Đặt vấn đề, lý do chọn đề tài Trong thời đại số hóa ngày nay, công nghệ Led đã trở thành một phần không thể thiếu trong các ứng dụng điện tử, từ đèn chiếu sáng cho đến các biển quảng cáo, thiết bị hiển thị, và nhiều ứng dụng khác. Sự phổ biến của Led không chỉ bởi hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng mà còn bởi khả năng tạo ra nhiều hiệu ứng ánh sáng độc đáo. Trong bối cảnh này, việc thiết kế và triển khai các mạch điều khiển Led trở nên ngày càng quan trọng. Đặc biệt, việc điều khiển một lượng lớn Led một cách linh hoạt và hiệu quả đang trở thành một thách thức đối với các nhà thiết kế.
Do đó, chúng tôi đã quyết định chọn đề tài "Thiết Kế Mạch Điều khiển 16 Led Đơn" cho đồ án này. Lý do chính của sự lựa chọn này bao gồm: + Led đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày. Việc thiết kế mạch điều khiển Led 16 đơn sẽ mang lại lợi ích thực tiễn trong nhiều lĩnh vực như chiếu sáng, hiển thị thông tin, và đồ chơi điện tử. + Dự án này cung cấp cơ hội cho nhóm chúng tôi để học hỏi và phát triển kỹ năng trong việc thiết kế mạch điện tử và lập trình vi xử lý.
Từ việc nắm vững nguyên lý hoạt động của Led đến việc thực hành lập trình Verilog trên phần mềm ISE, chúng tôi tin rằng dự án này sẽ giúp chúng tôi tiến bộ hơn trong lĩnh vực kỹ thuật. + Mạch điều khiển 16 Led đơn có thể được mở rộng để điều khiển một số lượng lớn hơn các Led, tạo ra nhiều ứng dụng khác nhau như hiển thị thông tin, đồ chơi điện tử, hoặc các hệ thống đèn chiếu sáng. 12 + Mạch điều khiển Led 16 đơn không chỉ đáp ứng được nhu cầu hiện tại mà còn có khả năng mở rộng cho các ứng dụng phức tạp hơn trong tương lai. Việc nắm vững nguyên lý và kỹ thuật thiết kế mạch sẽ mở ra nhiều cơ hội cho nhóm chúng tôi trong các dự án sắp tới 1.2 Mục tiêu nghiên cứu: - Phát triển một mạch điều khiển Led sử dụng ngôn ngữ lập trình Verilog trên phần mềm ISE của Xilinx.
Mạch này sẽ kết hợp với việc sử dụng vi xử lý để điều khiển đến 16 Led đơn lẻ. - Nắm vững kiến thức về ngôn ngữ lập trình Verilog và áp dụng nó vào thiết kế mạch điều khiển Led. Tìm hiểu về cách sử dụng các cấu trúc điều khiển và cấu trúc dữ liệu để quản lý các tín hiệu điều khiển và trạng thái của Led. - Xây dựng mạch điều khiển Led có khả năng thực hiện nhiều tính năng khác nhau, bao gồm bật/tắt đồng loạt, nhấp nháy theo mẫu, di chuyển từ trái sang phải, từ phải sang trái, từ trong ra ngoài, từ ngoài vào trong, và các hiệu ứng ánh sáng khác.
- Sử dụng các công cụ mô phỏng trên phần mềm ISE để kiểm tra tính đúng đắn và hiệu quả của mạch điều khiển Led trước khi triển khai vào thiết bị thực tế. - Phân tích và đánh giá hiệu suất của mạch điều khiển Led, bao gồm việc đo lường tốc độ thực hiện các tính năng, tiêu tốn năng lượng, và độ ổn định của mạch trong các điều kiện hoạt động khác nhau. - Áp dụng kết quả của đồ án vào các ứng dụng thực tế như hệ thống chiếu sáng, đồ chơi điện tử, hoặc hiển thị thông tin. Xác định và đề xuất các cải tiến và mở rộng cho mạch điều khiển Led trong các ứng dụng tương lai.3 Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết của đề tài: + Đọc sách, tài liệu, bài báo, và tài liệu tham khảo về nguyên lý hoạt động của LED, vi xử lý, ngôn ngữ lập trình Verilog, và các khái niệm cơ bản về mạch điện tử.
+ Tìm hiểu về cách điều khiển LED thông qua vi xử lý và sử dụng Verilog để thiết kế mạch điều khiển. - Tìm hiểu tổng quan về phần mền ISE: + Nắm vững cách sử dụng phần mềm ISE để thiết kế và mô phỏng mạch điện tử. + Tìm hiểu về các tính năng, công cụ và giao diện của phần mềm để có thể sử dụng hiệu quả. - Tìm hiểu tổng quan về kit CPLD: + Tìm hiểu về các thành phần cơ bản của kit CPLD, bao gồm vi xử lý, linh kiện ngoại vi, cổng giao tiếp và nguồn cung cấp.
+ Học về cách kết nối và sử dụng kit CPLD trong quá trình thiết kế mạch điều khiển LED. - Đọc hiểu một số tài liệu liên quan đến đề tài: + Tìm và đọc các tài liệu, hướng dẫn và ví dụ liên quan đến thiết kế mạch điều khiển LED sử dụng CPLD và Verilog. + Xem xét các dự án tương tự đã được thực hiện để học hỏi từ kinh nghiệm của người khác. 14 - Thảo luận nhóm để thống nhất ý kiến: + Tổ chức cuộc họp nhóm để thảo luận và đưa ra quyết định chung về các phương pháp, công nghệ và kế hoạch thực hiện dự án.
+ Đặt ra mục tiêu cụ thể và phân công nhiệm vụ cho từng thành viên trong nhóm. - Thiết kế mô hình phần cứng: + Sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện tử để tạo ra một mô hình phần cứng của mạch điều khiển LED dựa trên kit CPLD và các linh kiện điện tử khác. + Xác định các kết nối và giao tiếp giữa các thành phần trong mạch. - Tham khảo ý kiến xây dựng code Verilog: + Dựa trên mô hình phần cứng đã thiết kế, xây dựng mã Verilog để điều khiển các LED theo yêu cầu.
+ Thảo luận và tham khảo ý kiến từ nhóm để cải thiện mã Verilog và đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả của mạch. - Thực nghiệm và kiểm chứng code chạy trên phần cứng: + Tải mã Verilog lên kit CPLD và thực hiện kiểm tra trên phần cứng để đảm bảo rằng mạch điều khiển LED hoạt động như mong đợi. + Điều chỉnh và sửa đổi mã Verilog nếu cần thiết để khắc phục các lỗi và cải thiện hiệu suất. - Báo cáo và nghiệm thu đề tài: + Chuẩn bị báo cáo cuối kỳ hoặc bài thuyết trình để trình bày kết quả của dự án.
15 + Tiến hành nghiệm thu dự án để đánh giá hiệu suất và đảm bảo rằng mục tiêu đã đề ra được đạt được.4 Kết quả nghiên cứu Mạch Điều Khiển 16 Led Đơn, một phần quan trọng trong nội dung môn học “Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Số”, không chỉ là đề tài nghiên cứu mà còn là cơ hội giúp chúng em làm quen với thực tế của mạch điện tử. Nó mở ra một hành trình quan trọng, giúp chúng em tự nghiên cứu, học tập, và làm việc nhóm. Đồng thời, nó là bước tiến quan trọng để vận dụng kiến thức đã học vào việc thực hiện một dự án thực tế. Sự hướng dẫn của giáo viên không chỉ giúp chúng em hiểu rõ hơn về cách thiết kế phần cứng trên Altium và thiết kế CPLD dựa trên con chip CoolRunner-II của hãng Xilinx mà còn là nguồn động viên và kiến thức quý báu cho sự phát triển cá nhân và chuyên môn của chúng em.
NỘI DUNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LINH KIỆN CỦA PHẦN CỨNG 1.1 HÀNG RÀO Rào đực và rào cái có tác dụng làm đế chân kết nối giữa mạch điện và dây nối, tránh dây nối hàn trực tiếp lên mạch có thể hư hỏng mạch điện của chúng ta.1 Rào cái Thông số Thuộc tính Giá trị Khoảng cách chân 2.54mm Kiểu chân Xuyên lỗ Số chân 4 Số hàng chân 1 Hướng cắm Thẳng Cách gắn mạch Hàn Vật liệu tiếp điểm Đồng Dòng điện định mức 1A Điện áp định mức 500 V ac Mô tả 17 18 1.2 Rào đực Thông số Thuộc tính Giá trị Khoảng cách chân 2.54mm Số chân 40 Số hàng chân 1 Hướng cắm Thẳng Kiểu chân Xuyên lỗ Vỏ bọc Không có Cách gắn mạch Hàn 19 Thuộc tính Giá trị Vật liệu tiếp điểm Đồng Mạ tiếp điểm Vàng Dòng điện định mức 1A Mô tả 20 1.2 ĐIỆN TRỞ Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của một vật thể dẫn điện. Nó được định nghĩa là tỉ số của hiệu điện thế giữa hai đầu vật thể đó với cường độ dòng điện đi qua nó Trong đó: Hình 14 Điện trở U : là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng vôn (V). I : là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đo bằng ampe (A). R : là điện trở của vật dẫn điện, đo bằng Ohm (Ω).
Ký hiệu: 21 Ứng dụng: Điện trở được dùng để chế tạo ra định mức điện áp giữa hai điểm khác nhau của mạch.3 TỤ ĐIỆN Tụ điện phẳng gồm hai bản phẳng kim loại diện tích đặt song song và cách nhau một khoảng d. Hình 15 Tụ phân cực và Tụ không phân cực Cường độ điện trường bên trong tụ có trị số: δ E= ε0 ε ε 0 = 8.m2 là hằng số điện môi của chân không. ε là hằng số điện môi tương đối của môi trường, đối với chân không ε = 1, giấy tẩm dầu = 3,6; gốm = 5,5; mica = 4/5 22 1.4 LED 5mm Thông số: - Chiều dài Pin: 16mm - Điện áp: 2 – 2.2V - Dòng điện: 10mA – 20mA - Ánh sáng màu xanh đỏ - Kích thước: 5mm - Tính năng: Dùng trong các mạch đèn nháy, bảng đèn led quảng cáo,. 23 Hình 9 LED 5mm 1.5 DÂY BUS CHƯƠNG 2: CÔNG CỤ THIẾT KẾ 2.1 Giới thiệu về Kit CPLD X board là board mạch được thiết kế sử dụng cho các thiết kế CPLD dựa trên 24 con chip CoolRunner-II của hãng Xilinx.
Với việc sử dụng board này cùng với các modul hiển thị cho phép người sử dụng có thể thực hành, kiểm tra, tải các chương trình thiết kế VHDL. Trên board có cổng USB2 sẽ cung cấp nguồn cho board và tải chương trình thiết kế.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA KIT THỰC HÀNH CPLD:X BOARD: Kit thực hành CPLD X Board gồm có: - Chip CPLD Coolrunner II XC2C256-TQ144. - Port USB2 cho phép truyền dữ liệu và chương trình JTAG. - Bộ biến đổi A/D 16bit cho phép đo các đường tín hiệu thực trong quá trình board hoạt động (dữ liệu sẽ được gửi lên PC thông qua card USB).
- Bộ dao động (1000/100/10 KHz). 26 - 12 LED đơn - 2 công tắc nhấn. - 6 port kết nối gồm 6 chân (trong đó có 2 chân nguồn VCC=3.3V, GND) - Port 26 chân, 16 chân 6 chân. - Nguồn điện áp hoạt động của board là 3,3V 2.