ĐỒ án điện tử cơ bản MẠCH đèn GIAO THÔNG NGÃ tư

Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ -o0o - ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN MẠCH ĐÈN GIAO THÔNG NGÃ TƯ GVHD: SVTH: LỚP: MSSV: TS.Lê Mạnh Long Nguyễn Đức Cường Điện tử 5-K14 2019604533 HÀ NỘI, THÁNG NĂM 2022 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án điện tử bản, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy bạn bè Để hồn thành đồ án, lời em xin cảm ơn chân thành đến toàn thể thầy cô trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội thầy cô khoa Điện tử, người tận tình hướng dẫn, dạy dỗ trang bị cho em kiến thức bổ ích năm vừa qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Mạnh Long hướng dẫn cho em kiến thức, kỹ cần có để hồn thành đề tài nghiên cứu Tuy nhiên trình nghiên cứu đề tài, kiến thức chuyên ngành hạn chế nên em cịn nhiều thiếu sót tìm hiểu, đánh giá trình bày đề tài Rất mong nhận quan tâm, góp ý thầy giảng viên môn để đề tài em dầy đủ hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2021 Sinh viên Cường Nguyễn Đức Cường Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long LỜI CAM ĐOAN Đây đề tài em tự nghiên cứu thực hiện, có dựa vào số tài liệu tham khảo em xin tự cam đoan đề tài khơng chép cơng trình hay đề tài có trước Nếu có chép hay vi phạm quyền em xin tự chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2021 Sinh viên Nguyễn Đức Cường Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trong xã hội đại ngày nay, nhu cầu giao thông ngày trở nên cấp thiết, đặc biệt khu vực thành thị Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, xã hội văn minh đại, đô thị ngày lên Do nhu cầu người, nhu cầu lại, giao vận chuyển Các loại phương tiện giao thông tăng nhanh chóng Ở Việt Nam, số lượng phương tiện ngày tăng, mật độ xe lưu thông, số vụ tai nạn ngày nhiều, hệ thống đường xá nước ta nhiều hạn chế thường gây tượng ùn tắc giao thông, tai nạn giao thông Hệ thống đèn giao thông cần thiết để điều khiển giao thông công cộng giúp đảm bảo an tồn cho người tham gia giao thơng, giảm thiểu tai nạn, hạn chết ùn tắc giao thông Bằng kiến thức học qua môn học: Điện tử số, Điện tử tương tự Thực hành điện tử bản cung cấp cho em nhiều kỹ hữu ích cho đề tài này.Các kỹ hàn mạch, vẽ mạch, kỹ đo đạc số liệu kỹ vô quan trọng ảnh hưởng lớn đến chất lượng đề tài Nội dung báo cáo gồm phần chính: Phần 1: Mở đầu Phần 2: Lý thuyết Phần 3: Thiết kế, mô thực phần cứng Phần 4: Kết thực Phần 5: Kết luận hướng phát triển Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU PHẦN1 MỞ ĐẦU 1.1 Tổng Quan Về Đề Tài 1.2 Nhiệm Vụ Đề Tài PHẦN2 LÝ THUYẾT 2.1 Mô tả sản phẩm theo nghiên cứu 2.2 Cấu trúc, chức sơ đồ khối đề tài 2.3 Cơ sở lý thuyết[1][3][5] 10 PHẦN3 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 16 3.1 Yêu cầu thiết kế 16 3.2 Phân tích thiết kế 16 3.3 Sơ Đồ Khối Chi Tiết[5] 18 3.4 Thiết Kế Sơ Đồ Nguyên Lý 23 3.5 Mô 25 PHẦN4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 27 4.1 Kết Quả Thu Được 27 PHẦN5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 29 5.1 Kết đạt được: 29 5.2 Hướng phát triển: 30 5.3 Kết luận, học kinh nghiệm 31 PHẦN6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 PHẦN7 PHỤ LỤC 33 7.1 Linh kiện cần dùng[2][4] 33 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1Hình dạng thực tế IC555 10 Hình 2Sơ đồ chân IC555 10 Hình 3Sơ đồ mơ mạch tạo xung 12 Hình 4Hình dạng IC 4017 12 Hình 5Sơ đồ chân IC 4017 13 Hình 6Xung Clock ic4017 15 Hình 7LED 15 Hình 8Khối nguồn 16 Hình 9Sơ đồ cấu tạo chân IC7473 17 Hình 10Sơ đồ thiết kế mạch sử dụng IC7473 17 Hình 11Sơ đồ thiết kế mạch sử dụng IC4017 18 Hình 12Sơ đồ khối tạo xung 19 Hình 13Datasheet IC4017 21 Hình 14Khối đếm 22 Hình 15Khối hiển thị 23 Hình 16Sơ đồ nguyên lý mạch giao thơng 24 Hình 17Mơ phần mềm 26 Hình 18Sơ Đồ mạch in 26 Hình 19Các Điểm Do 27 Hình 20Đo occilloscope 28 Hình 21Đo phần mềm 28 Hình 22Kết thi cơng 29 Hình 23Các trạng thái đèn 29 Hình 24Các trạng thái đèn 30 Hình 25Các trạng thái đèn 30 Hình 26Các trạng thái đèn 30 Hình 27Điện trở 33 Hình 28Biến trở 34 Hình 29Diode zener 35 Hình 30Tụ hóa 36 Hình 31IC4017 37 Hình 32NE555 37 Hình 33Mơ tả nguyên lý hoạt động 38 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1Bảng Tham Số 21 Bảng Mô tả đếm 24 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long PHẦN1 MỞ ĐẦU 1.1 Tổng Quan Về Đề Tài Lý chọn đề tài, mục đích đối tượng nghiên cứu Trong xã hội đại ngày nay, nhu cầu giao thông ngày trở nên cấp thiết, đặc biệt khu vực thành thị Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, xã hội văn minh đại, đô thị ngày lên Do nhu cầu người, nhu cầu lại, giao vận chuyển Các loại phương tiện giao thơng tăng nhanh chóng Ở Việt Nam, số lượng phương tiện ngày tăng, mật độ xe lưu thông, số vụ tai nạn ngày nhiều, hệ thống đường xá nước ta nhiều hạn chế thường gây tượng ùn tắc giao thông, tai nạn giao thông Để giải tốn này, hệ thống đèn giao thơng cần thiết để điều khiển giao thông công cộng giúp đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông, giảm thiểu tai nạn, hạn chết ùn tắc giao thông Bằng kiến thức học qua môn học: Điện tử số, Điện tử tương tự Thực hành điện tử bản cung cấp cho em nhiều kỹ hữu ích cho đề tài này.Các kỹ hàn mạch, vẽ mạch, kỹ đo đạc số liệu kỹ vô quan trọng ảnh hưởng lớn đến chất lượng đề tài Từ thực tiễn,em chọn đề tài “ Thiết kế mạch đèn giao thông ” làm đề tài cho đồ án nhằm giúp cho người ý thức việc chấp hành luật lệ giao thông,đặc biệt đường 1.2 Nhiệm Vụ Đề Tài Với đề tài” Thiết kế mạch đèn giao thông” nhằm ứng dụng vào đèn giao thông thực tế ngã đô thị, giúp giảm thiểu tai nạn, gây thiệt hại tài sản,con người.Nhiệm vụ đồ án bao gồm nội dung:  Nội dung 1: Nghiên cứu thảo luận tính ứng dụng Đèn giao thơng.Thực thử nghiệm, phân tích kết thử nghiệm Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long  Nội dung 2: Tìm hiểu tài liệu linh kiện, IC 4017, sơ đồ ngun lý, cơng thức tính tần số, giá trị linh kiện, bảng mã hóa  Nội dung 3: Thiết kế, mô proteus, vẽ thiết kế mạch in phần mềm Altium  Nội dung 4: Thiết kế mạch giao thông sử dụng IC4017, thực đo lường, lắp ráp, lựa chọn linh kiện  Nội dung 5: Tổng kết đề tài, đánh giá tổng quát toàn báo cáo PHẦN2 LÝ THUYẾT 2.1Mô tả sản phẩm theo nghiên cứu  Đề tài:”Thiết kế mạch đèn giao thơng”  Hình thức sản phẩm: Bo mạch mơ tả đèn giao thông ngã tư 2.2Cấu trúc, chức sơ đồ khối đề tài  Mạch đèn giao thông gồm khối : Khối tạo Khối đếm xung Khối hiển thị Khối Nguồn  Khối tạo xung:Biến đổi tín hiệu điện chiều thành tín hiệu điện có xung tần số theo yêu cầu  Khối đếm:Khi cung cấp xung vuông vào chân clock (chân 14) hai ic 4017 nhằm điều khiển thời gian chuyển trạng thái đèn xanh, vàng, đỏ  Khối hiển thị:Bao gồm LED nhận tín hiệu từ khối đếm hiển thị mạch giao thông thực tế màu đỏ, xanh, vàng Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long  Khối Nguồn: Tận dụng Adapter sạc điện thoại để tạo thành nguồn 35V cấp cho tạo xung, đếm hiển thị 2.3 Cơ sở lý thuyết 2.3.1 IC555  IC 555 loại linh kiện phổ biến, dễ dàng tạo xung vng thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế độ rộng xung Nó ứng dụng hầu hết vào mạch tạo xung, đóng cắt mạch dao động khác Hình 1Hình dạng thực tế IC555 Sơ đồ chân IC555[1] Hình 2Sơ đồ chân IC555 10 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long  Nét đồng có chiều rộng 4mm,nhỏ 3mm  Khoảng cách nét với 3mm  Đường màu đỏ dây mặt bo mạch PHẦN4 4.1Kết Quả Thu Được 4.1.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN Công cụ đo,điểm đo:  Đồng hồ đo voltmeter, occilloscope Hình 19Các Điểm Do 27 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản 4.1.2 GVHD: TS.Lê Mạnh Long Kết đo phần mềm Hình 20Đo occilloscope  T=1.4s Hình 21Đo phần mềm  F=0,71hz  U vào =5V  Sai số nhỏ không đáng kể, mạch hoạt động ổn định 28 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long Hình 22Kết thi cơng PHẦN5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1Kết đạt được:  Mơ đèn giao thơng ngã tư  Hình 23Các trạng thái đèn 29 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long Hình 24Các trạng thái đèn Hình 25Các trạng thái đèn Hình 26Các trạng thái đèn  Lắp ráp chạy mạch đèn giao thông  Vận dụng kiến thức học vào đề tài 5.2Hướng phát triển:  Ứng dụng mạng lưới giao thông đô thị ngã tư  Kết hợp với mạch đếm số để tạo thành mạch giao thơng hồn chỉnh  Ưu điểm  Thiết kế không phức tạp 30 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long  Hoạt động ổn định,ít gặp cố,giá thành rẻ  Nhược điểm  Chưa tối ưu, thiết kế chưa bắt mắt  Gặp khó khăn việc in mạch 5.3Kết luận, học kinh nghiệm  Trong trình làm đồ án em cải thiện nhiều kỹ đọc thông số linh kiện kỹ làm mạch in…  Với đề tài: “Thiết kế mạch mạch giao thông” Trong trình làm xảy số lỗi mà em chưa biết phát Em mong thầy bạn đóng góp ý kiến để em hồn thiện lần 31 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản PHẦN6 [1] GVHD: TS.Lê Mạnh Long TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thị Thu Hà,Lê Văn Thái,Nguyễn Ngọc Anh (2013) Giáo Trình Điện Tử Số Hà Nội : NXB Khoa Học Và Kĩ Thuật, (2013) [2] Phạm Thị Thanh Huyền, Nguyễn Ngọc Anh,Nguyễn Minh Tâm.( 2016) Giáo Trình Linh Kiện Điện Tử Hà Nội : NXB Đại Học Sư Phạm, (2016) Tài liệu tham khảo IC555 [3] https://dientutuonglai.com/so-do-khoi-nguyen-ly-lam-viec-cau-hinh-chan-ic555.html [4]https://dientusangtaovn.com/ic-555-so-do-va-chuc-nang-hoat-dong/ Tài liệu tham khảo ic4017 [5] https://tailieu.vn/doc/tim-hieu-4017-148953.html 32 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long PHẦN7 PHỤ LỤC 7.1Linh kiện cần dùng 7.1.1 Điện trở[2] Hình 27Điện trở  Điện trở đại lượng vật lý biểu thị đặc tính cản trở dịng điện vật có khả cho dịng điện qua  Được làm từ hợp chất cacbon kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo loại điện trở có trị số khác Phân loại điện trở Theo cấu tạo  Điện trở dây cuốn: Được làm dây constantan hay nicrom lên ống sứ, bao phủ lớp men nâu hay xanh  Điện trở màng: Được phủ lớp than lên bề mặt lõi làm gốm sứ có xẻ rãnh 33 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long  Điện trở than: Cấu tạo từ vật liệu than chì trộn với vật liệu cách điện theo tỉ lệ thích hợp để có giá trị cần thiết, sau ép thành thỏi, đầu ép vào hai dây kim loại làm chân linh kiện Theo công suất  Điện trở thường: Điện trở thường điện trở có cơng xuất nhỏ từ 0,125W đến 0,5W  Điện trở công xuất: Là điện trở có cơng xuất lớn từ 1W, 2W, 5W, 10W  Điện trở sứ, điện trở nhiệt: Là cách gọi khác điện trở công xuất, điện trở có vỏ bọc sứ, hoạt động chúng toả nhiệt Ứng dụng điện trở:  Điều chỉnh điện áp, hạn chế dòng điện, chia điện áp, điều chỉnh hệ số khuếch đại, ổn định nhiêt 7.1.2 Biến trở (chiết áp)[2] Hình 28Biến trở  Biến trở hay chiết áp điện trở thay đổi giá trị  Chia loại gồm chiết áp dây chiết áp than hỗn hợp  Chọn biến trở 5k ohm chọn biến trở loại 50k ohm Cấu tạo điện trở: 34 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long  Bao gồm điện trở màng than hay dây quấn có dạng hình cung góc quay 270° Có trục quay góc nối với trượt làm than (cho biến trở dây quấn) hay kim loại cho biến trở than, trượt ép lên mặt điện trở để tạo kiểu tiếp xúc làm thay đổi trị số điện trở xoay trục Chức biến trở  Làm thay đổi trị số điện trở xoay 7.1.3 Diode zener  Diode linh kiện bán dẫn sử dụng rộng rãi Diode chỉnh lưu chất bán dẫn cho phép dòng điện qua theo hướng Diode tạo thành từ lớp bán dẫn loại N loại P Phía P gọi cực dương (anode) phía N gọi cực âm (cathode)  Dùng để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành chiều Hình 29Diode zener 35 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản 7.1.4 GVHD: TS.Lê Mạnh Long Tụ điện[2]  Lựa chọn loại 10uF 1uF Hình 30Tụ hóa  Tụ điện [2]: Tụ điện linh kiện điện tử thụ động sử dụng rộng rãi mạch điện tử, chúng sử dụng mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động vv Cấu tạo tụ điện:  Gồm hai cực làm kim loại đặt song song cách điện lớp điện môi Từ hai cực nối với hai dây dẫn làm chân hai tụ, toàn đặt vỏ bảo vệ  Người ta thường dùng giấy, gốm, mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi tụ điện phân loại theo tên gọi chất điện môi : tụ giấy, tụ gốm, tụ hố…  Lựa chọn tụ hóa giá thành rẻ,phù hợp,phổ thơng với mạch 36 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản 7.1.5 GVHD: TS.Lê Mạnh Long IC 4017 Hình 31IC4017 7.1.6 Ic555[4] Hình 32NE555 Nguyên lý hoạt động  Ở mạch H mức gần Vcc; L mức Sử dụng FF – RS  Khi SW = [1] Q = [1] = Q- = [0] 37 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long  Sau đó, S = [0] Q = [1] =Q- = [0]  Khi R = [1] = [1] Q = [0]  Khi S = [1] Q = [1] R = [1] Q = [0] Q-= [1], lúc Transistor mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp chân không vượt ngưỡng V2 Do lối OP – AMP lúc mức 0, FF không reset  Khi đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời (Ra+Rb)C Hình 33Mơ tả ngun lý hoạt động  Ở mạch H mức gần Vcc; L mức Sử dụng FF – RS  Khi SW = [1] Q = [1] = Q- = [0]  Sau đó, S = [0] Q = [1] =Q- = [0]  Khi R = [1] = [1] Q = [0]  Khi S = [1] Q = [1] R = [1] Q = [0] Q-= [1], lúc Transistor mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ 38 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long C, điện áp chân không vượt ngưỡng V2 Do lối OP – AMP lúc mức 0, FF khơng reset  Khi đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời (Ra+Rb)C Tụ C nạp điện áp từ 0V -> ⅓ Vcc:  Lúc V+1(V+ OA1) > V-1 Do OA1 (ngõ OA1) có mức logic 1(H)  V+2 < V-2 (V-2 = ⅔ Vcc) Do OA2 = 0(L)  R = 0, S = –> Q = /Q (Q đảo) =  Q = –> Ngõ =  /Q = –> Transistor hồi tiếp lúc không dẫn  (OA viết tắt: OP – AMP) Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp ⅓ Vcc -> ⅔ Vcc:  Lúc này, V+1 < V-1 Do OA1 =  V+2 < V-2 Do OA2 =  R = 0, S = –> Q, /Q giữ trạng thái trước (Q=1, /Q=0)  Transistor lúc không dẫn Tụ C nạp qua ngưỡng ⅔ Vcc:  Lúc này, V+1 < V-1 Do OA1 =  V+2 > V-2 Do OA2 =  R = 1, S = –> Q=0, /Q =  /Q = –> Transistor dẫn, điện áp chân xuống 0V !  Tụ C xả qua Rb Với thời Rb.C  Điện áp tụ C giảm xuống do lúc tụ C trình xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống ⅔ Vcc Tụ C tiếp tục xả từ điện áp ⅔ Vcc – ⅓ Vcc  Lúc này, V+1 < V-1 Do OA1 =  V+2 < V-2 Do OA2 =  R = 0, S = –> Q, /Q giữ trạng thái trước (Q=0, /Q=1) 39 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long  Transistor dẫn Tụ C xả qua ngưỡng ⅓ Vcc:  Lúc V+1 > V-1 Do OA1 =  V+2 < V-2 (V-2 = ⅔ Vcc) Do OA2 =  R = 0, S = –> Q = 1, /Q (Q đảo) =  Q = –> Ngõ =  /Q = –> Transistor không dẫn -> chân mức thấp tụ C lại nạp điện với điện áp ban đầu ⅓ Vcc  Quy trình lặp lại kết thu ngõ OUT dạng sóng xung vng có chu kì ổn định 7.1.7 LED  (Light Emitting Diode) hay gọi diode phát quang, chiếu sáng nhờ điện cực với chất liệu bán dẫn Cấu tạo LED  Chip ( vi mạch): tác dụng phát quang, tính dẫn điện chiều  Giá đỡ gồm đế lót đế tản nhiệt, nối với chân LED, tác dụng tản nhiệt dẫn điện  Lớp bao bọc nhựa tổng hợp, tác dụng bảo vệ tinh thể bên ánh sáng xuyên qua Nguyên lí hoạt động LED  Hoạt động LED giống với nhiều loại bán dẫn khác Khối bán dẫn loại P chứa nhiều loại lỗ trống tự mang điện tích dương nên ghé với khối bán dẫn N (Chứa điện tử tự do) lỗ trống có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N Cùng lúc khối P lại nhận thêm điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống dư thừa điện tử) khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai mặt tiếp giáp, số điện tử bị lỗ trống thu hút chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với tạo thành 40 Đồ Án Điện Tử Cơ Bản GVHD: TS.Lê Mạnh Long ngun tử trung hịa Q trình giải phóng lượng dạng ánh sáng (hay xạ điện tử có bước sóng gần đó)  Tùy theo mức lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát khác (tức màu sác đền LED khác nhau) Mức lượng hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc lượng chất bán dẫn  LED thường có điện phân cực thuận cao diode thông thường (khoảng từ 1,5V đến 3V) Nhưng điện phân cực nghịch LED không cao Do đó, LED dễ bị hư hỏng điện ngược gây 41