Thiết kế mạch chuông tự động

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế mạch chuông tự động LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Thiết kế mạch chuông tự động I - CáC YÊU CầU: - Thiết bị phải hiển thị xác thời gian, ngày tháng tại, phải tự động biết năm nhuận số ngày tháng - Thiết bị báo theo thời gian lập trình sẵn Có hai chế độ chng báo giờ: Trường học công sở + Chế độ trường học cài đặt sau: Một ngày có hai buổi học (sáng, chiều), buổi học có sáu tiết, tiết 45 phút, sau tiết chẵn có chơi 10 phút, sau tiết lẻ có chơi phút.Yêu cầu chuông vào kéo dài 10 giây, chuông kéo dài giây Ta có bảng bố trí tiết học ngày sau: Tiết 10 11 12 Bắt đầu 6h45’ 7h35’ 8h30’ 9h20’ 10h15’ 11h5’ 12h15’ 13h5’ 14h 14h50’ 15h45’ 16h35’ Kết thúc 7h30’ 8h20’ 9h15’ 10h5’ 11h 11h50’ 13h 13h50’ 14h45’ 15h35’ 16h30’ 17h20’ Nghỉ 5’ 10’ 5’ 10’ 5’ Nghỉ 5’ 10’ 5’ 10’ 5’ Nghỉ +Chế độ công sở cài đặt sau: Một ngày có hai buổi làm sáng chiều Giờ cụ thể sau: Buổi Sáng Chiều Bắt đầu 7h30’ 1h Kết thúc 11h30 5h II- Cơ sở lý thuyết để thực 1- Sơ đồ khối hệ thống LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khối tạo xung Khối đồng hồ Khối nguồn Điều khiển báo chuông Khối chuyển đổi chế độ Khối điều khiển độ dài chuông Chuông a Chức khối sau: * Khối nguồn: cung cấp lượng hoạt động cho khối * Khối đồng hồ: đồng hồ thời gian thực, cung cấp thời gian ngày(24 giờ) * Khối chuyển đổi chế độ: làm nhiệm vụ chuyển hai chế độ: chế độ trường học chế độ công sở * Khối điều khiển báo chuông: otomat có nhớ, chế độ trường học khối nhớ 24 thời điểm cần báo chng cịn chế độ công sở thời điểm Khối lấy tín hiệu thời gian từ khối đồng hồ, đến thời điểm cần báo chng phát tín hiệu xung đến khối khuyếch đại âm tần * Khối khuyếch đại âm tần: Có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu nhận từ khối điều khiển chng Ví dụ chế độ trường học, tín hiệu báo hiệu vào khuyếch đại kéo dài 10s cịn tín hiệu chơi kéo dài 5s * Khối chng: Nhận tín hiệu từ khối khuyếch đại âm tần phát chng có độ dài tín hiệu xung nhận 2- Phân tích khối a- Khối chuyển chế độ Khối điều khiển sử dụng chuyển mạch (công tắc) gồm trạng thái để đáp ứng yêu cầu thực công việc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com V1 10V +V S3 E1 S4 E2 Chuyển mạch gồm trạng thái: Khi chng báo phục vụ cho trường học chuyển mạch trạng thái 1, dùng cơng sở chuyển mạch trạng thái Việc chuyển đổi trạng thái thực cần gạt hay công tắc Công tắc trạng thái E1 = L; E2 = H Khi dùng công sở (trạng thái 2) E1 = H; E2 = L b- Khối tạo xung Để tạo dãy xung clock ta dùng vi mạch định thời 555 (Timer 555) Timer 555 vi mạch định thời thơng dụng Nó sử dụng theo nhiều chức năng: làm mạch đa hài đơn ổn đa hài phiếm định, để tạo xung đơn hay dãy xung vng góc lặp lại, dãy xung tam giác Thời gian định thời thay đổi từ vài às đến vài trăm giây (s) nhờ mạch RC đơn giản, với độ xác điển hình ±1% Khái niệm mạch định thời 555: Có loại mạch định thời thông dụng Timer 555 chế tạo theo công nghệ transistor lưỡng cực (BJT) Timer 7555 chế tạo theo công nghệ CMOS Điện áp cung cấp cho IC 555 ÷ 15V, cho IC 7555 ÷ 18V Cơng suất tiêu thụ dòng cung cấp cho IC 7555 nhỏ nhiều so với IC 555 Với nguồn +15V, IC 555 yêu cầu dòng cung cấp cỡ 10mA Dòng đầu cực đại IC 555 đạt tới 200mA ( IC 7555 khoảng 1/2 ) Sơ đồ khối chức vỏ IC 55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com R1 1k U3 IDEAL U1A R2 1k U2 S R Q _ Q Q1 NPN U4 IDEAL R3 1k U1 555 Gnd Trg Out Rst Vcc Dis Thr Ctl LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hai hình tương ứng sơ đồ khối chức vả vỏ kiểu hai hàng chân song song IC 555 ta xét vai trị tám chân (1 ÷ 8) vỏ IC hình 2: Chân số để đặt nguồn cung cấp Ucc = ÷ 15V Chân số chân nối “mát” Chân số đầu vào kích khởi (trigger), dùng để dặt xung kích thích bên mạch làm việc chế độ đa hài đơn ổn Chân số đầu IC Chân số chân xố (Reset); điều khiển xoá điện áp đầu điện áp đặt vào chân từ 0,7 V trở xuống Vì vậy, để phát xung đầu ra, chân số phải đặt mức cao H Chân số chân điện áp điều khiển (Control Voltage) Ta đưa điện áp ngồi vào chân để làm thay đổi việc định thời mạch, nghĩa làm thay đổi tần số xung phát Khi khơng sử dụng chân số nối xuống “mát” thông qua tụ khoảng 0,01àF Chân số chân điện áp ngưỡng (Threshold) Chân chân phóng điện (Discharge) Để tạo dãy xung vng IC 555 phảI làm việc mạch dao động đa hài phiếm định Chân số phát dãy xung vuông lặp lại R1 1k U1 555 R2 1k C1 1uF V2 10V +V V1 10V +V Gnd Trg Out Rst C2 1uF Hình a R3 1k D1 DIODE R4 1k U2 555 Gnd Trg Out Rst Vcc Dis Thr Ctl C3 1uF Vcc Dis Thr Ctl C4 1uF Hình b LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Từ hình vẽ a) ta thấy: Thời gian tồn xung t1 (độ rộng xung) phụ thuộc tốc độ nạp tụ C từ nguồn cung cấp, nghĩa tỉ lệ với số thời gian nạp τn = (R1 + R2)C, ta có : (1) t1 = (R1 + R2)Cln2 ≈ 0,7( R1 + R2)C Thời gian khơng có xung t2 (thời gian nghỉ) phụ thuộc phóng đIện tụ C qua chân phóng điện số 7, nghĩa tỉ lệ với số thời gian phóng τp = R2C và: (2) t2 = R2Cln2 ≈ 0,7R2C Vậy, tần số dãy xung đầu ra: f = 1/T = 1/(t1+t2) ≈ 1,44/(R1+2R2)C Muốn nhận dãy xung vng góc đối xứng, nghĩa t1 = t2 =T/2 ta làm theo cách sau: + Chọn R1 R2 Lúc đó, theo (1) (2) coi t1 ≈ t2 = 0,7R2C Tuy hiên chọn R1 nhỏ được, ví dụ R1 = 100Ω, dịng từ nguồn +Ucc vào chân transistor T dẫn +Ucc/R1 lớn, phá hỏng transistor + Sử dụng thêm diode mắc song song với R2 ( hình b )và chọn R1 = R2 =R hình vẽ, đường nạp cho tụ C từ nguồn +Ucc có qua diode; điện trở R nối song song với diode coi bị ngắn mạch số thời gian mạch nạp τn =τp nên t1 = t2 ≈ 0,7RC Dãy xung đầu đối xứng, với tần số f = 1/T = 1/(t1+t2) = 1/1,4RC Do yêu cầu mạch chuông báo học phải xác, sai số cho phép khoảng giây toàn buổi học khoảng giờ, việc thiết kế mạch đồng hồ cần có độ xác cao Khi cần dãy xung vng góc với độ xác tần số cao, tần số dãy xung cao ( thường 1MHz ÷ 10 MHz), người ta hay dùng mạch phát xung thạch anh đây, tinh thể thạch anh áp điện sử dụng mạch cộng hưởng điện với độ xác cao LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com XTAL2 1.000MHZ R2 1k U1A R1 1k C1 1uF R3 1k U1B U1C U1D XTAL1 1.000MHZ C2 1uF Hình a Hình b Hình a) dùng phần tử đảo họ TTL IC 74LS04 để tạo thành mạch phát xung thạch anh có tần số dải từ vài trăm kHz đến 10MHz Tinh thể thạch anh loại hoạt động kiểu nối tiếp Tụ C khoảng vài nF phải chỉnh định theo tần số dãy xung Hình b) dùng hai phần tử đảo vi mạch họ CMOS ( IC 4049B ) để họp thành với tinh thể thạch anh hoạt động kiểu song song, tạo thành mạch phát dãy xung vng góc với tần số cỡ MHz c- Khối đồng hồ ta thiết kế đồng hồ báo thức 24 Do ta cần có: - đếm 24 - đếm 60 Để thiết kế đếm 24 ta nối ghép đếm đếm 10 Sau sử dụng mạch logic để khử trạng thái thừa Để thiết kế đếm 60 ta nối ghép đếm đếm 10 Cụ thể sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com * Thiết kế đếm 3: Dùng đồ hình Mealy để biểu diễn hệ thống X ={0, 1} S ={0, 1, 2} Bảng hoạt động: S(t+1) x S(t) 0 2 1 Rút gọn: toán dạng otomat Mã hố : Pmax=3 ⇒ số bít dùng: m=2 Dùng bit để mã hóa hệ thống Dùng JK–FF để thực Gọi s(t): y1y0 s(t+1): Y1Y0 J0K0: y0 → Y0 J1K1: y1 → Y1 Dùng mã BCD để mã hoá hệ thống : 0: 00 1: 01 2: 11 Ta có bảng mã hố hệ thống sau: Y1Y0 x y1y0 00 01 11 10 00 01 11 01 11 00 Bảng kích JK: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com y 0 1 Y 1 JK 01-1 -0 Bảng kích hệ thống: x y1y0 J1K1 J0K0 J1K1 J0K0 00 01 11 10 00-0 0-0 -0 1-1 -1 01-1 Lập hệ phương trình kích: J1 x y1y0 00 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com d- Khối điều khiển báo chuông - Khối điều khiển báo chng otomat có nhớ, chế độ trường học khối nhớ 24 thời điểm cần báo chuông Do ta cần thiết kế đếm 24 Bộ đếm bao gồm 24 trạng thái tương ứng với 24 thời điểm cần báo chuông Đầu vào bit 1 tương ứng với thời điểm cần báo chuông đưa từ khối đồng hồ, thời điểm lại Để lấy thời điểm cần báo chuông từ khối đồng hồ ta làm sau: Ta mã hoá thời điểm cần báo sau: Thời điểm báo chuông 6h45’ 7h30’ 7h35’ 8h20’ 8h30’ 9h15’ 9h20’ 10h05’ 10h10’ 10h55’ 11h05’ 11h50’ 12h15’ 13h00’ 13h05’ 13h50’ 14h00’ 14h45’ 14h50’ 15h35’ 15h45’ 16h30’ 16h35’ 17h20’ Trạng thái tương ứng s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 s11 s12 s13 s14 s15 s16 s17 s18 s19 s20 s21 s22 s23 s24 Mã hoá 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0110 0111 0111 1000 1000 1001 1001 0000 0000 0000 0001 0001 0010 0011 0011 0011 0100 0100 0100 0101 0101 0110 0110 0111 0100 0011 0011 0010 0011 0001 0010 0000 0001 0101 0000 0101 0001 0000 0000 0101 0000 0100 0101 0011 0100 0011 0011 0010 0101 0000 0101 0000 0000 0101 0000 0101 0000 0101 0101 0000 0101 0000 0101 0000 0000 0101 0000 0101 0101 0000 0101 0000 Ta nhận thấy bit vị trí ,2 ,3 ,9 ,13 ,15 khơng thay đổi tất trạng thái để có xung từ khối đồng hồ thời điểm cần báo chuông ta dùng cổng logic dựa vào bảng mã hoá để lắp mạch láy xung từ khối đồng hồ vị trí bít cịn lại.Xung kích vào khối điều khiển độ dài chng - Hệ thống có đầu Z1, Z2 Z1 tương ứng với thời điểm báo chuông chơi ( chuông kêu 5s ), Z2 tương ứng với thời điểm báo chuông vào lớp ( chuông kêu 10s ) 39 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com S = {s1 ,s2 ,s3 ,s4 ,s5 ,s6 ,s7 , s8 ,s9 s10 ,s11 ,s12 ,s13 ,s14 ,s15 ,s16 ,s17 ,s18 ,s19, s20 ,s21 ,s22 ,s23 ,s24} Z1 = thời điểm chẵn thời điểm lẻ Z2 = thời điểm lẻ thời điểm chẵn Dùng mơ hình Moore để biểu diễn hệ thống : S(t+1) S(t) X s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 s11 s12 s13 s14 s15 s16 s17 s18 s19 s20 s21 s22 s23 s24 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 s11 s12 s13 s14 s15 s16 s17 s18 s19 s20 s21 s22 s23 s24 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 s11 s12 s13 s14 s15 s16 s17 s18 s19 s20 s21 s22 s23 s24 s1 Z1 Z2 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 Để xây dựng đếm 24 ta ghép đếm • Thiết kế đếm 3: Dùng đồ hình Mealy để biểu diễn hệ thống X = {0, 1} S = {0, 1, 2} Bảng hoạt động: 40 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com x S(t+1) S(t) 0 2 1 Mã hoá : Pmax=3 ⇒ số bít dùng: m=2 Dùng bit để mã hóa hệ thống Dùng JK–FF để thực Gọi s(t): y1y0 s(t+1): Y1Y0 J0K0: y0 → Y0 J1K1: y1 → Y1 Dùng mã BCD để mã hoá hệ thống : ta có trạng thái 00, 01, 11, 10 Ta có bảng mã hố hệ thống sau: Y1Y0 x y1y0 00 01 10 11 00 01 10 11 01 10 11 00 Bảng kích JK y 0 1 Y 1 JK 01-1 -0 Bảng kích hệ thống: x y1y0 J1K1 J0K0 J1K1 J0K0 00 01 10 11 01-0 -0 0-0 0-0 1-1 1-1 01-0 -1 Lập hệ phương trình kích: J1 41 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com x y1y0 00 01 11 10 J1 = y0⎯.x K1 x y1y0 00 − − − − − − − − 01 11 10 K1 = y0.x J0 x y1y0 00 01 11 10 − − − − J0 = x 42 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com K0 − − x y1y0 00 01 1 11 − 10 − K0 = x Sơ đồ đếm số 3: U3A V1 CP1 Q1 CP2 Q2 S J CP K Q _ Q R S J CP K Q _ Q R • Thiết kế đếm 8: Dùng đồ hình Mealy để biểu diễn hệ thống X = {0, 1} S = {0, 1, 2,3,4,5,6,7} Bảng hoạt động: S(t+1) x S(t) 0 1 43 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Mã hố : Pmax=8 ⇒ số bít dùng: m=3 Dùng bit để mã hóa hệ thống Dùng JK–FF để thực Gọi s(t): y2y1y0 S(t+1): Y2Y1Y0 J0K0: y0 →Y0 J1K1: y1 →Y1 J2K2: y2 →Y2 Dùng mã BCD để mã hố hệ thống : ta có trạng thái 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 Ta có bảng mã hố hệ thống sau: x Y2Y1Y0 y2y1y0 000 001 010 011 100 101 110 111 000 001 010 011 100 101 110 111 001 010 011 100 101 110 111 000 Bảng kích JK y 0 1 Y 1 JK 01-1 -0 Bảng kích hệ thống x y2y1y0 000 001 010 J2K2 000- J1K1 0- J0K0 J2K2 -0 0- 000- 00-0 J1K1 01-0 J0K0 1-1 1- 44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 011 100 101 110 111 0-0 -0 -0 -0 K2 xy2 -0 00-0 -0 00 -0 0-0 0-0 01 11 1-0 -0 -0 -1 -1 01-0 -1 -1 1-1 1-1 10 y1y0 00 − − 01 − − 11 − 10 − − − K2 = x.y1.y0 J2 xy2 00 01 11 y1y0 00 − − 01 − − − − − − 10 11 10 J2 = x.y1.y0 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com K1 xy2 y1y0 00 00 01 11 10 − − − − − − − − 1 01 11 10 K1 = x.y0 J1 xy2 00 01 11 10 y1y0 00 01 1 11 − − − − 10 − − − − J1 = x.y0 46 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com K0 xy2 00 01 11 10 y1y0 00 − − − 01 1 11 1 − − 10 − − − K0 = x J0 xy2 00 01 11 10 y1y0 00 1 01 − − − − 11 − − − − 1 10 J0 = x Sơ đồ đếm 47 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com V2 S J CP K CP1 Q1 CP2 Q2 Q _ Q R S J CP K Q _ Q R S J CP K Q _ Q R sơ đồ đếm 24 V2 CP1 Q1 CP2 Q2 S S J CP K Q _ Q J CP K Q _ Q R R S J CP K S J CP K Q _ Q R Q _ Q R S J CP K Q _ Q R Để xây dựng hệ phương trình kích cho đầu Z1 , Z2 ta dùng bit để mã hoá 24 trạng thái 48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các trạng thái Mã tương ứng Z1 Z2 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 s11 s12 s13 s14 s15 s16 s17 s18 s19 s20 s21 s22 s23 s24 00000 00001 00010 00011 00100 00101 00110 00111 01000 01001 01010 01011 01100 01101 01110 01111 10000 10001 10010 10011 10100 10101 10110 10111 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 Z1 49 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 000 001 011 010 1 1 000 01 11 y4y3y2 y1y0 00 110 111 101 100 1 1 1 001 011 010 101 100 1 1 1 1 1 1 01 11 10 Z1= ⎯y0 ⎯y4 + ⎯y0 ⎯y3 Z2 y4y3y2 y1y0 110 111 00 10 Z2 = y0 ⎯y4 + y0 ⎯y3 50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sơ đồ thực hệ thống : V1 CP1 Q1 CP2 Q2 S J CP K Q _ Q R S J CP K Q _ Q R S J CP K Q _ Q R Z1 S J CP K Q _ Q R Z2 S J CP K Q _ Q R f- Khối điều khiển độ dài chuông Mạch dao động đa hài đơn ổn dùng NOR Yêu cầu: - Chuông kéo dài giây - Chuông vào kéo dài 10 giây đầu khối so sánh ,tại thời gian cần báo thức có chuỗi xung tạo ,mỗi xung có τ=5 s.Chuỗi xung đưa đến khối tạo âm qua khoá K3.Loa phát chuỗi tiếng kêu, tiêng kêu kéo dài khoảng τ=5s hai tiếng kêu liên tiếp cách khoảng thời gian τ=5 s Ta dùng đa hài đợi, đa hài đợi trễ 10 giây để điều khiển chuông vào, đa hài đợi trễ giây để điều khiển chuông Sơ đồ mạch: 51 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com V1 10V +V R1 120k U1A A Xung vao C 47uF U1B B xung R2 1k Nguyên lý hoạt động: - Khi chưa có xung kích: → UA =1 → UB = - Khi có xung kích dương: → UA = → UB = → UB dẫn đầu vào U1A làm cho UA = khơng có xung kích vào Ngay thời điểm có xung dương kích vào, tụ C bắt đầu nạp điện V1 cung cấp Điện áp dương cực phải tụ tăng dần U1B lật xuống múc thấp , UB = Như vậy, lần có xung kích dương đầu vào đầu có xung dương với độ rộng xung bằng: tx = R1Cln2≈ 0,7R1C U vào t U tx t Ưu điểm: Xung tạo có dạng vng chuẩn Nhược điểm: Trong mạch dùng R C phụ thuộc nhiệt độ → tx có độ ổn định kém, khơng thích hợp với ứng dụng yêu cầu độ xác cao Sơ đồ hệ thống mạch: 52 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com V1 10V +V R1 120k U1A A Xung vao R2 1k C 47uF U1B B V2 10V +V U2A Khoi chuong R3 120k U1D A Xung vao C1 100uF U1C B R4 1k 53 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ...Đề tài: Thiết kế mạch chuông tự động I - CáC YÊU CầU: - Thiết bị phải hiển thị xác thời gian, ngày tháng tại, phải tự động biết năm nhuận số ngày tháng - Thiết bị báo theo thời... tử đảo vi mạch họ CMOS ( IC 4049B ) để họp thành với tinh thể thạch anh hoạt động kiểu song song, tạo thành mạch phát dãy xung vuông góc với tần số cỡ MHz c- Khối đồng hồ ta thiết kế đồng hồ... hồ báo thức 24 Do ta cần có: - đếm 24 - đếm 60 Để thiết kế đếm 24 ta nối ghép đếm đếm 10 Sau sử dụng mạch logic để khử trạng thái thừa Để thiết kế đếm 60 ta nối ghép đếm đếm 10 Cụ thể sau: LUAN