấp giải pháp hiển thị thông tin hiệu quả và điều khiển từ xa linh hoạt. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp WiFi, 4G, tăng độ phân giải LED, và phát triển ứng dụng di động cho Android/iOS.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay, khi xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu về truyền bá thông tin cũng ngày càng tăng. Sản xuất phát triển kéo theo việc cần nhanh chóng thông tin sản phẩm tới người tiêu dùng nhiều hơn, các cơ quan nhà nước cũng cần thông báo nhiều thông tin tới người dân hơn. Chính vì các lý do này mà nhu cầu quảng cáo và truyền bá thông tin ngày càng tăng cao. Hiện nay, có rất nhiều hình thức để có thể truyền bá thông tin, quảng cáo sản phẩm như phát tờ rơi, treo băng rôn, khẩu hiệu, dán áp phích,… Tuy nhiên, do nhu cầu quảng cáo ngày càng tăng và để đáp ứng nhu cầu đó thì các hình thức quảng cáo truyền thống như tờ rơi, áp phích, băng rôn, … hiện không còn đáp ứng tốt được nữa, vì thế quang báo điện tử ra đời.

Lý do chọn đề tài Với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, các sản phẩm tiên tiến ngày càng xuất hiện nhiều, sản xuất phát triển mạnh kéo theo việc mọi thứ thay đổi rất nhanh chóng vì thế thông tin phải được cập nhật và thông báo tức thời là việc hết sức quan trọng trong tất cả mọi lĩnh vực. Để đáp ứng nhu cầu đó, các thiết bị sẽ được điều khiển từ xa qua thiết bị di động hoặc được điều khiển trực tiếp bằng máy tính. Việc sử dụng vi điều khiển trong quang báo điện tử có rất nhiều ưu điểm mà các phương pháp quảng cáo truyền thống không thể so sánh được như việc thay đổi thông tin một cách nhanh chóng, chính xác, thông tin hiển thị có thể chuyển động, màu sắc phong phú,…. Với nhu cầu thực tiễn nhưu vậy nên nhóm thực hiện quyết định chọn đề tài : “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH QUANG BÁO SỬ DỤNG PIC18 ĐIỀU KHIỂN BẰNG TIN NHẮN ĐIỆN THOẠI VÀ MÁY TÍNH”.

Nội dung nghiên cứu Mục tiêu của đề tài này là tìm hiểu và nghiên cứu về hoạt động của module SIM900, nguyên lý hoạt động của module led ma trận 16x32, cách lập trình PIC18F4620 và cách truyền nhận dữ liệu qua máy tính thông qua chuẩn giao tiếp UART, RS232 để thi công mạch quang báo có thể điều khiển bằng tin nhắn điện thoại và bằng máy tính. Như vậy, với các nội dung đã đề ra thì đề tài sẽ bao gồm các nội dung sau: - Tìm hiểu về PIC18F4620. - Nghiên cứu về phương án điều khiển led ma trận P10 (16x32). - Tìm hiểu về module SIM900.

- Tìm hiểu các phương thức giao tiếp RS232, UART,… - Nghiên cứu lập trình cho PIC bằng trình biên dịch CCS. 1 - Nghiên cứu lập trình visual basic và giao tiếp máy tính. - Xây dựng sơ đồ các khối kết nối. - Thiết kế và mô phỏng mạch.

- Xây dựng lưu đồ giải thuật. - Viết chương trình mà chạy mô phỏng để sửa lỗi. - Thi công mạch. - Nạp chương trình, chạy thử và kiểm tra lỗi.

- Báo cáo đề tài tốt nghiệp. Giới hạn Trong khuôn khổ của để tài chúng em xin được giới hạn như sau: - Font chữ hiển thị trên quang báo là font chữ không dấu. - Chỉ có một hiệu ứng chữ chạy từ phải sang trái. - Sử dụng 4 bảng Led P10 ( 16x32).

Bố cục đề tài Như vậy, với các yêu cầu và mục tiêu, giớ hạn đã đề ra, đồ án sẽ được xây dựng bao gồm các chương sau:  Chƣơng 1: Tổng quan – chương này trình bày khái quát về lĩnh vực nghiên cứu, đề ra mục đích của đề tài, đưa ra các nhiệm vụ, giới hạn của đề tài và trình bày các phương pháp nghiên cứu đươc sử dụng.  Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết – chương này trình bày tóm lượt về cơ sở lý thuyết sẽ sử dụng trong đồ án và phương pháp để ứng dụng lý thuyết đó vào thực tiễn.  Chƣơng 3: Thiết kế phần cứng – chương này sẽ trình bày về quá trình thiết kế, xây dựng phần cứng của đồ án như : sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, mạch in, …  Chƣơng 4: Thiết kế phần mềm – chương này sẽ trình bày quá trình thiết và xây dựng phần mềm của đồ án như : lưu đồ, giải thuật của chương trình, giao diện Visual Basic để điều khiển trên máy tính.  Chƣơng 5: Kết luận – chương này sẽ trình bày các kết quả đạt được, so sánh với mục tiêu đặt ra, rút kinh nghiệm, đề ra hướng phát triển của đề tài.

Giới thiệu Khối xử lý trung tâm là khối có vai trò chính. Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ tiếp nhận, xử lý các dữ liệu đến và đi một cách tự động. Đề tài sử dụng PIC18F4620 để làm khối xử lý vì nó có những tín năng, ưu điểm vượt trội hơn các vi điều khiển khác. Các vi điều khiển họ PIC có ưu điểm vượt trội hơn nhiều so với họ 8051 với nhiều module được tích hợp sẵn trong nó như : module ADC 10bit, PWM 10bit, Opam, EEPROM,… do đó chúng ta sẽ thuận lợi hơn rất nhiều trong việc thiết kế mạch mà không cần phải thiết kế thêm các module bổ trợ như trên họ vi điều khiển 8051, do đó, mạch điện khi thi công sẽ rất gọn, tiết kiệm linh kiện, hạn chế được sai xót từ các module bổ trợ.

Bên cạnh các ưu điểm về phần cứng, PIC còn được hỗ trợ rất nhiều để có thể lập trình phần mềm dễ dàng hơn. Hiện nay, ngoài ngôn ngữ Assembly phức tạp, PIC còn có thể được lập trình dễ dàng hơn trên nền tảng ngôn ngữ C dễ hiểu, gần gũi với người dùng. Việc lập trình PIC được hỗ trợ rất nhiều từ các trình biên dịch sử dụng ngôn ngữ C, điển hình là trình biên dịch CCS và MIKROC. Ngoài ra, PIC là một dòng vi điều khiển được ra đời từ rất lâu, nên có rất nhiều tài liệu cũng như diễn đàn điện tử nói về họ vi điều khiển này, vì thế nguồn tài liệu chúng ta có thể tìm được để hỗ trợ cho việc nghiên cứu là vô cùng phong phú.

PIC18F4620 được sử dụng trong đề tài là một vi điều khiển phổ thông với các tính năng cơ bản dễ sử dụng:  Tập lệnh để lập trình chỉ có 35 lệnh rất dễ nhớ và dễ học, có độ dài 16bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong 1 chu kỳ xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 64MHz.  4 Port điều khiển vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập, với dòng ra cao có thề kích trực tiếp các transitor mà không cần qua bộ buffer.

 4 bộ định thời Timer0, Timer1, Timer2, Timer3.  1 bộ định thời Timer0 8bit có thể lập trình được.  3 bộ định thời Timer1, Timer2 và Timer3 16bit có thể hoạt động trong chế độ sleep với nguồn xung clock ngoài.  2 bộ module CCP ( bao gồm Capture bắt giữ, Compare so sánh, PWM điều chế xung 10bit) và 1 bộ module ECCP.

 1 bộ ADC với 13 kênh ADC 10bit.  2 bộ so sánh tương tự hoạt động độc lập. 3  Bộ giám sát định thời Watchdog timer.  Cổng giao tiếp song song 8bit với các tín hiệu điều khiển.

 Chuẩn giao tiếp nối tiếp MSSP (SPI/I2C).  Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART (AUSART/EUSART) với 9bit địa chỉ.  Hỗ trợ giao tiếp I2C.  Chế độ sleep tiết kiệm năng lượng.

 Chức năng bảo mật chương trình.  Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In Cicuit Serial Programming) thông qua 2 chân.  Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau.  Tần số hoạt động tối đa là 64Mhz.

 Bộ nhớ Flash với khả năng ghi xóa được 100.  Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.  Dữ liệu EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm.  Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm.

Tổng quan về vi điều khiển PIC18F4620 2. Sơ đồ khối củaPIC18F4620 Hình 2. sơ đồ khối vi điều khiển PIC18F4620 2. Sơ đồ chân và bộ nhớ 5 Hình 2.

- Tổ chức bộ nhớ: Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC18F4620 bao gồm bộ nhớ chương trình (Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data Memory). - Bộ nhớ chương trình:  Bộ nhớ chương trình của Vi điều khiển PIC18F4620 là bộ nhớ flash, dung lượng bộ nhớ 64 Kword (1 word = 16 bit)  Để mã hóa được địa chỉ của 64k word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình có 21bit (PC<20:0>).  Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h (Reset vertor). Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0008h (Interrupt vertor).

Bộ nhớ chương trình bao gồm bộ nhớ Stack và được địa chỉ hóa bởi bộ đếm chương trình. - Bộ nhớ dữ liệu:  Bộ nhớ dữ liệu của PIC18F4620 là bộ nhớ EEPROM được chia ra làm nhiều bank. Đối với PIC18F4620 bộ nhớ dữ liệu được chia ra làm 16 bank. Các cổngI/O của PIC18F6420 6 Cổng xuất nhập (I/O Port) chính là các phương tiện mà vi điều khiển giao tiếp với bên ngoài.

Sự giao tiếp, tương tác này rất đa dạng, tùy theo mục đích sử dụng của lập trình viên mà chức năng của mỗi I/O pin được thể hiện rõ ràng hơn. Một cổng xuất nhập (I/O Port ) bao gồm nhiều chân (I/O Pin). Tùy theo chức năng của vi điều khiển mà số lượng cổng, số lượng chân trong mỗi cổng có thể các nhau. Do số lượng I/O Pin có hạn nhưng việc vi điều khiển được tích hợp nhiều module khác nhau trong đó nên ngoài chức năng xuất nhập thông thường, một số I/O Pins còn được tích hợp thêm nhiều chức năng khác được xác lập và điều khiển thông qua các thanh ghi SFR liên quan đến I/O Pin đó.

Vi điều khiển 18F4620 có 5 cổng xuất nhập là : PORTA, PORTB, PORTC, PORTD và PORTE. Truyền thông nối tiếp EUART EUSART (Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) là một bộ truyền thông nối tiếp. Nó có tất cả các bộ phát xung clock, đăng ký thay đổi và bộ đệm dữ liệu cần thiết để thực hiện một đầu vào hay đầu ra dữ liệu nối tiếp chuyển giao độc lập của thiết bị thực hiện chương trình. EUSART còn được gọi là giao diện giao tiếp nối tiếp nối tiếp SCI (Serial Communication Interface).

Bộ EUSART là một trong hai hình thức giao tiếp nối tiếp vào ra EUSART có thể được cấu hình như là một hệ thống bất đồng bộ hoạt động song công mà có thể giao tiếp với các thiết bị bên ngoài như là các thiết bị đầu cuối CRT và các máy tính cá nhân nó cũng có thể được cấu hình như là một hệ thống đồng bộ hoạt động bán công mà có thể giao tiếp với các mạch tích hợp A/D hay D/A, các EEPROM nối tiếp….