TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG
NHÓM A01-B
NHÓM 23
GVHD : Thầy Trương Quang Vinh
T12/2018
MỤC LỤC
I.
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ......................................................................................................................... 5
1.
ĐẶC TẢ HỆ THỐNG ......................................................................................................................... 5
a. Product Specification ............................................................................................................................. 5
b. Engineering Specification ...................................................................................................................... 7
g. Hardware Specification ....................................................................................................................... 11
h. Software Specification ......................................................................................................................... 11
i. Test Specification ................................................................................................................................. 11
2.
Embedded Symstem Design Issues .................................................................................................. 12
a. Constraint Issues .................................................................................................................................. 12
b. Functional Issues .................................................................................................................................. 12
c. Real – Time Issues ................................................................................................................................ 12
d. Concurrent issues ................................................................................................................................. 12
e. Reactive issues ...................................................................................................................................... 13
3.
Team Contract .................................................................................................................................. 13
4.
Project Plan ....................................................................................................................................... 14
II.
THIẾT KẾ ..................................................................................................................................... 15
1. HARDWARE ....................................................................................................................................... 15
a.
Schematics ................................................................................................................................. 15
b. Mạch PCB...................................................................................................................................... 17
KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ................................................................................. 15
II.
1. THI CÔNG ........................................................................................................................................... 15
a.
Schematics ................................................................................................................................. 15
b. Mạch PCB...................................................................................................................................... 17
2. THÀNH PHẨM .................................................................................................................................... 17
a.
Schematics ................................................................................................................................. 17
b. Mạch PCB...................................................................................................................................... 17
3. KIỂM TRA ........................................................................................................................................... 17
4. ĐÁNH GIÁ ........................................................................................................................................... 17
I. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1. ĐẶC TẢ HỆ THỐNG
a. Product Specification
Tên sản phẩm : Simple Music Keyboard
Purpose : Chức năng giải trí, phát nhạc, và có bàn phím như một chiếc
piano
Sản phẩm có hình dạng của một chiến piano mini, có kích
thước nhỏ gọn ( chiều dài khoảng 20cm)
Sẽ có một hệ thống phím giống y như bàn phím piano thật,
gồm hệ thống 7 nốt cơ bản ( Đô – Rê – Mi – Pha –Son – La
– Si )
Ngoài ra , sẽ có các nút nhấn khác dùng để chỉnh tone , cao
độ, độ ngân, độ lớn nhỏ của sản phẩm
Ngoài chức năng cơ bản trên, nhóm còn tích hợp vào sản
phẩm chức năng chạy bản nhạc sẵn có, bằng cách sử dụng
remote (hoặc nút nhấn), bạn có thể chọn một trong những
bài hát có sẵn để phát ra ngoài)
Để sản phẩm thêm phần hấp dẫn, sản phẩm còn có một
chiếc LCD, sẽ hiện thị trạng thái, nội dung bài hát khi đang
chạy, cũng như cao độ khi mình nhấn các phím trên
keyboard.
Sẽ có một hệ thống LED bên ngoài nhấp nháy theo điệu
nhạc ( theo cao độ và tiết tấu)
Cuối cùng, nhóm sẽ trang trí sản phẩm với một hộp đèn
làm bằng giấy với nhiều họa tiết bắt mắt
Input & Output
o Input :
Nút nhấn (nhấn để ra tiếng kêu, các nốt nhạc)
Remote (bấm để chọn bài hát)
o Ouput :
LCD (hiện thị nốt và bài nhạc đang chơi)
Loa phát nhạc
LED hiện thị chớp nháy cho sinh động
Usecase :
Function
Performance :
Các nút nhấn được vi điều khiển đọc đầu vào liên tục, khi
nút bị nhấn, vi điều khiển sẽ phát ra loa âm thanh với tần số
(cao độ) tương ứng đã được định nghĩa sẵn
Mạch bluetooth nhận tín hiệu từ remote sẽ được vi xử lí
đọc tín hiệu sẽ phát bài hát tương ứng ra loa, đồng thời hiện
thị nội dung trên LCD, các dải LED cũng sẽ được điều
khiển nháy thoe điệu nhạc
Âm thanh sẽ to và rõ hơn nhờ sự trợ giúp của mạch
khuếch đại âm và những bài hát có sẵn sẽ được lưu
vào thẻ nhớ gắn ở SDcard Breakout Board
Có thể chơi một bài hát đơn giản bằng các nốt cao độ
Có hệ thống nâng và hạ tông
Có thể chơi 5 bài hát mặc định
Có thể dừng, phát tiếp hay chuyển bài
Có led nhấp nháy theo điệu nhạc
Manufactoring Cost :
Arduino UNO : 100.000 VND
LCD – 16x2 – B : 30.000 VND
IC 74HC595 : 2000 VND
Speaker 8 ohm : 30.000 VND
Button : 10.000 VND
Biến trở 10K : 2.500 VND
Mạch khuếch đại âm 6W : 20.000 VND
SDcard Breakout Board : 10.000 VND
Tụ điện 4700pF : 1.000 VND
Bread board : 20.000 VND
Tổng : 280.000 VND
Power : Nguồn 9V
Physical size/weight :
Sử dụng 1 board arduino UNO R3 để điều khiển và 1 loa
spreaker + 1 lcd 16x2 : nhũng linh kiện trên kích thước cũng
khá lớn, nhất là board arduino UNO R3.
Bên cạnh đó còn có thêm bread board nếu khách hàng yêu
cầu sử dụng, làm mạch in sẽ tiết kiệm được kích thước
nhưng giá thành sẽ cao hơn.
Kích thước khoảng 20x20x10 cm, năng khoảng 500g
Installation :
Để nơi khô ráo thoáng mát, tránh ánh năng trực tiếp
Ngoài ra có thể để bất cứ đâu trong nhà
b. Engineering Specification
Hardware :
Arduino UNO
LCD – 16x2 – B
IC 74HC595
Speaker 8 ohm
Button
Biến trở 10K
Mạch khuếch đại âm 6W
SDcard Breakout Board
Tụ điện 4700pF
Bread Board ( Test)
Remote , module bluetooth
LED đơn
Dây LED
Nguồn 5V
Thẻ nhớ
Requirements :
Real – time processing
Hiện thị đúng tần số, đúng nốt lên LCD
Nút nhấn có độ nhạy vừa phải
Loa phát ra tiếng to vừa nghe, không bị rè
c. Description :
Thời gian trể không đang kể
Delay tối đa 0.2s
Đây coi như là một nhạc cụ, nhấn các nút thì sẽ gửi tín hiệu đến vi xử lý
và phát nhạc ra loa, hiện nội dung lên LCD và LED
d. External Environment:
The product will be used anywhere in your house , put on table
Temperature is from 10 to 50 0C
e. System connectivity:
f. Major modules and their interfaces:
Button interface:
Purpose:
Có hơn 7 nút nhấn trên bàn phím ma trận
Requiement:
Hardware
component
Keypad with 7+
button
Có chống rung mỗi phím, hành trình phím dài
Là nút nhấn thả kiểu button
Thời gian nhận tín hiệu liện tiếp cách nhau 0.5 giây
Interface
Single end, GPIO( .0>.7),
3.3 V/ 0 V
Component
Part Number
AK-1607-N-BBW-R
Note
Button is off-board,
connect by wires and
pin header 2mm pitch
EEPROM:
Purpose:
Bộ nhớ này chứa dữ liệu âm thanh và các dữ liệu cấu hình ( thời
gian phát tiếng bíp, âm lượng tiếng bíp
Requirement:
Chứa 3 loại tiếng bíp khác nhau: kéo dài 0.5 giây, kéo dài 2 giây
và liên hồi trong 10 phút.
Chứa dữ liệu cấu hình ( nhập đúng, nhập sai, sai 3 lần, âm lượng
được cài đặt truóc.
Hardware
component
EEPROM
Interface
SPI ( .0->.7),
3.3V supply
Component
Part Number
M95M02DWMN3TP/K
Note
EEPROM capacity is
1KB(Atmega 328)
LCD:
Purpose:
Màn hình này hiển thị, chế độ hiện tại ( nhập, đổi mật khẩu ),
hiện thị đáp ứng khi nhập đúng/ sai mật khẩu.
Requirement:
2.9 inch
16 bit trắng đen
Góc rộng.
Hardware
Component
Interface
Component Part
Number
Note
LCD 16x2, 3” inch
5x7 pixel/ letter
SPI(.0->.7),
VDD/VCC/ 5V DC
supply
LM016L
http://iotsky.vn/sanpham/lcd1602-xanhduong-16x2.html
SPeaker:
Purpose:
Tạo ra âm thanh ( tiếng bíp ).
Requirement:
Độ to không thay đổi được.
Hardware
component
Speaker 8ohm
Rectifier diode
Interface
2 pins header
2 pins header
Componient part
number
SBM2
SBU8J
Note
LED:
Purpose:
Mô phỏng mở khóa thành công
Requirement:
Độ sáng vừa phải.
Hardware
component
Interface
Green led
Through hole
Component Part
Number
Note
1.9 - 4.0 ( V )
10 mA
Through hole
Red led
1.63 - 2.03 (V)
10 mA
g. Hardware Specification
Hardware :
1. Arduino UNO
2. LCD – 16x2 – B
3. IC 74HC595
4. Speaker 8 ohm
5. Button
6. Biến trở 10K
7. Mạch khuếch đại âm 6W
8. SDcard Breakout Board
9. Tụ điện 4700pF
10. Bread Board ( Test)
11. Remote , module bluetooth
12. LED đơn
13. Dây LED
14. Nguồn 5V
15. Thẻ nhớ
Về chức năng của bàn phím :
Các nút nhấn được vi điều khiển đọc đầu vào liên tục, khi nút
bị nhấn, vi điều khiển sẽ phát ra loa âm thanh với tần số (cao
độ) tương ứng đã được định nghĩa sẵn
Mạch bluetooth nhận tín hiệu từ remote sẽ được vi xử lí đọc tín
hiệu sẽ phát bài hát tương ứng ra loa, đồng thời hiện thị nội
dung trên LCD, các dải LED cũng sẽ được điều khiển nháy
thoe điệu nhạc
Âm thanh sẽ to và rõ hơn nhờ sự trợ giúp của mạch khuếch đại
âm và những bài hát có sẵn sẽ được lưu vào thẻ nhớ gắn ở
SDcard Breakout Board
h. Software Specification
Sử dụng arduino IDE và các thư viện, hàm có sẵn để thực hiện sản phẩm
Code sẽ được nạp trực tiếp xuống Arduino
Một số hàm được sử dụng
Hàm tone(pin, frequency, duration)
i. Test Specification
Devide :
Voltage meter
Bread board
Dây cắm bread board
Laptop ( sử dụng trang web nhận diện cao độ , độ
vang của âm)
Test Processing
Nhấn lần lượt các nút ( Đô – Rê – Mi – Pha – Son –
La – Si ) và kiểm tra cao độ , độ lớn …
Nhấn các nút chức năng, cao độ, độ lớn, dừng, phát
xem có hoạt động tốt không
Sử dụng remote để mở một bài hát bất kỳ, kiểm tra
xem Loa phát nhạc có đúng và kịp thời không, LCD
có hiển thị đúng nội dung không và LED nhấp nháy
có đúng và đẹp không
Cuối cùng, xem lại tổng thể khi chơi một bài nhạc thế
nào
2. Embedded Symstem Design Issues
a. Constraint Issues
Giá thành rẻ
Nhỏ, gọn dễ mang đi
Kích thước < 20 cm
Hiệu suất cao
Dễ nhìn, các nút bấm phải dễ bấm, có độ nhạy vừa phải
b. Functional Issues
c.
Nút nhấn dễ nhấn, cách xa nhau, an toàn không hở điện
Loa phát ra âm nghe vừa phải , không chói tai, không gây ồn ào, đau
nhức
Cao độ phát ra phải đúng thanh nhạc
Không phát những bài hát không có bản quyền, gây phản cảm hay ảnh
hưởng đến chính trị, kinh tế
Real – Time Issues
d.
LCD, phát bài nhạc cố định :
Soft real-time system : Delay < 0.5s
Các âm phát ra khi nhấn trên bàn phím
Soft real-time system : Delay < 0.2s
Concurrent issues
Vi xử lí nhận tín hiệu từ các nút nhấn, remote và truyền ngay tới Loa, LCD và
các dải LED để thực hiện các nhiệm vụ : phát nhạc, hiện thị nội dung và nháy
đền theo nhạc
e.
Reactive issues
+ Sản phẩm có một công tắc, khi ngắt công tắc thì sẽ ngát nguồn, và
không hoạt động
+ Tuy nhiên sau khi bật lên thì nó sẽ chạy liên tục, đợi nhận tín hiệu từ các
nút nhấn, remote và các phím chức năng.
+ Hệ thống tương tác trực tiếp với người dùng qua các nút chức năng
3. Team Contract
Team name : F23
Team member
Role
Signature
Leader, system engineer
Trần Nho Đức
Hardware design
Đặng Phước Hoàng Minh
Software design
Trần Việt Hưng
Hardware design
Lương Hữu Chung
Software design
Lê Văn Sơn
TASKS
Responsible member
1. Develop system architecture
Trần Nho Đức
2. Design hardware
Đặng Phước Hoàng Minh
3. Develop software
Trần Việt Hưng
4. Develop software
Lê Văn Sơn
5.Integrate and test
Lương Hữu Chung
Team meeting
Team rules
14h30 , Wednesday, weekly
1. Participate in all team meetings
2. Listen carefully to all comments at meetings
3. Complete all assigned tasks before deadlines
4. Focus on results rather than excuses after.
5. Don’t offense together
6. Mutual trust
4. Project Plan
PROJECT PLANNING
Team name
Product name
Main features
Estimate time
Estimate cost
F23
Simple Music Keyboard
Like a mini pinano
Can play a song with button
Play some default song with remote control
Display contents in LCD and LED
3 months (8hour/ a day)
Arduino UNO : 100.000 VND
LCD – 16x2 – B : 30.000 VND
IC 74HC595 : 2000 VND
Speaker 8 ohm : 30.000 VND
Button : 10.000 VND
Biến trở 10K : 2.500 VND
Mạch khuếch đại âm 6W : 20.000 VND
SDcard Breakout Board : 10.000 VND
Tụ điện 4700pF : 1.000 VND
Bread Board ( Test) : 20.000 VND
Remote , module bluetooth : 10.000
VND
Dây LED : 10.000 VND
Nguồn 5V : 20.000 VND
Thẻ nhớ : 15.000 VND
Tổng : 280.000 VND
Team members
Schedule
1. Design system architecture
2. Design hardware part
2. Design hardware part
2.2. Design interface
2.3. Implement hardware board
3. Develop software part
Student 1 : Leader
Student 2 ,3 : Hardware design
Student 4,5 : Software design
Month 1
Month 2
Month 3
3.1. Develop control algorithm
3.2. Develop driver, user
interface
3.3. Implement software
program
4. Integrate and test
4.1. Simulate operations
4.2. Verify system
II.
THIẾT KẾ
1. HARDWARE
a. Schematics
Phần nhạc piano
Phần phát bài hát qua SD card
b. Mạch PCB
2. SOFTWARE
a. Lưu đồ giải thuật
START
Các đèn led tắt
Các phím piano hoạt động
Các phím
piano được
bấm
Phím menu
được bấm
Phát nốt ra loa
Delay 0.2s
Chuyển qua chế độ menu và
led sáng
Lệnh thoát menu
b. Giải thích giải thuật
+ Xác định tên công tắc menu, các giá trị tần số cho mỗi phím trong số 7 phím
đàn piano.
+ Viết các chương trình con cho mỗi bài hát để dễ dàng thêm hoặc xóa nhiều
bài hát hơn.
Bắt đầu bật piano:
+ Các đèn led tắt, tất cả các phím piano hoạt động.
+ Vòng lặp phát hiện nút menu được bấm thì sẽ tắt tất cả các phím piano và bật
led để biết đang ở trong chế độ menu
Trong chế độ menu
+ Nhấn nút menu để qua lại các bài hát, nhấn bất kỳ phím đàn để phát bài hát
đang được hiển thị trên LCD
+ Màn hình LCD sẽ hiển thị bài hát đang phát, sau đó quay lại cùng 1 đeirm
trong menu khi bài hát kết thúc. Từ đó có thể phát lại hoặc tiếp tục phát các bài
hát có trong danh sách có sẵn.
+ Nhấn đúp vào nút menu để khởi động lại menu từ đầu.
+ Để quay lại sử dụng các phím đàn piano, hãy chuyển qua phần còn lại của
các bài hát trong menu. Khi màn hình menu trống và các đèn led tắt. các phím
đàn piano sẽ hoạt động trở lại.
III. KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
1. TIẾN HÀNH THI CÔNG
a.
Mô phỏng và chạy thử demo
- Để đảm bảo an toàn cho sản phẩm cuối cùng, cũng như chỉnh sửa
và bổ sung thêm tính năng cho sản phẩm
- Nhóm quyết định mô phỏng trước sản phẩm của mình, cụ thể là
băng proteus và một số bên thứ 3 khác
- Kết quả chạy mô phỏng thành công
- Nhóm tiếp tục tiến hành cắm breadboard để test sản phẩm
- Kết quả cũng thành công
b.
Thi công
- Đi layout trên phần mềm Altium
- Sau khi thiết kế và làm mach in xong , kết hợp breadboard và
VOM để test mạch (trước đó đã test trên phần mềm)
- Cuối cùng là kết nối các phần cứng lại với nhau
- Xem thêm -