Thiết kế hệ thống hẹn giờ cho thiết bị điện

Tài liệu tham khảo ngành công nghệ thông tin Thiết kế hệ thống hẹn giờ cho thiết bị điện

MỤC LỤC

Phần 2:Quá trình thiết kế và nguyên lý hoạt động 41

2- 2 Chức năng của hệ thống hẹn giờ cho thiết bị điện 422- 3 Sơ đồ khối của hệ thống hẹn giờ cho thiết bị điện 42

2- 5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống hẹn giờ cho thiết bị điện 48

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây công nghệ vi điện tử phát triển rất mạnh mẽ Sự ra đời của các vi mạch cỡ lớn, cực lớn với giá thành giảm nhanh, khả năng lập trình ngày càng cao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong ngành kỹ thuật điện tử Mạch số, ở những mức độ khác nhau đã và đang thâm nhập vào tất cả các thiết bị điện tử thông dụng và

chuyên dụng Vì vậy môn học: “Kỹ thuật số và mạch lôgic” sẽ giúp các

sinh viên ngành điện tử tìm hiểu sâu sắc về điện tử số, nắm được những vấn đề cốt lõi, tăng cường năng lực giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong thực tế.

Sau khi đã được học môn: “Kỹ thuật số và mạch lôgic” và được sự

hướng dẫn của cô giáo Nguyễn Thị Minh em đã chọn đề tài: “Thiết kế

hệ thống hẹn giờ cho thiết bị điện” làm đồ án môn học này Với mục

đích là vận dụng được những kiến thức điện tử số đã được học vào thiết kế những bài toán ứng dụng thực tế.

Trong quá trình thực hiện đồ án không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo thêm của thầy cô và bạn bè để có thể hoàn thiện hơn cho đề tài.

Em xin chân thành cảm ơn cô giáo Nguyễn Thị Minh đã chỉ bảo

tận tình trong quá trình thực hiện đề tài này, cảm ơn tất cả mọi ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn bè.

Sinh viên thực hiện !

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠCH LOGIC

Đề tài: “Thiết kế hệ thống hẹn giờ cho thiết bị điện”

PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỀ TÀI1- 1 Tổng quan về mạch số

Các mạch xử lý tín hiệu chỉ ở mức cao và thấp gọi là mạch số

Căn cứ vào đặc điểm và chức năng logic, chúng ta phân loại mạch số thành hai loại chính: mạch tổ hợp và mạch dãy.

Lúc đó mô hình toán học hình 1.1,a được mô tả một cách tổng quát như hình 1.1,b.

Hình 1.1: Mô hình toán học của mạch tổ hợp.

1- 1.2 Mạch dãy

Mạchtổ hợpX

Mạch tổ hợpX

Là mạch có tín hiệu ra phụ thuộc không những vào tín hiệu vào mà còn phụ thuộc trạng thái trong của mạch, nghĩa là mạch có lưu trữ, nhớ các trạng thái.

Trong mạch dãy trạng thái đầu ra ổn định ở thời điểm xét bất kỳ không chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu vào thời điểm đó mà còn phụ thuộc cả vào trạng thái bản thân mạch điện ở thời điểm trước (trạng thái trong).Cấu trúc mạch như hình 1.2

Hình 1.2: Sơ đồ khối mạch dãy.

Xét hình 1.2, X(x1, x2, , xi) là tín hiệu đầu và ở thời điểm xét tn, Z(z1, z2, , zj) là tín hiệu đầu ra ở tn, W (w1, w2, , wk) là tín hiệu đầu vào mạch nhớ ở tn (tức là tín hiệu kích đồng bộ của FF), Y(y1, y2, , yL) là tín hiệu ra mạch nhớ ở tn (tức là trạng thái hiện tại của FF).

Bảng 1.1: Bảng chân lí hàm AND

c Phương trình đầu ra:

Từ bảng chân lí ta có phương trình tổng quát đầu ra của hàm AND như sau:

f (x1,x2, , xn) = x1.x2 xn ; n = 1, 2, 3, Trong đó: f là đầu ra, xi là các đầu vào

Hàm AND là hàm có 1 hoặc nhiều đầu vào và có một đầu ra duy nhất.

c Phương trình đầu ra:

Từ bảng chân lí ta có phương trình tổng quát đầu ra của hàm OR như sau:

f (x1, x2, , xn) = x1 + x2 + + xn ; n = 1, 2, 3, Trong đó: f là đầu ra, xi là các đầu vào

Hàm OR là hàm có 1 hoặc nhiều đầu vào và có một đầu ra duy nhất.

1- 2.3 Hàm NOT

a Ký hiệu:

Ký hiệu của cổng NOT như hình 1.5

Hình 1.5: Ký hiệu cổng NOT.

c Phương trình đầu ra:

Từ bảng chân lí ta có phương trình tổng quát đầu ra của hàm NOT như sau:

f (x) = x

Trong đó: f là đầu ra, x đầu vào

Hàm NOT là hàm có đầu vào và đầu ra duy nhất.

c Phương trình đầu ra:

Từ bảng chân lí ta có phương trình tổng quát đầu ra của hàm NOR như sau:

f (x1, x2, , xn) = x1 + x2 + + xn ; với n = 1, 2, 3, Trong đó: f là đầu ra xi là các đầu vào

Hàm NOR là hàm một hoặc nhiều đầu vào và có một đầu ra duy nhất.

c Phương trình đầu ra:

Từ bảng chân lí ta có phương trình tổng quát đầu ra của hàm NAND như sau:

f (x1, x2, , xn) = x1.x2 xn ; với n = 1, 2, 3, Trong đó: f là đầu ra, xi là các đầu vào

Hàm NAND là hàm một hoặc nhiều đầu vào và có một đầu ra duy nhất.

1- 3 Mạch điện cổng TTL (TRANSISTOR – TRANSISTOR - LOGIC)

1- 3.1 IC 74LS04: Mạch đảo

a Sơ đồ chân:

Sơ đồ chân của 74LS04 như hình 1.8.

Hình 1.8: Sơ đồ chân IC 74LS04

b Cấu tạo:

IC 74LS04 gồm 6 cổng NOT tích hợp trên một đế bán dẫn Đầu vào của cổng NOT tại các chân: 1, 3, 5, 9, 11, 13, đầu ra tại các chân: 2, 4, 6, 8, 10, 12, chân 8 nối nguồn +5V, chân 7 nối đất.

c Nguyên tắc hoạt động:

74LS08 hoạt động như cổng AND các lối ra Y là tích của 2 lối vào A và B: Yi = Ai.Bi, i = 1, 2, …, 4.

IC 74LS02 gồm 4 cổng NOR 2 đầu vào tích hợp trên một đế bán dẫn Đầu vào của cổng NOR tại các chân: 2 - 3, 5 - 6, 8 - 9, 11 – 12, đầu ra tại các chân: 1, 4, 10, 13, chân 8 nối nguồn +5V, chân 7 nối đất.

Hình 1.13: Sơ đồ chân IC 74HC4002

b Cấu tạo:

IC 74HC4002 gồm 2 cổng NOR 4 đầu vào tích hợp trên một đế bán dẫn Đầu vào của cổng NOR tại các chân: 2 - 3 - 4 - 5, 9 - 10 - 11, -12, đầu ra tại các chân: 1,13, chân 8 nối nguồn +5V, chân 7 nối đất, chân 6 và 8 không nối với bên trong.

c Nguyên tắc hoạt động:

74LS11 hoạt động như cổng AND các lối ra Y là tích 3 lối vào A, B, C: Yi = Ai.Bi.Ci, i = 1, 2, 3.

c Nguyên tắc hoạt động:

74HC4072 hoạt động như cổng OR các lối ra Y là tổng 4 lối vào A, B, C, D: Yi = Ai+ Bi+ Ci+Di, i = 1, 2.

1- 4 Mạch logic tổ hợp

1- 4.1 Giải mã BCD sang LED 7 đoạn

a Cấu trúc và phân loại LED 7 đoạn:

- LED 7 đoạn được cấu tạo bởi 7 đoạn LED có chung anode (AC) hay cathode (KC) Được sắp xếp thành hình số 8 vuông như hình 1.16,a:

1.16,b 1.16,a 1.16,cHình 1.16: cấu tạo và chân ra của 1 LED 7 đoạn

- Ngoài ra còn có một LED còn được đặt làm dấu phẩy thập phân cho số hiển thị, nó được điều khiển riêng biệt không qua mạch giải mã Các chân ra của LED được sắp xếp thành hai hàng chân ở giữa mỗi hàng chân là A chung hay K chung, xem hình 1.16,b và 1.16,c.

- Điều khiển hiển thị LED 7 đoạn:

+ Đối với LED 7 đoạn anode chung để điều khiển 1 thanh nào đó sáng thì: phải cấp nguồn +5V (mức 1) ở Vcc, lối ra tương ứng của bộ giải mã BCD phải ở mức thấp:

Tín hiệu điều khiển

a b c d e f g Hiển thị0 0 0 0 0 0 1

1 0 0 1 1 1 10 0 1 0 0 1 00 0 0 0 1 1 01 0 0 1 1 0 00 1 0 0 1 0 01 1 0 0 0 0 10 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0

Bảng 1.6: Bảng trạng thái của LED 7 đoạn anode chung.

+ Đối với LED 7 đoạn kathode chung để điều khiển 1 thanh nào đó sáng thì: phải nối mass (mức 0), ở cathode chung và cấp nguồn +5V (mức 1) ở lối ra tương ứng của bộ giải mã BCD:

Tín hiệu điều khiển

a b c d e f g Hiển thị1 1 1 1 1 1 0

0 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 10 0 1 1 1 1 01 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 1

Bảng 1.7: Bảng trạng thái của LED 7 đoạn kathode chung.

b Thiết kế bộ giải mã BCD8421 sang LED 7 đoạn:

- Phân tích yêu cầu:

Xem sơ đồ khối hình 1.18.

Bộ giải mã BCD sang LED 7 đoạnA

Đầu ra

Hình 1.18: Bộ giải mã BCD 8421 sang LED 7 đoạn.

Các đầu vào D, C, B, A là mã BCD8421 trong đó 6 trạng thái 1010 ÷ 1111 không được sử dụng, đánh dấu chéo để xử lí tối thiểu hoá Tín hiệu đầu ra a, b, …, g là để kích sáng LED tương ứng của LED 7 đoạn Ở đây ta thiết kế tín hiệu đầu ra của bộ giải mã ở mức tích cực thấp.

- Kê bảng chân lí:

Số được hiển thị

0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0

Bảng 1.9: Bảng chân lí của bộ giải mã BCD8421

Bảng chức năng 1.8 được liệt kê từ kết quả phân tích yêu cầu thiết kế Các từ mã đầu vào của mã BCD8421 quyết định số được hiển thị Nhưng do đầu ra của bộ giải mã ở mức thấp đèn LED mới sáng nên ta xác định sao cho:

Mức thấp L: LED sáng; Mức cao H: LED tắt; Các LED sáng hình thành số được hiển thị Bảng 1.9 là bảng chân lí tương ứng từ bảng 1.8

- Tối thiểu hoá:

Dùng phương pháp hình vẽ Chúng ta chọn dùng cổng NORAND trong sơ đồ Do đó, đầu tiên ta tối thiểu hoá hàm đảo bằng dạng ORAND đối với giá trị 0 của hàm đầu ra, sau đó lấy đảo thì được dạng NORAND đối với các giá trị 1 của một hàm đầu ra Bảng Karnaugh của các hàm ra như sau: Bảng 1.10.     

Bảng 1.10: Bảng Karnaugh của các đầu ra bộ giải mã BCD8421Tối thiểu hoá bảng Karnaugh ta có các hàm ra như sau:

f = D + CB + CA + BA, f = D + CB + CA + BAg = D + CB + CB + BA, g = D + CB + CB + BA- Sơ đồ logic: (hình 1.19).

Hình 1.19: bộ giải mã BCD8421 sang LED 7 đoạn:

1- 4.2 Thiết kế bộ dồn kênh MUX: 2⇒1:

a Phân tích yêu cầu:

Sơ đồ khối: (hình 1.22)

Hình 1.20: Sơ đồ khối của MUX: 2⇒1

MUX: 2⇒1: có 2 đầu vào dữ liệu D0 và D1 , 1 đầu vào điều khiển A, Y là đầu ra, G là đầu vào chọn chip (Cho phép bộ dồn kênh làm việc) Tuỳ thuộc vào tín hiệu điều khiển tín hiệu đầu ra sẽ được nối với một trong hai lối vào.

b Kê bảng chân lí:

2 1 YD

AG

Khi G = 1 thì Y = 0, tức là bộ dồn kênh bị cấm, nó không làm việc.Khi G = 0 thì Y = 1 một trong 2 tín hiệu đầu vào được chọn.

Kênh nào được chọn phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển nếu A = 0 thì Y = D0, nếu A = 1 thì Y = D1 Bảng 1.11 và 1.12 là bảng chức năng của bộ dồn kênh.

c Tối thiểu hoá:

Từ bảng chức năng ta có phưng trình đầu ra Y như sau:Y = GAD0 + GAD1.

d Sơ đồ logic: (hình 1.21)

Hình 1.21: Sơ đồ logic MUX: 2⇒1

1- 4.3 Một số IC logic tổ hợp

- Sơ đồ chân: (hình 1.22)

Hình 1.22: Sơ đồ chân ra 74LS47

A, B, C, D: các đầu vào BCD4821 RBI: đầu vào xoá gợn sóng LT: đầu vào thử đèn LED BI/RBO: đầu vào xoá hay đầu ra xoá gợn a ÷ g: các đầu ra mức tích cực thấp.

- Cấu trúc bên trong:

Hình 1.23: Cấu trúc bên trong 74LS47 và dạng số hiển thị

74LS47 bộ giải mã BCB8241 sang LED 7 đoạn, đầu ra ở mức tích cực thấp Cấu trúc bên trong xem hình 1.23.

- Hoạt động:

Hoạt động của 74LS47 được mô tả trong bảng 1.13.

74LS47 hoạt động giống như bộ giải mã BCD8421 sang LED 7 đoạn chỉ có một số chức năng khác:

+ Các đầu ra của bộ giải mã tác động ở mức thấp (0) thì LED tương ứng sang.

+ Ngoài 10 số từ 0 đến 9 được giải mã, mạch cũng còn giải mã 6 trạng thái khác, ở đây không dùng đến (ghi chú 2)

+ Để hoạt động giải mã xãy ra bình thường thì thì chân LT và BI/RBO phải ở mức cao.

+ Muốn thử đèn LED để các LED đều sáng hết thì đặt chân LT ở mức thấp (ghi chú 5).

+ Muốn xoá hết số (tắt hết LED) thì đặt chân BI/RBO ở mức thấp (ghi chú 3).

Bảng 1.13: Bảng tóm tắt hoạt động IC 74LS47

b IC 74LS157:

- Sơ đồ chân: (hình 1.24)

Hình 1.24: Sơ đồ chân của ICLS157

74LS157 là 4 MUX: 2⇒1 ghép với nhau, có chung tín hiệu điều khiển chọn kênh A/B (chân 1) và chung tín hiệu chọn chip G (chân 15) 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B là các đầu vào của 4 MUX 1Y, 2Y, 3Y, 4Y là các đầu ra của 4 MUX.

- Cấu trúc bên trong:

Hình 1.25: Sơ đồ cấu trúc IC 74LS157- Hoạt động:

Hoạt động của 74LS157 được mô tả trong bảng 1.14.

Bảng 1.14: Tóm tắt hoạt động của 74LS157.

Hoạt động của 74LS157 giống như MUX: 2⇒1 Khi tín hiệu chân G ở mức thấp thì IC mới hoạt động Lúc IC hoạt động nếu tín hiệu ở chân A/B là mức thấp thì các lối ra Y sẽ chọn dữ liệu ở các lối vào A tương ứng, còn tín hiệu chân A/B ở mức cao thì các lối ra Y sẽ chọn dữ liệu ở các lối vào B tương ứng.

1- 5 Mạch dãy

1- 5.1 Các bước thiết kế mạch dãy

Quá trình thiết kế mạch dãy được mô tả như ở lưu đồ hình 1.26.

Hình 1.26: Các bước thiết kế mạch dãy.

1- 5.2 Các trigger (Flip - Flop)

Xác định bài toánXác định tín hiệu vào ra

Đồ hình trạng thái, bảng trạng thái, bảng tín hiệu vào ra

Tối thiểu hoá trạng tháiXác định hệ phương trình

Sơ đồ thực hiện

- Sơ đồ khối:

JK - FF là FF có 2 đầu vào điều khiển J,K Sơ đồ khối của JK - FF được biểu diễn trên hình 1.27

Hình 1.27: Sơ đồ khối JK - FF- Bảng chân lí:

Bảng chân lí của JK - FF cho ở bảng 1.15, bảng 1.15,a là bảng chân lí đầy đủ, bảng 1.15,b là bảng chức năng rút gọn, với Q là trạng thái hiện tại Q' là trạng thái tiếp theo Từ bảng chức năng rút gọn ta nhận thấy rằng khi:

JK = 0 0, FF luôn giữ nguyên trạng thái cũ (Q' = Q).JK = 0 1, FF luôn luôn chuyển đến trạng thái 0 (Q' = 0).JK = 1 0, FF luôn luôn chuyển đến trạng thái 1 (Q' = 1).JK = 1 1, FF luôn luôn lật trạng thái (Q' = ).- Đồ hình trạng thái: (hình 1.27)

Hình 1.27: Đồ hình trạng thái của JK - FF- Bảng Karnaugh: (bảng 1.16)

Viết lại phương trình này dưới dạng chỉ dùng các hàm NAND:

- Sơ đồ logic JK - FF: (hình 1.28)

1.28,a

Hình 1.28: Sơ đồ cổng NAND của JK - FF.

Từ phương trình trên ta xây đựng được sơ đồ như hình 1.28, trong đó 1.28,a là JK – FF làm việt ở chế độ không đồng bộ, 1.28,b là JK-FF làm việc đồng bộ Ck ở mức cao “H” 2 tín hiệu thiết lập (Pr) và xoá (Cl) cho FF.

K Q'

1

Bảng 1.17: Bảng chân lí JK - FF.

Bảng chân lí của T - FF cho ở bảng 1.17, bảng 1.17,a là bảng chân lí đầy đủ, bảng 1.17,b là bảng chức năng rút gọn, với Q là trạng thái hiện tại Q' là trạng thái tiếp theo Từ bảng chức năng rút gọn ta nhận thấy rằng khi:

T = 0, FF luôn giữ nguyên trạng thái cũ (Q' = Q).T = 1, FF luôn luôn lật trạng thái (Toggle) (Q' = ).Chính vì thế mà FF này có tên là T -FF.

- Đồ hình trạng thái: (hình 1.30)

Hình 1.30: Đồ hình trạng thái của T - FF- Bảng Karnaugh: (bảng 1.18)

Q'Q

Hình 1.31: Sơ đồ cổng NAND của T - FF.

Từ phương trình trên ta xây đựng được sơ đồ như hình 1.31.

1- 5.3 IC 74LS76

a Sơ đồ chân: (hình 1.32)

Hình 1.32: Sơ đồ chân của ICLS76

74LS76 gồm 2 JK - FF tích hợp trên một đế bán dẫn, có đầu đặt dữ liệu (PRE) và đầu xoá dữ liệu (CLR), các đầu vào, đầu ra của các FF kí hiệu như trên hình vẽ.

b Cấu trúc bên trong: (hình 1.33).

Hình 1.33: Sơ đồ cấu trúc IC 74LS76

c Hoạt động:

Hoạt động của 74LS76 được mô tả trong bảng 1.19.

Bảng 1.19: Tóm tắt hoạt động của 74LS76.

Hoạt động của 74LS76 giống như JK - FF Các đầu vào đặt dữ liệu (SD), đầu vào xoá dữ liệu (CD), và đầu vào xung (CLK) đều hoạt động ở mức tích cực thấp Hoạt động của IC được nêu ở bảng trên.

1- 6 Bộ đếm

1- 6.1 Thiết kế bộ đếm nhị phân đồng bộ MOD 2 (Kđ = 2):

a Phân tích yêu cầu thiết kế, xây dựng đồ hình trạng thái ban đầu:

Kđ = 2, ta lập được đồ hình trạng thái như hình 1.34.

Hình 1.34: Đồ hình trạng thái của bộ đếm MOD 2.

b Xác định số lượng và chủng loại FF, chọn lựa mã hoá trạng thái:

Do Kđ = 2 nên chỉ cần 1 FF để mã hoá cho 2 trạng thái trong của bộ đếm: S0 = 0, S1 = 1 Chọn FF là JK

Hình 1.35: Sơ đồ mạch của bộ đếm MOD 2 dùng JK - FF.

1- 6.2 Thiết kế bộ đếm nhị phân đồng bộ MOD 3 (Kđ = 3):

a Phân tích yêu cầu thiết kế, xây dựng đồ hình trạng thái ban đầu:

Mô hình của bộ đếm thuận nhị phân đồng bộ MOD 3 như sau:

Hinh 1.36: Mô hình bộ đếm thuận nhị phân đồng bộ MOD 3.Bộ đếm có Kđ = 3 tương ứng các trạng thái là S0, S1, S2

Căn cứ quy luật đến thuận, ta vẽ được đồ hình trạng thái ban đầu như hình 1.37.

Hình 1.37: Đồ hình trạng thái của bộ đếm MOD 3.

b Xác định số lượng và chủng loại FF, chọn lựa mã hoá trạng thái:

Vì 2n ≥ 3 nên chọn n = 2, chọn FF JK Ta mã hoá trạng thái các trạng thái:

S0 = 00, S1 = 01, S2 = 10.

Đồ hình trạng thái của bộ đếm MOD 3 khi đã mã hoá.

Hình 1.38: Đồ hình trạng thái của bộ đếm MOD 3 đã mã hoá.

K Q “1”

Bộ đếm thuậnCP

1 0 0 0 1 1X X0

Bảng 1.21: Bảng trạng thái đầu vào kích JK - FF và đầu ra của bộ đếm MOD 3.

d Phương trình kích và phương trình đầu ra:

Dựa vào quan hệ logic đã biết trong bảng trạng thái (bảng 1.21) tavẽ bảng Karnaugh Từ đó tìm phương trình kích và phương trình ra.

Bảng 1.22: bảng Karnaugh đầu vào kích và đầu ra của bộ đếm MOD 3.Tối thiểu hoá ta bảng Karnaugh ta có các phương trình kích và ra như sau:

B Qn

J2 Q2 C

J1 Q1 C