Báo Cáo Luận Văn Tốt Nghiệp: Thiết Kế và Thi Công Mạch Quang Báo Giao Tiếp Với Máy Tính

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế và Thi Công Mạch Quang Báo Giao Tiếp Với Máy Tính
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• LỜI GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Giới thiệu bằng slot card
• 1.2. Giao tiếp bằng cổng song song
• 1.3. Giao tiếp bằng cổng nối tiếp
• 2. CHƯƠNG 2: TRUYỀN THÔNG NỐI TIẾP
• 2.1. Giới thiệu truyền thông nối tiếp
• 2.2. Thanh ghi điều khiển đường truyền
• 2.3. Thanh ghi điều khiển modem
• 2.4. Thanh ghi trạng thái đường dây
• 2.5. Chuẩn RS-449, RS-423A
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU IC CHỐT 74LS573
• 3.1. Chức năng các chân
• 4. CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU IC GIẢI MÃ ĐỊA CHỈ 74138
• 4.1. Chức năng các chân
• 5. CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU RAM 6264
• 6. GIỚI THIỆU VISUAL BASIC
• 6.1. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Visual Basic
• 6.2. Giới thiệu những phần mềm lập trình Microsoft Visual Basic
• 6.3. Giới thiệu về thư viện liên kết động
• 6.3.1. Thư viện DLL là gì
• 6.3.2. Visual Basic và DLL
• 6.3.3. Sử dụng DLL trong Visual Basic như thế nào
• 6.3.4. Làm thế nào để biết được DLL có hàm gì và các đối số của hàm đó
• 6.3.5. Một số lưu ý khi sử dụng các hàm DLL trong Visual Basic
• 6.4. Sử dụng thủ tục và hàm trong Portlib.DLL trong ứng dụng Visual Basic
• 6.5. Điều khiển truyền thông
• 6.6. Các đặc tính phục vụ nhập dữ liệu
• 6.7. Các đặc tính phục vụ việc xuất nhập
• 6.8. Các đặc tính khác
• 6.9. Các thông báo lỗi (Error Messages Code)
• 7. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 7.1. Yêu cầu thiết kế
• 7.2. Các phương pháp thiết kế
• 7.3. Lựa chọn phương án thiết kế
• 7.4. Sơ đồ khối tổng quát
• 7.5. Thiết kế chi tiết
• 7.5.1. Thiết kế mạch giao tiếp máy tính
• 7.5.2. Sơ đồ mạch giao tiếp với máy tính
• 7.5.3. Thiết kế mạch hiển thị
• 7.5.4. Sơ đồ mạch in lớp dư
• 7.5.5. Sơ đồ mạch in lớp trên
• 7.5.6. Giới thiệu phương quét
• 7.5.7. Thiết kế khối nguồn
• 8. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH
• 8.1. Thiết kế chương trình điều khiển
• 8.1.1. Lưu đồ chương trình con dò mã ký tự
• 8.1.2. Lưu đồ chương trình con dò mã và chuyển sang RAM ngoại
• 8.1.3. Lưu đồ chương trình con xử lý trong thời gian delay
• 8.1.4. Lưu đồ chương trình nhận từ máy tính
• 8.1.5. Lưu đồ chương trình vừa quét vừa xử lý
• 8.2. Chương trình điều khiển
• 8.2.1. Thiết kế chương trình điều khiển Visual Basic
• 8.2.2. Giao diện điều khiển
• 8.2.3. Chương trình Visual Basic
• 8.2.4. Hướng dẫn sử dụng
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Hướng dẫn tổng quan thiết kế mạch quang báo với máy tính

Việc thiết kế và thi công mạch quang báo giao tiếp với máy tính là một đề tài ứng dụng quan trọng, kết hợp giữa kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin. Trong bối cảnh quảng cáo kỹ thuật số ngày càng phát triển, các bảng quảng cáo điện tử linh hoạt, dễ dàng cập nhật nội dung từ xa đã trở thành một nhu cầu thiết yếu. Nghiên cứu này tập trung vào việc tạo ra một hệ thống hiển thị thông tin sử dụng ma trận LED, được điều khiển trực tiếp bởi một vi điều khiển và nhận dữ liệu từ máy tính thông qua chuẩn giao tiếp nối tiếp. Mục tiêu cốt lõi là xây dựng một sản phẩm vừa có tính thẩm mỹ, vừa đảm bảo khả năng vận hành ổn định và dễ sử dụng cho người dùng cuối. Để đạt được điều này, dự án đã phân tích và loại bỏ các phương án kém hiệu quả như sử dụng linh kiện rời (quá phức tạp, chi phí cao) hay dùng EPROM (thiếu linh hoạt khi thay đổi nội dung). Phương án được lựa chọn là sử dụng vi điều khiển AT89C51 làm bộ não trung tâm, xử lý việc quét LED và nhận lệnh từ máy tính. Giải pháp này không chỉ tối ưu hóa kết cấu mạch mà còn tận dụng được sức mạnh xử lý và giao diện đồ họa của máy tính, giúp việc điều khiển trở nên trực quan và mềm dẻo. Toàn bộ hệ thống bao gồm ba khối chính: khối hiển thị sử dụng các module LED, khối điều khiển với vi điều khiển và các IC phụ trợ, và khối giao tiếp sử dụng chuẩn RS232 để kết nối với máy tính. Phần mềm điều khiển trên máy tính được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic, cung cấp một giao diện đơn giản để người dùng nhập văn bản và gửi xuống mạch quang báo.

1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của bảng quảng cáo điện tử

Nguyên lý cốt lõi của bảng quảng cáo điện tử dựa trên kỹ thuật mạch quét LED (LED scanning). Một ma trận LED bao gồm nhiều hàng và cột đèn LED. Thay vì cấp nguồn cho tất cả các LED cùng một lúc, vi điều khiển sẽ kích hoạt từng hàng (hoặc cột) một cách tuần tự với tốc độ rất cao. Tại mỗi thời điểm một hàng được kích hoạt, vi điều khiển sẽ gửi dữ liệu tương ứng đến các cột để xác định LED nào trên hàng đó sẽ sáng. Quá trình này lặp lại cho tất cả các hàng với tần số đủ nhanh (thường trên 100Hz) để mắt người không nhận ra sự nhấp nháy, tạo ra ảo giác về một hình ảnh hoặc dòng chữ ổn định. Đây được gọi là hiện tượng lưu ảnh (Persistence of Vision). Để quản lý việc gửi dữ liệu đến nhiều cột, các IC ghi dịch như 74HC595 thường được sử dụng để mở rộng số chân I/O của vi điều khiển, giúp điều khiển hàng trăm hoặc hàng ngàn LED chỉ với vài chân tín hiệu. Toàn bộ quá trình quét và hiển thị dữ liệu được điều khiển bởi firmware nạp trong vi điều khiển.

1.2. Phân tích lựa chọn vi điều khiển AT89C51 làm trung tâm

Việc lựa chọn vi điều khiển là quyết định nền tảng trong dự án. Dựa trên phân tích, AT89C51, một thành viên của họ MCS-51, được chọn làm trung tâm xử lý. Lý do chính cho sự lựa chọn này bao gồm sự phổ biến, tài liệu hỗ trợ phong phú, và tập lệnh đơn giản, rất phù hợp cho các đồ án điện tử và ứng dụng điều khiển cơ bản. AT89C51 cung cấp đủ các cổng I/O để điều khiển trực tiếp ma trận LED và các IC phụ trợ. Quan trọng hơn, nó tích hợp sẵn một cổng giao tiếp nối tiếp (UART), cho phép dễ dàng thiết lập giao tiếp nối tiếp với máy tính thông qua chuẩn RS232 mà không cần thêm các module phần cứng phức tạp. So với các lựa chọn hiện đại hơn như STM32 hay Arduino, AT89C51 có cấu trúc đơn giản hơn, giúp người mới bắt đầu dễ dàng nắm bắt kiến trúc và lập trình ở mức thấp, từ đó hiểu sâu hơn về hoạt động của phần cứng. Mặc dù tốc độ xử lý không cao bằng các dòng mới, nhưng đối với nhiệm vụ quét LED và nhận dữ liệu ở tốc độ Baud vừa phải, AT89C51 hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu của đề tài. (Nguồn: Luận văn tốt nghiệp, ĐHSPKT TP.HCM, 2003).

II. Các thách thức chính khi thi công mạch quảng cáo điện tử

Quá trình thiết kế và thi công mạch quang báo giao tiếp với máy tính đối mặt với nhiều thách thức cả về phần cứng và phần mềm. Về phần cứng, thách thức lớn nhất nằm ở việc thiết kế một sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in (PCB) tối ưu. Mạch phải đảm bảo việc định tuyến cho hàng trăm kết nối giữa vi điều khiển, các IC giải mã, IC chốt và các module LED một cách khoa học để tránh nhiễu tín hiệu. Đặc biệt, việc cấp nguồn cho một ma trận LED lớn đòi hỏi một khối nguồn ổn định, công suất đủ lớn, thường là nguồn tổ ong 5V, và phải được tính toán kỹ lưỡng để tránh sụt áp trên đường dây. Việc lắp ráp mạch điện với số lượng lớn linh kiện cũng đòi hỏi sự cẩn thận và kỹ năng hàn tốt để đảm bảo mọi kết nối đều chắc chắn. Về phần mềm, thách thức chính là đồng bộ hóa giữa ba quá trình: quét LED để hiển thị, nhận dữ liệu từ cổng COM, và xử lý các hiệu ứng chữ. Firmware trên vi điều khiển phải được viết một cách hiệu quả để không xảy ra xung đột. Ví dụ, quá trình nhận dữ liệu nối tiếp không được làm gián đoạn việc quét LED, nếu không sẽ gây ra hiện tượng nhấp nháy hoặc hiển thị sai. Ngoài ra, việc lập trình phần mềm điều khiển trên máy tính bằng Visual Studio cũng yêu cầu kiến thức về lập trình giao tiếp cổng nối tiếp, xử lý chuỗi ký tự và xây dựng giao diện người dùng thân thiện.

2.1. Vấn đề phức tạp trong thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in

Việc thiết kế sơ đồ nguyên lý cho mạch quang báo yêu cầu sự tính toán chi tiết về logic điều khiển và phân bố dòng điện. Người thiết kế phải lựa chọn các IC giải mã (ví dụ 74LS138) và IC chốt (ví dụ 74LS573) phù hợp để điều khiển các hàng và cột của ma trận LED. Sau khi hoàn thành sơ đồ nguyên lý, giai đoạn thiết kế mạch in (PCB) bằng các công cụ như Altium Designer hoặc Proteus là một bước quan trọng. Thách thức ở đây là sắp xếp linh kiện và đi dây (routing) sao cho đường tín hiệu ngắn nhất, tránh giao cắt và giảm thiểu nhiễu điện từ (EMI). Các đường cấp nguồn và mass phải đủ lớn để chịu được dòng tải cao của các LED. Một thiết kế PCB không tốt có thể dẫn đến hiện tượng hiển thị mờ, không đều màu hoặc hoạt động không ổn định.

2.2. Khó khăn trong lập trình giao tiếp nối tiếp và firmware

Lập trình giao tiếp nối tiếp là một trong những phần phức tạp nhất. Firmware của vi điều khiển phải cấu hình đúng các thanh ghi của bộ UART (Tốc độ Baud, số bit dữ liệu, parity, bit stop) để khớp với cài đặt trên máy tính. Nó cũng phải sử dụng cơ chế ngắt (interrupt) để nhận dữ liệu một cách hiệu quả. Khi một byte dữ liệu được gửi từ máy tính đến cổng COM, một ngắt sẽ được tạo ra, chương trình chính tạm dừng để thực thi chương trình con phục vụ ngắt, đọc dữ liệu vào bộ đệm và sau đó quay lại công việc chính. Việc quản lý bộ đệm và xử lý lỗi truyền (framing error, overrun error) cũng cần được chú trọng để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu. Đồng thời, việc nạp chương trình vào vi điều khiển cũng cần các công cụ và quy trình chuyên dụng.

III. Giải pháp thiết kế phần cứng cho mạch quang báo tối ưu

Để giải quyết các thách thức, một giải pháp phần cứng tối ưu cho mạch quang báo giao tiếp máy tính đã được triển khai. Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống được chia thành ba phần rõ ràng. Khối trung tâm là khối điều khiển, sử dụng vi điều khiển AT89C51 có nhiệm vụ xử lý toàn bộ logic hoạt động. Khối thứ hai là khối hiển thị, bao gồm các module LED P10 ghép nối lại với nhau để tạo thành một ma trận LED lớn. Việc sử dụng module P10 giúp đơn giản hóa quá trình thi công mạch quang báo vì chúng đã được tích hợp sẵn IC điều khiển và có giao diện kết nối chuẩn. Khối thứ ba là khối giao tiếp và nguồn. Để kết nối với máy tính, mạch sử dụng IC MAX232. Đây là một linh kiện quan trọng, có chức năng chuyển đổi mức điện áp tín hiệu giữa chuẩn TTL của vi điều khiển (0-5V) và chuẩn RS232 của cổng COM máy tính (+/-12V), đảm bảo giao tiếp ổn định và tin cậy. Về phần nguồn, một nguồn tổ ong 5V công suất cao được sử dụng để cung cấp đủ năng lượng cho toàn bộ hệ thống, đặc biệt là các module LED. Sơ đồ nguyên lý được thiết kế cẩn thận trên phần mềm Proteus để mô phỏng và kiểm tra trước khi tiến hành thiết kế mạch in, giúp giảm thiểu sai sót trong quá trình lắp ráp mạch điện thực tế.

3.1. Thiết kế khối vi điều khiển và giải mã địa chỉ chuyên dụng

Khối điều khiển là trái tim của hệ thống. Vi điều khiển AT89C51 được kết nối với một mạch dao động thạch anh 12MHz để tạo xung nhịp hoạt động. Các cổng I/O của vi điều khiển được sử dụng để gửi dữ liệu và tín hiệu điều khiển. Để mở rộng khả năng điều khiển, IC giải mã địa chỉ 74LS138 được dùng để chọn hàng nào của ma trận LED sẽ được kích hoạt tại một thời điểm. Tín hiệu từ vi điều khiển sẽ được đưa vào các ngõ vào của 74LS138, và các ngõ ra của nó sẽ điều khiển các transistor cấp nguồn cho từng hàng. Dữ liệu cho các cột được chốt lại bằng IC 74LS573 trước khi đẩy ra các module LED. Thiết kế này giúp tối ưu hóa số chân của vi điều khiển.

3.2. Lựa chọn và lắp ráp ma trận LED cho mạch hiển thị

Khối hiển thị được xây dựng từ việc ghép nối các module LED P10. Đây là loại module phổ biến trong ngành quảng cáo, có ưu điểm là độ sáng cao, góc nhìn rộng và dễ dàng ghép nối để tạo ra các bảng hiển thị với kích thước tùy chỉnh. Mỗi module P10 là một ma trận LED nhỏ, thường có kích thước 16x32 pixel. Việc lắp ráp mạch điện cho khối này bao gồm việc kết nối các chân dữ liệu, chân điều khiển và chân nguồn giữa các module một cách nối tiếp hoặc song song, tùy thuộc vào cấu trúc của bảng quang báo. Việc sử dụng các module có sẵn giúp giảm đáng kể độ phức tạp so với việc tự hàn một ma trận LED từ các bóng LED rời.

IV. Phương pháp lập trình firmware và phần mềm điều khiển

Phần mềm là linh hồn của hệ thống mạch quang báo giao tiếp máy tính, bao gồm hai thành phần chính: firmware cho vi điều khiển và phần mềm điều khiển trên máy tính. Firmware được phát triển bằng ngôn ngữ Assembly hoặc C, có nhiệm vụ khởi tạo các ngoại vi của vi điều khiển như Timer, cổng nối tiếp (UART), và các cổng I/O. Chương trình chính chứa một vòng lặp vô tận thực hiện hai nhiệm vụ song song: quét ma trận LED theo một tần số nhất định (được định thời bởi Timer) và kiểm tra bộ đệm dữ liệu. Dữ liệu được nhận từ máy tính thông qua ngắt giao tiếp nối tiếp. Khi có dữ liệu mới, chương trình con phục vụ ngắt sẽ đọc và lưu vào RAM, sau đó chương trình chính sẽ xử lý và cập nhật nội dung hiển thị. Các hiệu ứng chữ như chạy, trôi, nhấp nháy được lập trình bằng cách thao tác trên mảng dữ liệu hiển thị trước khi gửi ra các cổng. Song song đó, phần mềm điều khiển trên máy tính được xây dựng bằng Visual Basic trong môi trường Visual Studio. Giao diện phần mềm cung cấp cho người dùng một ô văn bản để nhập nội dung, các tùy chọn để chọn hiệu ứng, tốc độ. Khi người dùng nhấn nút gửi, chương trình sẽ thiết lập kết nối đến cổng COM, định dạng dữ liệu theo một giao thức định trước và truyền xuống vi điều khiển.

4.1. Xây dựng firmware vi điều khiển với các module chức năng

Việc xây dựng firmware được chia thành các module chức năng rõ ràng. Module UART chịu trách nhiệm cấu hình và xử lý ngắt cho giao tiếp nối tiếp. Module Timer được cấu hình để tạo ra một ngắt định kỳ, phục vụ cho việc quét LED, đảm bảo tần số quét ổn định. Module hiển thị chứa các hàm để lấy dữ liệu từ bộ đệm, giải mã thành mẫu bit và xuất ra các cổng I/O để điều khiển ma trận LED. Lưu đồ thuật toán được thiết kế chi tiết cho từng chức năng, từ việc dò mã ký tự, chuyển đổi sang font chữ ma trận, cho đến việc xử lý các hiệu ứng chữ. Toàn bộ mã nguồn sau khi biên dịch sẽ được nạp chương trình vào bộ nhớ Flash của vi điều khiển bằng mạch nạp chuyên dụng.

4.2. Lập trình giao diện điều khiển bằng Visual Basic và MSComm

Trên máy tính, phần mềm điều khiển được lập trình bằng Visual Basic 6.0, một công cụ mạnh mẽ để tạo giao diện người dùng đồ họa (GUI) một cách nhanh chóng. Thành phần cốt lõi được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp là điều khiển MSComm (Microsoft Communications Control). Điều khiển này đóng gói các hàm API phức tạp của Windows, cho phép lập trình viên dễ dàng mở/đóng cổng COM, thiết lập các thông số (tốc độ baud, parity...), gửi và nhận dữ liệu. Giao diện chương trình bao gồm một TextBox để người dùng nhập chuỗi ký tự, các ComboBox để chọn cổng COM và các tham số truyền, và một nút Button để thực hiện lệnh gửi. Đoạn mã xử lý sự kiện của nút này sẽ lấy dữ liệu từ TextBox, thêm các ký tự điều khiển (nếu cần) và ghi vào thuộc tính Output của đối tượng MSComm để truyền đi. (Nguồn: Luận văn tốt nghiệp, ĐHSPKT TP.HCM, 2003).

V. Kết quả và ứng dụng thực tiễn của mạch quang báo DIY

Kết quả của dự án thiết kế và thi công mạch quang báo giao tiếp với máy tính là một sản phẩm hoàn chỉnh, có khả năng hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu đề ra. Mạch quang báo có thể hiển thị một chuỗi ký tự dài (ví dụ 64 hoặc 70 ký tự) được nhập từ phần mềm điều khiển trên máy tính. Các hiệu ứng chữ cơ bản như chạy từ phải sang trái đã được triển khai thành công, tạo sự thu hút cho nội dung hiển thị. Quá trình giao tiếp nối tiếp qua cổng COM diễn ra thông suốt, dữ liệu được truyền và nhận chính xác giữa máy tính và vi điều khiển. Một ưu điểm quan trọng của thiết kế là sau khi dữ liệu được nạp vào bộ nhớ của mạch, máy tính có thể được ngắt kết nối mà bảng quang báo vẫn tiếp tục hoạt động độc lập, hiển thị nội dung đã nhận. Điều này rất tiện lợi trong các ứng dụng thực tế. Sản phẩm của đồ án điện tử này có thể được ứng dụng rộng rãi làm bảng thông tin trong trường học, bảng tỷ giá trong ngân hàng, bảng chào mừng tại các cửa hàng, hoặc làm một bảng quảng cáo điện tử cỡ nhỏ. Dự án không chỉ là một bài tập kỹ thuật mà còn là một minh chứng cho khả năng tạo ra các sản phẩm điện tử hữu ích từ những linh kiện phổ thông.

5.1. Mô tả hoạt động và các hiệu ứng chữ của sản phẩm

Sản phẩm sau khi hoàn thiện lắp ráp mạch điện và nạp chương trình hoạt động như sau: Người dùng khởi động phần mềm điều khiển trên PC, nhập dòng văn bản mong muốn vào ô nhập liệu, sau đó nhấn nút 'Gửi'. Dữ liệu được truyền qua cáp RS232 đến mạch điều khiển. Vi điều khiển nhận dữ liệu, lưu vào RAM và bắt đầu quá trình hiển thị lên ma trận LED. Nội dung sẽ được cuộn liên tục trên màn hình. Các hiệu ứng chữ được lập trình trong firmware, có thể được kích hoạt bằng cách gửi các mã lệnh đặc biệt từ máy tính. Mạch hoạt động ổn định với nguồn tổ ong 5V.

5.2. Đánh giá ưu điểm và hạn chế của đồ án điện tử thực tế

Ưu điểm lớn nhất của mô hình này là chi phí thấp, linh hoạt và dễ dàng tùy biến nội dung. Nó là một đồ án điện tử tuyệt vời để sinh viên thực hành các kỹ năng về thiết kế mạch, lập trình nhúng và lập trình ứng dụng. Tuy nhiên, đề tài cũng có một số hạn chế. Thứ nhất, việc sử dụng chuẩn giao tiếp nối tiếp RS232 đã cũ và không còn phổ biến trên các máy tính hiện đại. Thứ hai, khả năng hiển thị bị giới hạn ở LED đơn sắc và các hiệu ứng chữ cơ bản. Khả năng mở rộng cũng phụ thuộc nhiều vào dung lượng bộ nhớ và tốc độ xử lý của vi điều khiển AT89C51. (Nguồn: Luận văn tốt nghiệp, ĐHSPKT TP.HCM, 2003).