(Tiểu luận) bài tập lớn môn học kỹ thuật xung số chủ đề thiết kế mạch điều khiển đèn led sáng lan tắt dần với chiều dài l = 10 sử dụng jk ff

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC KỸ THUẬT XUNG SỐ Giáo viên hướng dẫn: Ths Đặng Cẩm Thạch Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nhật 2019606608 Phạm Bá Trung 2019606156 Nguyễn Văn Long 2019606023 Hà Nội- 2022 h (BM01) PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN I Thông tin chung Tên lớp: 20212FE6021001 Họ tên sinh viên: Khóa:14 Nguyễn Văn Nhật 2019606608 Phạm Bá Trung 2019606156 Nguyễn Văn Long 2019606023 Nội dung học tập Tên chủ đề: Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng JK-FF Hoạt động sinh viên: - Hoạt động/Nội dung l: Lập kế hoạch làm việc Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2 - Hoạt động/Nội dung 2: Phân tích lựa chọn ý tưởng tốt khả thi Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3 - Hoạt động/Nội dung 3: Tính tốn thiết kế, xây dựng phân tích mơ hình Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3 - Hoạt động/Nội dung 4: Vẽ mạch mô Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3 - Hoạt động/Nội dung 5: Chế tạo lắp ráp Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3 - Hoạt động/Nội dung 6: Thử nghiệm hiệu chỉnh Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3 - Hoạt động/Nội dung 7: Viết thuyết minh chuẩn bị báo cáo Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3 - Hoạt động/Nội dung 8: Báo cáo Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3 Sản phẩm nghiên cứu: Bản thuyết minh, sản phẩm thực tế Đồ án theo thời gian quy định (từ ngày 18/05/2022 đến ngày15/06 /2022) Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề giao trước giảng viên sinh viên khác h II Học liệu thực Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án Tài liệu học tập: Giáo trình Kỹ thuật điện tử, giáo trình Kỹ thuật xung, giáo trình Điện tử số… Phương tiện, nguyên liệu thực hiện Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án (nếu có): Điện thoại, máy tính, zalo, facebook, email… h KẾ HOẠCH THỰC HIỆN TIỂU LUẬN, BÀI TẬP LỚN, ĐỒ ÁN/DỰ ÁN Tên lớp: 20212FE6021001 Họ tên: Khóa: 14 Nguyễn Văn Nhật 2019606608 Phạm Bá Trung 2019606156 Nguyễn Văn Long 2019606023 Tên đề tài: Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng JK-FF Tuần 18/05/2022 Nội dung công việc Phương pháp thực Ghi Lập kế hoạch làm việc: Xây dựng tiến Phát vấn, hỏi đáp, độ Định hướng nghiên cứu truyền đạt 25/05/2022 Vẽ mạch mô Vẽ, mô 01/06/2022 Chế tạo lắp ráp: Mua linh kiện, làm Chuẩn bị dụng cụ, mạch in hàn mạch linh kiện, ngâm mạch, hàn mạch 08/06/2022 Thử nghiệm hiệu chỉnh Đo chạy mạch 15/06/2022 Viết thuyết minh chuẩn bị báo cáo Viết, soạn thảo Báo cáo Thuyết trình Ngày …… tháng … năm … XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN (Ký, ghi rõ họ tên) h MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG1 TỔNG QUAN BỘ ĐẾM 1.1 Khái niệm phân loại 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Đồ hình trạng thái: 1.1.3 Phân loại: 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 1.3.1 Mục tiêu: 1.3.2 Nhiệm vụ: 1.4 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Phạm vi nghiên cứu 1.6 Ý nghĩa nghiên cứu 10 1.7 Phương pháp nghiên cứu 10 CHƯƠNG2 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ PHỎNG MẠCH 11 2.1 Thiết kế đếm 11 2.2 Tính tốn 12 2.3 Mô 20 2.4 Thiết kế mạch 20 CHƯƠNG3 LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM 23 3.1 Các linh kiện mạch 23 3.1.1 Khối tạo xung – IC 555 24 3.1.2 Khối Trigger JK – IC 74LS73 25 3.2 Lắp ráp 26 3.3 Thử nghiệm hiệu chỉnh 27 CHƯƠNG4 ĐÁNH GIÁ 28 4.1 Đánh giá sản phẩm 28 h 4.2 Tính thực sản phẩm 28 4.3 Đề xuất cải tiến hướng phát triển 28 h DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Bộ Đếm Hình 2: Đồ Hình Mơ Tả Hoạt Động Của Bộ Đếm Hình 3: Sơ Đồ Mạch Đếm 11 Hình 4: Đồ Hình Trạng Thái 12 Hình 5: Sơ Đồ Logic 12 Hình 6: Đồ Hình Trạng Thái Và Mã Hóa Mạch 10bit 12 Hình 7: Đồ Hình Trạng Thái Và Mã Hóa Mạch 4bit 13 Hình 8: Sơ Đồ Logic Bit 16 Hình 9: Sơ Đồ Logic 10 Bit 19 Hình 10: Mạch Mơ Phỏng Trên Proteus 20 Hình 11: Mạch Nguyên Lý 21 Hình 12: Mạch In 2d 21 Hình 13: Mạch In 3d 22 Hình 14: Khối Tạo Xung 24 Hình 15: Sơ Đồ Chân Ic 74ls73 25 Hình 16: Mạch In Hoàn Thiện 26 Hình 17: Mạch In Sau Khi Hiệu Chỉnh 27 Hình 18: Mạch Chạy Đáp Ứng Yêu Cầu Đề Tài 27 h DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Chuyển Đổi Trạng Thái Và Các Đầu Vào Kích Bit 14 Bảng 2: Karnough J1 14 Bảng 3: Karnough K1 14 Bảng 4: Karnough J2 14 Bảng 5: Karnough K2 15 Bảng 6: Karnough J3 15 Bảng 7: Karnough K3 15 Bảng 8: Karnough J4 15 Bảng 9: Karnough K4 16 Bảng 10: Bảng Chuyển Đổi Trạng Thái 10 Bit 17 Bảng 11: Bảng Giá Trị Các Đầu Vào Kích 10bit 18 Bảng 12: Bảng Liệt Kê Linh Kiện, Giá Trị Linh Kiện Và Chức Năng 23 h LỜI NÓI ĐẦU Ngày với sự tiến khoa học kĩ thuật, công nghệ điện tử phát triển ngày rộng rãi, đặc biệt kĩ thuật số Mạch số ứng dụng nhiều kỹ thuật đời sống xã hội Các ứng dụng mạch số đèn giao thông, đo tốc độ động cơ, đồng hồ số, mạch đếm sản phẩm… Mục đích tập đồ án thiết kế mạch điều khiển LED sáng lan tắt dần với chiều dài L=10 sử dụng JK-FF Đồ án hồn thành giúp em có nhiều kiến thức môn học giúp em tiếp xúc với phương pháp làm việc chủ động hơn, linh hoạt đặc biệt làm việc nhóm Q trình thực hiện đồ án thật sự bổ ích cho thân em nhiều mặt Vì kiến thức khả cịn hạn chế, kinh nghiệm cịn yếu nên khơng tránh khỏi sai sót, mong sự đóng góp thầy bạn h CHƯƠNG1 TỔNG QUAN BỘ ĐẾM 1.1 Khái niệm phân loại Mạch đếm mạch dãy đơn giản xây dựng từ phần tử nhớ phần tử tổ hợp Mạch đếm thành phần hệ thống số, chúng sử dụng để đếm thời gian, chia tần số, điều khiển loại mạch khác 1.1.1 Khái niệm Bộ đếm mạch dãy tuần hồn có đầu vào đếm đầu ra, mạch có số trạng thái hệ số đếm - Kđ Dưới tác động tín hiệu vào đếm mạch chuyển từ trạng thái đến trạng thái khác thoe thứ tự định Cứ sau Kđ lần tín hiệu vào đếm, mạch trở trạng thái xuất phát ban đầu Bộ đếm thực hiện việc đếm dãy xung có xung điều khiển có đầu vào Do đó, xung đồng CLK xuất hiện khác thời điểm xung đếm Xđ xuất hiện việc đếm xung khơng thực hiện nên mạch đếm phải có xung đếm đưa vào dãy xung đồng hay mạch đếm có đầu vào Hình 1: Bộ đếm 1.1.2 Đồ hình trạng thái: Đồ hình mơ hình mơ tả sự chuyển đổi trạng thái mơ tả hoạt động đếm h Q2 Q1 K2 00 01 11 10 Q4 Q3 00 X X X X 01 X X X X Bảng 5: Karnough K2 11 0 X 10 X X X 11 X X X 10 X X X X 11 X X 10 X X X 11 X X X 10 X X X X  K2= 𝑄̅3 Q2 Q1 J3 00 01 11 10 Q4 Q3 00 X X 01 X X X Bảng 6: Karnough J3  J3= Q4 Q2 Q1 K3 00 01 11 10 Q4 Q3 00 X X X 01 X X X X Bảng 7: Karnough K3  K3= 𝑄̅4 J4 Q4 Q3 00 01 11 10 00 X X X Q2 Q1 01 0 X X Bảng 8: Karnough J4  J4= 𝑄̅1 15 h Q2 Q1 K4 Q4 Q3 00 01 11 10 00 X X 0 01 X X X X Bảng 9: Karnough K4 11 X X X 10 X X X  K4 = Q1 Vậy với 4bit mạch đếm vịng dùng JK-FF có phương trình kích sau: J1= Q2 K1= 𝑄̅2 J2= Q3 K2= 𝑄̅3 J3= Q4 K3= 𝑄̅4 J4= 𝑄̅1 K4 = Q Hình 8: Sơ đồ logic bit Sau tìm kiếm mạch vịng sử dụng JK-FF với số bit rút gọn vẽ sơ đồ logic ta tìm kiếm sơ đồ logic mạch vòng dùng JK-FF với số bit 10 16 h + Lập bảng chuyển đổi trạng thái giá trị đầu vào kích 10bit xếp theo mã johnson S Q10 Q9 Q8 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q’10 Q’9 Q’8 Q’7 Q’6 Q’5 Q’4 Q’3 Q’2 Q’1 S0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 S1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 S2 1 0 0 0 0 1 0 0 0 S3 1 0 0 0 1 1 0 0 0 S4 1 1 0 0 0 1 1 0 0 S5 1 1 0 0 1 1 1 0 0 S6 1 1 1 0 0 1 1 1 0 S7 1 1 1 0 1 1 1 1 0 S8 1 1 1 1 0 1 1 1 1 S9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 S10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 S11 1 1 1 1 0 1 1 1 1 S12 0 1 1 1 1 0 1 1 1 S13 0 1 1 1 0 0 1 1 1 S14 0 0 1 1 1 0 0 1 1 S15 0 0 1 1 0 0 0 1 1 S16 0 0 0 1 1 0 0 0 1 S17 0 0 0 1 0 0 0 0 1 S18 0 0 0 0 1 0 0 0 0 S19 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Bảng 10: Bảng chuyển đổi trạng thái 10 bit 17 h J10K10 J9K9 J8K8 J7K7 J6K6 J5K5 J4K4 J3K3 J2K2 J1K1 1X 0X 0X 0X 0X 0X 0X 0X 0X 0X X0 1X 0X 0X 0X 0X 0X 0X 0X 0X X0 X0 1X 0X 0X 0X 0X 0X 0X 0X X0 X0 X0 1X 0X 0X 0X 0X 0X 0X X0 X0 X0 X0 1X 0X 0X 0X 0X 0X X0 X0 X0 X0 X0 1X 0X 0X 0X 0X X0 X0 X0 X0 X0 X0 1X 0X 0X 0X X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 1X 0X 0X X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 1X 0X X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 1X X1 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X1 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 0X X1 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 0X 0X X1 X0 X0 X0 X0 X0 X0 X0 0X 0X 0X X1 X0 X0 X0 X0 X0 X0 0X 0X 0X 0X X1 X0 X0 X0 X0 X0 0X 0X 0X 0X 0X X1 X0 X0 X0 X0 0X 0X 0X 0X 0X 0X X1 X0 X0 X0 0X 0X 0X 0X 0X 0X 0X X1 X0 X1 0X 0X 0X 0X 0X 0X 0X 0X X1 Bảng 11: Bảng giá trị đầu vào kích 10bit 18 h + Xác định phương trình đầu vào kích: Từ bảng chuyển đổi trạng thái, tối thiểu hóa cho đầu vào kích ta có hệ phương trình kích: - - J1= Q2 K1= 𝑄̅2 J2= Q3 K2= 𝑄̅3 J3= Q4 K3= 𝑄̅4 J4= Q5 K4= 𝑄̅5 J5= Q6 K5= 𝑄̅6 J6= Q7 K6= 𝑄̅7 J7= Q8 K7= 𝑄̅8 J8= Q9 K8= 𝑄̅9 J9= Q10 K9= 𝑄̅10 J10= 𝑄̅1 K10= Q1 Hình 9: Sơ đồ logic 10 bit 19 h 2.3 Mô CHƯƠNG3 Hình 10: Mạch mơ proteus 3.1 Thiết kế mạch 20 h Nhóm chúng em thiết kế mạch phần mềm Altium Designer Hình 11: Mạch nguyên lý Hình 12: Mạch in 2D 21 h Hình 13: Mạch in 3D 22 h CHƯƠNG4 LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM 4.1 Các linh kiện mạch STT Tên linh Thông số kĩ thuật kiện Nguồn điện áp đầu vào – 18V Dòng điện tiêu thụ: – 15mA IC 555 Điện áp logic đầu mức cao: 0.5 – 15V Điện áp logic đầu mức thấp: 0.03 –0.06V Chức Số lượng Tạo xung cho mạch điều khiển IC gói JK Flip Flop kép IC74LS73 Điện áp hoạt động: 5V Điều khiển Điện áp đầu vào mức cao: V led Điện áp đầu vào mức thấp: 0,8 V Điện áp đầu vào 3V LED Màu sắc: xanh Hiển thị 11 Đường kính: 5mm 5 Biến trở Điện trở Tụ điện Nút nhấn Sai số: 10% Điều chỉnh Công suất: 2W tốc độ nháy Giá trị 500K led Loại vòng màu Thiết kế Sai số 5% mạch tạo Giá trị 10K xung Điện dung: 10uF Thiết kế Điện áp: 50V mạch tạo Nhiệt độ hoạt động: -55°C — 125°C xung Số chấn nút nhấn chân Kích thước: 6x6x4.3MM Reset mạch Bảng 12: Bảng liệt kê linh kiện, giá trị linh kiện chức 23 h 1 1 4.1.1 Khối tạo xung – IC 555 IC 555 Ic tạo xung đa năng, Tạo xung vuông đơn giản Hình 14: Khối tạo xung + Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân gọi chân chung + Chân số (TRIGGER): chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp Mạch so sánh dùng transistor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc + Chân số (OUTPUT): chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức Mức mức cao, tương đương với gần Vcc (PWM=100%) mức tương đương với 0V mà thực tế mức khơng 0V mà khoảng 0.35-0.75V + Chân 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối mass ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức điện áp cao trạng thái ngõ tùy theo mức điện áp chân chân Nhưng mà mạch để tạo dao động thường hay nối chân lên Vcc + Chân 5(CONTROL VOLTAGE) Dùng làm thay đồi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở ngồi cho nối GND Chân không nối mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF tụ lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định 24 h + Chân số 6(THRESHOLD): chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt Chân số 7(DISCHAGER): xem chân khóa điện tử chịu điều khiển tầng logic chân Khi chân mức áp thấp khóa đóng lại, ngược lại mở + Chân tự nạp xả điện cho mạch R-C lúc IC 555 dùng tầng dao động + Chân số 8(Vcc) chân cung cấp áp dòng cho IC hoạt động Khơng có chân coi IC chết Nó cấp điện áp từ 2V-18V 1,44 + Tần số tính sau: F=(R1+2*R2)*C1 4.1.2 Khối Trigger JK – IC 74LS73 Hình 15: Sơ đồ chân IC 74LS73 + Chân (VCC) chân cấp nguồn 5V IC hoạt động lớn IC bị chết nhỏ q Ic không làm việc + Chân 11(GND) chân nối mass để tạo dịng điện Nếu chân khơng nối mass để hở IC khơng làm việc dẫn tới mạch khơng hoạt động + Chân 3,14,7,10 (chân J1, K1, J2, K2) chân tín hiệu vào IC Các chân ln thay đổi trạng thái kết hợp với xung clock cho ngõ Q + Chân 1,5 (chân CLK) chân xung clock Trigger, tích cực sườn xuống xung nghĩa làm việc khoảng thời gian xung từ mức cao chuyển xuống mức thấp, ta cấp mức cao mức thấp khơng làm việc 25 h + Chân 2,6 (chân CLR) chân Clear có nhiệm vụ xóa trạng thái Ở tích cực mức thấp ta nối xuống mass hoạt động cịn nối lên mức cao khơng hoạt động + Chân 9,12 (Q1, Q2) chân trạng thái bình thường Trigger JK + Chân 8,13 (chân đảo) chân trạng thái đảo so với chân 9,12 4.2 Lắp ráp Sau mua linh kiện, làm mạch in hàn mạch, nhóm hồn thiện thiết kế mạch Hình 16: Mạch in hồn thiện 26 h 4.3 Thử nghiệm hiệu chỉnh Sau thử nghiệm hiệu chỉnh, nhóm chúng em thiết kế mạch thỏa mãn yêu cầu đề tài Hình 17: Mạch in sau hiệu chỉnh Hình 18: Mạch chạy đáp ứng yêu cầu đề tài 27 h CHƯƠNG5 ĐÁNH GIÁ 5.1 Đánh giá sản phẩm Ưu điểm: mạch chạy yêu cầu, hoạt động ổn định, gọn nhẹ linh hoạt, chi phí phù hợp Nhược điểm: bố trí mạch chưa khoa học, thiết kế chưa mang tính cơng nghiệp 5.2 Tính thực sản phẩm Đây đề tài hay ứng dụng nhiều đời sống công nghiệp Nhằm tăng suất, hiệu công việc giảm sức lao động người Mạch đếm đưa vào sử dụng thay người công việc đếm sản phẩm, đếm thời gian, đèn giao thông, chia tần số điều khiển mạch khác… Với đặc điểm tiện lợi, xác cao, hoạt động ổn định, gọn nhẹ linh hoạt, mạch đếm nhanh chóng biết đến sử dụng rộng rãi lĩnh vực 5.3 Đề xuất cải tiến hướng phát triển  Hướng phát triển: Có thể thay linh kiện, IC tạo xung, IC điều khiển, IC giải mã… linh kiện khác thị trường mà đáp ứng nhu cầu đề tài  Đề xuất cải tiến: thiết kế mạch phù hợp hơn, để mạch thống nhất, khơng bị rối mắt phải câu dây nhiều 28 h BÁO CÁO HỌC TẬP CÁ NHÂN Tên lớp: 20212FE6021001 Họ tên: Khóa: 14 Nguyễn Văn Nhật 2019606608 Phạm Bá Trung 2019606156 Nguyễn Văn Long 2019606023 Tên đề tài: Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng JK-FF Kiến nghị với Kết đạt Nội dung công việc Tuần giảng viên hướng dẫn 18/05/2022 Lập kế hoạch làm việc: Xây dựng tiến độ Định hướng nghiên cứu 25/05/2022 Vẽ mạch mô 01/06/2022 Chế tạo lắp ráp: Mua linh kiện, làm mạch in hàn mạch 08/06/2022 Thử nghiệm hiệu chỉnh 15/06/2022 Viết thuyết minh chuẩn bị báo cáo Báo cáo Ngày …… tháng …… năm … XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN (Ký, ghi rõ họ tên) h