Thiết kế và thi công mạch quạt LED sử dụng vi điều khiển STM32

QUAN

GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY

Quảng cáo đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực công nghệ thông tin hiện nay, với sự hiện diện của nhiều loại hình quảng cáo từ truyền thống đến hiện đại Những bảng quảng cáo điện tử, hay còn gọi là bảng LED, không chỉ thu hút sự chú ý bằng hình ảnh sống động và hiệu ứng ánh sáng mà còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giao thông, chứng khoán, sân bay và siêu thị Sự phát triển của công nghệ đã mang đến những biển quảng cáo thẩm mỹ và hiệu quả hơn bao giờ hết.

Với những lý do trên, em xin giới thiệu ề tài “Led xoay RGB” b Tính cấp thiết của đề tài

Thị trường tiêu dùng đang ngày càng trở nên cạnh tranh với sự xuất hiện liên tục của các thương hiệu mới Điều này khiến các nhà sản xuất phải chú trọng đến việc xây dựng hình ảnh sản phẩm để thu hút người tiêu dùng.

Việc quảng cáo bằng hình ảnh 3D s dễ dàng thu hút sự chú ý của người tiêu d ng, tăng hiệu quả quảng cáo.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề tài thiết kế mạch điều khiển LED RGB sử dụng động cơ quay với tốc độ cao nhằm tạo ra ma trận LED có khả năng hiển thị hình ảnh Bằng cách kết hợp một lượng lớn LED RGB và động cơ tốc độ cao, dự án hy vọng sẽ tạo ra ma trận LED hiển thị hình ảnh 3D rõ ràng và chân thực, sánh ngang với các công nghệ tạo hình 3D như Hologram.

Quá trình thực hiện đề tài không chỉ là cơ hội để sinh viên tự kiểm tra và củng cố kiến thức đã học ở trường, mà còn giúp tích lũy thêm kiến thức cần thiết để hoàn thành tốt các đồ án sắp tới Điều này sẽ chuẩn bị cho sinh viên tham gia hiệu quả vào các hoạt động sản xuất của xã hội sau khi ra trường.

ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU

- Vi iều khiển ARM STM32F103C8T6

- Động cơ DC tốc ộ cao

- Cách thức hoạt ộng của hiệu ứng POV.

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu và xây dựng mô hình cho led quay với ộ ổn ịnh

- C khả năng hiển thị h nh ảnh ược cài ặt trước.

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

Đề tài này trình bày một mô hình hệ thống LED quay được thiết kế với các module, kit và cảm biến có sẵn trên thị trường Nội dung nghiên cứu tập trung vào các vấn đề liên quan đến hiệu suất, tính năng và ứng dụng của hệ thống LED trong thực tế.

- Thu thập dữ liệu từ các cảm biến, và ưa về vi iều khiển xử lý dữ liệu

- Xử lý dự liệu h nh ảnh và ưa vào vi iều khiển

- Xuất dữ liệu h nh ảnh cho hiển thị ra led RGB

BỐ CỤC ĐỒ ÁN

Đồ án gồm 6 chương với các nội dung như sau:

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

SỞ LÝ THUYẾT

Kit ARM STM32F103C8T6

Module ARM STM32F103C8T6 được phát triển dựa trên vi điều khiển STM32F103C8T6, nổi bật với thiết kế nhỏ gọn và dễ sử dụng Module này lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau như điều khiển động cơ, ứng dụng y tế, thiết bị cầm tay, máy tính cá nhân và các thiết bị ngoại vi chơi game, cũng như 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

 Sơ đồ chân Module ARM STM32F103C8T6:

Vi iều khiển STM32F103C8T6 Điện áp hoạt ộng 2 – 3.3 VDC

Tần số làm việc tối a 72 MHz

Low-power Sleep, Stop and Standby modes

10 kênh analog trong c 2 kênh analog 12 bit

Tốc ộ chuyển ổi 1 às Khả năng ặc biệt: giữ mẫu và lưu trữ kép

Số lượng timer: 7 trong c 3 timer 16 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

Hình 2.2 Sơ ồ chân Module ARM STM32F103C8T6 2.1.1 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 điều khiển nâng cao là các timer 16 bit với khả năng tự động nạp lại và có bộ chia trước Chúng có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, như điều chỉnh độ rộng xung hoặc tạo ra các dạng sóng điện áp đầu ra với độ rộng xung biến đổi từ vài micro giây đến vài mili giây nhờ vào các bộ chia trước Các timer này hoạt động hoàn toàn độc lập với nhau và không chia sẻ tài nguyên nào của chip.

Ngắt là quá trình tạm dừng chương trình đang thực thi để chuyển sang thực hiện một chương trình khác có yêu cầu cấp thiết hơn Sau khi hoàn thành, CPU sẽ trở lại thực hiện chương trình trước đó.

NVIC, hay Bộ điều khiển ngắt vectơ, là một phần quan trọng trong lõi Cortex, có chức năng quản lý các nguồn ngắt Với nhiều nguồn có khả năng yêu cầu ngắt CPU, NVIC đóng vai trò là người quản lý chung, giúp sắp xếp và điều khiển mọi hoạt động ngắt diễn ra một cách hiệu quả, tránh tình trạng chồng chéo và xung đột giữa các yêu cầu.

Cơ chế ưu tiên ngắt cho phép CPU xử lý các yêu cầu ngắt theo thứ tự từ cao đến thấp Khi nhiều nguồn ngắt xảy ra đồng thời, CPU sẽ ưu tiên xử lý yêu cầu của ngắt có mức độ ưu tiên cao nhất trước, sau đó mới đến các ngắt có mức độ ưu tiên thấp hơn.

5 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 SP I

SPI (Serial Peripheral Interface) là một chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ, cho phép truyền dữ liệu ở chế độ full-duplex, do Motorola phát triển Chuẩn này giúp kết nối vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi một cách đơn giản và tiết kiệm chi phí SPI thường được gọi là giao tiếp bốn dây, nhấn mạnh vào cấu trúc kết nối của nó.

Khác với cổng nối tiếp chuẩn, giao thức SPI (Serial Peripheral Interface) là một giao diện đồng bộ, trong đó quá trình truyền dữ liệu được đồng bộ hóa với tín hiệu đồng hồ do thiết bị chủ (bộ vi xử lý) tạo ra Thiết bị ngoại vi bên phía nhận sẽ đồng bộ quá trình nhận chuỗi bit với tín hiệu đồng hồ này Nhiều vi mạch có thể được kết nối vào mỗi giao diện ngoại vi nối tiếp của thiết bị chủ Thiết bị chủ chọn thiết bị ngoại vi để truyền dữ liệu bằng cách kích hoạt tín hiệu "chọn chip" (chip select) Các thiết bị ngoại vi không được chọn bởi bộ vi xử lý sẽ không tham gia vào quá trình truyền dữ liệu qua giao diện SPI.

 Các tín hiệu số trong chuẩn truyền SPI:

Trong giao diện SPI có sử dụng bốn tín hiệu số:

MOSI hay SI, viết tắt của Master Out Slave In, là cổng ra của thiết bị chủ, dùng để truyền tín hiệu từ thiết bị chủ đến thiết bị bị động.

- 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 (Chip Select) hay SS (Slave Select) là tín hiệu dùng để chọn vi mạch Khi SS ở mức cao, vi mạch không hoạt động Khi Master kéo SS xuống mức thấp, quá trình giao tiếp bắt đầu Mỗi thiết bị Slave chỉ có một đường SS, trong khi Master có thể có nhiều đường điều khiển SS tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.

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

Mỗi xung nhịp do Master tạo ra trên đường giữ nhịp SCK sẽ truyền một bit dữ liệu từ thanh ghi của Master qua Slave trên đường MOSI, đồng thời một bit dữ liệu từ chip Slave cũng được truyền qua Master trên đường 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:

Cực của xung giữ nhịp, hay còn gọi là CPOL, là khái niệm chỉ trạng thái của chân SCK khi ở trạng thái nghỉ Điều này liên quan đến phase và các chế độ hoạt động của hệ thống.

- 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 giữa SPOL và CPHA tạo ra 4 chế độ hoạt động của SPI Việc lựa chọn một trong bốn chế độ này không ảnh hưởng đến chất lượng truyền thông, mà quan trọng là phải đảm bảo 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 một vi mạch có khả năng dịch và lưu trữ dữ liệu, với chức năng nhận dữ liệu theo kiểu nối tiếp và xuất ra theo kiểu song song 8 bit Vi mạch này thường được sử dụng trong các mạch quét LED để điều khiển nhiều đèn LED một cách hiệu quả.

Bảng LED ma trận 7x có khả năng tiết kiệm chân VDK tối đa chỉ với 3 chân, đồng thời cho phép mở rộng số chân điều khiển một cách linh hoạt bằng cách kết nối các IC theo kiểu nối tiếp.

Hình 2.6 Ảnh và sơ ồ chân IC 74HC595

Bảng 2.2 Chức năng các chân IC 74HC595

8 bit dữ liệu xuất ra

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

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)

Hình 2.7 Các tầng thanh ghi của IC 74HC595

Chức năng của 2 tầng thanh ghi cho phép dịch chuyển dữ liệu ở tầng thứ nhất mà không làm ảnh hưởng đến tầng thứ hai và ngõ ra Điều này có nghĩa là dữ liệu chỉ được xuất ra ngoài khi quá trình dịch chuyển hoàn tất.

Bảng 2.3 Bảng sự thật IC 74HC595

X X X X H Ngõ ra từ Q0 Q7 bị vô hiệu hóa

X X X X L Ngõ ra từ Q0 Q7 ược kích hoạt

Trạng thái ầu tiên của thanh ghi dịch ược kéo xuống mức thấp

Các trạng thái còn lại lưu trữ dữ

9 liệu của trạng thái trước

Trạng thái ầu tiên của thanh ghi dịch ược kéo lên mức cao Các trạng thái còn lại lưu trữ dữ liệu của trạng thái trước

X X X X Dữ liệu của thanh ghi dịch ược lưu trữ trong thanh ghi lưu trữ

X: Không quan tâm (Don’t care).

ĐỊNH LUẬT HALL

Hiệu ứng Hall là hiện tượng vật lý xảy ra khi một từ trường vuông góc được áp dụng lên một thanh kim loại, chất bán dẫn hoặc chất dẫn điện, trong khi có dòng điện chạy qua Hiệu ứng này tạo ra hiệu điện thế Hall tại hai mặt đối diện của thanh Hall, và tỷ số giữa hiệu điện thế Hall và dòng điện chạy qua được gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu của thanh Hall Hiệu ứng này được phát hiện bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879.

Hiệu ứng Hall được giải thích qua bản chất của dòng điện trong vật dẫn điện, là sự chuyển động của các điện tích như electron trong kim loại Khi dòng điện này đi qua từ trường, các điện tích chịu lực Lorentz và bị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy thuộc vào loại điện tích Sự tập trung điện tích ở một phía tạo ra sự tích điện trái dấu trên hai mặt của thanh Hall, dẫn đến hiệu ứng thế Hall.

Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng iện và từ trường là:

Hiệu ứng Hall được mô tả bằng công thức VH = (I * B * d) / (e * n), trong đó VH là hiệu điện thế Hall, I là cường độ dòng điện, B là cường độ từ trường, d là độ dày của thanh Hall, e là diện tích của hạt mang điện di chuyển trong thanh Hall, và n là mật độ các hạt này trong thanh Hall.

Hình 2.8 Cơ chế hoạt ộng ịnh luật Hall

Hiệu ứng Hall có 3 ứng dụng chính là:

- Xác ịnh vị trí và chuyển ộng: Tốc kế xe ạp,…

- Đo c ng suất dòng iện.

NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐIỆ CHO CƠ CẤU QUAY

- Đo cường ộ dòng iện: Điện trở shunt, cảm biến ACS712,

Cảm biến A3144 là một thiết bị sử dụng định lý Hall để phát hiện từ tính của nam châm, hoạt động như một công tắc Khi cực nam của nam châm hướng thẳng vào cảm biến, nó sẽ phát hiện, trong khi không phát hiện khi cực bắc của nam châm quay vào Với những đặc điểm này, cảm biến A3144 rất hữu ích cho các ứng dụng phát hiện vật mà không cần tiếp xúc, như cảm biến vị trí và vòng quay.

Hình 2.9 Ảnh và sơ ồ chân cảm biến A3144

 Một số thông số chính:

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật cảm biến A3144 Điện áp hoạt ộng 4.5 – 24 VDC

Tín hiệu ầu ra Digital (Tích cực mức thấp) Độ tin cậy cao cao

2.5 NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐIỆN CHO CƠ CẤU QUAY

2.5.1 Cấu tạo ổ bi (Bạc đạn) Ổ lăn là một dạng của ổ ỡ trục, ây là cơ cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma sát bằng cách chuyển ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển ộng thành ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi ược ặt cố ịnh trong một khung hình khuyên

 Cấu tạo cơ bản: Ổ bi gồm 4 bộ phận chính: vòng ngoài, vòng trong, con lăn và vòng cách

Cách phân loại Hình ảnh

Theo hình dạng con lăn: ổ bi, ổ ũa

Theo khả năng chịu lực: ổ ỡ, ổ chặn, ổ ỡ chặn

Theo số dãy con lăn: một dãy, hai dãy

Theo ường kính ngoài: ặc biệt nhẹ, rất nhẹ, trung bình, nặng, …

Mạch điều khiển là phần chuyển động quan trọng, nhưng việc cấp nguồn cho nó gặp nhiều khó khăn Để giải quyết vấn đề này, có hai hướng tiếp cận: một là sử dụng nguồn di động gắn trực tiếp lên mạch điều khiển Tuy nhiên, điều này đòi hỏi mạch phải đáp ứng các yêu cầu nhất định.

KHÁI NIỆM MÀU ẢNH

Để đảm bảo tính ổn định khi quay và thuận tiện cho việc sử dụng nguồn di động với khả năng thay pin định kỳ, nhóm quyết định chọn phương án sử dụng nguyên lý truyền động bằng ổ bi Cách bố trí cơ cấu được trình bày như hình dưới đây.

Hình 2.12 Cơ cấu truyền iện bằng ổ bi

Trục của động cơ được gắn cố định với trục động cơ qua khớp nối linh hoạt, cho phép cả khớp nối và trục nối quay khi động cơ hoạt động Ổ bi, được làm hoàn toàn từ vật liệu dẫn điện, đóng vai trò như cầu nối giữa dây (+) từ nguồn và dây (+) lên mạch, với dây (+) từ nguồn gắn vào vòng ngoài và dây (+) lên mạch gắn vào vòng trong của ổ bi Đặc điểm của ổ bi là khi vòng trong xoay, vòng ngoài giữ nguyên, giúp dây không bị xoắn lại Tương tự, dây (-) cũng hoạt động theo cách này, nhờ vào việc trục động cơ và trục nối đều dẫn điện, tạo điều kiện cho dây (-) từ nguồn thông với dây (-) lên mạch.

Lưu ý là ta phải cách iện dây (+) lên mạch và dây (-) lên mạch

2.6.1 Điểm ảnh Điểm ảnh (Pixel) là ơn vị nh nhất tạo nên hình ảnh, thường mang một màu duy nhất (kết quả của sự pha trộn các màu cơ bản giữa các kênh màu) Để thông số iểm ảnh c ý nghĩa, người ta qui về một ơn vị kích thước nhất ịnh như inch hay cm mm ể tính và iểm ảnh thường ược diễn ạt theo số lượng iểm trên một inch/cm chiều dài

Số lượng điểm ảnh trên mỗi đơn vị diện tích ảnh hưởng trực tiếp đến độ chi tiết và sự phong phú về màu sắc của hình ảnh Yếu tố này phụ thuộc vào chất lượng của thiết bị thu nhận và hiển thị hình ảnh.

Kích thước hiển thị của ảnh trên màn hình phụ thuộc vào độ phân giải của màn hình; độ phân giải càng cao, ảnh sẽ càng nhỏ và ngược lại Chẳng hạn, một bức ảnh cụ thể sẽ có kích thước lớn hơn khi hiển thị trên màn hình có độ phân giải thấp.

13 nếu hiển thị trên màn h nh c ộ phân giải 1024x768 pixel, và nh hơn nếu trên màn h nh ộ phân giải là 1280x960 pixel

Một bức ảnh được cấu thành từ nhiều pixel, mỗi pixel có định dạng riêng và bao gồm nhiều bit Đối với ảnh MONO, mỗi pixel chỉ sử dụng 1 bit (0 hoặc 1) để biểu thị màu trắng hoặc đen Trong khi đó, ảnh màu có thể có độ sâu màu 16bit, 24bit hoặc 32bit, được gọi là ảnh High-Color Ngoài ra, còn tồn tại ảnh màu 8bit.

Với 16 bit th ng thường có 2 dạng:

- 1 bit không sử dụng (hoặc có thể làm Transparent) còn lại 5 bit , 5 bit xanh lá, 5 bit xanh dương

- 5 bit , 6 xanh lá, 5 xanh dương

Với 24 bit: các bit màu R-G-B ược chia ều, 8 bit ầu là màu , 8 bit giữa là màu xanh lá, 8 bit cuối là màu xanh dương Đối với 32 bit: bao gồm 24 bit màu RGB ồng thời s có 8 bit làm giá trị Alpha ( ộ trong suốt của ảnh => ARGB)

Riêng với ảnh 8 bit Nó s có 1 màu bảng chứa 256 màu còn ược gọi là Palette 1 pixel màu 8 bit gồm 3R-3G-2B

Thực chất các màu ều ược xây dựng trên 3 màu cơ bản là - xanh lá – xanh dương

Hình 2.13 Phối 3 màu Red Green Blue

2.7 TÍNH TOÁN TỌA ĐỘ ĐIỂM TRÊN ĐƯỜNG TRÒN Để xuất ược hình ảnh ra led quay, bên cạnh việc xử lý hình ảnh thành các iểm ảnh phù hợp, ta cũng cần phải xác ịnh ược tọa ộ của các iểm ảnh.Vì led quay khi quay s tạo ra một ường tròn nên ta quy về bài toán tính toán tọa ộ của iểm trên ường tròn

Gọi một ường tròn c tâm là (a,b), bán kính là r, iểm (x,y) nằm trên ường tròn

Hình 2.14 Đường tròn ược mô tả

Ta c phương tr nh của iểm (x,y) như sau:

Với t là góc tạo bởi tia i qua (a, b), (x, y) và trục x dương, t nằm trong khoảng từ 0 ến 2π

LM2576 là một IC nguồn switching phổ biến, có thể hoạt động với điện áp đầu vào lên đến 40V cho các loại thông thường, và tới 57V cho phiên bản LM2576HV (HV là viết tắt của High Voltage, nghĩa là điện áp cao).

Họ LM2576 bao gồm nhiều loại với các mức điện áp đầu ra khác nhau, như LM2576-3.3V, LM2576-5V, LM2576-12V, LM2576-15V, và loại điều chỉnh điện áp đầu ra là LM2576ADJ.

LM2576 là một IC ổn định điện áp với ưu điểm vượt trội về dải điện áp đầu vào so với các IC ổn định điện áp tuyến tính thông thường như KA7805, KA7812 Nó có khả năng cung cấp dòng đầu ra lớn lên đến 3A, rất phù hợp cho các ứng dụng cần ổn áp dòng lớn như driver LED và motor DC.

Hình 2.15 Ảnh và sơ ồ chân IC LM2576

 Sơ đồ chân IC LM2576:

Bảng 2.6 Chức năng các chân IC LM2576

Chân 1 (Vin) Chân nguồn ầu vào

Chân iện áp ầu ra Tùy thuộc dòng LM2576 mà chân này c iện áp ra ổn ịnh khác nhau

Chân 3 (GND) Chân nguồn chung

Chân ưa tín hiệu phản hồi từ ầu ra về ầu vào Đưa vào bộ so sánh ể iều chỉnh ổn ịnh iện áp

Chân 5 (On/Off) Chân ng mở Thường ể GND

Bảng 2.7 Thông số kỹ thuật IC LM2576 Điện áp ầu vào LM2576 : 45V

LM2576HV : 60V Điện áp ổn ịnh ầu ra LM2576HVS-3.3 : 3.3V

Diode xung 1N5822 là diode làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz, thường d ng trong ầu ra của các bộ nguồn xung ể chỉnh lưu iện áp ra

Bảng 2.8 Thông số Diode 1N5822 Điện áp ngược cực ại 40V Điện áp hiệu dụng cực ại 28V Điện áp phân cực ngược cực ại 40V

2.10.1 Khái ni ệm lưu ảnh võng mạc

Hiện tượng lưu ảnh ở mắt là hiện tượng ảnh vẫn còn lưu lại ở võng mạc trong khoảng 1/10s sau khi mắt ngừng quan sát vật

Khi mắt quan sát các hình ảnh rời rạc được chiếu liên tục trong thời gian ngắn, não bộ sẽ xử lý và nhận diện chúng như một hình ảnh liên tục, dẫn đến cảm giác về chuyển động liên tục.

Hiện tượng lưu ảnh ở mắt đóng vai trò quan trọng trong điện ảnh, khi mỗi cảnh phim được chiếu sau khoảng 0,033 đến 0,04 giây, tạo cảm giác liên tục cho người xem Động cơ DC RC-520, với kích thước nhỏ gọn nhưng công suất lớn, rất phù hợp cho việc chế tạo máy khoan và các hệ thống chuyển động.

2.10.2 Lý thuyết về hiệu ứng POV

Persistence of Vision (POV) là một ảo ảnh quang học, trong đó nhiều hình ảnh rời rạc được kết hợp để tạo thành một hình ảnh duy nhất khi quan sát Ví dụ, khi nhìn vào một quạt đang hoạt động, bạn sẽ thấy các cánh quạt tạo thành một vòng tròn liên tục.

Màn hình POV được tạo ra từ một dải đèn LED tuyến tính xoay quanh một điểm, giống như bánh xe đạp Bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của dải LED và kiểm soát hoạt động của chúng với độ chính xác mili giây, chúng ta có thể tạo ra hình ảnh 2 chiều kéo dài trong không khí.

Hình 2.17 Cơ chế lưu trữ hình ảnh của hiệu ứng POV 2.10.3 Kết hợp ứng dụng vào đề tài

IC LM2576

LM2576 là một IC nguồn switching phổ biến, có khả năng hoạt động với điện áp vào lên đến 40V cho các phiên bản thông thường và tới 57V cho loại LM2576HV, trong đó "HV" biểu thị cho High Voltage (điện áp cao).

Dòng chip LM2576 bao gồm nhiều phiên bản với các mức điện áp đầu ra khác nhau như LM2576-3.3V, LM2576-5V, LM2576-12V, LM2576-15V, và phiên bản điều chỉnh điện áp đầu ra là LM2576ADJ.

LM2576 không chỉ có dải điện áp đầu vào rộng hơn so với các IC ổn định điện áp tuyến tính thông thường như KA7805 hay KA7812, mà còn cung cấp dòng ra lớn lên tới 3A Điều này làm cho LM2576 trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng cần ổn áp với dòng lớn, chẳng hạn như driver LED và động cơ DC.

Hình 2.15 Ảnh và sơ ồ chân IC LM2576

 Sơ đồ chân IC LM2576:

Bảng 2.6 Chức năng các chân IC LM2576

Chân 1 (Vin) Chân nguồn ầu vào

Chân iện áp ầu ra Tùy thuộc dòng LM2576 mà chân này c iện áp ra ổn ịnh khác nhau

Chân 3 (GND) Chân nguồn chung

Chân ưa tín hiệu phản hồi từ ầu ra về ầu vào Đưa vào bộ so sánh ể iều chỉnh ổn ịnh iện áp

Chân 5 (On/Off) Chân ng mở Thường ể GND

Bảng 2.7 Thông số kỹ thuật IC LM2576 Điện áp ầu vào LM2576 : 45V

LM2576HV : 60V Điện áp ổn ịnh ầu ra LM2576HVS-3.3 : 3.3V

DIODE 1N5822

Diode xung 1N5822 là diode làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz, thường d ng trong ầu ra của các bộ nguồn xung ể chỉnh lưu iện áp ra

Bảng 2.8 Thông số Diode 1N5822 Điện áp ngược cực ại 40V Điện áp hiệu dụng cực ại 28V Điện áp phân cực ngược cực ại 40V

NGUYÊN LÝ QUẠT LED

2.10.1 Khái ni ệm lưu ảnh võng mạc

Hiện tượng lưu ảnh ở mắt là hiện tượng ảnh vẫn còn lưu lại ở võng mạc trong khoảng 1/10s sau khi mắt ngừng quan sát vật

Khi mắt quan sát các hình ảnh rời rạc được chiếu liên tục trong thời gian ngắn, não bộ sẽ xử lý chúng như một hình ảnh liên tục, tạo ra cảm giác về chuyển động liên tục.

Hiện tượng lưu ảnh ở mắt đóng vai trò quan trọng trong điện ảnh, giúp người xem cảm nhận rằng các cảnh phim diễn ra liên tục khi được chiếu cách nhau 0,033 đến 0,04 giây Động cơ DC RC-520, với kích thước nhỏ nhưng công suất lớn, rất phù hợp cho việc chế tạo máy khoan hoặc làm động cơ cho các hệ thống chuyển động.

2.10.2 Lý thuyết về hiệu ứng POV

Persistence of Vision (POV) là một ảo ảnh quang học, cho phép nhiều hình ảnh rời rạc được kết hợp thành một hình ảnh duy nhất khi con người quan sát Chẳng hạn, khi bạn nhìn vào một chiếc quạt đang quay, bạn sẽ thấy các cánh quạt tạo thành một vòng tròn liên tục và mượt mà.

Màn hình POV được tạo ra từ dải đèn LED tuyến tính xoay quanh một điểm, tương tự như bánh xe đạp Bằng cách điều chỉnh tốc độ quay và kiểm soát hoạt động của đèn LED với độ chính xác mili giây, chúng ta có thể tạo ra hình ảnh 2 chiều nổi bật trong không gian.

Hình 2.17 Cơ chế lưu trữ hình ảnh của hiệu ứng POV 2.10.3 Kết hợp ứng dụng vào đề tài

Kết hợp lý thuyết lưu ảnh võng mạc với hiệu ứng POV, nhóm em nhận thấy rằng để mắt có thể nhìn thấy hình ảnh rõ ràng, cần phải sử dụng nhiều khung hình hiển thị với tần số quét cao.

24 hình/s Từ nh m tính toán ược rằng:

24 frames/s  tốc ộ ộng cơ tối thiểu = 60*24 = 1440 vòng/phút

Vì vậy ể mắt nhìn thấy ược hình ảnh quét từ cánh quạt thì tốc ộ ộng cơ tối thiểu phải quay ược 1440 rpm

Từ nh m chọn ộng cơ DC RC-520 như h nh dưới ây:

Hình 2.18 Động cơ DC RC-520

Bảng 2.9 Thông số ộng cơ DC RC-520

Công suất tối a 150W Điện áp ịnh mức 9 – 24VDC

Tốc ộ tối a 6000rpm Đường kính 33mm

Chiều dài cơ (trừ trục) 22mm

Chiều dài trục 9mm Đường kính trục 2mm

LẬP TRÌNH NGÔN NGỮ C CƠ B ẢN

C là ngôn ngữ lập trình bậc cao được phát triển bởi Dennis M Ritchie nhằm xây dựng hệ thống lập trình UNIX tại Bell Labs Ngôn ngữ này lần đầu tiên được phát triển trên máy tính DEC PDP-11 vào năm 1972.

Ngôn ngữ C được ưa chuộng trong môi trường chuyên nghiệp nhờ vào những ưu điểm nổi bật như dễ học, cấu trúc rõ ràng và khả năng xử lý các hoạt động ở tầng thấp Hơn nữa, nó cũng dễ dàng biên dịch trên nhiều nền tảng khác nhau.

 Các kiểu dữ liệu trong C:

Trong ngôn ngữ lập trình C, kiểu dữ liệu là phần mở rộng của hệ thống dùng để khai báo biến với các kiểu khác nhau Kiểu của biến xác định lượng bộ nhớ cần thiết để lưu trữ biến và cách các bit được lưu trữ khi được thông dịch.

Các kiểu biến trong C ược phân chia như sau:

Bảng 2.10 Các kiểu biến trong C

STT Kiểu và miêu tả

Là các kiểu dữ liệu số học và bao gồm 2 kiểu chính: a) kiểu số nguyên và

18 b) kiểu số thực dấu chấm ộng

Kiểu liệt kê là một kiểu số học, được sử dụng để định nghĩa các biến có thể gán một số lượng nhất định các giá trị số nguyên trong suốt chương trình.

Kiểu ịnh danh void là kiểu ặc biệt thể hiện rằng không có giá trị nào

Kiểu phát triển từ cơ bản

Bao gồm các kiểu : a) con tr , b) kiểu mảng, c) kiểu cấu trúc, d) kiểu union và e) kiểu function (hàm)

Ngôn ngữ lập trình C hỗ trợ cấu trúc dữ liệu mảng, cho phép lưu trữ một tập hợp các dữ liệu cùng kiểu với độ dài cố định Mảng rất hữu ích trong việc quản lý và tổ chức dữ liệu, đặc biệt khi bạn cần làm việc với nhiều biến có cùng kiểu.

Thay vì khai báo biến một cách rời rạc, như biến number0, number1,… và number99, bạn có thể khai báo một mảng các giá trị như numbers[0], numbers[1] và

… numbers[99] ể biểu diễn các giá trị riêng biệt Một thành phần cụ thể của mảng có thể ược truy cập qua index (chỉ số)

Tất cả các mảng đều bao gồm các vị trí nhớ liền kề nhau, với địa chỉ thấp nhất tương ứng với phần tử đầu tiên và địa chỉ cao nhất tương ứng với phần tử cuối cùng của mảng.

Có 2 loại mảng cơ bản trong C là mảng 1 chiều và mảng a chiều (ví dụ là mảng 2 chiều)

Hình 2.19 Hình ảnh mảng 1 chiều

Cách khai báo trong C: Kieu_du_lieu Ten_mang [ Kich_co_mang ];

Hình 2.20 Hình ảnh mảng 2 chiều

Cách khai báo trong C: Kieu_du_lieu ten_mang [ so_cot ][ so_hang ];

Vòng lặp là lệnh cho phép thực hiện một lệnh và một nhóm lệnh nhiều lần , dưới ây là dạng tổng quát:

Hình 2.21 Vòng lặp cơ bản trong C

C hỗ trợ những lệnh iều khiển sau ây:

Bảng 2.11 Các kiểu vòng lặp trong C

Kiểu vòng lặp Miêu tả Khai báo trong C

Lặp lại một hoặc một nhóm lệnh khi điều kiện đã cho là đúng Kiểm tra điều kiện trước khi thực hiện thân vòng lặp với cú pháp: while(dieu_kien) { cac_lenh; }.

Thực thi một dãy các lệnh nhiều lần và tóm tắt oạn code mà quản lý biến vòng lặp for ( khoi_tao_bien; dieu_kien; tang/giam ) { cac_lenh;

Giống lệnh While, ngoại trừ ở iểm là nó kiểm tra iều kiện ở cuối thân vòng lặp do { cac_lenh;

Ngoài ra, C còn hỗ trợ thêm các lệnh ể iều khiển vòng lặp, các lệnh này ược mô tả theo bảng dưới ây

Bảng 2.12 Các lệnh iều khiển vòng lặp trong C

Lệnh điều khiển Miêu tả Khai báo trong C

Kết thúc vòng lặp hoặc lệnh switch và chuyển sang thực thi vòng lặp hoặc lệnh switch ngay sau nó break;

Thực thi một dãy các lệnh nhiều lần và tóm tắt oạn code mà quản lý biến vòng lặp continue;

Giống lệnh While, ngoại trừ ở iểm là nó kiểm tra iều kiện ở cuối thân vòng lặp goto ten_nhan;

KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

CÁC PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

3.1.1 Led xoay trong thực tế

Hiện nay, nhiều bảng quang báo được sản xuất từ LED Panel, trong khi việc sử dụng LED quay vẫn còn hạn chế Hầu hết các sản phẩm phổ biến chỉ dừng lại ở việc hiển thị chữ, ký tự và đồng hồ.

Hình 3.1 Hình ảnh led quay trong thực tế

Việc sử dụng đèn LED quay cho quảng cáo vẫn chưa phổ biến và có chi phí tương đối cao Giá của sản phẩm dao động từ 482,41 đến 499,99 USD, tương đương khoảng 10 triệu đến 11 triệu VND.

Hình 3.2 Các sản phẩm led quay trên thị trường 3.1.2 Các phương án thực hiện đề án

Để hiển thị nội dung bằng đèn LED xoay, cần chú ý đến hai vấn đề chính: giải mã và hiển thị Những mô hình LED xoay thực tế và video trực tuyến cung cấp cái nhìn sâu sắc về nguyên lý hoạt động của chúng.

- Giải mã: Sử dụng phần mềm chuyên dụng trên máy tính, ể lấy dữ liệu hình ảnh cần hiển thị

- Hiển thị: Có rất nhiều cách ể ưa dữ liệu sau khi giải mã xuất ra led

 Cách 1: Sử dụng IC giải mã màu TLC59711

Hình 3.3 IC giải mã màu TCL59711

 Cách 2: Sử dụng MCU Ví dụ: PIC, ARM,…

 Cách 3: Sử dụng IC dịch Ví dụ: IC74595, MBI5026

Sau khi nghiên cứu, nhóm em quyết định không chọn IC TLC59711 do khó tìm và giá cao Thay vào đó, nhóm đã thử nghiệm sử dụng MCU STM8S003F3P6 để điều khiển đèn LED RGB full-color Tuy nhiên, chỉ có thể điều khiển 4 đèn LED RGB, còn khi số lượng tăng lên 128 LED, STM8 gặp phải nhiễu, khiến các chân giao tiếp với mạch nạp không đủ dòng để Flash code cho STM8.

Hình 3.4 Test STM8S003F3P6 với led RGB

Cuối cùng nhóm em lựa chọn sử dụng IC dịch 8-bit 74595 ể xuất dữ liệu iều khiển led.

SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Yêu cầu của hệ thống là:

- Lập tr nh vi iều khiển

- Hiển thị hình ảnh led RGB

Hình 3.5 Sơ ồ khối hệ thống

Chức năng và nhiệm vụ từng khối

- Khối nguồn : Cấp nguồn 3V3 cho toàn hệ thống mạch iện tử Led RGB, cấp nguồn 12V cho ộng cơ DC

- Khối điều khiển trung tâm: thực thi chương tr nh và xử lý dữ liệu

- Khối cảm biến: Xác ịnh gốc tọa ộ hiển thị

- Khối giải mã: Nhận dữ liệu từ khối iều khiển trung tâm xuất ra Led

- Khối hiển thị: Cánh quạt led RGB, hiển thị hình ảnh có sẵn.

THIẾT KẾ CÁC KHỐI CỦA HỆ THỐNG

Truyền dữ liệu (mã màu) cho IC dịch ể hiển thị hình ảnh với 7 màu cơ bản: , xanh lá, xanh dương, hồng, vàng, tím, trắng

Có nhiều loại đèn LED RGB với kích thước đa dạng như 0805, 1206, và 3528 Nhóm chúng tôi đã quyết định chọn LED 3528 vì kích thước phù hợp, thuận tiện cho việc hàn tay lên bo mạch.

Thông số kỹ thuật chính:

Đèn LED RGB 4 chân bao gồm 1 chân dương chung và 3 chân âm riêng cho từng màu: đỏ (R-), xanh lá (G-), và xanh dương (B-) Thực chất, LED RGB là sự kết hợp của 3 diode LED riêng lẻ được gộp lại thành một khối.

LED RGB 3528 là loại đèn LED dán nhỏ gọn, có khả năng phát sáng 7 màu khác nhau với độ sáng cao Thường được sử dụng để làm đèn báo, trang trí, và làm đèn nền cho màn hình LCD.

Hình 3.6 Ảnh và sơ ồ chân LED RGB 3528

 Bảng thông số kỹ thuật chính:

Bảng 3.1 Thông số led RGB 3528

Loại LED RGB Anode chung

Công suất thất thoát 150mW Điện áp cấp 3.3 – 5V

Dòng iện cấp trung bình 25 mA

Dòng iện tối a chịu ựng ược 200mA

Sơ ồ nguyên lý của LED RGB 3528 ược tr nh bày như h nh sau ây

Hình 3.7 LED RGB 3528 trong Altium

Nhận dữ liệu ược gửi từ Vi iều khiển, iều khiển các chân led theo mã màu ã nhận dược

Chọn IC dịch 8-bit 74595 vì nó dễ tìm, dễ sử dụng và có giá thành rẻ IC này có chức năng nhận dữ liệu từ vi điều khiển qua chuẩn truyền SPI.

Dựa theo nguyên lý hoạt ộng, ta c sơ ồ nối chân từ 74595 sang led RGB như sau:

Hình 3.8 Sơ ồ nguyên lý kết nối 74HC595 với LED RGB

Để mở rộng dữ liệu xuất ra, IC 74595 được kết nối chân 9 với chân 14 (chân dịch dữ liệu nối tiếp) của IC khác Các chân LED được nối theo thứ tự từ QA đến QH (8 chân) Trong mạch này, không sử dụng trở hạn dòng cho LED vì áp suất chỉ là 3V3 và thời gian sáng của mỗi LED không liên tục, do đó có thể bỏ qua trở hạn dòng.

Khối cảm biến cần có khả năng xác định tọa độ gốc của ảnh, yêu cầu ít bị nhiễu, thiết kế gọn nhẹ, độ chính xác cao, thời gian phản hồi nhanh và giá thành hợp lý.

Chúng tôi có thể lựa chọn giữa cảm biến hồng ngoại và cảm biến từ Tuy nhiên, cảm biến hồng ngoại thường bị nhiễu khi có ánh sáng mạnh và hoạt động kém trong môi trường nhiều ánh sáng Do đó, nhóm chúng tôi quyết định chọn cảm biến từ để đáp ứng tốt hơn các yêu cầu cần thiết.

Sơ ồ kết nối cảm biến từ với vi iều khiển ược trình bày theo h nh dưới ây

Hình 3.9 Sơ ồ kết nối cảm biến từ với vi iều khiển

Giải thích sơ đồ nguyên lý:

Cảm biến có 3 chân: VCC (cấp 3V3), GND và chân out Khi không có hiện tượng Hall, chân out ở trạng thái thả nổi và cần sử dụng điện trở kéo lên Khi có dòng điện đi qua thanh nam châm, chân out của cảm biến sẽ kéo xuống mức 0, tạo ra sự kiện ngắt ngoài cho vi điều khiển Để chống dội, cần sử dụng tụ lọc.

3.3.3 Khối điều khiển trung tâm

Khối vi iều khiển là khối xử lý tín hiệu từ các khối còn lại nên yều cầu của khối này như sau:

- Xử lý ược dữ liệu cần truyền ra IC dịch

- Nhận ngắt ngoài từ cảm biến từ ể bắt ầu xuất dữ liệu

Sử dụng ARM để điều khiển hệ thống, chúng tôi đã lựa chọn Module ARM STM32F103C8T6 nhờ vào các tính năng nổi bật như bộ nhớ lớn từ 64Kb đến 128Kb và tốc độ xử lý nhanh lên đến 72MHz.

Sơ ồ kết nối từ vi iều khiển tới các khối ược tr nh bày theo h nh dưới ây

Hình 3.10 Sơ ồ kết nối khối vi xử lý trung tâm với những khối khác

Theo thiết kế hệ thống, mạch quạt LED bao gồm 48 LED, trong đó 24 LED đầu nhận dữ liệu từ SPI1 và 24 LED sau nhận dữ liệu từ SPI2 Các ngõ ra của IC74595 được kết nối trực tiếp với LED RGB, trong khi chân OUT của cảm biến được kết nối với một chân GPIO của vi điều khiển để nhận tín hiệu ngắt ngoài.

Để cung cấp điện áp một chiều cho hệ thống, nhóm cần thiết kế mạch nguồn với các yếu tố quan trọng: nhỏ gọn, dễ dàng kết nối và đặc biệt là phải tách riêng hai nguồn để cung cấp cho mạch và động cơ.

Trên thị trường hiện có nhiều loại bộ nguồn, module và adapter với các thông số kỹ thuật đa dạng Để đáp ứng các yêu cầu sử dụng, cần lựa chọn adapter 9V-1A cho động cơ và adapter 9V-2A Sau đó, sử dụng một mạch hạ áp để giảm điện áp xuống 3V3-2A cho mạch.

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại IC ổn áp phổ biến như 7805, 7812, và LM1117, nhưng hầu hết chỉ cung cấp dòng điện dưới 1A Sau quá trình tìm hiểu, tôi đã phát hiện ra IC ổn áp LM2576, với khả năng cung cấp dòng output lên đến 3A.

Tính toán thi ết kế:

 Tính toán áp cấp cho toàn mạch:

- Thông số kỹ thuật của 1 Led RGB 3528, dòng 25mA, iện áp cho led 2.4V, xanh lá và xanh dương 3.2V

- Vi iều khiển STM32F103C8T6 sử dụng mức iện áp 3.3V

- IC 74595 hoạt ộng ở mức iện áp từ 2V - 6V

Vì vậy ể ồng bộ mức iện áp giữa các linh kiện, nhóm chúng em chọn iện áp 3V3 cấp cho toàn mạch

 Tính toàn dòng cấp cho mạch:

- Với 1 led tiêu hao dòng 25mA mạch sử dụng 48 led  I mạch = 48 * 25 = 1200 (mA)

 Lựa chọn nguồn 3V3 dòng 2A ể cung cấp cho toàn mạch

 Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp 3V3:

Dùng Altium v mạch nguồn sử dụng IC ổn áp LM2576:

Hình 3.11 Mạch nguồn sử dụng IC ổn áp LM2576 trong Altium

LM2576 có chân Vin với điện áp đầu vào từ 7V đến 40V Điện áp một chiều được cấp vào chân 2 và 6 của LM2576, trong khi chân 5 cần được kết nối với GND để kích hoạt bộ điều chỉnh điện áp, không được để chân này nổi Chân 4 được kết nối giữa Vout và GND để ổn định điện áp đầu ra.

3.3.6 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống

Từ các khối nh ã ược thiết kế như trên, nh m em ã xây dựng một sơ ồ hoàn chỉnh của toàn hệ thống.(Đính kèm A3)

3.3.7 Thiết kế PCB hệ thống:

Sử dụng phần mềm Altium chuyên dụng ể v mạch, từ sơ ồ nguyên lý ã ược thiết kế như h nh… Sau khi i layout mạch in có dạng như h nh…:

Hình 3.12 Layout mạch led quay

Hình 3.13 Hình ảnh 3D mạch led quay

TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

GIỚI THIỆU

Nhóm đã sử dụng thư viện chuẩn của ST để lập trình cho vi điều khiển STM32F103C8T6, sử dụng trình biên dịch KeilC để viết chương trình và mạch nạp ST-Link để nạp code cho MCU.

Ngoài ra nhóm còn dùng một số phần mềm khác ể hỗ trợ cho ề tài: Visual studio, image2LCD.

CÀI ĐẶT VÀ TẠO MỘT P ROJECT B ẰNG KEILC

4.2.1 Cài đặt chương trình KeilC

Để tải phần mềm KeilC 5, bạn có thể truy cập Google.com và tìm kiếm với từ khóa "Download KeilC 5" Hãy chọn các liên kết có chứa crack và làm theo hướng dẫn có sẵn trên mạng Sau khi cài đặt hoàn tất, giao diện của KeilC sẽ hiển thị như hình ảnh minh họa.

Hình 4.1 Giao diện KeilC 4.2.2 Tạo một project mới

Click biểu tượng trên màn hình desktop Cửa sổ làm việc KeilC mớ ra như h nh…

Project  New uVision Project  Tạo tên Project  Chọn dòng chip sử dụng  OK

Hình 4.2 KeilC - Chọn dòng chip Để thêm thư viện chọn biểu tượng như h nh bên dưới:

Hình 4.3 KeilC - Thêm thư viện

Tiến hành add các file Init, Proc, Source file C của các module

Hình 4.4 KeilC - Thêm các file

Tiếp theo, link ến ịa chỉ thư mục chứa các file C ã add ở hình 4.4 theo các bước như h nh 4.5

Hình 4.5 KeilC - Thêm các file C

Sau khi add thư viện, tạo một file c ể viết chương tr nh chính

4.2.3 Nạp chương trình và debug

Kết nối mạch nạp ST-link với vi iều khiển,

Hình 4.6 Mạch nạp ST-Link và Module ARM STMF103C8T6

Sử dụng 4 chân: VCC, GND, SWDIO, SWCLK

Sau , sử dụng KeilC ể nạp chương tr nh Đầu tiên kiểm tra xem, ST-Link ã nhận ược mạch nạp chưa?

Hình 4.7 KeilC - Kiểm tra kết nối giữa ST-Link và Module ARM

Nếu ở bước thứ 3 hiện lên dòng chữ như h nh… th mọi kết nối ã thành công Tiếp sau là nạp chương tr nh

Hình 4.8 KeilC - Kết nối thành công ST-Link và Module ARM

2: Kiểm tra chương tr nh c lỗi hay cảnh báo ể sửa Nếu không có vấn ề gì th chương tr nh ã build thành c ng

Việc debug rất quan trọng để đảm bảo chương trình hoạt động đúng như mong đợi, bao gồm việc kiểm tra giá trị của các biến Để thực hiện quá trình debug, cần kết nối mạch nạp với máy tính và không được ngắt kết nối mạch nạp với KIT.

2: Vùng kiểm tra giá trị các biến Để lấy giá trị của biến cần kiểm tra, tr chuột ến biến , chuột phải chọn

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

Để hiển thị một bức ảnh màu, trước tiên cần xác định mã màu cho từng điểm ảnh và sau đó chuyển đổi các mã màu này về 7 màu cơ bản Cuối cùng, truyền mã màu đã chuyển đổi sang IC để xuất ra LED.

4.3.1 Xác định màu từng pixel

Sử dụng phần mềm Image2LCD, nhóm em lấy mã màu dưới dạng file c, với các định dạng màu 8bit, 16bit và 24bit Mặc dù hình ảnh thường ở định dạng màu 24bit (8R-8G-8B), nhóm em chỉ hiển thị 7 màu cơ bản, vì vậy đã chọn chế độ màu 8bit (255 màu) để chuyển đổi ảnh Sau đó, nhóm em đã phát triển một chương trình bằng C++ để chuyển đổi mảng màu 8bit sang 7 màu cơ bản.

Hình 4.10 Chuyển ổi hình ảnh trong Image2LCD

1: Định dạng file chứ dữ liệu

3: Số bit màu của 1 iểm ảnh

5: Số bit , xanh lá, xanh dương trong 1 pixel

Sau nhấn nút Save trên thanh công cụ, chúng ta s có 1 mảng dữ liệu chứa mã màu của từng iểm ảnh

Hình 4.11 Mảng dữ liệu chứa mã màu

 Lưu đồ chương trình chính chuyển đổi mãu màu 8bit sang 7 màu cơ bản:

Hình 4.12 Lưu ồ chuyển ổi hình ảnh 8bit sang 7 màu cơ bản

 Chương trình con xác định tọa độ:

Chương trình con xác định tọa độ có chức năng xác định điểm từng pixel trên mặt phẳng tròn, với bán kính bằng chiều dài số LED trên cánh quạt, cụ thể là 48 LED tương ứng với bán kính 48 Khi cánh quạt quay, mẫu thay đổi điểm ảnh được lấy là 1 độ.

Dựa trên kiến thức hình học từ chương 2, nhóm em đã phát triển một chương trình sử dụng hàm Sin và Cos để xác định tọa độ của một điểm ảnh Góc quét được thiết lập từ 0 đến 360 độ, với việc lấy mẫu mỗi 1 độ một lần.

Hình 4.13 Lưu ồ xác ịnh tọa ộ của 1 iểm ảnh

Chương trình sử dụng các biến alpha để điều chỉnh góc quét của cánh quạt, với col đại diện cho tọa độ trên trục y và row cho tọa độ trên trục x Bên cạnh đó, biến deg được sử dụng để chuyển đổi giữa các đơn vị đo góc.

rad Vì hàm sin và cos trong C chỉ tính bằng rad

Chương tr nh còn sử dụng mảng 1 chiều ể lưu mã màu với tọa ộ ược tính toán theo góc quét

 Chương tr nh con chuyển ổi màu 8-bit sang 7 màu cơ bản:

Như đã đề cập ở mục 4.3.1, màu 8bit bao gồm 3 bit cho màu đỏ (R), 3 bit cho màu xanh lá (G) và 2 bit cho màu xanh dương (B) Điều này có nghĩa là trong hệ màu 8bit, các bit màu được phân chia rõ ràng Chúng tôi đã phát triển một thuật toán để chuyển đổi màu 8bit sang 7 màu cơ bản bằng cách so sánh từng bit màu một cách riêng lẻ Chi tiết về quy trình này được trình bày trong bảng dưới đây.

Hình 4.14 Lưu ồ tách bit màu R-G-B

Chương trình sử dụng ba biến để tách ba màu R-G-B từ mã màu 8 bit Đầu tiên, mã màu 8 bit được dịch sang phải 5 bit để tách bit màu Tiếp theo, mã màu 8 bit được dịch sang phải 2 bit và AND với 0x07 để tách màu xanh lá Cuối cùng, mã màu 8 bit AND với 0x03 để tách màu xanh dương.

 Chương trình con chuyển mã truyền 74595:

Thực nghiệm cho thấy, cứ 3 IC 74595 iều khiển ược 8 led RGB Mỗi 1 IC

74595 chỉ xuất ược 8 ngõ ra, 1 led RGB có 4 chân – 1 chân Anod chung và 3 chân

37 iều khiển R-G-B, vì vậy khi d ng 74595 iều khiển led thì có 1,2 chân led này nhảy sang bên kia IC kia Như h nh bên dưới:

Hình 4.15 IC74HC595 kết nối LED RGB thực tế

Ta thấy rằng, led thứ 1,2,4,5,7,8 ược iều khiển trọn trên cùng 1 IC74595 Led thứ 3 ược iều khiển bởi IC 1 và 2, Led thứ 6 ược iều khiển bởi IC 2 và 3

Để chuyển mã cho IC.H1, cần xem xét màu của đèn LED thứ 3 kết hợp với đèn LED 1 và 2 Đối với IC.H2, mã màu được xác định từ đèn LED 4 và 5, đồng thời cần kiểm tra màu của đèn LED 3 và 6 Cuối cùng, IC.H3 sẽ kết hợp mã màu của đèn LED 7 và 8, đồng thời xem xét màu của đèn LED 6.

Từ các khái niệm trên, nh m em ã xây dựng lưu ồ giải thuật ể chuyển ổi mã truyền 74595:

Hình 4.16 Lưu ồ giải thuật chuyển ổi mã truyền 74HC595 - 1

4.3.2 Viết chương trình bằng Visual studio

Nhóm em đã kết hợp các chương trình con và theo lưu đồ chính Chúng em sử dụng phần mềm Visual Studio để viết chương trình, và sau khi chạy, cửa sổ terminal cho phép nhóm em sao chép dữ liệu để đưa vào vi điều khiển.

Nh m em ã sử dụng bản crack ược tải về từ trang Sinhvienit.net

 Cách sử dụng Visual Studio:

Sau khi cài ặt chương tr nh thành c ng Cửa sổ làm việc như h nh dưới:

Hình 4.19 Hình ảnh Visual Studio

2: Chọn ngon ngữ lập trình

Nh m em ã viết chương tr nh ể chuyển ổi lấy dữ liệu, màn hình terminal ể lấy dữ liệu như h nh sau:

Hình 4.20 Màn hình Terminal lấy dữ liệu

4.3.3 Chương trình điều khiển chính

Chương trình cho vi điều khiển đã lưu trữ dữ liệu ảnh có sẵn và giải mã chúng như đã đề cập trước đó Trong chương trình này, vi điều khiển có nhiệm vụ nhận biết tọa độ gốc hiển thị ảnh và gửi dữ liệu đã được giải mã cho IC dịch.

74595, ể hiển thị ảnh ra led RGB

 Lưu đồ giải thuật lập trình cho vi điều khiển:

Hình 4.21 Lưu ồ giải thuật cho VĐK

Chương trình phục vụ ngắt ngoài được thiết kế với cảm biến từ để phát hiện ngắt, khi xảy ra ngắt, chân GPIO của vi điều khiển sẽ được kéo về mức logic 0 Dựa trên tính chất này, nhóm em đã xây dựng thuật toán phát hiện ngắt ngoài, cho phép xuất ảnh và xác định thời gian để xuất ảnh.

 Lưu đồ giải thuật ngắt ngoài:

Hình 4.22 Lưu ồ giải thuật ngắt ngoài

Chương trình kiểm tra cờ ngắt ngoài thực hiện khi chân GPIO nhận tín hiệu từ cảm biến chuyển từ 1 về 0 (ngắt cạnh xuống) Biến được sử dụng để cho phép xuất ảnh; ngay khi cấp nguồn, cánh quạt quét qua nam châm lần đầu sẽ set biến lên 1, cho phép xuất ảnh Khi cảm biến quét qua nam châm, các biến để xuất ảnh cũng sẽ được reset về 0.

QUẢ, THỰC NGHIỆN, PHÂN TÍCH, TỔNG HỢP

KẾT QUẢ

Sau khi thực hiện ề tài: “Quạt Led sử dụng vi iều khiển STM32F103C8T6”, nh m thực hiện ã hoàng thành các nội dung như sau:

- Tìm hiểu các project quạt led trên youtube, trong thực tế

- Tìm hiểu, phân tích KIT STM32F103C8T6 từ v lại sơ ồ nguyên lý

- Tìm hiểu nguyên lý truyền iện không giây, truyền iện bằng ổ bi

- Đánh giá lực chọn giữa 2 phương án, qua chọn phương án ph với là sử dụng ổ bi ể truyền iện

- Tìm hiểu phương án thực hiện ề tài sử dụng STM8

- Tìm hiểu phương án thực hiện ề tài sử dụng IC dịch 74HC595

- Sau khi tìm hiểu và thực hiện phương án d ng STM8 thất bại, nh m ã chuyển phương án d ng IC dịch 74595

- Tìm hiểu thư viện hỗ trợ, nghiên cứu, phân tích phương pháp hoạt ộng, giải thuật và viết chương tr nh iều khiển

- Thiết kế và thi công cánh quạt led Sử dụng phần mềm Altium v mạch 2 lớp, thi công có phủ xanh chống oxi hóa

- Tìm hiểu ngôn ngữ C++ và kỹ thuật lập tr nh hướng ối tượng

- Thiết kế và thi c ng cơ cấu truyền iện bằng ổ bi

- Hệ thống có thể năng hiển thị ảnh tĩnh, ảnh ộng

 Một số hình ảnh của hệ thống:

Hình 5.1 Mặt dưới mạch in Hình 5.2 Mặt trên mạch in

Mặt dưới gồm Pinout gắn kit STM32F103C8T6, 9 IC 74HC595, cảm biến từ

Mặt trên: 48 led RGB, mạch nguồn hạ áp 3V3, 9 IC 74HC595

Ngoài ra còn có một vài module mở rộng ể phát triển ề tài sau này: module DS1307, cảm biến nhiệt ộ LM35, module Bluetooth

 Hình ảnh mạch sau khi hàn linh ki ện:

Hình 5.3 Hình ảnh mặt trên sau khi hàn linh kiện Hình 5.4 Hình ảnh mặt dưới sau khi hàn linh kiện

 Cơ cấu truyền điện bằng ổ bi:

Hình 5.5 Cơ cấu truyền iện bằng ổ bi

Hình 5.6 Cơ cấu hoàn chỉnh

Vì tốc ộ ộng cơ thấp nên khi chụp ảnh gây nhiều khó khan, không thể bắt ược nguyên một hình tròn nguyên vẹn, mà ảnh bị cắt khúc

Dưới dây là một số hình ảnh thực tế ược chụp lại bằng iện thoại:

Hình 5.7 Hình ảnh led quay hoạt ộng - 1

NHẬN XÉT KẾT QUẢ

Truyền iện bằng ổ bi tương ối ổn ịnh Led hiển thị ược 7 màu cơ bản Hiển thị ược hình ảnh có sẵn

Tuy nhiên vì không khắc phục ược ộ rung do ộng cơ gây ra, nên tốc ộ ộng cơ kh ng ổn ịnh, gây ảnh hưởng ến việc quét hình ảnh

Việc hiển thị ảnh màu trên quạt LED còn hạn chế do LED chỉ có khả năng hiển thị 7 màu cơ bản Do đó, nhóm em cần lựa chọn những hình ảnh có ít dải màu để đảm bảo hiển thị rõ ràng hơn.

Số lượng led ít (48 led), nên chỉ quét ược ảnh có số lượng 96x96 pixel, vì ộ phân giải thấp nên ảnh hiển thị không ược mượt

LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

HẠN CHẾ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI GẦN

- Trong quá trình thực hiện còn nhiều kh khăn khi tiếp cận module mới, ặc biệt là trong thiết kế phần cứng, mạch còn chưa ược ẹp

- Hệ thống truyền iện vẫn chưa ược tốt

- Mô hình hệ thống quay vẫn còn rung lắc, chưa ược ổn ịnh

- Hình ảnh cho ra từ mô hình vẫn còn mờ, chưa ược sắc nét Vẫn chưa tạo ược hình ảnh 3D, số lượng ảnh ể lựa chọn còn ít

- Trong thời gian tới, ta c thể phát triển MẠCH QUẠT LED ể c thể:

 Kết hợp với nhiều cảm biến khác như : Nhiệt ộ, ánh sáng ,… ể hiển thị

 Xây dựng lại mô hình nhằm tăng ộ ổn ịnh cho các cơ cấu

 Có thể kết hợp thêm thẻ nhớ ể tăng dung lượng vùng chứa dữ liệu ảnh

 Kết hợp các ứng dụng xử lý ảnh thành 1 ể dễ quản lý và sử dụng

 Xây dựng kết nối bluetooth ể iều khiển mô hình thông qua ứng dụng trên iện thoại di ộng

Định dạng
Số trang	96
Dung lượng	5,61 MB