Đồ án HCMUTE: Thiết kế và thi công mạch quạt LED sử dụng vi điều khiển STM32

Khám phá đồ án HCMUTE thiết kế và thi công mạch quạt LED sử dụng vi điều khiển STM32, ứng dụng công nghệ hiện đại trong thực tiễn.

• Tác giả: Phạm Thị Minh Nguyệt
• Người hướng dẫn: ThS. Phan Vân Hoàn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công mạch quạt LED
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.4. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.6. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
• 1.7. BỐ CỤC ĐỒ ÁN
• 2. CHƯƠNG 2: KIT ARM STM32F103C8T6
• 2.1. Module ARM STM32F103C8T6
• 2.2. Bộ định thời Timer
• 2.3. Ngắt và sự kiện
• 2.4. CHUẨN TRUYỀN SPI
• 2.4.1. Các tín hiệu số trong chuẩn truyền SPI
• 2.4.2. Nguyên lý truyền dẫn
• 2.5. IC 74HC595
• 2.5.1. Ảnh và sơ đồ chân IC 74HC595
• 2.5.2. Chức năng các chân
• 2.5.3. Các tầng thanh ghi của IC 74HC595
• 2.5.4. Bảng sự thật
• 2.6. ĐỊNH LUẬT HALL

Tóm tắt

I. Giới thiệu về đề tài Thiết kế mạch quạt LED với vi điều khiển STM32 tại HCMUTE

Đề tài tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mạch quạt LED sử dụng vi điều khiển STM32" của sinh viên Phạm Thị Minh Nguyệt và Đỗ Anh Huy tại HCMUTE tập trung vào việc thiết kế và chế tạo một hệ thống quạt LED. Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 làm trung tâm điều khiển. Mục tiêu chính là tạo ra một mô hình quạt LED RGB hiển thị ảnh 7 màu, ứng dụng hiệu ứng POV (Persistence Of Vision). Đề tài đề cập đến các khía cạnh thiết kế mạch điện, lập trình vi điều khiển, và tích hợp các thành phần phần cứng. STM32, LED RGB, và POV là những Salient Keyword quan trọng. HCMUTE là Salient Entity chính. Vi điều khiển, Mạch điện tử, và Hệ thống nhúng là những Semantic Entity liên quan. Thiết kế mạch, Lập trình nhúng, và Hiệu ứng POV là những Close Entity của từ khóa chính.

1.1 Bối cảnh và tầm quan trọng của đề tài

Đề tài phản ánh xu hướng phát triển công nghệ hiển thị hiện đại. Việc sử dụng LED RGB cho phép hiển thị hình ảnh động với màu sắc đa dạng. Tích hợp vi điều khiển STM32 giúp hệ thống có khả năng điều khiển chính xác, linh hoạt. Ứng dụng hiệu ứng POV mang lại hiệu quả hiển thị hình ảnh động 3D ấn tượng. Nghiên cứu này góp phần vào việc ứng dụng công nghệ vi điều khiển trong thiết kế các sản phẩm điện tử giải trí. Các Salient LSI Keyword liên quan bao gồm quạt LED, hiển thị hình ảnh, điều khiển vi điều khiển. Công nghệ LED, Công nghệ vi điều khiển, và Công nghệ hiển thị là những Semantic Entity quan trọng. Quạt LED RGB, Hiệu ứng thị giác, và Ứng dụng thực tiễn là những Close Entity liên quan.

1.2 Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được

Sinh viên áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, từ việc thiết kế mạch điện tử trên phần mềm, lập trình vi điều khiển STM32 bằng ngôn ngữ C, cho đến việc chế tạo và thử nghiệm mô hình. Đề tài trình bày chi tiết quá trình thiết kế mạch, bao gồm sơ đồ nguyên lý, PCB layout, và mã nguồn. Kết quả là một mô hình quạt LED hoạt động ổn định, hiển thị hình ảnh theo đúng thiết kế. Đề tài đề cập đến việc sử dụng các thành phần như IC 74HC595 cho việc điều khiển LED, và cảm biến từ trường cho việc đo tốc độ quay. Thiết kế mạch điện, Lập trình vi điều khiển, và Thử nghiệm thực tế là những Salient LSI Keyword cần chú ý. Phần cứng, Phần mềm, và Kiểm thử là những Semantic Entity liên quan chặt chẽ. Mô hình quạt LED, Mã nguồn lập trình, và Kết quả thử nghiệm là những Close Entity của từ khóa chính. Hệ thống sử dụng kỹ thuật SPI để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và IC 74HC595.

II. Phân tích và đánh giá đề tài

Đề tài có giá trị thực tiễn cao. Mô hình quạt LED có thể ứng dụng trong quảng cáo, giải trí, hoặc giáo dục. Đề tài cung cấp kiến thức cơ bản về thiết kế mạch điện tử, lập trình vi điều khiển, và ứng dụng hiệu ứng POV. Tuy nhiên, đề tài còn một số hạn chế. Ví dụ, mô hình có thể được cải tiến về mặt hiệu suất và tính năng. Việc tích hợp thêm các chức năng điều khiển từ xa, hoặc hiển thị hình ảnh phức tạp hơn có thể được xem xét trong các nghiên cứu tiếp theo.

2.1 Ưu điểm và hạn chế của đề tài

Đề tài có cấu trúc rõ ràng, trình bày mạch lạc, dễ hiểu. Phương pháp nghiên cứu khoa học, kết quả đạt được cụ thể. Mô hình quạt LED hoạt động ổn định, đáp ứng được yêu cầu đề bài. Tuy nhiên, phạm vi nghiên cứu còn hạn chế. Mô hình chưa được tối ưu về mặt hiệu suất và tính năng. Một số phần trong đề tài cần được trình bày chi tiết hơn. Phân tích hệ thống, Đánh giá hiệu suất, và Cải tiến hệ thống là những Salient LSI Keyword cần được xem xét. Hiệu quả hoạt động, Khả năng mở rộng, và Khó khăn gặp phải là những Semantic Entity liên quan. Tối ưu hóa hệ thống, Phát triển ứng dụng, và Hạn chế kỹ thuật là những Close Entity cần quan tâm.

2.2 Giá trị và ứng dụng thực tiễn

Đề tài có giá trị học thuật và thực tiễn. Mô hình quạt LED có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đề tài góp phần nâng cao kiến thức và kỹ năng cho sinh viên ngành Điện tử Truyền thông. Ứng dụng thực tế, Giá trị thương mại, và Tiềm năng phát triển là những Salient LSI Keyword đáng chú ý. Công nghệ hiển thị, Thiết bị điện tử, và Giải pháp kỹ thuật là những Semantic Entity quan trọng. Khả năng ứng dụng, Lợi ích kinh tế, và Triển vọng tương lai là những Close Entity cần được nhấn mạnh. Đề tài cũng có thể được sử dụng như một tài liệu tham khảo hữu ích cho các nghiên cứu tương tự.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực quảng cáo và truyền thông thị giác hiện đại, các hệ thống màn hình điện tử và bảng quang báo đóng vai trò thiết yếu trong việc truyền tải thông điệp. Đa phần các bảng hiển thị thông dụng hiện nay sử dụng công nghệ màn hình LED ma trận (LED Panel). Tuy nhiên, các hệ thống LED ma trận cố định thường đòi hỏi số lượng linh kiện LED rất lớn, kết cấu cơ khí cồng kềnh và chi phí sản xuất cao. Trong khi đó, các thiết bị tạo ảnh không gian ba chiều hoặc mô phỏng công nghệ Hologram trên thị trường có giá thành đắt đỏ (lên đến hàng trăm USD), hạn chế khả năng tiếp cận trong các ứng dụng quy mô vừa và nhỏ.

Nhằm tìm kiếm giải pháp hiển thị hình ảnh không gian với chi phí tối ưu và kết cấu tinh gọn, đề tài "Thiết kế và thi công mạch quạt LED sử dụng vi điều khiển STM32" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Phạm Thị Minh Nguyệt và Đỗ Anh Huy (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh). Đề tài ứng dụng hiện tượng lưu ảnh võng mạc kết hợp hiệu ứng thị giác POV (Persistence of Vision), cho phép một thanh LED đơn quay với tốc độ cao tạo nên ảo ảnh về một ma trận LED hai chiều quét tròn hiển thị hình ảnh hoàn chỉnh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

1. Mục tiêu nghiên cứu:
   • Thiết kế mạch điều khiển dải LED RGB và sử dụng động cơ DC tốc độ cao để quay cánh quạt LED nhằm tạo ra ma trận hiển thị hình ảnh 7 màu cơ bản.
   • Nghiên cứu mô hình hiển thị hình ảnh rõ nét trong không gian, hướng tới việc tiếp cận các kỹ thuật tạo ảnh tương tự công nghệ Hologram.
   • Vận dụng và kiểm chứng các kiến thức chuyên ngành về vi điều khiển, thiết kế phần cứng, xử lý dữ liệu hình học và lập trình nhúng.
2. Nhiệm vụ của đề tài:
   • Thu thập tín hiệu từ cảm biến từ trường đưa về vi điều khiển để xác định gốc tọa độ quay.
   • Xử lý dữ liệu hình ảnh trên máy tính và chuyển đổi định dạng nạp vào vi điều khiển.
   • Xuất dữ liệu hình ảnh đồng bộ ra dải LED RGB thông qua IC dịch chốt dữ liệu.
3. Đối tượng nghiên cứu:
   • Vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 (STM32F103C8T6).
   • Cảm biến từ trường A3144 hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng Hall.
   • Động cơ một chiều tốc độ cao DC RC-520.
   • Hiện tượng lưu ảnh võng mạc và hiệu ứng thị giác POV.
4. Phạm vi nghiên cứu:
   • Xây dựng mô hình cơ điện tử hoàn chỉnh cho cánh quạt LED quay ổn định.
   • Hiển thị hình ảnh tĩnh được lập trình và cài đặt sẵn trong bộ nhớ vi điều khiển với bảng 7 màu cơ bản.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa các nguyên lý vật lý quang học, cơ học truyền động, lý thuyết mạch điện tử số và kỹ thuật lập trình vi điều khiển:

1. Khung lý thuyết và mô hình tính toán

• Hiện tượng lưu ảnh võng mạc và hiệu ứng POV: Hình ảnh tác động lên võng mạc mắt người được lưu giữ khoảng $1/10$ giây sau khi nguồn sáng tắt. Khi nguồn sáng quét qua các vị trí rời rạc với tần số tối thiểu 24 khung hình/giây (fps), não bộ sẽ tổng hợp thành một hình ảnh liên tục. Dựa trên tần số 24 fps, tốc độ quay tối thiểu của động cơ được tính toán theo công thức: $$\text{Tốc độ tối thiểu} = 24 \times 60 = 1440 \text{ vòng/phút (rpm)}$$
• Định luật Hall và cảm biến từ: Hiệu ứng Hall xuất hiện khi có từ trường vuông góc tác dụng lên bản bán dẫn đang có dòng điện chạy qua, sinh ra hiệu điện thế Hall ($V_H$): $$V_H = \frac{I \cdot B}{d \cdot e \cdot n}$$ Trong đó $I$ là cường độ dòng điện, $B$ là cường độ từ trường, $d$ là độ dày thanh Hall, $e$ là điện tích hạt mang điện, $n$ là mật độ hạt. Cảm biến Hall A3144 phát hiện cực Nam của nam châm để xuất mức logic 0 (tích cực mức thấp), kích hoạt ngắt ngoài (EXTI) cho vi điều khiển xác định góc $0^\circ$.
• Toán học tọa độ điểm trên đường tròn: Khi cánh quạt quay quanh tâm $(a, b)$ với bán kính $r$, tọa độ Descartes $(x, y)$ của điểm ảnh tại góc quay $t$ ($0 \le t \le 2\pi$) được tính bằng: $$x = a + r \cdot \cos(t), \quad y = b + r \cdot \sin(t)$$ Góc quét biến thiên từ $0^\circ$ đến $360^\circ$ với bước lấy mẫu $1^\circ$, chuyển đổi sang Radian bằng công thức: $\text{Deg} = (\alpha \cdot \pi) / 180$.
• Lý thuyết màu ảnh và phân rã bit: Định dạng ảnh 8-bit (Palette 256 màu) được cấu trúc theo định dạng 3R-3G-2B (3 bit Đỏ, 3 bit Xanh lá, 2 bit Xanh dương). Thuật toán trích xuất bit màu:
  • Tách màu Đỏ: dịch phải 5 bit ($\text{Color} \gg 5$).
  • Tách màu Xanh lá: dịch phải 2 bit và AND với 0x07 ($(\text{Color} \gg 2) \ & \ \text{0x07}$).
  • Tách màu Xanh dương: AND với 0x03 ($\text{Color} \ & \ \text{0x03}$). Dữ liệu sau khi tách được quy đổi về 7 màu cơ bản: Đỏ, Xanh lá, Xanh dương, Hồng, Vàng, Tím, Trắng.

2. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

• Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống: Tính toán tải dòng điện, thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in 2 lớp bằng phần mềm Altium Designer; hàn gắn linh kiện dán (SMD).
• Phương pháp truyền điện cơ khí: Sử dụng cơ cấu bạc đạn (ổ bi) dẫn điện để cấp nguồn liên tục từ chân đế cố định lên bo mạch quay, loại bỏ tình trạng xoắn dây mà không cần dùng pin gắn kèm gây mất cân bằng động.
• Phương pháp xử lý dữ liệu và lập trình: Sử dụng phần mềm Image2LCD trích xuất mảng mã hex từ hình ảnh; viết thuật toán xử lý tọa độ trên Visual Studio (C++); lập trình chương trình nhúng cho STM32 trên môi trường Keil C uVision với thư viện chuẩn Standard Peripheral Library, nạp chương trình qua mạch nạp ST-Link theo chuẩn SWD.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống quạt LED quay được thiết kế phân tầng thành 5 khối chức năng chính với các thông số kỹ thuật chi tiết:

Khối chức năng	Linh kiện / Công nghệ sử dụng	Thông số kỹ thuật / Đặc tính hoạt động
Điều khiển trung tâm	Vi điều khiển STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3)	Tần số xung nhịp 72 MHz, 64 KB Flash, 20 KB SRAM, hỗ trợ 2 bộ SPI phần cứng, quản lý ngắt NVIC.
Hiển thị	48 LED RGB SMD 3528 (Anode chung)	Điện áp cấp 3.3V – 5V, dòng tiêu thụ trung bình 25 mA/LED, công suất tiêu tán 150 mW, góc phát sáng rộng.
Dịch và chốt dữ liệu	Chuỗi IC dịch 8-bit 74HC595	Giao tiếp nối tiếp vào - song song ra, 2 tầng thanh ghi độc lập (Shift & Storage), ghép tầng qua chân 9 và chân 14.
Cảm biến vị trí	Cảm biến từ Hall A3144	Điện áp 4.5V – 24V DC, dòng 10 mA, đầu ra Digital tích cực mức thấp, chống dội bằng tụ lọc và điện trở kéo lên.
Hạ áp và cấp nguồn	IC nguồn xung LM2576-3.3 + Diode 1N5822	Nguồn vào Adapter 9V-2A hạ xuống 3.3V dòng tải tối đa 3A cho bo mạch; Adapter 9V-1A cấp riêng cho motor RC-520.

1. Thiết kế phần cứng và cơ cấu truyền động

• Cơ cấu truyền điện qua ổ bi: Để cấp điện cho bo mạch chuyển động liên tục, trục động cơ DC RC-520 (tốc độ tối đa 6000 rpm, công suất 150W) được gắn nối với trục quay qua khớp nối mềm. Cực dương (+) của nguồn 9V ngoài nối vào vòng ngoài cố định của ổ bi, cực dương dẫn lên mạch nối vào vòng trong ổ bi. Cực âm (-) nối vào vỏ kim loại của động cơ truyền qua trục quay lên mạch. Giữa hai cực được bọc lót cách điện cơ khí.
• Tính toán nguồn cấp: Mạch sử dụng 48 LED RGB, mỗi LED tiêu thụ tối đa 25 mA. Tổng dòng tải đỉnh của khối hiển thị là: $$I_{\text{mạch}} = 48 \times 25\text{ mA} = 1200\text{ mA} = 1.2\text{ A}$$ Mạch nguồn sử dụng IC LM2576 cho dòng ra lên tới 3A, đáp ứng đầy đủ yêu cầu công suất của 48 LED và vi điều khiển tại điện áp định mức 3.3V DC.

2. Thiết kế giải thuật điều khiển và ánh xạ dữ liệu

• Phân chia luồng SPI: Nhằm tối ưu hóa tốc độ quét dữ liệu khi cánh quạt quay ở tốc độ cao, 48 LED RGB trên cánh quạt được chia làm hai phân vùng: 24 LED đầu nhận dữ liệu từ kênh SPI1, 24 LED sau nhận dữ liệu từ kênh SPI2 của STM32F103C8T6.
• Thuật toán ánh xạ 3 IC 74HC595 điều khiển cụm 8 LED RGB: Mỗi LED RGB cần 3 đường điều khiển (R, G, B), do đó 8 LED cần 24 đường tín hiệu, tương ứng với 3 IC 74HC595 (mỗi IC có 8 ngõ ra từ $Q_A - Q_H$):
  • IC 1: Điều khiển toàn bộ 3 chân màu của LED 1, 3 chân của LED 2 và 2 chân màu đầu tiên (R, G) của LED 3.
  • IC 2: Điều khiển chân màu còn lại (B) của LED 3, toàn bộ 3 chân của LED 4, LED 5 và 1 chân màu đầu (R) của LED 6.
  • IC 3: Điều khiển 2 chân màu còn lại (G, B) của LED 6, toàn bộ 3 chân của LED 7 và LED 8.
• Đồng bộ khung hình bằng ngắt ngoài: Mỗi khi cánh quạt quay qua thanh nam châm gắn cố định trên khung đỡ, cảm biến A3144 kích hoạt ngắt ngoài cạnh xuống tại chân GPIO của STM32. Trình phục vụ ngắt thiết lập lại biến đếm góc quét về $0^\circ$, kích hoạt Timer để định thì việc xuất liên tiếp 360 cột dữ liệu hình ảnh tương ứng với $360^\circ$ của một vòng quay.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay

Chương mở đầu phân tích vai trò của ngành quảng cáo điện tử và sự phát triển của các công nghệ tạo hình ảnh 3D/Hologram. Tác giả chỉ ra hạn chế về chi phí của các thiết bị hiển thị Hologram thương mại, từ đó khẳng định tính cấp thiết của việc nghiên cứu mô hình cánh quạt LED xoay RGB dựa trên hiệu ứng POV. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống hiển thị ảnh 7 màu, giới hạn phạm vi nghiên cứu ở mô hình cánh quạt LED đơn quay quét hiển thị ảnh nạp trước, và phân công nhiệm vụ nghiên cứu từ khâu phần cứng đến xử lý giải thuật.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung hệ thống hóa toàn bộ kiến thức kỹ thuật nền tảng:

• Giới thiệu cấu trúc vi điều khiển STM32F103C8T6, khối định thời Timer, cơ chế phân cấp ưu tiên ngắt NVIC và chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ 4 dây SPI (Full-duplex, các chế độ phân cực CPOL/CPHA).
• Phân tích nguyên lý làm việc của IC dịch chốt 8-bit 74HC595, bảng trạng thái logic và cơ chế ghép tầng thanh ghi dịch.
• Trình bày định luật Hall, thông số kỹ thuật cảm biến từ A3144; cấu tạo cơ khí bạc đạn và phương pháp truyền điện chống xoắn dây qua vòng trong/vòng ngoài ổ bi.
• Giải thích bản chất điểm ảnh, các định dạng màu 8-bit, 16-bit, 24-bit, 32-bit; phương trình lượng giác tính tọa độ điểm trên đường tròn.
• Trình bày đặc tính IC nguồn hạ áp xung LM2576, Diode xung 1N5822; hiện tượng lưu ảnh võng mạc kết hợp hiệu ứng POV, tính toán tốc độ động cơ DC RC-520 đạt ngưỡng tối thiểu 1440 rpm; tổng hợp các cấu trúc dữ liệu mảng và vòng lặp trong ngôn ngữ lập trình C.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 phân tích các phương án kỹ thuật triển khai: loại bỏ phương án dùng IC giải mã màu TLC59711 do khó tìm và giá cao; loại bỏ vi điều khiển STM8S003F3P6 do không đủ dòng và bị nhiễu khi điều khiển số lượng lớn LED; quyết định lựa chọn IC dịch 74HC595 kết hợp STM32F103C8T6. Tác giả thiết kế chi tiết 5 khối chức năng (nguồn, điều khiển, cảm biến, giải mã, hiển thị), tính toán công suất nguồn cấp 3.3V-2A, trình bày sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống và xuất bản vẽ layout mạch in PCB 2 lớp cùng mô hình 3D trên phần mềm Altium Designer.

Chương 4: Chương trình điều khiển

Chương 4 mô tả quy trình xây dựng phần mềm:

• Hướng dẫn cấu hình project trên Keil C uVision 5, liên kết thư viện ngoại vi và thiết lập mạch nạp ST-Link thông qua giao diện SWD.
• Trình bày quy trình xử lý ảnh trên máy tính: sử dụng Image2LCD trích xuất ảnh 8-bit, viết chương trình C++ trên Visual Studio để chuyển đổi ảnh sang hệ 7 màu cơ bản.
• Thiết lập lưu đồ thuật toán tính tọa độ các điểm ảnh dựa trên hàm $\sin/\cos$ quét từ $0^\circ - 360^\circ$, lưu trữ dữ liệu vào mảng 1 chiều.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật tách bit R-G-B và thuật toán chuyển đổi mã truyền cho chuỗi 3 IC 74HC595 điều khiển 8 LED RGB; thiết lập lưu đồ chương trình chính và chương trình ngắt ngoài EXTI cho STM32.

Chương 5: Kết quả, thực nghiệm, phân tích, tổng hợp

Chương 5 công bố hình ảnh thực tế của sản phẩm sau chế tạo: bo mạch in 2 mặt sau khi gia công và hàn linh kiện dán (SMD), cơ cấu truyền điện bằng ổ bi gắn trên trục motor RC-520, và khung giá đỡ hoàn chỉnh. Đồ án đưa ra hình ảnh thực nghiệm khi quạt LED quay ở tốc độ cao, chứng minh hệ thống hiển thị ổn định, rõ ràng các hình ảnh mẫu 7 màu trong không gian mà không bị rung lắc hay mất đồng bộ điểm ảnh.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ so với mục tiêu ban đầu: hoàn thiện phần cứng, cơ cấu truyền điện ổ bi vận hành tốt, giải thuật quét đồng bộ qua SPI và ngắt ngoài đạt yêu cầu. Tác giả cũng chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện tại và đề xuất phương hướng phát triển tiếp theo.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

• Thi công phần cứng: Chế tạo thành công bo mạch quạt LED 48 bóng LED RGB 3528, tích hợp cụm IC dịch 74HC595 và vi điều khiển STM32F103C8T6 trên một cánh quạt xoay cân đối.
• Giải pháp truyền nguồn: Hiện thực hóa cơ chế cấp nguồn 3.3V DC liên tục qua vòng trong/vòng ngoài của ổ bi kim loại, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng xoắn dây khi quay ở tốc độ trên 1440 rpm và không cần gắn pin nặng trên cánh quạt.
• Đồng bộ hiển thị: Hệ thống xử lý dữ liệu qua 2 kênh SPI1 và SPI2, nhận tín hiệu ngắt từ cảm biến Hall A3144 để quét 360 cột điểm ảnh trên mỗi vòng quay, tái hiện hình ảnh tĩnh 7 màu rõ nét dựa trên hiệu ứng POV.

2. Đóng góp của đề tài

• Đưa ra giải pháp thiết kế hệ thống hiển thị POV với chi phí linh kiện thấp, sử dụng các linh kiện thông dụng, dễ tìm tại thị trường Việt Nam (STM32F103C8T6, 74HC595, A3144, LM2576).
• Xây dựng thành công thuật toán ánh xạ ngõ ra tối ưu cho chuỗi IC 74HC595 khi điều khiển LED RGB Anode chung (xử lý việc 1 LED RGB bị chia cắt chân giữa hai IC dịch liên tiếp).
• Cung cấp tài liệu thiết kế hoàn chỉnh từ sơ đồ nguyên lý mạch điện, bản vẽ layout PCB 2 lớp đến mã nguồn xử lý ảnh lượng giác và mã nguồn nhúng cho dòng ARM Cortex-M3.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

• Độ sâu màu sắc: Mới chỉ hiển thị được 7 màu sắc cơ bản do sử dụng phương pháp điều khiển bật/tắt logic thông qua IC dịch 74HC595, chưa hỗ trợ điều chế độ rộng xung (PWM) để hiển thị dải màu đầy đủ (Full-color 16 triệu màu).
• Phương thức nạp dữ liệu: Dữ liệu hình ảnh phải qua khâu xử lý trung gian trên máy tính (Image2LCD và phần mềm C++) rồi nạp cố định vào bộ nhớ Flash của vi điều khiển, chưa có giao tiếp truyền dữ liệu thời gian thực.
• Cân bằng động cơ khí: Kết cấu cơ khí gia công thủ công nên khi động cơ quay ở tốc độ rất cao vẫn có độ rung nhất định, ảnh hưởng nhẹ đến tuổi thọ tiếp xúc điện của ổ bi.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng cấp phần cứng điều khiển, nghiên cứu phương pháp quét PWM trên thanh ghi dịch hoặc sử dụng IC chuyên dụng để hiển thị ảnh Full-color trung thực.
• Tích hợp module truyền thông không dây (Bluetooth, Wi-Fi ESP8266/ESP32) hoặc thẻ nhớ SD để truyền và thay đổi hình ảnh trực tiếp từ điện thoại/máy tính theo thời gian thực mà không cần nạp lại firmware.
• Tối ưu hóa thiết kế cơ khí, gia công khung đỡ và cánh quạt bằng công nghệ cắt CNC/in 3D nhằm đạt độ cân bằng động tối ưu, giảm thiểu ma sát và tiếng ồn khi vận hành lâu dài.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Máy tính, Cơ điện tử và Tự động hóa.

Các nội dung có giá trị ứng dụng thực tiễn cao bao gồm:

1. Thiết kế phần cứng nhúng: Quy trình thiết kế mạch in Altium cho tải dòng lớn, ứng dụng IC nguồn xung hạ áp LM2576 và ghép tầng IC dịch chốt 74HC595.
2. Kỹ thuật truyền điện cơ khí: Giải pháp tiếp điện quay bằng ổ bi, giải quyết triệt để bài toán cấp nguồn cho các cơ cấu xoay tốc độ cao trong cơ điện tử.
3. Lập trình vi điều khiển ARM STM32: Phương pháp cấu hình giao tiếp SPI tốc độ cao, xử lý ngắt ngoài EXTI với cảm biến Hall, và thuật toán chuyển đổi tọa độ điểm ảnh lượng giác trên hệ vi điều khiển 32-bit.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả không sử dụng giải pháp gắn pin trực tiếp lên cánh quạt để cấp nguồn cho mạch?

Việc gắn pin trực tiếp lên bo mạch quay làm tăng đáng kể trọng lượng và kích thước của cánh quạt, gây mất cân bằng động nghiêm trọng khi quay ở tốc độ cao (trên 1440 rpm). Đồng thời, pin sẽ nhanh hết năng lượng và phải thay định kỳ, gây gián đoạn hoạt động. Do đó, nhóm lựa chọn cơ chế tiếp điện qua ổ bi kim loại để cấp nguồn liên tục từ Adapter cố định bên ngoài.

2. Tốc độ quay tối thiểu 1440 rpm của động cơ DC được xác định dựa trên cơ sở nào?

Tốc độ này được tính từ hiện tượng lưu ảnh võng mạc của mắt người (ảnh lưu lại khoảng $1/10$ giây). Để mắt nhận diện chuỗi hình ảnh quét rời rạc thành một hình ảnh liên tục không bị nhấp nháy, tần số quét tối thiểu cần đạt 24 khung hình/giây (fps). Nhân 24 khung hình với 60 giây ta được tốc độ quay tối thiểu của động cơ là $24 \times 60 = 1440\text{ vòng/phút (rpm)}$. Động cơ DC RC-520 có tốc độ tối đa 6000 rpm hoàn toàn đáp ứng ngưỡng này.

3. Tại sao hệ thống phải sử dụng đồng thời 2 kênh SPI (SPI1 và SPI2) của STM32F103C8T6?

Mạch quạt LED sử dụng tổng cộng 48 LED RGB (tương đương 144 ngõ ra màu). Nếu truyền nối tiếp toàn bộ qua 1 kênh SPI, thời gian dịch dữ liệu qua 18 IC 74HC595 tại mỗi độ quét ($1^\circ$) sẽ kéo dài, không đáp ứng kịp tốc độ quay của động cơ. Việc chia đôi dải LED (24 LED đầu dùng SPI1, 24 LED sau dùng SPI2) cho phép vi điều khiển phát dữ liệu song song trên hai bus phần cứng, giảm một nửa thời gian truyền dữ liệu.

4. Cảm biến từ Hall A3144 thực hiện chức năng gì trong hệ thống?

Cảm biến A3144 được gắn trên cánh quạt quay, đi qua một thanh nam châm đặt cố định tại một vị trí trên khung đỡ. Khi cực Nam của nam châm hướng vào cảm biến, chân ngõ ra của A3144 bị kéo xuống mức logic 0, tạo tín hiệu ngắt ngoài (EXTI) cạnh xuống cho STM32. Tín hiệu này đóng vai trò xác định gốc tọa độ ($0^\circ$) của vòng quay, giúp vi điều khiển đồng bộ vị trí quét ảnh và ngăn chặn hiện tượng hình ảnh bị xoay tròn mất kiểm soát.

5. Khó khăn khi ghép nối 3 IC dịch 74HC595 điều khiển cụm 8 LED RGB là gì và giải quyết như thế nào?

Mỗi IC 74HC595 có 8 ngõ ra, trong khi 8 LED RGB cần $8 \times 3 = 24$ ngõ ra điều khiển màu. Do 8 không chia hết cho 3, chân màu của một số LED sẽ bị nằm vắt ngang giữa 2 IC liền kề (cụ thể: LED thứ 3 nằm giữa IC 1 và IC 2; LED thứ 6 nằm giữa IC 2 và IC 3). Tác giả đã giải quyết vấn đề này bằng cách xây dựng thuật toán phần mềm chuyên biệt, phân rã bit màu của LED 3 và LED 6 rồi gộp chung vào các byte dữ liệu truyền tương ứng của từng IC trước khi đẩy ra bus SPI.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mạch quạt LED sử dụng vi điều khiển STM32" đã giải quyết thành công bài toán hiển thị hình ảnh không gian dựa trên hiện tượng lưu ảnh võng mạc và hiệu ứng POV với chi phí tối ưu. Nhóm tác giả đã hoàn thiện trọn vẹn mô hình cơ điện tử, từ giải pháp truyền điện sáng tạo qua ổ bi kim loại, thiết kế mạch in 48 LED RGB SMD 3528, đến thuật toán xử lý dữ liệu ảnh lượng giác và điều khiển xuất SPI đồng bộ trên ARM Cortex-M3. Kết quả thực nghiệm chứng minh hệ thống vận hành ổn định, hiển thị rõ nét hình ảnh 7 màu ở tốc độ cao, tạo tiền đề khoa học vững chắc cho các nghiên cứu nâng cấp hiển thị Full-color và điều khiển không dây trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan: Trong chương này, nh m thực hiện ề tài trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu về led quay POV. Mục tiêu, ối tượng và phạm vi nghiên cứu của ề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trong chương này, nh m thực hiện ề tài s giới thiệu về sơ lược về ARM STM32F103C8T6, phương pháp truyền iện, lý thuyết ảnh màu, hình học phẳng, IC dịch 74595, Led RGB, lập tr nh C cơ bản. Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống: Trong chương này, nh m thực hiện ề tài s ưa ra các phương án thực hiện ề tài, sơ ồ khối và chức năng từng khối trong hệ thống.

Chương 4: chương tr nh iều khiển: Trong chương này, nh m giới thiệu về cách cài ặt tạo mới một Project bằng KeilC, cách sử dụng phần mềm Image2LCD, lập trình bằng Visual studio, giải thuật ề tài. Chương 5: Kết quả so sánh, thực nghiệm, phân tích, tổng hợp. Trình bày hình ảnh sản phẩm ã hoàn thiện và kết quả ạt ược khi hoàn thành ồ án. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.

Trình bày những g ã làm ược và chưa làm ược so với mục tiêu và nêu hướng phát triển ồ án. 2 do an Chƣơng 2. KIT ARM STM32F103C8T6 Module ARM STM32F103C8T6 là module ược xây dựng bởi vi iều khiển STM32F103C8T6. Với thiết kế nh gọn, dễ sử dụng, module phù hợp với phù hợp với nhiều ứng dụng như ổ ĩa ộng cơ, iều khiển ứng dụng, thiết bị y tế và cầm tay, PC và thiết bị ngoại vi chơi game, nền tảng GPS,… Hình 2.1 Hình ảnh Module ARM STM32F103C8T6  Thông số kỹ thuật chính: Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Module ARM STM32F103C8T6 Vi iều khiển STM32F103C8T6 Điện áp hoạt ộng 2 – 3.3 VDC Tần số làm việc tối a 72 MHz Bộ nhớ Flash 64 Kbytes SRAM 20 Kbytes Low-power Sleep, Stop and Standby modes 10 kênh analog trong c 2 kênh analog 12 bit Analog Tốc ộ chuyển ổi 1 µs Khả năng ặc biệt: giữ mẫu và lưu trữ kép Số lượng timer: 7 trong c 3 timer 16 Timer bit và 2 watchdog (làm việc theo 2 chế ộ: ộc lập và cửa sổ) Các chuẩn giao tiếp hỗ trợ CAN, I2C, SPI, UART/USART, USB Debug mode Serial wire debug (SWD) & JTAG interfaces Kích thước 5.2cm  Sơ đồ chân Module ARM STM32F103C8T6: 3 do an Hình 2.2 Sơ ồ chân Module ARM STM32F103C8T6 2.

Bộ định thời Timer Họ STM32F1x có 3 loại timer là: - Các timer iều khiển nâng cao (Advanced control timers – TIM1&TIM8) - Các timer cơ bản (Basic timers – TIM6&TIM7) - Các timer sử dụng cho mục ích th ng thường (General purpose timers – Timer còn lại) Timer iều khiển nâng cao là các timer 16 bit, có khả năng tự ộng nạp lại và có bộ chia trước. Các timer này có thể ược sử dụng cho nhiều mục ích khác nhau như là o ộ rộng xung hay tạo ra các dạng s ng iện áp ngõ ra với ộ rộng xung có thể ược iều biến từ vài micro giây ến vài mili giây bằng các sử dụng các bộ chia trước. Timer iều khiển nâng cao và các timer sử dụng cho mục ích th ng thường hoạt ộng hoàn toàn ộc lập với nhau và không cùng chia sẻ bất cứ tài nguyên nào của chip. Ngắt và sự kiện Ngắt là việc vi iều khiển dừng tạm thời chương tr nh ang thực thi mà i thực thi một chương tr nh khác c yêu cầu cấp thiết hơn.

Sau khi thực thi xong CPU s quay trở về thực hiện lại chương tr nh cũ. NVIC là một khối nằm trong lõi Cortex có nhiệm vụ quản lý các nguồn ngắt, do có rất nhiều nguồn có khả năng yêu cầu CPU ngắt nên chúng cần có một người quản lý chung ể sắp xếp, iều khiển mọi hoạt ộng ngắt ược diễn ra úng theo ý muốn tránh trường hợp chồng chéo, xung ột giữa các yêu cầu. Cơ chế ưu tiên ngắt: Khi có nhiều nguồn ngắt xảy ra cùng một lúc thì CPU s xử lý yều cầu của ngắt c ộ ưu tiên cao nhất dần cho ến thấp nhất. Chỉ trừ một 4 do an số ngắt không thể che thuộc về phần cứng thì thứ tự yêu tiên của các nguồn ngắt còn lại có thể ược quy ịnh bởi người lập trình.

CHUẨN TRUYỀN SPI SPI (tiếng Anh: Serial Peripheral Interface, SPI bus - Giao diện Ngoại vi Nối tiếp, bus SPI) là một chuẩn ồng bộ nối tiếp ể truyền dữ liệu ở chế ộ song công toàn phần full-duplex (hai chiều, hai phía), do công ty Motorola thiết kế nhằm ảm bảo sự liên hợp giữa các vi iều khiển và thiết bị ngoại vi một cách ơn giản và giá rẻ. Đ i khi SPI còn ược gọi là giao tiếp bốn-dây (tiếng Anh: four-wire). Khác với cổng nối tiếp chuẩn (tiếng Anh: standard serial port), SPI là giao diện ồng bộ, trong bất cứ quá trình truyền nào cũng ược ồng bộ hóa với tín hiệu ồng hồ tăc tơ chung, tín hiệu này sinh ra bởi thiết bị chủ ộng (bộ vi xử lý). Thiết bị ngoại vi bên phía nhận (bị ộng) làm ồng bộ quá trình nhận chuỗi bit với tín hiệu ồng hồ tăctơ.

C thể kết nối một số vi mạch vào mỗi giao diện ngoại vi nối tiếp của vi mạch-thiết bị chủ ộng. Thiết bị chủ ộng chọn thiết bị ộng ể truyền dữ liệu bằng cách kích hoạt tín hiệu "chọn chip" (tiếng Anh: chip select) trên vi mạch bị ộng. Thiết bị ngoại vi nếu không ược chọn bởi bộ vi xử lý s không tham gia vào quá trình truyền theo giao diện SPI.3 Chuẩn truyền SPI  Các tín hiệu số trong chuẩn truyền SPI: Trong giao diện SPI có sử dụng bốn tín hiệu số: - MOSI hay SI – cổng ra của bên Master ( Master Out Slave IN). Đây là chân dành cho việc truyền tín hiệu từ thiết bị chủ ộng ến thiết bị bị ộng.

- MISO hay SO – C ng ra bên Slave (Master IN Slave Out). Đây là chân dành cho việc truyền dữ liệu từ Slave ến Master. - SCLK hay SCK là tín hiệu clock ồng bộ (Serial Clock). Xung nhịp chỉ ược tạo bởi Master.

- CS hay SS là tín hiệu chọn vi mạch ( Chip Select hoặc Slave Select). SS s ở mức cao khi không làm việc. Nếu Master kéo SS xuông thấp thì s xảy ra quá trình giao tiếp. Chỉ có một ường SS trên mỗi slave nhưng c thể có nhiều ường iều khiển SS trên master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.

5 do an  Nguyên lý truyền dẫn: Hình 2.4 Dạng sóng truyền SPI - Để bắt ầu hoạt ộng thì kéo chân SS xuống thấp và kích hoạt clock ở cả Maser và Slave. - Mỗi chip Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8 bits. - Cứ mỗi của xung nhịp do Master tạo ra trên ường giữ nhịp SCK, một bit trong thanh ghi dữ liệu của Master ược truyền qua Slave trên ường MOSI, ồng thời một bit trong thanh ghi dữ liệu của chip Slave cũng ược truyền qua Master trên ường MISO. - Lưu ý, c thể config tín hiệu ồng bộ clock theo sườn, theo mức ….

- Hiện tại c 4 mode cơ bản (MODE 0. 1,2,3) của SPI dựa vào thiết lập SCLK như sau: Hình 2.5 Mod truyền SPI 6 do an - Cực của xung giữ nhịp, phase và các chế ộ hoạt ộng: cực của xung giữ nhịp (Clock Polarity) ược gọi tắt là CPOL .Đây là khái niệm dùng chỉ trạng thái của chân SCK ở trạng thái nghỉ. - Ở trạng thái nghỉ (Idle), chân SCK có thể ược giữ ở mức cao (CPOL=1) hoặc thấp (CPOL=0). - Phase (CPHA) d ng ể chỉ cách mà dữ liệu ược lấy mẫu (sample) theo xung giữ nhịp.

- Dữ liệu có thể ược lấy mẫu ở cạnh lên của SCK (CPHA=0) hoặc cạnh xuống (CPHA=1). - Sự kết hợp của SPOL và CPHA làm nên 4 chế ộ hoạt ộng của SPI. Nhìn chung việc chọn 1 trong 4 chế ộ này không ảnh hưởng ến chất lượng truyền thông mà chỉ cốt sao cho có sự tương thích giữa Master và Slave. - Do 2 gói dữ liệu trên 2 chip ược gởi qua lại ồng thời nên quá trình truyền dữ liệu này ược gọi là “song c ng”.

IC 74HC595 IC 74HC595 là IC có chức năng dịch và chốt dữ liệu với mối quan hệ "vào nối tiếp và ra song song 8 bit". IC 74HC595 thường dùng trong các mạch quét led 7 , led matrix … ể tiết kiệm số chân VDK tối a (3 chân) hoặc có thể d ng ể mở rộng số chân vi iều khiển bao nhiêu tùy thích mà không IC nào có thể làm dc bằng việc mắc nối tiếp ầu vào dữ liệu các IC với nhau.6 Ảnh và sơ ồ chân IC 74HC595  Chức năng các chân: Bảng 2.2 Chức năng các chân IC 74HC595 Tên chân Chức năng Chân 1 7, 8 bit dữ liệu xuất ra 15 Chân 8 GND Chân 16 VCC Chân 9 Mở rộng port, chân dữ liệu nối tiếp Chân 10 Reset, tích cực mức thấp Chân 11 Xung clock, có 1 xung cạnh lên, dịch 1 bit vào 7 do an Chân 12 Chốt dữ liệu, chó phép xuất dữ liệu ra Chân 13 Chân khóa dữ liệu ngõ ra, tích cực mức thấp. Ngõ ra ở trạng thái trở cao. Chân 14 Đầu vào dữ liệu nối tiếp IC 74HC595 có 2 tầng thanh ghi 8 bit: Tầng thanh ghi dịch(8-bit Stage Shift Register) và tầng thanh ghi lưu trữ (8 bit store register).7 Các tầng thanh ghi của IC 74HC595 Chức năng 2 tầng thanh ghi là khi dịch chuyển dữ liệu s xảy ra ở tầng thứ nhất không làm ảnh hưởng tầng thứ 2 và không ảnh hưởng ến ngõ ra, chờ dịch chuyển xong dữ liệu mới cho phép xuất dữ liệu ra ngoài.

 Bảng sự thật: Bảng 2.3 Bảng sự thật IC 74HC595 INPUT FUNCTION SER SRCLK RCLK Ngõ ra từ Q0 Q7 bị vô hiệu X X X X H hóa. Ngõ ra từ Q0 Q7 ược kích X X X X L hoạt. Trạng thái ầu tiên của thanh L H X X ghi dịch ược kéo xuống mức thấp. Các trạng thái còn lại lưu trữ dữ 8 do an liệu của trạng thái trước.

Trạng thái ầu tiên của thanh ghi dịch ược kéo lên mức cao. H H X X Các trạng thái còn lại lưu trữ dữ liệu của trạng thái trước. Dữ liệu của thanh ghi dịch ược X X X X lưu trữ trong thanh ghi lưu trữ. X: Không quan tâm (Don’t care).

ĐỊNH LUẬT HALL 2. Khái niệm Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý ược thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn iện n i chung (thanh Hall) ang c dòng iện chạy qua. Lúc người ta nhận ược hiệu iện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt ối diện của thanh Hall.