I. Giới thiệu về đề tài Thiết kế và thi công máy đo dạng sóng tại HCMUTE
Đề tài tốt nghiệp Thiết kế và thi công máy đo dạng sóng được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE), ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông. Đề tài tập trung vào việc thiết kế và chế tạo một thiết bị đo dạng sóng sử dụng vi điều khiển ARM. Việc ứng dụng vi điều khiển giúp giảm chi phí và tăng tính linh hoạt của sản phẩm. Đây là một dự án thực tế, kết hợp lý thuyết với thực hành, rèn luyện kỹ năng thiết kế, chế tạo và lập trình nhúng cho sinh viên. Thiết kế mạch điện tử là một phần quan trọng. Các vấn đề về xử lý tín hiệu, giao tiếp với LCD, lập trình ngắt và ADC trên STM32F407 cũng được đề cập. Mục tiêu là tạo ra một máy đo dạng sóng hoạt động ổn định, đo được dạng sóng AC và DC với độ chính xác cao, có khả năng lưu ảnh dạng sóng qua cổng USB. Các giới hạn của sản phẩm bao gồm độ tin cậy, tốc độ đáp ứng, sai số trong quá trình đo và giới hạn dải điện áp đo.
1.1 Lý do chọn đề tài và tầm quan trọng
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử đòi hỏi nguồn nhân lực chất lượng cao. Sinh viên cần tiếp cận với các công nghệ hiện đại và rèn luyện kỹ năng thực hành. Thiết kế và thi công máy đo dạng sóng là một đề tài phù hợp, giúp sinh viên nắm vững kiến thức về thiết kế điện tử, xử lý tín hiệu, và lập trình nhúng. Máy đo dạng sóng là một thiết bị quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu đến sản xuất. Việc tự thiết kế và chế tạo thiết bị này giúp sinh viên hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và cấu tạo của thiết bị. HCMUTE với thế mạnh về đào tạo kỹ thuật điện tử, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực hiện đề tài này. Dự án máy đo dạng sóng này góp phần nâng cao chất lượng đào tạo và đáp ứng nhu cầu thực tiễn của xã hội. Ứng dụng thực tế của sản phẩm sau khi hoàn thành cũng được chú trọng, nhằm tối ưu hóa hiệu quả công việc.
1.2 Phạm vi nghiên cứu và phương pháp
Đề tài tập trung vào thiết kế và thi công một máy đo dạng sóng dựa trên vi điều khiển ARM Cortex-M4 (STM32F407). Phạm vi nghiên cứu bao gồm: Thiết kế mạch điện tử, lập trình vi điều khiển, giao tiếp với LCD và USB, xử lý tín hiệu ngõ vào, và phân tích kết quả. Phương pháp nghiên cứu bao gồm: Tìm hiểu tài liệu, thiết kế mạch điện tử, lập trình, thi công và kiểm thử. Mô phỏng phần mềm được sử dụng để kiểm tra thiết kế trước khi chế tạo. Kiểm thử sản phẩm được tiến hành để đánh giá hiệu suất và độ chính xác của máy đo dạng sóng. Phân tích kết quả đo đạc được thực hiện để xác định độ chính xác và các vấn đề cần cải tiến. Tài liệu tham khảo được sử dụng bao gồm sách giáo trình, bài báo khoa học và tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất.
II. Thiết kế hệ thống máy đo dạng sóng
Phần này tập trung vào thiết kế mạch điện tử, bao gồm mạch tiền khuếch đại, mạch A/D, mạch xử lý tín hiệu, và mạch giao tiếp. Thiết kế mạch điện tử được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng. Sơ đồ nguyên lý được trình bày chi tiết, bao gồm các thành phần và kết nối. Vi điều khiển ARM đóng vai trò trung tâm, thực hiện các chức năng điều khiển và xử lý dữ liệu. Giao tiếp với LCD hiển thị kết quả đo. Giao tiếp USB cho phép lưu trữ dữ liệu. Chọn linh kiện phù hợp là yếu tố then chốt. Tính toán các thông số kỹ thuật đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Mạch nguồn được thiết kế cung cấp điện áp ổn định cho toàn bộ hệ thống.
2.1 Thiết kế phần cứng
Phần cứng bao gồm vi điều khiển STM32F407, màn hình LCD, cổng USB, các thành phần điện tử khác như tụ điện, điện trở, và các mạch khuếch đại tín hiệu. Thiết kế mạch được thực hiện dựa trên các yêu cầu kỹ thuật và đảm bảo tính khả thi. Lựa chọn linh kiện dựa trên các thông số kỹ thuật, độ tin cậy và giá thành. Sơ đồ mạch được vẽ chi tiết, bao gồm các kết nối và thành phần. Kiểm tra sơ đồ mạch trước khi chế tạo bằng phần mềm mô phỏng. Thi công mạch in sử dụng công nghệ in ấn mạch in hiện đại. Kiểm tra chức năng từng module riêng lẻ trước khi tích hợp vào hệ thống hoàn chỉnh. Kiểm tra toàn bộ hệ thống sau khi hoàn thiện.
2.2 Thiết kế phần mềm
Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ C cho vi điều khiển ARM. Lập trình bao gồm các phần điều khiển ngoại vi, xử lý tín hiệu, và giao tiếp với LCD và USB. Thuật toán xử lý tín hiệu được thiết kế để tối ưu hóa độ chính xác và tốc độ. Ngôn ngữ lập trình C được sử dụng vì sự linh hoạt và hiệu quả cao. Phần mềm Keil MDK được dùng để biên dịch và nạp chương trình vào vi điều khiển. Thư viện hỗ trợ được sử dụng để đơn giản hóa quá trình lập trình. Kiểm thử phần mềm được tiến hành để đảm bảo tính ổn định và chính xác của chương trình. Debug chương trình để tìm và sửa các lỗi trong quá trình lập trình. Lưu đồ chương trình được sử dụng để minh họa các bước thực hiện.
III. Kết quả và đánh giá
Đề tài đã hoàn thành một máy đo dạng sóng hoạt động ổn định. Kết quả đo được đánh giá dựa trên độ chính xác, độ phân giải, và tốc độ đáp ứng. Hình ảnh dạng sóng được hiển thị trên LCD và lưu trữ qua USB. So sánh với các sản phẩm thương mại để đánh giá hiệu suất. Phân tích sai số trong quá trình đo. Đánh giá tổng thể về hiệu quả của đề tài. Đề xuất các giải pháp cải tiến cho các phiên bản sau.
3.1 Phân tích kết quả thử nghiệm
Kết quả thử nghiệm cho thấy máy đo dạng sóng có khả năng đo được các dạng sóng AC và DC với độ chính xác chấp nhận được. Sai số đo đạc được phân tích và đưa ra nguyên nhân. Tốc độ đáp ứng của hệ thống được đánh giá dựa trên thời gian xử lý tín hiệu. Khả năng lưu trữ dữ liệu qua USB hoạt động hiệu quả. Chất lượng hình ảnh hiển thị trên LCD được đánh giá. So sánh kết quả đo với máy đo dạng sóng thương mại để đánh giá hiệu suất. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo. Báo cáo kết quả thử nghiệm chi tiết, bao gồm các số liệu và đồ thị.
3.2 Đánh giá tổng thể và đề xuất
Đề tài đã đạt được các mục tiêu đề ra. Máy đo dạng sóng có thể ứng dụng trong học tập và nghiên cứu. Một số hạn chế của sản phẩm được chỉ ra, bao gồm độ chính xác, tốc độ đáp ứng và dải điện áp đo. Đề xuất các giải pháp cải tiến cho các phiên bản sau, bao gồm nâng cao độ chính xác, mở rộng dải điện áp đo, và tích hợp thêm các chức năng. Đánh giá tổng thể về tính khả thi và hiệu quả của đề tài. Đóng góp của đề tài đối với việc đào tạo và nghiên cứu tại HCMUTE. Tài liệu tham khảo được đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo.
