Thiết kế và ứng dụng mạch quang báo dùng vi điều khiển”

Năm 1971 với sự ra đời của Vi xử lý (Microprocessor)- bộ phận xử lý trung tâm để xử lý lệnh đã đánh dấu bước phát triển vượt bậc của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiên đại. Ban đầu vi xử lý với 4 bit dữ liệu sau đó đã phát triển thành 8 bit(8080,8085,8088),16 bit(8086,80286), 32 bit(80386,80486) và 64 bit(80586) …

Trên cơ sở phát triển của kỹ thuật vi xử lý người ta đã chế tạo được các máy vi tính cá nhân ,các thệ hệ máy vi tính với công nghệ cao theo đó được phát minh đã tạo ra sự bùng nổ thông tin vì máy tính đã xâm nhập vào hầu hết các lĩnh vực khoa hoc kỹ thuật, truyền thông với mạng toàn cầu và đời sống xã hội.

Vi điều khiển(Microcontroller) là một vi mạch tích hợp lớn có kích thước nhỏ( rộng cỡ 2cm,dài từ 3-8 cm,với số chân từ 18,28,40,48,64). Vi điều khiển có khả năng như một máy vi tính , nhưng có ưu điểm đặc biệt về kích thước rất nhỏ nên đã xâm nhập sâu hơn vào các thiết bị đo lường , điều khiển tự động hoá và đặc biệt vào các thiết bị của đời sống hàng ngày như đồng hồ thời gian , đồng hồ báo giờ , đầu máy ghi âm và phát âm hay phát hình …một ứng dụng của vi điêù khiển mà chúng em muốn đề cập tới đó là các bảng đèn , áp phích quảng cáo hay là bảng quang báo với kỹ thuât lập trình đa dạng cho vi điều khiển ta có những bảng quang báo đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ và thông tin quảng cáo trong thời đại công nghiệp hiện nay…

Sau thời gian tìm hiểu và học tập với môn học Kỹ thuật Vi Xử Lý chúng em

được giao nhiệm vụ làm đồ án môn học với đề tài:

“ Thiết kế và ứng dụng mạch quang báo dùng vi điều khiển”

Dưới sự giảng dạy và hướng dẫn của thày giáo Đặng Văn Khanh đến nay chúng em đã hoàn thành đề tài được giao .Rất mong được sự ủng hộ của quý thày cô và các bạn.

Chúng em xin chân thành cám ơn!

Hưng Yên ngày…tháng…năm 2008

Nội dung Trang

1/ Ý tưởng thiết kế

2/ Mục đích thiết kế

Phần 2: Thiết kế mạch

Chương 1: Các khối và chức năng các khối

1.1/ Sơ đồ các khối trong mạch

1.2/Chức năng nhiệm vụ các khối

2.1/ Sự lưu ảnh của mắt

2.2/ Giới thiệu về ma trận led 8 x 8.

2.3/ Giới thiệu về IC89C51.

2.4/ Bộ ghi dịch (IC74HC164).

2.5/ Giới thiệu về các IC đệm dòng.

2.5.1/ Transistor C2383.

2.6 / IC 74HC245

2.7 / IC ULN2803.

Chương 3: Thiết kế sơ đồ nguyên lý của mạch quang báo.

3.1/ Khối nguồn.

3.2/ Khối điều khiển và đệm dòng.

3.3/ Khối quét cột và hiển thị

Chuơng 4: Thiết kế sơ đồ board.

4.1/ Sơ đồ board khối điềukhiển và đệm dòng.

4.2/ Sơ đồ board khối ghi dịch .

Chương 5: Chương trình điều khiển.

5.1/ Lưu đồ thuật toán.

5.1.1/ Lưu đồgiải thuật lập trình cho vi điều khiển AT89C51.

5.1.2/ Lưu đồ thuật toán điều khiển từ xa.

5.2/ Mã nguồn chương trình điều khiển.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………....

1/ Ý tưởng thiết kế

• 
  Thiết kế mạch quang báo ứng dụng AT89C51 dùng led ma trận để hiển thị, số led ma trận sử dụng 20 led tương ứng 16 hàng x 80 cột hoặc ta có thể sử dụng phương án kết led đơn tạo ma trận led có kích thước 16 hàng x 80 cột để hiển thị bảng chữ
  
• 
  Viết thuật toán ( chương trình điều khiển) cho bảng quang báo trên phần mềm chuyên dụng vì Vi điều khiển chỉ nhận và nhận và xử lý chương trình dưới dạng file hex. Vì vậy cần phải có phần mềm để soạn thảo và biên dịch chương trình sang mã hex. Hiện nay, có rất nhiều phần mềm có thể lập trình và mô phỏng: prog studio, sim.51, Raisonance Kit 6.1(Ride)…
  

- Về phương pháp điều khiển chúng em dùng phương pháp quét cột và xuất dữ liệu ra hàng vì số hàng ít hơn số cột.

Thuật toán quét cột ta có thể sử dụng 2 phương án :

Một là viêt chương trình điều khiển quét cột nạp cho vi điều khiển AT89C51 sử dụng 1 Port của AT89C51 để xuất mã quét

Hai sử dụng bộ ghi dịch 74164 tạo bit dịch để xuất mã quét cột của ma trận led.Trong phương án này có ưu điểm hơn phương án 1 là không hạn chế số cột cần được quét của ma trân led ,ví dụ có n led ma trận cần n IC74164 quét được 8.n cột,trong khi nếu ta dùng phương án 1 thì chỉ quét được 8 ma trận led tương ứng với 64 cột. Nhưng có hạn chế là nêu dùng IC 74164 để quét cột thì chi phí cho mạch sẽ đăt hơn, Nếu mạch quang báo của ta sử dụng nhỏ hơn hoặc bằng 8 ma trận led thì sử dụng phương án 1 là tối ưu,

Chúng em đã chọn phương án dùng IC74164 tạo bit dịch để xuất mã quét led . Nội dung hiển thị là dòng chữ:

2/ Mục đích thiết kế

• 
  Phát huy những thành quả ứng dụng của kỹ thuật vi điều khiển tạo ra những sản phẩm có tính ứng dụng cao vào đời sống xã hội đang phát triển không ngừng.
  
• 
  Việc thực hiện đề tài giúp chúng em rèn luyện kỹ năng thực hành tiếp cận với thực tế và đây cũng là cơ hội để kiểm chứng nhứng kiến thức đã được học.
  

1.1/ Sơ đồ các khối trong mạch:

1.2.1/ Khối nguồn: có nhiệm vụ cung cấp năng lượng hoạt động cho các khối điều khiển, khối đệm dữ liệu và bảng ma trận led. Nguồn cung cấp cho toàn mạch quang báo là nguồn một chiều có độ lớn 5V.

1.2.2/ Khối điều khiển: có vai trò quan trọng đối với sự hoạt động của mạch quang báo, chương trình hiển thị thông tin trên bảng ma trận led do khối điều khiển đảm nhận thực hiện thông qua IC89C51.

1.2.3/ Khối đệm dữ liệu: tín hiệu điều khiền được xuất ra từ khối điều khiển sẽ được đưa tới khối đệm dữ liệu để khuêch đại tín hiệu điều khiển qua các IC đệm dòng đảm bảo đủ dòng của tín hiệu điều khiển cho bảng ma trận led.

1.2.4/ Khối hiển thị: Là bảng ma trận led có kích thước(16 hàng x 64 cột) có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu điều khiển hiển thi nội dung thông tin mà người dùng muốn hiển thị, nội dung đó đã được lập trình bằng phần mềm ở khối điều khiển.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế mạch

2.1/ sự lưu ảnh của mắt:

Mắt người có khả năng lưu hình ảnh vừa quan sát trong khoảng thời gian 0,1s, nghĩa là khi quan sát hình ảnh mới thì hình ảnh cũ trước đó vẫn tồn tại trong khoảng 0,1s được lưu trên võng mạc nên trong kỹ thuật trình chiếu phim ảnh các nhà kỹ thuật đã lợi dụng đặc điểm của mắt sử dụng phát 24 hình/s để tạo cảm giác những hình ảnh đó là liên tục mà thực chất đó chỉ là những hình ảnh rời rạc được phát với tốc độ 24 hình/s .

Khi thiết kế bảng quang báo người ta cũng lợi dụng khả năng lưu ảnh và sự phân giải của mắt để tạo ra những bảng quang báo có kích thước khác nhau phù hợp với mục đích sử dụng và tính toán sao cho mắt người quan sat được sắc nét nhất. Trong bảng quang báo sử led ma trận ta phải tính toán thời gian quét led hợp lý để khi xuất dữ liệu hiển thị mắt người quan sát được hình ảnh trôi qua là liên tục.

2.2/ Giới thiệu về ma trận led cỡ 8x8:
Hình ảnh

thực tế:
Đèn led kiểu ma trận hay ma trận gồm nhiều diot phát quang(LED)

Được mắc theo kiểu ma trận theo hàng và cột như hình vẽ:

Các đường dây hàng được mắc với các bit của một cổng và các đường dây cột được mắc với các bit của một cổng khác.

• 
  Một diot sẽ phát sáng khi có đồng thời hai tín hiệu:
  

+ tín hiệu âm trên đường dây cột mắc với katot của diot.

Các diot của ma trận diot sẽ sáng lần lượt theo kiểu quét theo từng hàng và từng cột. Vì thời gian quét cả ma trận theo các hàng và các cột tương đối ngắn trên 24h/s nên mắt ta quan sát thấy các diot sáng đồng thời và cho một bức tranh sáng của cả ma trận 8x8 diot.

Muốn điều khiển một ma trận diot hiển thị một số hay một chữ, ta phải:

• 
  Xây dựng các điểm (hay diot) sáng theo hình chữ hay hình số đó theo ma trận gồm các hàng và các cột. Mỗi chữ số hay mỗi ký tự chiếm một ma trận. Nếu có chuỗi chữ số cho một con số hay chuỗi ký tự phải có nhiều ma trận led ghép lại hay bảng dữ liệu.
  

- Viết chương trình để:

+ Đọc bảng giá trị của một hàng để đưa dữ liệu 1 ra một bit của cổng mắc với đường dây hàng đó vào các anot của diot mắc với đường dây hàng.

+ Đưa tín hiệu 0 ra các bit của cổng mắc đường dây cột, nếu anot nào có tín hiệu 1 diot đó sẽ sáng.

+ Tiếp tục quét các hàng rồi đưa tín hiệu 0 ra các cột, cho tới khi các hàng được quét xong.

Ví dụ ta muốn hiển thị chữ “T” trên ma trận. Khi đó các diot trên cột , cột 8 và hàng 8 sáng. Muốn như vậy thì các bit thuộc cổng P0 và P1 đều ở mức 1 như vậy thì toàn diot trong ma trận led sẽ sáng. Như vậy ta không thể điều khiển ma trận led bằng cách hiển thị tĩnh mà phải dùng cách hiển thị động, đó là phương pháp quét led nghĩa là cấp tín hiệu điều khiển theo dạng xung quét cho các hàng và các cột cần được hiển thị.

Giả sử thời gian quét từ cột 1 đến cột 8 là một chu kỳ và để đảm bảo cho mắt quan sát các led sáng đều và không bị nhấp nháy thì tần số quét nhỏ nhất cho một chu kỳ là 50 hz.

Để hiển thị chữ “T” ta có thể mô tả được các bước quét trong một chu kỳ như sau:

+ Bước 1: P0.3=1, P0.4=1,P1.0=1 Led hàng 4, hàng 5 cột 1 sáng

+ Bước 2: P0.3=1, P1.1=1 Led hàng 4 cột 2 sáng

+ Bước 3: P0.3=1; P1.2=1 Led hàng 4 cột 3 sáng

+ Bước 4: P0.3=1;P0.4=1;P0.5=1 led hàng 4, 5,6,7,8 cột 4 sáng

P0.6=1;P0.7=1;P1.3=1

+ Bước 5: P0.3=1; P1.4=1 led hàng 4 cột 5 sáng

+ Bước 6: P0.3=1;P1.5=1 led hàng 4 cột 6 sáng

+ Bước 7: P0.3=1;P0.4=1; P1.6=1 led hàng 4,5 cột 7 sáng

+ Bước 8: quay trở lại bước 1.
Với việc hiển thị chữ “T” trên ta chỉ cần sử dụng một ma trận led 8x8 do đó chúng ta có thể sử dụng trực tiếp các bít của cổng vi điều khiển AT89C51

Đối với một bảng quang báo thì cần có nhiều hàng, nhiều cột. Một trong các cách để điều khiển quét cột khi số cột cần quét là lớn và số cổng của AT89C51 không đáp ứng đủ thì chúng ta có thể dùng bộ ghi dịch 74HC164 để điều khiển quét cột. Khi đó tín hiệu quét hàng được lấy ra từ các cổng của vi điều khiển(tùy thuộc vào số hàng led ma trận tra sử dụng trong bảng quang báo mà cần đến 1,2 hoặc 3 cổng). Tín hiệu quét cột được lấy từ đầu ra của bộ ghi dịch 74HC164.

Tín hiệu quét cột sẽ dịch theo từng xung clock do người lập trình tạo ra. Cứ sau mỗi một xung thì một cột được dịch, đồng thời vào thời điểm mỗi cột được dịch thì dữ liệu cần hiển thị tương ứng cũng được đưa ra hàng. Như vậy để hiển thị được thông báo thì xung dịch và dữ liệu phải được xuất đồng bộ.

Theo ví dụ hiển thị chữ “T” trên thì cần xuất ra cổng P0 các mã chữ:

18h,08h,08h,0f8h,08h,08h,18h,00h.

+Bước 1: xuất mã 18h ra cổng P0 đồng thời cột 1 của ma trận led được tích cực nhờ có xung clock va bộ ghi dịch.

…

Tương tự đến bước 8: xuất mã 18h ra cổng P0 đồng thời cột 8 được tích cực.

Gọi t là thời gian cho một xung dịch:

Với tần số quét cho cột là 50 Hz.

Như vậy thời gian để dịch một xung clock là: t= 1/50 Hz = 0,02s = 20 ms.

Quá trình quét cột như vậy xảy ra rất nhanh tính bằng ms cho mỗi cột do đó mắt ta có cảm giác các led được sáng đồng thời.

Vi điều khiển 8051 được chế tạo theo cấu trúc của một hệ vi tính gồm các khối có sơ đồ sau:

• 
  Bộ xử lý trung tâm CPU (Central Processor Unit): dùng để điều khiển toàn vi mạch trong việc thực hiện lệnh và xử lý số học , logic.
  
• 
  Bộ nhớ RAM bên trong: (128 byte cho 8051) dùng làm các thanh ghi thông dụng, đặc biệt SFR và xử lý bít để ghi nhớ dữ liệu cho chương trình.
  
• 
  Các cổng trao đổi tin vào ra dữ liệu va địa chỉ P0 – P2: dùng trao đổi tin song song về địa chỉ và dữ liệu (D0- D7) như sau:
  

+ cổng P2: trao đổi tin về dữ liệu (D0-D7) hay địa chỉ cao(A8-A15) khi có bộ nhớ ngoài mở rộng.

+ cổng P1: trao đổi tin về dữ liệu song song D7-D0.

• 
  Cổng trao đổi tin nối tiếp : dùng trao đổi tin nối tiếp nhận vào từ chân RXD và đưa ra truyền tới chân TXD.
  
• 
  Khối định thời gian bộ đếm Timer/Counter 0,1 và 2: dùng để định thời gian và đếm xung ngoài vào các chân T0,T1,T2.
  
• 
  Khối điều khiển ngắt chương trình: dùng để ngắt chương trình khi có đếm tràn hay có xung ngoại.
  

Vi điều khiển 8051 là vi mạch tích hợp mật độ lớn có 40 chân . Sơ đồ chân của chúng như hình 1-1:

Số 40 chân trên chia thành các nhóm: nguồn nuôi, điều khiển ,các tin hiệu địa chỉ, dữ liệu.

+ Nguồn nuôi 5V (chân số 40)

+ Nối đất (chân số 20): để nuôi vi mạch.

2/ Nhóm chân điều khiển: Nhóm này còn phân biệt các tin hiệu vào ra.

a/ Nhóm tín hiệu vào điều khiển

+ XTAL1 (chân số 18) và XTAL2 (chân số 19): nối tinh thể thạch anh cho máy phát xung nhịp chu trình.

+ RST (RESET):(chân số 9) nối chuyển mạch để xóa về trạng thái ban đầu hay khởi động lại.

+ /EA/CPP:(chân số 31) chọn nhớ ngoài (nối đất) hay nhớ trong (nối nguồn nuôi 5V).

+ T2 hay P1.0:(chân số 1)tín hiệu vào đếm cho Timer2/Counter2

+ T2EX:(chân số 2) tín hiệu vào ngắt ngoài

+ /INT0 hay P3.2:(chân số 12) tín hiệu vào gây ngắt ngoài 0 cho vi điều khiển 8051.

+ /INT1 hay P3.3:(chân số 13) tín hiệu vào gây ngắt ngoài 1cho vi điều khiển 8051.

+T0 hay P3.4:(chân số 14) tín hiêu vào đếm cho Timer0/Counter0.

+ T1 hay P3.5:(chân số 15) tín hiệu vào đếm cho Timer1/Counter1

b/ Nhóm tín hiệu ra điều khiển

+ ALE//PROG:(chân số 30) dùng để đưa tín hiệu chốt địa chỉ (ALE) khi có nhớ ngoài hay điều khiển ghi chương trình /PROG.

+ /PSEN :(chân số 29) dùng để đưa tín hiệu điều khiển đọc bộ nhớ chương trình ROM ngoài.

+ /WR hay P3.6(chân số 16) để đưa tín hiệu ghi dữ liệu vào bộ nhớ ngoài.

+/RD hay P3.6:(chân số 17) để đưa tín hiệu đọc dữ liệu từ bộ nhớ ngoài.

c/ Nhóm các tín hiệu địa chỉ ,dữ liệu.

+ Cổng vào ra địa chỉ/ dữ liệu P0 hay P0.0- P0.7:(chân số 39 - 32) dùng để trao đổi tin về dữ liệu (D0 – D7) vào /ra song song hoặc đưa ra các địa chỉ thấp (A0 – A7) theo chế độ dồn kênh (kết hợp với tín hiệu chốt địa chỉ ALE).

+ Cổng vào ra địa chỉ/dữ liệu P2 hay P2.0 – P2.7 :(chân số 21 - 28) dùng để trao đổi tin song song về dữ liệu (D0 –D7) hoặc đưa ra các địa chỉ cao(A8 –A15).

+ Cổng vào ra dữ liệu P1 hay P1.0- P1.7:(chân số 1- 8)dùng để trao đổi tin song song về dữ liệu (D0 – D7).

+ Cổng vào ra P3 hay P3.0 – P3.7 với:

• 
  P3.0 : (chân số 10) đưa vào tín hiệu nhận tin nối tiếp RXD.
  
• 
  P3.1:(chân số 11) đưa tín hiệu truyền tin nối tiếp TXD
  
• 
  P3.2 :(chân số 12) nhận tín hiệu ngắt ngoài 0 /INT0
  
• 
  /INT0 hay P3.2 : tín hiệu vào gây ngắt 0 của VDK 8051
  
• 
  /INT1 hay P3.3 :(chân số 13)tín hiệu vào gây ngắt 1 của VDK 8051.
  
• 
  T0 hay P3.4 :(chân số 14) tín hiệu vào đếm cho Timer0/Counter0.
  
• 
  T1 hay P3.5 :(chân số 15) tín hiệu vào đếm cho Timer1/Counter1.
  
• 
  /WR hay P3.6:(chân số 16) để đưa tín hiệu ghi dữ liệu vào bộ nhớ ngoài.
  
• 
  /RD hay P3.7 :(chân số 17) để đưa tín hiệu đọc dữ liệu từ bộ nhớ ngoài.
  
• 
  T2 hay P1.0 :(chân số 1) tín hiệu vào đếm cho Timer2/Counter2.
  
• 
  T2EX :(chân số 2) tín hiệu vào gây ngắt ngoài 2.
  

Bộ ghi dịch còn được gọi là thanh ghi dịch, nó co khả năng ghi và dịch thông tin(dữ liệu) có thể sang trái hoặc sang phải.

Bộ ghi dịch được cấu tạo từ một dãy phần tử nhớ đơn bit(triger) mắc liên tiếp với nhau và một số cửa logic cơ bản hỗ trợ. Mỗi trigger có khả năng nhớ 1 bit dữ liệu muốn mạch nhớ nhiều bit phải sử dụng nhiều triger, các bit dữ liệu được lưu trữ trong triger có khả năng dich về hai phía nhờ có xung clock tác động.

Muốn ghi và truyền một từ nhị phân n bit thì cần n phần tử nhớ(n triger). Trong các bộ ghi dịch thường dùng các triger đồng bộ như triger RST, triger JK, triger D. Thông thường người ta hay dùng các triger D hoặc các triger khác nhưng mắc theo kiểu triger D để tạo thành các bộ ghi .

Có hai cách ghi:

• 
  Ghi song song: các bit của từ nhị phân được ghi đồng thời cùng một lúc vào bộ ghi.
  
• 
  Ghi nối tiếp: các bit của từ nhị phân được đưa vào bộ ghi một cách tuần tự theo thứ tự của từ nhị phân.
  

Bộ ghi nối tiếp (n bit): là bộ ghi chỉ có một nối vào,nó có thể ghi dịch trái,dịch phải và cho nối ra nối tiếp và song song. Khi muốn ghi thì phải đưa các bit thông tin nối tiếp về thời gian truyền lần lượt vào nối vào nối tiếp theo sự điều khiển đồng bộ của các xung nhịp. Cứ sau mỗi xung nhịp trạng thái của triger lại được xác lập theo thông tin lối vào D của nó.

• 
  Bộ ghi nối tiếp dịch phải có các nối ra song song và ra nối tiếp:Có nối ra của triger trước lại được nối với nối vào D của triger sau, nên sau mỗi lần có xung nhịp tác động, triger sau lại nhận giá trị của triger đứng trước nó. Đầu vào nối tiếp là đầu vào triger đầu tiên, đầu ra nối tiếp lấy ở triger cuối cùng, đầu ra song song là các đầu ra của các triger. Bộ ghi cho tín hiệu nối ra ở dạng song song hay nối tiếp phụ thuộc vào sự điều khiển tín hiệu ra.
  
• 
  Bộ triger nối tiếp dịch trái có các nối ra song song và nối ra nối tiếp: Có nối ra của triger sau được nối vào đầu vào triger đứng trước nó, nên sau mỗi lần có xung nhịp tác động triger trước lại nhận giá trị của triger đứng sau nó. Đầu vào nối tiếp là đầu vào triger cuối cùng, đầu ra nối tiếp là đầu ra của triger đầu tiên, đầu ra song song là đầu ra của các triger trong bộ ghi dịch. Với sự tác động đầu vào điều khiển sẽ cho dạng đầu ra là song song hoặc nối tiếp.
  
• 
  Bộ ghi vừa ghi nối tiếp dịch phải, vừa ghi nối tiếp dịch trái sẽ phụ thuộc vào xung điều khiển chọn kiểu ghi dịch. Và sự hoạt động giống với hai kiểu ghi dịch trái, phải như trên.
  
• 
  Ngoài ra còn có bộ ghi dịch vừa ghi nối tiếp dịch phải, vừa ghi song song và bộ ghi nối tiếp thông tin có thể lưu trữ…
  

+ 7495: 4 bit, vào song song hoặc nối tiếp, ra song song hoặc nối tiếp.

+ 74174: 6 bit, vào song song ra song song có đầu xóa.

+74178: 4 bit , vào song song hoặc nối tiếp ra song song.

+ 74165: 8 bit, vào song song ra nối tiếp.

+ 74164: 8 bit , vào nối tiếp ra song song có đầu xóa

+ 74194: 4 bit dịch trai dịch phải vào song song ra song song…

2.4.2/ Tìm hiểu về IC 74164:

Trong phạm vi này sẽ nghiên cứu về IC 74164 dùng để tạo bit dịch điều khiển quét ma trận led.

IC74164 là một thanh ghi dịch 8 bit vào nối tiếp ra song song ( serial in- paralell out). Dữ liệu nối tiếp được nhập vào thông qua cổng AND hai ngõ vào, việc nhập này đồng bộ với sườn lên của xung clock. Chân clear của IC74164 tác đông không đồng bộ với xung clock, khi chân này được tác động(tích cực ở mức thấp) thì bộ ghi dịch sẽ bị xóa hay toàn bộ đầu ra của bộ ghi dịch được xóa về 0 ( trạng thái ban đầu) . Khi dữ liệu được đưa tới đầu vào của bộ ghi dịch cùng với xung clock được tác động thì dữ liệu được dịch từng bit một,sau mỗi xung dữ liệu được lấy ra trên các đầu ra song song của IC74164. Về mặt chế tạo IC74164 được chế tạo hoàn toàn tương thích với các IC thuộc họ TTL .

Sơ đồ logic cấu tạo và giản đồ thời gian của IC 74164:

Với:

• 
  H : mức cao
  
• 
  L : mức thấp
  
• 
  X : mức cấm
  
• 
  ↑ : sườn dương của xung clock (chuyển từ mức thấp lên mức cao)
  
• 
  Q_A…Q_D là các đầu vào dữ liệu
  
• 
  Q_E…Q_H là các đầu ra dữ liệu
  
• 
  /MR : là chân clear của bộ ghi dịch(tích cực ở mức thấp)
  
• 
  CP : là chân clock (tác động bằng sườn dương)
  

Hình dạng thực tế:

• 
  Chân 1, 2 là đầu vào(input serial), đây là 2 đầu vào của một cổng AND 2 đầu vào. Dữ liệu muốn đến được FF đầu tiên để bắt đầu quá trình ghi dịch thì phải qua cổng AND 2 đầu vào này.
  
• 
  Chân 3,4,5,6,10,11,12,13 là 8 đầu ra, các đầu ra này có thể lấy ra cùng một lúc hoặc từng đầu ra tùy mục đích người sử dụng.
  
• 
  Chân 7 được nối mass
  
• 
  Chân 14 nối VCC. Cụ thể nguồn cấp là 5V với sai lệch ± 5%
  
• 
  Chân 9 là chân xóa (clear) hay reset(tích cực ở mức thấp). Khi chân này ở mức logic cao thì IC 74164 hoạt động bình thường (ghi dịch) chỉ khi chân này tích cực ở mức thấp thì trạng thái của IC sẽ bị xóa ngay lập tức nghĩa là các đầu ra sẽ được xóa về 0. Việc reset này có thể thực hiện ở bất cứ thời điểm nào khi bộ ghi dịch đang hoạt động nghĩa là nó tác đông độc lập không đồng bộ với xung clock, với bất kỳ trạng thái nào của xung clock ta đều có thể thực hiện được việc reset này.
  
• 
  Chân 8 là chân cấp xung clock cho IC hoạt động, dữ liệu ở 2 đầu A và B được đưa tới đầu ra(đồng thời dữ liệu ở các đầu ra dịch phải 1 bit) đồng bộ với xung đưa vào chân này. IC 74164 sẽ thự hiện việc ghi dịch mỗi khi có xung clock tác động.
  

Trong các mạch hiển thị bằng ma trận đèn led có kích thước lớn thì bộ đệm dòng đóng vai trò rất quan trọng. Bởi vì ngõ ra của các vi mạch số hay bộ phận điều khiển không đáp ứng được ngõ vào của các mạch đèn(không cung cấp đủ dòng cho ma trận led sáng đều). Do đó ta cần tính toán sử dụng các mạch đệm dòng cho mạch hiển thị.Tùy thuộc vào công suất của mạch hiển thị mà ta sử dụng các mạch đệm dòng với các phần tử : SCR, transistor, opto transistor, opto triac, IC 74AC245N,ULN2803…

Với bảng ma trận led (16 hàng x 64 cột) tương đối lớn như vậy nên để cho mạch hiển thị hoạt động tốt thì ta phải sử dụng các mạch đệm dòng. Ở đây ta sử dụng mạch đêm dòng cho hàng gồm : transistor C2383 kết hợp với IC đệm dòng 74AC245N. Mạch đệm dòng cho tín hiệu quét cột ta sử dụng ULN2383, cụ thể sẽ được nói ở phần sau.

Sau đây là lý thuyết tổng quan về các IC đệm:

2.5.1.1/ Khái quát chung về Transistor.

- cấu tạo: Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau, tùy theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có hai loại cấu trúc điển hình là pnp và npn như hình vẽ:

Để cấu tạo ra các cấu trúc này người ta áp dụng những phương pháp công nghệ khác nhau như: phương pháp hợp kim, phương pháp khuêch tán, phương pháp epitaxi…

Miền bán dẫn thứ nhất của transistor là miền emiter với đặc điểm là miền có tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực emiter. Miền thứ hai là miền bazo với nồng độ tạp chất nhỏ nhất và độ dày của nó nhỏ cỡ micromet, điện cực nối với miền này gọi là cực bazo. Miền còn lại là miền colecter với nồng độ tạp chất trung bình và điện cực tương ứng là colecter. Tiếp giáp p-n giữa miền emiter và bazo gọi là tiếp giáp emiter(J_E) , tiếp giáp p-n giữa miền bazo và miền colecter gọi là tiếp giáp colecter(J_C). Về ký hiệu transistor thì cần chú ý là mũi tên đặt ở giữa cực emiter và bazo có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n.

• 
  Nguyên lý làm việc: để transistor làm việc, người ta phải đưa điện áp một chiều tới các điện cực của nó, gọi là phân cực cho transistor. Đối với chế độ khuêch đại thì J_E phân cực thuận và J_C phân cực ngược.
  
• 
  Để phân tích nguyên lý làm việc ta lấy transistor pnp làm ví dụ. Do
  

Để đánh giá mức hao hụt dòng khuêch tán trong vùng bazo người ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện α của transistor.

α = I_C/I_E

hệ số α xác định chất lượng của transistor và có giá trị càng gần 1 với các transistor loại tốt.

để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện I_B tới dòng colecter(I_C) người ta định nghĩa hệ số khuêch đại dòng điện β của transistor:

β = I_C/I_B

β thường có giá trị trong khoảng vài chục đến vài trăm. Từ các biểu thức trên ta có thể suy ra vài hệ thức hay được sử dụng đối với transistor:

I_E = I_B(1 +β)

Và α = β/(1 +β)

• 
  Các cách mắc transistor :
  

+ mạch EC:

+ mạch BC:

+ mạch CC:

*/ Mét sè th«ng sè kü thuËt cã ý nghÜa giíi h¹n cÇn ph¶i biÕt khi sö dông:

- §é khuÕch ®¹i dßng ®iÖn  thËt ra kh«ng ph¶i lµ mét h»ng sè mµ cã thÓ thay ®æi theo I_C.

- Khi dßng ®iÖn I_C nhá th×  thÊp, dßng ®iÖn I_C t¨ng th×  t¨ng ®Õn gi¸ trÞ cùc ®¹i _max, nÕu tiÕp tôc t¨ng I_C ®Õn møc b·o hoµ th×  gi¶m.

+§iÖn ¸p giíi h¹n:

§iÖn ¸p ®¸nh thñng BV (Breakdown Voltage) lµ ®iÖn ¸p ng­îc tèi ®a ®Æt vµo gi÷a c¸c cÆp cùc, nÕu qu¸ ®iÖn ¸p nµy th× BJT sÏ bÞ háng. Cã 3 lo¹i ®iÖn ¸p giíi h¹n:

- BV_CE0 : ®iÖn ¸p ®¸nh thñng gi÷a C vµ E khi cùc B hë.

- BV_CB0 : ®iÖn ¸p ®¸nh thñng gi÷a C vµ B khi cùc E hë.

- BV_CB0 : ®iÖn ¸p ®¸nh thñng gi÷a E vµ B khi cùc C hë.

+ Dßng ®iÖn giíi h¹n:

- Dßng ®iÖn qua BJT ph¶i ®­îc giíi h¹n ë mét møc cho phÐp, nÕu qu¸ trÞ sè nµy BJT sÏ bÞ háng.

- Ta cã : I_Cmax lµ dßng ®iÖn tèi ®a ë cùc C vµ I_Bmax lµ dßng ®iÖn tèi ®a ë cùc B.

+ C«ng suÊt giíi h¹n:

- Khi cã dßng ®iÖn qua BJT sÏ sinh ra mét c«ng suÊt nhiÖt lµm nãng BJT, c«ng suÊt sinh ra ®­îc tÝnh theo c«ng thøc : P_{T­ ­}= I_C . V_CE.

- Mçi BJT ®Òu cã mét c«ng suÊt giíi h¹n gäi lµ c«ng suÊt tiªu t¸n tèi ®a P_Dmax (Dissolution). NÕu c«ng suÊt sinh ra trªn BJT lín h¬n c«ng suÊt P_Dmax th× BJT sÏ bÞ háng.

+TÇn sè c¾t (thiÕt ®o¹n):

TÇn sè thiÕt ®o¹n (fcut-off) lµ tÇn sè mµ BJT cã ®é khuÕch ®¹i c«ng suÊt lµ 1.

VD: Transistor 2SC458 cã c¸c th«ng sè kü thuËt nh­ sau:

Beta = 230; BV_CE0 = 30V; BV_CB0 = 30V; BV_EB0 = 6V; P_Dmax = 200mW

Fcut-off = 230MHz

I_{C max} = 100mA; lo¹i NPN chÊt Si.

Transistor 2SC2383 hay gäi lµ (C2383) thuộc loại transistor ngược cña h·ng TOSHIBA ®­îc sö dông nhiÒu trong ti vi mµu th­êng sö dông ë ®Çu ra cña khèi tiÕng(©m thanh).

Transistor 2SC2383 cßn ®­îc sö dông trong c¸c mạch ®Öm dßng nh­ c¸c m¹ch ®Ìn giao th«ng, ®iÒu khiÓn ®éng c¬ hay m¹ch quang b¸o.

Hình dạng thực tế và một số thông số của C2383:

*/D¶i lµm viÖc ë nhiÖt ®é 25⁰C.

IC74HC245 là IC đệm dòng đảm bảo cấp đủ dòng cho ma trân led sáng đều, thực hiện khuêch đại dòng (tín hiệu điều khiển ) trước khi đưa ra khối hiển thị.

Một số thông số cần quan tâm: - Dòng đánh thủng: I_QH =24 mA

-Nguồn dòng I_QH = 15 mA

-Điện áp chịu đựng : 5V




Sơ đồ kết nối sơ đồ chân

Bảng trạng thái:

Với : H là mức cao

L là mức thấp

X là trạng thái cấm

Sơ đồ logic:

Có tới 7 kênh riêng biệt

Nguồn áp: 7V

Điện áp vào DIR hoặc G : 7V

A hoặc B : 5V

Trong điều kiện làm việc bình thường thì dải nhiệt độ làm việc của IC74245 nằm trong khoảng từ 0^oC đến 70^oC.

Dải nhiệt độ chịu đựng từ : - 65^oC đến 150^oC.

Các thông số hoạt động:


Đặc tính điện:


Đặc tính chuyển mạch ( V_CC =5V và T_a=25⁰C):


2.7/ Giới thiệu về IC ULN2803.

ULN 2803 là một vi mạch đệm, bản chất cấu tạo là các mảng darlington chịu được dòng điện lớn và điện áp cao trong đó có chứa 7 cặp darlington cực góp hở với cực phát chung. Mỗi kênh trong số 7 kênh đều có thể chịu được dòng điện lớn trong một khoảng thời gian dài lên tới 500 mA với biên độ đỉnh lên tới 600 mA. Mỗi kênh có một diode chặn- diode này có thể sử dụng trong trường hợp tải có tính cảm ứng, ví dụ như các rơle…

ứng dụng của ULN2803 được sử dụng trong các mạch đệm điều khiển động cơ một chiều ,động cơ bước, khối hiển thị ma trận led…

sau đây là sơ đồ khối của vi mạch đệm ULN 2803. Theo sơ đồ ta thấy với mỗi bộ đệm có một diode kết nối theo kiểu anot được kết nối với lối ra còn catot được nối chung với catot của các diode còn lại. Lối ra của vi mạch là các cực góp hở, tải được nối giữa nguồn nuôi và lối ra của vi mạch đệm. Nguồn nuôi là nguồn điện áp dương bất kỳ nhỏ hơn 50V, chẳng hạn tải là động cơ bước thì nguồn nuôi là 12V, tải là hệ thống hiển thị ma trận led tì nguồn nuôi là 5V…

dòng qua tải phải được tinhd toán sao cho dòng chảy lâu dài nhỏ hơn 500 mA và dòng đỉnh nhỏ hơn 600 mA tính trên mỗi mạch.

Hình dạng thực tế

+/ Một số thông số kỹ thuật:

• 
  Đặc tính điện ở 25^oC:
  

Đặc tính	Ký hiệu	Kiểm tra điều kiện	Giới hạn
			Min	Typ	Max	Đơn vị
Dòng điện dò đầu ra	I­CEX	VCE = 50V, TA = 250C	_	<1	50	A
		VCE = 50V, TA = 700C	_	<1	100	A
Điện áp bão hòa trên Colecter-Emiter	VCE(SAT)	IC = 100mA, IB = 250mA	_	0,9	1.1	V
		IC = 200mA, IB = 350A	_	1,1	1,3	V
		IC = 350mA, IB = 500A	_	1,3	1,6	V
Dòng điện vào	IIN(ON)	VIN = 3,85V	_	0,93	1,35	mA
	IIN(OFF	IC = 500A, TA = 700C	50	65	_	A
Điện áp vào	VIN(ON)	VCE = 2,0V, IC = 200mA	_	_	2,4	V
		VCE = 2,0V, IC = 250mA	_	_	2,7	V
		VCE = 2,0V, IC = 300mA	_	_	3,0	V
Điện dung đầu vào	CIN		_	1,5	2,5	pF
Mở trễ	tPLH	0,5 EIN ®Õn 0,5 EOUT	_	0,25	1	s
Ngắt trễ	tPHL	0,5 EIN ®Õn 0,5 EOUT	_	0,25	1	s
Dòng điện dò trên diode	IR	VR = 50V , TA = 250C	_	_	50	A
		VR = 50V , TA = 700C	_	_	100	A
Điện áp dò trên diode	VF	IF = 350 mA	_	1,7	2,0	V

Giới hạn lớn nhất:

• 
  Điện áp ra V_CE = 50V
  
• 
  Điện áp vào V_IN = 30V
  
• 
  Dòng điện đầu ra lien tục : I_C = 500 mA
  
• 
  Dòng điện đầu vào lien tục : I_IN = 25 mA
  
• 
  Công suất tiêu tán trên mỗi cặp darlington: P = 1 w
  
• 
  Dải nhiệt độ làm việc (T_A) từ : - 20^oC đến 85^oC
  
• 
  Dải nhiệt độ chịu đựng (T_S) từ: - 55^oC đến 150^oC
  

Để tiện lợi cho quá trình thiết kế và kiểm tra mạch. Sơ đồ nguyên lý của mạch được chia làm 4 khối :

1/ Khối nguồn

2/ Khối điều khiển và đệm dòng

3/ Khối quét và hiển thị

Sau đây ta sẽ nghiên cứu sơ đồ chi tiết của các khối, chức năng và nhiệm vụ các khối:

Ta có sơ đồ nguyên lý:

Chức năng và nhiệm vụ:

Khối nguồn có nhiệm vụ rất quan trọng đó là cung cấp năng lượng hoạt động cho toàn hệ thống mạch quang báo.

Điện áp cung cấp cho các khối điều khiển và đệm hàng, khối quét và hiển thị là 5VDC.

Khi thiết kế phải tính toán cung cấp đủ dòng cho các khối hoạt động để đảm bảo cho bảng ma trận led sáng đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và thẩm mỹ.


3.2/ khối điều khiển và đệm dòng.

+ Sơ đồ nguyên lý phần cứng:

+ Chức năng và nhiệm vụ:

Khối điều khiển dùng IC 89C51 với thuật toán điều khiển được lập trình theo ý tưởng của nhà thiết kế với cổng P0 và P2 dùng để xuất dữ liệu hàng hiển thị cho ma trận led. Cổng P3 với các chân P3.2 là chân dùng để chọn chương trình sẽ được hiển thị trên ma trận Led. Cổng P1 với chân P1.0 có tác dụng xuất ra xung Clock cấp cho khối quét cột dùng IC 74164. Chân P1.1 có tác dụng xuất ra bit dữ liệu cho đầu vào bộ ghi dịch của khối quét cột.

Khối đệm dòng gồm các IC 74HC245 và các Transistor C2383 được mắc như trên sơ đồ có chức năng khuếch đại dòng điện, đảm bảo cung cấp đủ dòng cho khối hiển thị và khối quét cột hoạt động ổn định.

+ Sơ đồ nguyên lý phần cứng khối quét cột:

+ Chức năng và nhiệm vụ:

Khối quét cột dung IC 74164 kết hợp với vi mạch đệm ULN2803. IC 74164 với đầu vào xung Clock là chân 8 được lấy từ chân P1.0 của IC vi điều khiển 89C51 và đầu vào dữ liệu dịch là chân 1,2 được lấy từ chân P1.1 của AT89C51. Với Bit dịch được nạp vào, sau mỗi xung Clock dữ liệu được dịch đi từ trái sang phải và được xuất ra các chân đầu ra để tích cực cho cột Led của bảng Led ma trận. Tại mỗi thời điểm chỉ có một cột được tích cực.Vi mạch đệm ULN2803 có tác dụng khuếch đại tín hiệu đầu ra từ bộ ghi dịch đảm bảo cung cấp đủ dòng cho bảng ma trận Led hoạt động.

+ Sơ đồ nguyên lý phần cứng khối hiển thị:

`

4.2/ sơ đồ board khối ghi dịch:

cseg

contro equ r3 ; contro=r3

diachi equ 66h ; diachi=66h

;===============================

org 0000h

start: mov sp,#30h ;2us

mov bodem,#00h ;1us

mov contro,#00h ;1us

mov diachi,#0h ;2us st:

mov p0,#00h ;2us

mov p2,#00h ;2us

clr p1.0 ;1us thiet lap che do tac

clr p1.1

k0:

;1us dong suon duong

k1: mov r2,#30 ;1us so lan quet cho mot anh

k2: setb p1.1 ;1us , thiet lap bit dich

;===========================

lap: mov a,contro ;1us

add a,bodem ;1us

mov diachi,a ;1us , diachi = contro + bodem

mov tmod,#01h ;2us , thiet lap che do 1 cua timer 0

setb p1.0 ;1us , tich cuc cot 1

;-------- xuat du lieu-------

mov a,diachi ;1us

mov dptr,#mahang1 ;2us

movc a,@a+dptr ;2us

mov p0,a ;1us , xuat ma hang1

mov a,diachi ;1us

mov dptr,#mahang2 ;2us

movc a,@a+dptr ;2us

mov p2,a

;1us , xuat ma hang 2

;------------dich ----------

mov tl0,#0a0h ;2us

mov th0,#0ffh ;2us

setb tr0 ;1us

w2: jnb tf0,w2 ;1us

clr p1.1 ;1us , xoa bit dich

clr tr0 ;1us

;------------------------

mov tl0,#0a0h ;2us

mov th0,#0ffh ;2us

setb tr0 ;1us

clr p1.0 ;1us

w4: jnb tf0,w4 ;10us

clr tf0 ;1us

clr tr0 ;1us

;--------------------------------

mov p0,#00h ;2us, chong bong ma

nop ;1us

nop ;1us

nop ;1us

mov p2,#00h ;2us, chong bong ma

;-------------------------------

cjne r5,#16,lap ;2us

mov r5,#00h ;1us

djnz r2,k2 ;2us , lam lai 20 lan

inc contro ;1us , tang dia bat dau len 1

mov a,contro ;1us

cjne a,#255,k1 ; so sanh vi tri contro voi vi tri cuoi cung

jmp start ; tro ve lam lai tu dau

mahang1:

db 00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h

db 00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h

db 00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h

db 0f8h,0f8h,00h,00h,00h,00h,00h,00h ;l

db 0fah,0fah,19h,19h,1ah,1ah,18h,00h ;e

db 00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h

db 18h,18h,18h,0f8h,0f8h,18h,18h,18h ;t

db 0f8h,0f8h,08h,08h,08h,0f8h,,0f0h,00h ; r

db 0f8h,0f8h,00h,00h,00h,00h,0f8h,0f8h ;u

db 0f8h,0f8h,60h,0c0h,80h,00h,0f8h,0f8h ;n

db 0f0h,0f8h,18h,18h,18h,18h,78h,70h ;g

db 00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h

db 0f8h,0f8h,00h,00h,00h,00h,0f8h,0f8h ;h

db 18h,18h,18h,0f8h,0f8h,18h,18h,18h ;i

db 0fah,0fah,19h,19h,1ah,1ah,1ah,01h ;e

db 0f8h,0f8h,00h,00h,00h,00h,0f8h,0f8h ;u

mahang2:

db 00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h

db 00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h

db 0ffh,0ffh,0c0h,0c0h,0c0h,0c0h,0c0h,0c0h ;l

db 0ffh,0ffh,0c3h,0c3h,0c3h,0c3h,0c3h,00h ;e

db 00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h

db 00h,00h,00h,0ffh,0ffh,00h,00h,00h ;t

db 0ffh,0ffh,07h,1dh,39h,61h,0c0h,00h ;r

db 7fh,0ffh,0c0h,0c0h,0c0h,0c0h,0ffh,7fh ;u

db 0ffh,0ffh,00h,00h,01h,03h,0ffh,0ffh ;n

db 7fh,0ffh,0c0h,0c0h,0c0h,0c8h,0f8h,78h ;g

db 00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h,00h

db 0ffh,0ffh,03h,03h,03h,03h,0ffh,0ffh ;h

db 0c0h,0c0h,0c0h,0ffh,0ffh,0c0h,0c0h,0c0h ;i

db 0ffh,0ffh,0c3h,0c3h,0c3h,0c3h,0c3h,00h ;e

db 7fh,0ffh,0c0h,0c0h,0c0h,0c0h,0ffh,7fh ;u