Thiết kế mạch đếm sản phẩm từ 00 - 60 sử dụng IC số (Đồ án môn OrCAD)

Gọi là mạch khuếch đại thuật toán, vì với sự thay đổi của các linh kiện bên ngoài, nên được sử dụng nhiều trong các bài toán khác nhau như so sánh,khuếch đại, chuyển đổi tín hiệu, cộng,

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - 

Đồ Án Môn OrCAD: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM SẢN PHẨM TỪ 00-60 SỬ DỤNG IC SỐ Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

LƯU QUANG LÊ Điện Tử 3 /K4

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng các linh kiện bán dẫn đã phần nào giảm bớt được giá thành sản phẩm bằng các linh kiện rời Ứng dụng môn kỹ thuật số vào thiết kế các bộ phận thiết thực hằng ngày giúp chúng ta hiểu được môn kỹ thuật số làm gì và được ứng dụng vào đâu.

Mạch đếm sản phẩm cũng được ứng dụng và phục vụ rất nhiều trong cuộc sống của chúng ta

Sau đây em xin thiết kế một mạch đếm 60 sản phẩm dùng IC 74LS90 là một IC rất thông dụng trong kỹ thuật số.

Ngoài ra quá trình thiết kế mạch sử dụng phần mềm hỗ trợ thiết kế mạch OrCAD Vẽ mạch nguyên lý với OrCAD Capture, vẽ mạch in với OrCAD layout.

I_CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

1- Tóm tắt.

Nói đến bài toán đếm chúng ta nghĩ ngay đến việc là đếm xung các IC số, sẽ đếm sườn lên hay sườn xuống của xung đầu vào cần đếm Đếm ở đây là đếm xung vuông) mỗi giá trị sườn lên hay sườn xuống của xung được đưa vào IC đếm và được giải mã nhờ IC giải mã sau đó mã hóa và hiển thị ra LED 7 thanh

Mạch đếm 60 sản phẩm gồm 4 khối chính :

- Khối tạo xung (sử dụng quang trở ,led phát siêu sang,IC LM358)

- Khối đếm mã BCD (sử dụng IC74LS90)

- Khối giải mã BCD (sử dụng IC7447)

- Khối hiển thị kết quả.(sử dụng LED 7 đoạn)

2.1_Nguyên lý hoạt động của khối tạo dao động.

- Khối tạo dao động ở đây tôi sử dụng mạch cảm biến Sử dụng công dụng của con quang trở là có khả năng là khi chiếu ánh sáng vào nó nó sẽ có điện trở rất thấp vì vậy người ta hay sử dụng để làm ra các mạch phát hiện sáng tối Con LM358 là con khuếch đại thuật toán, nó có tác dụng là dùng để so sánh điện áp giữa hai chân đầu vào để đưa ra giá trị ở chân ra là mức “0” hay “1” Nối chân ra của con LM358 vào chân 14 (CLKA) của IC74LS90 để kích xung cho IC74LS90 đếm

Sơ đồ nguyên lý của phần tạo xung dao động :

2.2_Tác dụng của từng linh kiện trong khối tạo dao động.

2.2.1_IC LM358.

- Là bộ khuếch đại thuật toán kép,bên trong có 2 bô khuếch đại.mỗi bộ khuếch đại có

3 chân, ngõ vào đảo(-input), ngõ vào không đảo(+input) và ngõ ra

Khi hiệu điện thế + input cao hơn - input, ngõ ra ở mức cao (+Vss), ngược lại ngõ

Vcc Chân 1,7: Là các chân đầu ra

- Chân 2,3,5,6: Là các chân đầu vào

-U 9 A

L M 3 5 8

3 2 1

IC LM358 sử dụng cho các thao tác tính toán analog Gọi là mạch khuếch đại thuật toán, vì với sự thay đổi của các linh kiện bên ngoài, nên được sử dụng nhiều trong các bài toán khác nhau như so sánh,khuếch đại, chuyển đổi tín hiệu, cộng, trừ….

3.1-_IC đếm BCD 7490.

Cứ mỗi 1 xung vào thì nó đếm tiến lên 1 và được mã hóa ra 4 chân Khi đếm đến 10 thì

nó tự động reset và quay trở về ban đầu

3.2_ Hình dạng:

*Sơ đồ chân của IC74LS90.

-NC chân bỏ trống

-IC 7490 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5:

-Đầu vào A tích cực ở sườn âm

3.3- Sơ đồ logic và bảng trạng thái:

Theo như hình trên ta thấy dạng sóng ở các ngõ ra của hai mạch cùng đếm 10 nhưng khác nhau:

3.3:IC 7408

Là loại có 4 phần tử ANDđộc lập, lôgic dương, mỗi phần tử có haiđầu vào, chung nguồnđiện, có 14 chân (còn gọi là pin), chân 14 và chân 7 là chân +Vcc và chân GND,ở góc dưới bên trái có dấu trònđể xácđịnh chân 1 và theo thứ tự từ trái sang phảiđến chân 7,

+Hình ảnh thực tế:

4_ Khối giải mã

4.1_ IC 74LS47

- Mạch giải mã được sủ dụng phổ biến nhất là dùng để hiển thị kết quả ở dạng chữ số Do

có nhiều loại đèn hiển thị và nhiều loại mã số khác nhau lên có nhiều mạch giải mã khác nhau

Ví dụ: giải mã 3 đường ra 8 đường, giải mã BCD ra thập phân

IC74LS47 là loại IC giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn là mạch giải mã phức tạp vì mạch phải cho nhiều ngõ ra lên cao hoặc xuống thấp( tùy vào loại đèn led là anod chung hoặc catot chung) để làm các đèn sáng lên các số hoặc ký tự

IC 74LS47 là loại IC tác động ở mức thấp có ngõ ra cực thu để hở và khả năng nhận dòng

đủ cao để thúc trực tiếp vào các đèn led 7 đoạn loại anod chung

a_hình dạng và kích thước chân ngoài thực tế:

*Sơ đồ chân của IC74LS47.

Đây là IC giải mã từ BCD sang LED 7 đoạn với 4 chân đầu vào và 7 chân đầu ra với chức năng của các chân như sau:

- Chân 1,2,6,7: Chân dữ liệu BCD vào dữ liệu này được lấy từ IC đếm

-Chân :9,10, 11,12,13,14,15: Các chân ra tác động ở mức thấp 0 và được nối với LED 7 thanh

-Chân 8 :là chân nối đất GND

-Chân 16: Chân nối nguồn 5V

-Chân 4: Chân này được nối lên Vcc

-Chân 5: Ngõ vào xóa dợn sóng RBI được để không hay nối lên cao khi không được dùng để xóa số 0 (số 0 trước số có nghĩa hay số 0 thừa bên trái dấu chấm thập phân)

-Chân 3: Chân này cũng được nối lên nguồn Vcc

b_Sơ đồ logic của 74LS47

c_Bảng trạng thái của IC74LS47

*Nguyên lý hoạt động:

- Nhìn bảng chân lý trên ta thấy với 4 đầu vào sau khi giải mã nó cho ra 15 giá trị của LED 7 đoạn và hiển thị lên được LED 7 đoạn

Sự hoạt động của mạch được thể hiện ở bảng chân lý, trong đó đối với các ngõ ra H là tắt

và L là sáng Nghĩa là nếu 74LS47 thúc đèn led 7 đoạn thì các đoạn a,b,c,d,e,f,g của đèn

sẽ sáng hay tắt tùy vào ngõ ra tương ứng của 74LS47 la L hay H nên nó phải dùng LED anod chung

Ngõ vào xóa RBI được để 0 hay nối lên mức 1 dùng để xóa số 0 (số 0 thừa phía sau số thập phân hay số 0 trước số có nghĩa) Khi RBI vá các ngõ vào A,B,C,D ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xóa dạng sóng RBO xuống mức thấp

Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng

Kết quả là khi mã số nhị phân 4 bit vào có giá trị thập phân từ 0-15 đèn led hiển thị các

số như ở hình bên dưới

4_ Khối hiển thị.

4.1-LED 7 đoạn.

Led 7 đoạn được dùng rất phổ biến khi cần hiển thị số tự nhiên hoặc vài chữ cái nhất định Led 7 đoạn có thể có kích thước nhỏ khác nhau như hình sau:

Led 7 đoạn bao gồm nhiều led tích hợp bên trong, các led được nối chung nhau một chân Trong thực tế có hai loại led 7 đoạn là led 7 đoạn anod chung và led 7 đoạn katot chung Trong bài này ta sử dụng led 7 đoạn anod chung

Đối với dạng Led anode chung, chân COM phải có mức logic 1 và muốn sáng Led thì tương ứng các chân s-f,dp sẽ ở mức logic 0

Bảng mã cho Led anode chung (a là MSB, dp là LSB):

Vì đây là LED anode chung lên khi các thanh tương ứng ở mức “1” sẽ sáng và hiển thị theo số nhị phân

III_Thiết kế mạch với ORCAD.

1_Vẽ sơ đồ nguyên lý.

Đầu tiên ta xác định số lượng linh kiện sử dụng trong mạch,cụ thể đối với mạch đếm sản phẩm sử dụng : 2 IC 74ls47, 2 IC 74LS90,1 IC 7408, 1 IC LM 358, 2 led 7 thanh, 1

bộ thu phát hồng ngoại , 1 biến trở, 5 điện trở,

Ở đây có led 7 thanh không có sẵn trong thư viện của ORCAD nên ta phải tự tạo linh kiện này :

sau đó chọn New Part

tại mục name, gõ tên linh kiện muốn tạo (ví dụ LED 7 thanh) và nhấp OK

Cửa sổ ORCAD Capture xuất hiện, dùng các công cụ trên thanh công cụ bên phải để

vẽ linh kiện trong khu vực tạo linh kiện, điều chỉnh độ rộng của đường bao này bằng cách chọn đường bao sau đó giữ và nhấp chuột tới kích thước tùy ý

Lưu ý: Đường dẫn

này là nơi chứa thư viện sau khi tạo

Sử dụng công cụ Place Pin để vẽ chân linh kiện, khi cửa sổ place pin xuất hiện , mục

Name nhập tên linh kiện , mục Number để đánh số chân, mục Shape để chọn dạng chân,

mục Type chọn kiểu chân, chọn xong các mục này thì nhấp OK Khi đó sẽ xuất hiện

chân linh kiện di chuyển theo con trỏ chuột , để đặt chân vào vị chí nào thì nhấp chuột trái vào vị trí đó, chuyển sang vị trí tiếp theo số thứ tự chân sẽ tự động tăng thêm một ( chỉnh sửa tên và số thứ tự chân bằng cách nháy đúp chuột trái vào chân đó)

Dùng công cụ Place rectangle (biểu tượng hình chữ nhật) trên thanh công cụ để vẽ hình

chữ nhật tạo khung cho linh kiện( lưu ý vẽ hình chữ nhật bám sát đường bao)

Để đặt tên cho linh kiện ,chọn Place Text và nhập tên linh kiện, sau đó di chuyển đến

vị trí thích hợp và nhấp chuột chái Kết thúc bằng cách nhấn ESC trên bàn phím

chọn yes để lưu linh kiện vừa tạo

Chú ý: để sử dụng linh kiện vừa tạo phải thêm thư viện chứa linh kiện này( chọn Place

Part Add Library và chọn linh kiện vừa tạo)

Sau khi tìm và sắp xếp vị trí các linh kiện trên màn hình thiết kế như sau:

3 6 7

3 6 7

4 5

4 5

Sau khi nối dây ta có sơ đồ mạch nguyên lý sau:

4 5

1 3

1 1

1 0 9

U 4

7 4 4 7

7 2 6

4 5

1 3

1 1

1 0 9

D 1

L E D

sau khi hoàn thành sơ đồ nguyên lý ta tiến hành kiểm tra lỗi Để kiểm tra lỗi của sơ đồ

nguyên lý ,nhấp chuột vào biểu tượng Minimize ở góc phải phía trên màn hình

Màn hình như sau xuất hiện, tại khung bên trái nhấp chọn PAGE1 sau đó nhấp chuột vào

biểu tượng Design rules check trên thanh công cụ để kiểm tra lỗi

Hộp thoại Design Rules Check xuất hiện, chọn mục để kiểm tra

Nhấp OK, nếu không có thông báo gì nghĩa là mạch không có lỗi.Nếu có sẽ lỗi xuất hiện hộp thoại

Nhấn Yes để xem thông báo lỗi

Lỗi thường gặp là lỗi trùng ký hiệu linh kiện sau khi bấm yes sẽ nhận được một thông

báo:

Checking for Duplicate References

[DRC0010] Duplicate reference R9: SCHEMATIC1, PAGE1 (7.90, 3.20)

Hộp thoại Load Template File chọn file_default.tch( thông thường file này nằm tại

đường dẫn (C:\Program Files\Orcad\Layout_Plus\Data) bấm open Hộp thoại Load

Netlist Source xuất hiện chọn file đuôi mnl tạo ở bước trước, bấm open

Hộp thoại save file as xuất hiện ,chọn thư mục muốn lưu rồi bấm save

Hộp thoại Link footprint To Component xuất hiện , bấm Link existing footprint to

component ….để chọn chân cho linh kiện

R 9 R

V C C

Lỗi thường gặp khi chọn chân cho linh kiện ,ví dụ chọn chân cắm cho Swich 3 chân chọn đúng loại 3 chân nhưng vẫn có thông báo lỗi như sau:

Nguyên nhân: là do trong sơ đồ nguyên lý ,số thứ tự chân đã bị thay đổi Để xem được

số thứ tự chân của linh kiện, bấm chuột phải vào linh kiện , chọn Edit Part, và bấm đúp

chuột vào chân cần xem ở đây chân số 2 của swich đã bị sửa thành chân số 4

Khắc phục : Đặt lại số thứ tự chân cho đúng

Có một số linh kiện không có thư viện chân sẵn ta phải tự tạo Đối với mạch đếm sản phẩm này có Led 7 thanh và biến trở phải tự tạo chân

Để tạo chân cho linh kiện chọn File Library manage Khi màn hình tạo chân linh kiện hiện ra nhấp chuột vào Create new footprint để tạo chân linh kiện.

Tại mục Name of footprint đặt tên linh kiện cần tạo( ví dụ led 7 thanh), sau đó chọn hệ đơn vị English và bấm OK

Nhấp chuột vào biểu tượng chữ T trên thanh công cụ, sau đó nhấp chuột vào những chữ không cần thiết rồi ấn phím delete để xóa nó đi.

Để chọn thuộc tính cho text bằng cách kéo chuột để bôi đen nó, xong bấm chuột phải chọn properties( phím tắt Ctrl+E), chọn layer là sstop.

Để thiết lập đơn vị đo chọn Options System settings (phím tắt Ctrl+G)

Thông thường nên chọn hệ đơn vị đo là millimeters(mm) sẽ dễ dàng hơn trong việc đo linh kiện thực tế để tạo chân cho chính xác.

- visible Grid nên chọn 2.54mm( là khoảng cách chuẩn giữa các chân linh kiện).

- Place Gird chọn 0.365 (là kích thước lưới đặt linh kiện)

- Via Grid là lưới để đặt các via

- Routing Gird là lưới để chạy đường mạch

Sau khi chọn xong ,nhấp chuột vào biểu tượng Pin Tool trên thanh công cụ để thao tác

với các chân linh kiện, nhấn Crlt+V để tạo một chân mới và đặt vào vị trí thích hợp

Để đo khoảng cách giữa các chân chọn Tool Demension Select tool để điểu

chỉnh khoảng cách các chân cho chính xác với thực tế

đo rồi nhấp chuột vào biểu tượng Obstacle tool để vẽ đường bao cho chân linh kiện Ta

được sơ đồ chân cho led 7 thanh như sau:

cách chọn Save as…

thanh

Xong ,bấm ok

Khi đã tạo xong chân cắm và chọn được chân cho linh kiện, sau khi sắp xếp ta được:

Để bỏ không chạy dây lớp đó chọn Unused Routing, còn để chạy mạch in lớp đó , chọn

Routinglayer Ở đây ta chọn lớp TOP và đi dây lớp đó :

Để chọn độ rộng đường mạch chọn Window Nest Kích chuột chái vào cột Width

Min Con Max cả cột đó sẽ được bôi đen Kích chuột chái vào vùng bị bôi đen chọn Properties … hộp thoại Edit nest xuất hiện điền giá trị độ rộng đường mạch như hình

vẽ:

Sau khi chọn độ rộng đường mạch in Nhấp chuột vào biểu tượng Add/Edit Route

Mode như hình bên để tiến hành đi dây bằng tay.

Ta được mạch sau khi đi dây như sau :

Sau khi đi dây ta có thể kiểm tra lỗi bằng cách nhấp chuột vào biểu tượng Design Rule

Check nếu có lỗi sẽ có khoanh tròn ở đó

Tiếp đến tiến hành vẽ đường bao và phủ đồng cho mạch in Nhấp chuột vào biểu tượng

Obstacle Tool để vẽ đường bao cho mạch in

Nhấp chuột vào biểu tượng Text Tool để viết tên mạch và người thiết kế

Mạch in sau khi vẽ đường bao và viết tên như sau :

Ta có thể thay đổi độ rộng đường mạch in bằng cách nhấp chuột vào biểu tượng Edit

Segment Mode rồi nhấp chuột chái vào đường mạch cần chỉnh sửa tiếp tục nhấp chuột

phải rồi chọn Change width (hoặc nhấp chuột chái rồi ấn W) hộp thoại Track Width

hiện ra điền giá trị độ rộng muốn thay đổi ( chú ý giá trị thay đổi không được vượt quá

giá trị Max Width đã chọn ở trên ,nếu lớn hơn thì khi kiểm tra sẽ có thông báo lỗi )

Mạch in sau khi chỉnh sửa đường mạch như sau:

IV_Nguyên lý hoạt động của toàn mạch.

- Phần tạo dao động: Khi có một sản phẩm được đưa qua nó sẽ che con led phát quang và làm cho quang trở thay đổi giá trị Điện áp thay đổi được con LM358 so sánh nếu chân dòng điện ở chân vào dương của LM258 lớn hơn dòng điện ở chân vào âm thì nó sẽ cho

ra mức 1 và khi đó nó sẽ kích xung cho con IC 74LS90 bắt đầu đếm

- Phần đếm: Sau khi IC 74LS90 nhận được xung từ LM358 nó bắt đầu đếm Và kết quả đếm được đưa qua con giải mã BCD để hiển thị lên LED7 thanh

Khi có 10 xung vào đầu tiên nó sẽ đếm từ 0 đến 9 Đến xung thứ 10(tức là khi IC đếm thứ nhất đếm tới 9) nó lại quay về 0 và khi đó chân 11 sẽ được bật lên mức cao đồng thời kích 1 xung cho con IC 74LS90 thứ 2 Và con IC 74LS90 thứ 2 bắt đầu đếm, giá trị hiển thị lên nó giá trị của hàng chục.Khi IC 7490 thứ hai đếm đến 6 thì chân 8 và chân 9 của

nó sẽ ở mức cao.Mà chân 8 và chân 9 của IC 74LS90 lần lượt nối với chân 12 và chân 13 của IC 7408.Như vậy chân 12 và chân 13 sẽ ở mức cao dẫn tới chân 11 và chân 10 của IC

7408 cũng ở mức cao (do chân 11 là chân ra va nối với chân 10).Vì vậy chân 8 của IC

7408 sẽ ở mức cao và khi đó tín hiệu từ chân 8 sẽ được truyền vào hai chân thiết lập 2 và

3 của IC 74LS90.Khi đó bộ đếm hàng chục sẽ tự động reset về 0.cứ như vay nó sẽ đêm đến 60 và quay lại về 0

-Phần giải mã: IC74LS47 dùng để giải mã nhị phân khi IC 74LS90 đếm và kết quả hiển thị lên LED 7 thanh

- Phần hiển thị : Hiển thị kết quả đếm được ở dạng thập phân

V_Kết luận.

Với bài thiết kế mạch đếm 60 sản phẩm cho chúng ta hiểu thêm về môn học Kỹ thuật

số nói chung cũng như môn học thiết kế mạch số và analog Ngoài ra còn giúp chúng ta hiểu thêm về công dụng của từng con IC được sử dụng như thế nào

Mạch đếm sản phẩm này co rất nhiều ứng dụng trong đời sống cũng như trong sản xuất như ta có thể ứng dụng để đếm và đóng gói sản phẩm…

Trong quá trình thiết kế mạch còn giúp sinh viên nâng cao kĩ năng sử dụng phần mềm OrCAD để phục vụ cho công việc thiết kế mạch sau này

Trong quá trình tìm hiểu kết quả vẫn chưa được hoàn thiện và vẫn cần bổ xung thêm

Em rất mong được sự đóng góp ý kiến và hướng dẫn của cô giáo và các bạn để có thể hoàn thiện tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

………

………

………

………

………

………