đồ án thiết kế đồng hồ báo giờ

Trường ĐHCN Hà Nội Bộ môn ĐLĐK ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN KĨ THUẬT SỐ MẠCH ĐỒNG HỒ BÁO GIỜ Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Vũ Linh Sinh viên thực hiện : 1.Đỗ van Huy 2.Phạm văn Khải 3.Nguyễn thành Hưng 4.Mai huy Hưng 5.Hoàng văn khắc Lớp : ĐH Điện 3-K6. Năm 2013 GVHD: Nguy n V Linhễ ũ SVTH:Nhóm 5 Trường ĐHCN Hà Nội Bộ môn ĐLĐK Nhận xét của giáo viên.Mục LụcKĩ Thuật Số: Đồng Hồ Báo Giờ LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay các hệ thống điện tử rất đa dạng và đang dần thay thế các công việc hàng ngày của con người từ những công việc đơn giản đến phức tạp như điều khiển tín hiệu đèn giao thông, đo tốc độ động cơ hay các đồng hồ số. Các hệ thống này có thể thiết kế theo hệ thống tương tự hoặc hệ thống số. Tuy nhiên trong các hệ thống điện tử thông minh hiện nay người ta thường sử dụng hệ thống số hơn là các hệ thống tương tự bởi một số các ưu điểm vượt trội mà hệ thống số mang lại đó là: độ tin cậy cao, giá thành thấp, dễ dàng thiết kế, lắp đặt và vận hành… Để làm được điều đó, chúng ta phải có kiến thức về môn kỹ thuật số, hiểu được cấu trúc và chức năng của một số IC số, mạch giải mã, các cổng logic và một số kiến thức về các linh kiện điện tử. Sau một thời gian học tập và tìm hiểu các tài liệu về môn kỹ thuật số, với sự giảng dạy, hướng dẫn nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn Thầy giáo Nguyễn Vũ Linh, em đã hoàn thành xong đề tài:”Thiết kế mạch đồng hồ số báo giờ” Do kiến thức và trình độ năng lực hạn chế nên việc thực hiện đề tài này không thể tránh được thiếu sót, kính mong nhận được sự thông cảm và góp ý của Thầy giáo. Em xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện: Nhóm 5 Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch logic tổ hợp, mạch dãy, mạch dao động I. Mạch logic tổ hợp 1. Đặc điểm cơ bản và phương pháp thiết kế của mạch - Đặc điểm: mạch tổ hợp là mạch mà trị số ổn định của tín hiệu đầu ra ở thời điểm bất kì chỉ phụ thuộc vào tổ hợp các giá trị tín hiệu đầu vào ở thời điểm đó. - Phương pháp thiết kế: + Phân tích yêu cầu + Kê bảng chân lí +Tiến hành tối thiểu hóa + Vẽ sơ đồ logic 2. Bộ mã hóa Mã hóa là dung văn tự, kí hiệu hay mã để biểu thị một đối tượng xác định. Bộ mã hóa là mạch điện thực hiện thao tác mã hóa. Các bộ mã hóa: GVHD: Nguy n V Linhễ ũ SVTH:Nhóm 5 Trường ĐHCN Hà Nội Bộ môn ĐLĐK - Bộ mã hóa nhị phân Là mạch điện dung n bit để mã hóa N=2 n tín hiệụ - Bộ mã hóa nhị - thập phân Là mạch điện chuyển mã hệ thập phân bao gồm 10 chữ số 0,1,2… 9 thành mã hệ nhị phân. Đầu vào là 10 chữ số, đầu ra là nhóm mã số nhị phân,. - Bộ mã hóa ưu tiên Bộ mã hóa ưu tiên có thể có nhiều tín hiệu đồng thời đưa đến, nhưng mạch chỉ tiến hành mã hóa tín hiệu đầu vào nào có cấp ưu tiên cao nhất ở thời điểm xét. 3. Bộ giải mã Giải mã là quá trình phiên dịch hàm ý đã gán cho từ mã Bộ giải mã là mạch điện thực hiện giải mã từ mã thành tín hiệu đầu ra, biểu thị tin tức vốn có. - Bộ giải mã nhị phân Thực hiện phiên dịch các từ mã nhị phân thành tín hiệu đầu ra Nếu từ mã đầu vào có n bit thì sẽ có 2 n tín hiệu đầu ra tương ứng với mỗi từ mã. - Bộ giải mã (BCD)- thập phân Là bộ giải mã thực hiện chuyển đổi từ mã BCD thành 10 tín hiệu đầu ra tương ứng 10 chữ số của hệ thập phân. - Bộ giải mã của hiển thị kí tự • Hai loại hiển thị số: + linh kiện hiển thị bán dẫn + đèn hiển thị số 7 thanh chân không • Bộ giải mã hiển thị 4. Bộ so sánh - Bộ so sánh bằng nhau: • Bộ so sánh bằng nhau 1 bit • Bộ so sánh bằng nhau 4 bit - Bộ so sánh 5. Bộ cộng - Bộ cộng nửa Là mạch điện thực hiện phép cộng nửa, tức là phép cộng hai số 1 bit. - Bộ cộng đủ - Bộ cộng có nhớ nối tiếp 6. Bộ chọn kênh 7. Rom - Bộ nhớ cố định chỉ đọc(ROM) - Bộ nhớ chỉ đọc có thể ghi trình tự (PROM) - Bộ nhớ chỉ đọc có thể viết lại GVHD: Nguy n V Linhễ ũ SVTH:Nhóm 5 Trường ĐHCN Hà Nội Bộ môn ĐLĐK II. Mạch dãy 1. Đại cương về mạch dãy a. Đặc điểm - Một mạch điện được gọi là mạch dãy nếu trạng thái đầu ra ổn định ở thời điểm xét bất kì không vhir phụ thuộc vào trạng thái đầu vào thời điểm đó mà còn phụ thuộc vào cả trạng thái bản thân mạch điện ở thời điểm trước. b. Phương pháp phân tích chức năng logic mạch dãy. - Viết phương trình - Tìm phương trình trạng thái - Tính toán - Vẽ bảng trạng thái 2. Bộ đếm - Bộ đếm đồng bộ: + bộ đếm nhị phân đồng bộ: cấu trúc bằng Flip Flop T + bộ đếm thập phân đồng bộ + bộ đếm N phân đồng bộ - Bộ đếm dị bộ: + bộ đếm nhị phân dị bộ +bộ đếm thập phân dị bộ - Bộ đếm IC cỡ trung 3. Bộ nhớ - Bộ nhớ cơ bản: là mạch điện có chức năng tiếp nhận tín hiệu nhị phân mã hóa và xóa tín hiệu đã nhớ trước - Bộ ghi dịch 4. Bộ tạo xung tuần tự 5. Bộ nhớ RAM và dụng cụ ghép điện tích CCD III. Mạch dao động 1. Bộ phát xung - Bộ dao động đa hài cơ bản cổng NAND TTL - Bộ dao động đa hài vòng RC - Bộ dao đọng đa hài thạch anh - Bộ dao động đa hài CMOS 2. Trigơ smit - Trigo smit có thể biến đổi dạng xung, biến đổi vô cùng châm chạp ở đầu vào thành dạng xung vuông thỏa mãn yêu cầu mạch số ở đầu ra. - Có ứng dụng rộng trong các mạch phát xung và tạo dạng xung. 3. Mạch đa hài đợi - Mạch đa hài đợi CMOS - Đa hài đợi họ TTL 4. IC định thời họ CMOS GVHD: Nguy n V Linhễ ũ SVTH:Nhóm 5 Trường ĐHCN Hà Nội Bộ môn ĐLĐK Chương 2: Thiết kế mạch đồng hồ số. Lời Đầu: Đồng hồ báo giờ từ rất lâu đã trở nên quen thuộc và không thể thiếu với con người và đồng hồ số báo giờ là sản phẩm của công nghệ hiện đại kĩ thuật số ngày nay. Để thực hiện đề tài này chúng em đã sử dụng bộ tạo xung,bộ đếm và bộ giải mã,kết hợp với đèn led để hiển thị và linh kiện khác. Với việc sử dụng các bộ IC trên ta có thể thiết kế mạch đồng hồ số báo giờ hoàn chỉnh. I.Sơ đồ nguyên lý mạch: 1/Sơ đồ khối Mạch gồm có 5 khối: - Bộ nguồn - Bộ tạo xung - Bộ so sánh - Bộ đếm - Bộ hiển thị 2. Chức năng các khối 2.1/ Bộ nguồn: Bộ nguồn cung cấp cho toàn bộ mạch ở đây ta dùng nguồn một chiều khoảng +5V cung cấp cho toàn bộ mạch. 2.2 / Bộ tạo xung: Dùng IC 555 để tạo ra xung nhịp. Hình 1:Cấu tạo IC 555 GVHD: Nguy n V Linhễ ũ SVTH:Nhóm 5 B hi n thộ ể ịB ộ mĐếB ộ So SánhB t oộ ạ xung B ngu nộ ồ Trường ĐHCN Hà Nội Bộ môn ĐLĐK Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở thực hiện các chức năng như hình 2: hình 2 : Cấu trúc bên trong của LM 555 *Sơ đồ tạo xung nhịp: GVHD: Nguy n V Linhễ ũ SVTH:Nhóm 5 Trường ĐHCN Hà Nội Bộ môn ĐLĐK *Chu kỳ tạo xung: Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian ngưng dẫn của transistor là : T = RCln2 =0.693 RC . Thời gian ngưng dẫn ở mức áp cao cũng là lúc tụ C2 nạp d.ng qua R1+R2 Tn = 0.693*(R1+R2)*C2 Thời gian ngưng dẫn ở mức áp thấp cũng là lúc tụ C2 xả d.ng qua R2 Tx = 0.693*R2*C2 Như vậy chu kỳ của tín hiệu sẽ là : T = Tn+Tx T = 0.693*(R1+2*R2)*C2 . Vi mạch định thì LM 555 là mạch tích hợp Analog- digital. Do có ngõ vào là tín hiệu tương tự và ngõ ra là tín hiệu số. Vi mạch định thì LM 555 được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển, vì nếu kết hợp với các linh kiện R, C thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như: định thì, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất như Transistor, SCR, Triac… *Sơ đồ chân LM555 và nguyên lí hoạt động : Chân số 1 : (GND) Cho nối mass để lấy dòng cấp cho IC , dòng điện từ mas chảy vào IC. Chân sô 2: (Trigger Input ) Ngõ vào của một tầng, ở đây mức áp chuẩn bằng 1/3 Vcc, lấy cầu phân áp tạo bởi ba điện trở 5K.Khi mức áp chân 2 xuống đến mức (1/3)Vcc thì chân 3 sẽ chuyển lên mức cao, lúc này khóa điện tử trên chân số 7sẽ hở. Chân số 3: (Output) Ngõ ra tín hiệu ở dạng xung (mức áp không thấp thì GVHD: Nguy n V Linhễ ũ SVTH:Nhóm 5 Trường ĐHCN Hà Nội Bộ môn ĐLĐK cao). Chân số 4 :(Reset) Xác lập trạng thái ngõ ra .Khi chân số 4 cho nối mass thì chân số 3 chốt ở mức áp thấp , chỉ khi chân số 4 đặt ở mức áp cao thì ngõ ra chân 3 mới được tự do và mới có thể lúc cao lúc thấp. Chân số 5:(Control Voltage) Chân điều khiển ,chân này làm thay đổi các mức điện áp chuẩn trên trên cầu chia volt. Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào của một tầng so với áp 1.Có mức áp chuẩn bằng 2/3 Vcc. Chân số 7: (Dirchange) Chân xả điện, chân này là ngõ ra của một khóa điên (tranistor) khóa điện này đóng mở theo mức áp chân số 3. Khi chân 3 ở mức áp cao thì khóa điện đóng lại và cho dòng chay qua, ngược lại thì khóa điện hở và cắt dòng. Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC 555. 2.3 Bộ so sánh: Sử dụng IC 74ls85 Hình 2.3.4 Mạch so sánh độ lớn 4 bit 74LS85 Bảng 2.3.2 Bảng sự thật của 74LS85 Nhìn vào bảng sự thật của IC ta có thể thấy được hoạt động của mạch: GVHD: Nguy n V Linhễ ũ SVTH:Nhóm 5 Trường ĐHCN Hà Nội Bộ môn ĐLĐK Ở 8 trường hợp đầu mạch so sánh bình thường, lần lượt so sánh từ bít cao trước. Khi tất cả các bit của 2 ngõ vào đều bằng nhau thì phải xét đến logic của các ngõ vào nối chồng (được dùng khi ghép chồng nhiều IC để có số bit so sánh lớn hơn). Logic ở các ngõ vào này thực ra là của các ngõ ra tầng so sánh các bit thấp (nếu có). Trường hợp ngõ vào nối chồng nào lên cao thì ngõ ra tương ứng cũng lên cao.Trường hợp các bít trước không so sánh được thì các ngõ ra sau cùng đều thấp. Trường hợp không có tín hiệu ngõ vào nối chồng thì tức là dữ liệu ngõ vào A và B khác nhau nên ngõ ra A < B và A> B đểu ở mức cao. Vậy để mạch so sánh đúng 4 bit thì nên nối ngõ nối chống A = B ở mức cao. Ứng dụng: Bộ so sánh làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã cài đặt. Tùy theo tín hiệu ngõ ra sẽ quyết định để cơ cấu chấp hành gia tăng hay giảm hay giữ nguyên. 2.4 .Dùng IC 74192 bộ đếm thập phân *Sơ đồ cấu tạo: Đây là IC đếm thông dụng với 2 bộ đếm 5 và 2 tích hợp sẵn trong IC. Từ 2 bộ đếm này kết hợp với bảng trạng thái ta có thể reset bộ đếm trong khoảng từ 0- 10,kết hợp nhiều ic có thể đếm được số lớn hơn. -IC 74192 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5 +Bộ chia 2 do input A điều khiển đầu ra Q0 +Bộ chia 5 do input B điều khiển đầu ra Q1,Q2,Q3 -Đầu vào lấy từ mạch tạo xung IC 555 -Tín hiệu đươc cấp vào chân 5(CPu) để thực hiện đếm lên và tín hiệu cấp vào chân 4(CPD) để thực hiện đếm lùi. Cứ mỗi xung được cấp vào thì nó đếm lên 1 hoặc lùi 1 và được mã hóa ra 4 chân Q0,Q1,Q2,Q3.Khi đêpms tới 10 nó tự reset GVHD: Nguy n V Linhễ ũ SVTH:Nhóm 5 Trường ĐHCN Hà Nội Bộ môn ĐLĐK và trở lại ban đầu. 2.5/Bộ hiển thị: Bộ hiển thị là thiết bị đèn led thể hiện số đếm,trong bài ta sử dụng led 7 thanh 7SEG-BCD. Led 7seg có thể có thể coi được tạo thành từ các led đơn ghép lại nhưng theo dạng thanh . Nó chia ra làm 2 loại anot chung và katot chung . Ta có thể hiểu nôm na rằng thực ra 7 “thanh” này giống như là 7 con led.A chung tức là anode của 7 con led này nối với nhau,còn các chân K thì riêng.Đối với K chung chũng có thể hiểu tương tự như vậy Sơ đồ các chân: Tiếp theo là bảng mã led theo các chữ số từ 0=>9 ,bảng này tương ứng mới mức 1 sáng (5v) led katot chung . Còn với loại anot chung thì thay bảng trạng thái led sáng là mức 0. GVHD: Nguy n V Linhễ ũ SVTH:Nhóm 5 [...]... từng chân R0(1) và R0(2) của IC đếm hàng chục để reset giá trị đếm về “0” và đồng thời cấp xung Clock (Clk) cho khối phút 1.4 Khối phút Khối phút có nhiệm vụ hiển thị giá trị từ “00” đến “59” và sau khi đếm đến “59”, sau 1 chu kì xung tiếp theo thì giá trị đếm cũng tự động reset về “00” và đồng thời cấp xung cho khối giờ để đếm giờ Xung được cấp cho khối phút khi khối giây đếm giá trị “59” về “00” Vì... chục và hàng đơn vị và quá trình reset cũng tương tự như khối giây 1.5 Khối giờ Khối giờ có nhiệm vụ hiển thị giá trị từ “00” đến “23” Khi khối giờ đếm đến giá trị “23” và sau 1 chu kì xung tiếp theo thì giá trị đếm tự động reset về “00” Xung cấp cho khối giờ được cấp từ khối phút Cứ sau khi khối phút đếm hết 60 phút thì khối giờ đếm tăng 1 giá trị Hàng đơn vị sẽ hiển thị giá trị từ “0” đến “9”, còn... năng thực hiện phép nhân logic Cổng AND gồm hai đầu vào và một hàm ra Ký hiệu : X1 y *Bảng hoạt động: X2 III.Kết Luận: Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng A Phân tích các khối 1.2 Khối tạo dao động 1Hz IC 555 có nhiệm vụ tạo ra tần số 1 Hz tại đầu ra (chân 3) để cấp cho khối giây của đồng hồ thời gian Xung đầu ra có dạng xung vuông ổn định và cứ mỗi chu kì xung thì tương ứng với 1 giây 1.3 Khối... Khi khối phút đếm hết 60 phút thì sẽ tạo một xung cấp vào chân đếm IC hàng đơn vị của khối giờ và reset khối phút bắt đầu đếm lại giá trị ban đầu Mỗi xung đếm được sẽ tương ứng với một giờ và được hiển thị giá trị đếm trên Led GVHD: Nguyễn Vũ Linh SVTH:Nhóm 5 Trường ĐHCN Hà Nội Bộ môn ĐLĐK Để điều chỉnh phút và giờ ta tác động qua nút button Mỗi khối sẽ có 1 nút để điều chỉnh, với mỗi lần nhấn sẽ có... tương ứng với 1 giây 1.3 Khối giây Khối giây có nhiệm vụ hiển thị giá trị từ “00” đến “59” Khi khối giây đếm đến giá trị “59” và sau một chu kì xung tiếp theo thì giá trị đếm tự động reset về “00”, và đồng thời cấp xung cho khối phút đếm phút Tần số 1Hz tại đầu ra của IC tạo dao động 555 được cấp cho khối giây để đếm Hàng đơn vị sẽ đếm giá trị từ “0” đến “9”, còn hàng chục sẽ đếm từ “0” đến “5” Cứ sau... được đưa về từng chân R0(1) và R0(2) của IC đếm hàng chục và IC đếm hàng đơn vị để reset giá trị đếm về “00’’ Nguyên lý hoạt động của mạch Ta tác động vào nút switch (đóng=1 , mở =0), mạch được cấp nguồn đồng thời ……… khối tạo dao động IC 555 tạo xung vuông có chu kì 1s đưa vào chân đếm IC đơn vị của khối giây Khối giây sẽ đếm xung vào và hiển thị giá trị đếm được trên Led, mỗi xung đếm tương ứng với một... động có tác dụng cản trở cả dòng và áp Điện trở đựơc sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử R =ρℓ/S hoặc R=U/I Trong đó ρ là điện trở suất của vật liệu S là thiết diện của dây ℓ là chiều dài của dây f) Phần tử đảo (NOT) Chức năng:Thực hiện phép toán logic ĐẢO (NOT) Cổng ĐẢO chỉ có 1 đầu vào: ký hiệu: 0 1 1 0 out A Bảng thật: Biểu thức: out = A GVHD: Nguyễn Vũ Linh SVTH:Nhóm 5 Trường ĐHCN Hà Nội y 2x