Đề tài: Thiết kế mạch chuông tự động pdf

Đề tài: Thiết kế mạch chuông tự động + Chế độ trường học được cài đặt như sau: Một ngày có hai buổi học sáng, chiều, mỗi buổi học có sáu tiết, mỗi tiết 45 phút, sau tiết chẵn có ra chơ

Đề tài: Thiết kế mạch chuông tự động

+ Chế độ trường học được cài đặt như sau:

Một ngày có hai buổi học (sáng, chiều), mỗi buổi học có sáu tiết, mỗi tiết 45 phút, sau tiết chẵn có ra chơi 10 phút, sau tiết lẻ có ra chơi 5 phút.Yêu cầu chuông vào giờ kéo dài 10 giây, chuông ra kéo dài 5 giây

Ta có bảng bố trí các tiết học trong một ngày như sau:

+Chế độ công sở được cài đặt như sau:

Một ngày có hai buổi làm sáng và chiều Giờ cụ thể như sau:

Buổi Bắt đầu Kết thúc

Sáng 7h30’ 11h30

Chiều 1h 5h

II- Cơ sở lý thuyết để thực hiện

1- Sơ đồ khối của hệ thống

Chức năng của từng khối như sau:

* Khối nguồn: cung cấp năng lượng hoạt động cho các khối

* Khối đồng hồ: là đồng hồ thời gian thực, cung cấp thời gian trong một ngày(24

giờ)

* Khối chuyển đổi chế độ: làm nhiệm vụ chuyển giữa hai chế độ: chế độ trường

học và chế độ công sở

* Khối điều khiển báo chuông: là 1 otomat có nhớ, ở chế độ trường học khối sẽ

nhớ 24 thời điểm cần báo chuông còn ở chế độ công sở là 4 thời điểm Khối này lấy

tín hiệu thời gian từ khối đồng hồ, khi đến đúng thời điểm cần báo chuông nó sẽ

phát tín hiệu xung ra đến khối khuyếch đại âm tần

* Khối khuyếch đại âm tần: Có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu nhận được từ khối

điều khiển chuông Ví dụ như ở chế độ trường học, tín hiệu báo hiệu vào giờ sẽ

được khuyếch đại kéo dài trong 10s còn tín hiệu ra chơi sẽ kéo dài trong 5s

* Khối chuông: Nhận tín hiệu từ khối khuyếch đại âm tần và phát ra chuông có độ

dài đúng bằng tín hiệu xung nhận được

2- Phân tích các khối

a- Khối chuyển chế độ

Khối điều khiển sử dụng một chuyển mạch (công tắc) gồm 2 trạng thái để đáp ứng

yêu cầu thực hiện công việc

Khối nguồn

Khối tạo xung Khối đồng hồ

Khối điều khiển

độ dài chuông

Điều khiển báo chuông

Chuônga

Khối chuyển đổi chế độ

Chuyển mạch gồm 2 trạng thái: 1 và 2 Khi chuông báo phục vụ cho trường học thì chuyển mạch ở trạng thái 1, còn khi dùng trong công sở thì chuyển mạch ở trạng thái 2 Việc chuyển đổi giữa các trạng thái được thực hiện bằng một cần gạt hay công tắc

Công tắc ở trạng thái 1 E1 = L; E2 = H

Khi dùng trong công sở (trạng thái 2) E1 = H; E2 = L

b- Khối tạo xung

Để tạo được dãy xung clock ta dùng vi mạch định thời 555 (Timer 555) Timer

555 là một vi mạch định thời rất thông dụng Nó có thể sử dụng theo nhiều chức năng: làm mạch đa hài đơn ổn hoặc đa hài phiếm định, để tạo một xung đơn hay một dãy xung vuông góc lặp lại, hoặc một dãy xung tam giác Thời gian định thời

có thể thay đổi từ vài às đến vài trăm giây (s) nhờ một mạch RC đơn giản, với độ chính xác điển hình là ±1%

Khái niệm về mạch định thời 555:

Có 2 loại mạch định thời thông dụng nhất là Timer 555 chế tạo theo công nghệ transistor lưỡng cực (BJT) và Timer 7555 chế tạo theo công nghệ CMOS Điện áp cung cấp cho IC 555 là 5 ÷ 15V, cho IC 7555 là 2 ÷ 18V Công suất tiêu thụ và dòng cung cấp cho IC 7555 cũng nhỏ hơn nhiều so với ở IC 555 Với nguồn +15V,

IC 555 yêu cầu dòng cung cấp cỡ 10mA Dòng đầu ra cực đại của IC 555 có thể đạt tới 200mA ( ở IC 7555 chỉ bằng khoảng 1/2 )

Sơ đồ khối chức năng và vỏ của IC 55

E1

E2 1

7 3

U3IDEAL

Q1NPN

S

R Q _ QU2

U1A

R31k

R21k

R11k

Hai hình trên tương ứng là sơ đồ khối chức năng vả vỏ kiểu hai hàng chân song song của IC 555 ở đây ta chỉ xét vai trò của tám chân (1 ÷ 8)

Chân số 1 là chân nối “mát” Chân số 2 là đầu vào kích khởi (trigger), dùng để dặt xung kích thích bên ngoài khi mạch làm việc ở chế độ đa hài đơn ổn Chân số 3 là đầu ra của IC Chân số 4 là chân xoá (Reset);

nó có thể điều khiển xoá điện áp đầu ra khi điện áp đặt vào chân này từ 0,7 V trở xuống Vì vậy, để có thể phát ra xung ở đầu ra, chân số 4 phải đặt ở mức cao H Chân số 5 là chân điện áp điều khiển (Control Voltage) Ta có thể đưa một điện áp ngoài vào chân này để làm thay đổi việc định thời của mạch, nghĩa là làm thay đổi tần số xung phát ra Khi không được sử dụng thì chân số 5 nối xuống “mát” thông qua 1 tụ khoảng 0,01àF Chân số 6 là chân điện áp ngưỡng (Threshold) Chân 7

là chân phóng điện (Discharge)

Để tạo được dãy xung vuông thì IC 555 phảI làm việc như một mạch dao động đa hài phiếm định Chân ra số 3 sẽ phát ra một dãy xung vuông lặp lại

+V

V2 10V

C4 1uF

C3 1uF

R4 1k

R3 1k

D1 DIODE

Gnd Trg Out Rst Ctl Thr Dis Vcc

U2 555

C2 1uF

C1

1uF

+V

V1 10V

Gnd Trg Out Rst Ctl Thr Dis Vcc

U1 555 R2

1k

R1

1k

Từ hình vẽ a) ta thấy: Thời gian tồn tại xung t1 (độ rộng xung) phụ thuộc tốc độ nạp của tụ C từ nguồn cung cấp, nghĩa là tỉ lệ với hằng số thời gian nạp

τn = (R1 + R2)C, ta có :

t1 = (R1 + R2)Cln2 ≈ 0,7( R1 + R2)C (1)

của tụ C qua chân phóng điện số 7, nghĩa là tỉ lệ với hằng số thời gian phóng

lớn, phá hỏng transistor

điện trở R nối song song với diode khi đó coi như bị ngắn mạch và hằng số thời gian của mạch nạp τn =τp nên t1 = t2 ≈ 0,7RC

Dãy xung ở đầu ra là đối xứng, với tần số

f = 1/T = 1/(t1+t2) = 1/1,4RC

Do yêu cầu mạch chuông báo giờ học phải chính xác, sai số chỉ cho phép khoảng 5 giây trong toàn bộ buổi học khoảng 5 giờ, do đó việc thiết kế mạch đồng hồ cần có độ chính xác cao

Khi cần dãy xung vuông góc với độ chính xác tần số rất cao, tần số dãy xung cũng cao ( thường là 1MHz ÷ 10 MHz), người ta hay dùng mạch phát xung thạch anh ở đây, tinh thể thạch anh áp điện được sử dụng như mạch cộng hưởng cơ điện với độ chính xác rất cao

Hình a) dùng 2 phần tử đảo họ TTL của IC 74LS04 để tạo thành mạch phát xung thạch anh có tần số ở trong dải từ vài trăm kHz đến 10MHz Tinh thể thạch anh loại hoạt động kiểu nối tiếp Tụ C khoảng vài nF và phải chỉnh định theo tần số của dãy xung ra

Hình b) dùng hai phần tử đảo của 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

U1D U1C

U1B U1A

R3 1k

R2

1k

R1 1k

* Thiết kế bộ đếm 3:

Dùng đồ hình Mealy để biểu diễn hệ thống

X ={0, 1}

S ={0, 1, 2}

Bảng hoạt động:

x

S(t) S(t+1) 0 1

0 0 1

1 1 2

2 2 0

Rút gọn: bài toán đã ở dạng otomat min Mã hoá : Pmax=3 ⇒ số bít dùng: m=2 Dùng 2 bit để mã hóa hệ thống Dùng JK–FF để thực hiện 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 hoá hệ thống sau: x

y1y0 Y1Y0 0 1

00 00 01

01 01 11

11 11 00

10

y Y JK

0 0 0 -

0 1 1 -

1 0 - 1

1 1 - 0

Bảng kích hệ thống: x

y1y0 0 1

J1K1 J0K0 J1K1 J0K0

00 0 - 0 - 0 - 1 -

01 0 - - 0 1 - - 1

11 - 0 - 0 - 1 - 1

10 - - - - - - - -

Lập hệ phương trình kích: J1 x

y1y0 0 1

00

01

1

11 − −

10 − −

J1= y0x K1

x y1y0 0 1

00 − −

01 − −

11 1

10 − −

K1 = x J0 x

y1y0 0 1

00

11 − −

10 − −

J0 = x K0

x y1y0 0 1

00 − −

01 1

11 1

10 − −

K0 = x Sơ đồ bộ đếm cơ số 3:

*Thiết kế bộ đếm 5

Dựng mụ hỡnh Moore

X = {0,1}

S = {0,1,2,3,4}

x S(t+1)

S J CP K R Q _

S J CP K R Q _ CP1

CP2 Q1 Q2 V2

s(t+1) 0 1

0 0 1

1 1 2

2 2 3

3 3 4

4 4 0

∏ = {0,1,2,3,4} là phõn hoạch thế tương đương ⇒ hệ thống cú otomat min Mó hoỏ: Pmax = 5 ⇒ số bớt cần dựng để mó hoỏ là m = 3 Dựng JK-FFđể thực hiện hệ thống Gọi s(t): y2y1y0 S(t+1): Y2Y1Y0 J0K0: y0 →Y0 J1K1: y1 →Y1 J2K2: y2 →Y2 Dựng mó BCD để mó hoỏ hệ thống Ta cú bảng mó hoỏ hệ thống sau: x

y2y1y0 Y2Y1Y0 0 1

000 000 001

001 001 010

010 010 011

011 011 100

100 100 101

101 - - - - - -

110 - - - - - -

111 - - - - - -

Bảng kớch JK y Y JK 0 0 0-

0 1 1-

1 0 -1

1 1 -0

Bảng kớch hệ thống

x

y2y1y0 0 1 J2K2 J1K1 J0K0 J2K2 J1K1 J0K0 000 0 − 0 − 0 − 0 − 0 − 1 −

001 0 − 0 − − 0 0 − 1 − − 1

010 0 − − 0 0 − 0 − − 0 1 −

011 0 − − 0 − 0 1 − − 1 − 1

100 − 0 0 − 0 − − 0 0 − 1 −

101 − − − − − − − − − − − −

110 − − − − − − − − − − − −

111 − − − − − − − − − − − −

Phương trỡnh kớch hệ thống: J2 = xy1y0 J1 = xy0 J0 = x K2 = 0 K1 = xy0 K0 =⎯y2 x

K2 y0x y2y1 00 01 11 10 00 − − − −

01 − − − −

11 − − − −

10 0 0 − −

S J CP K R Q _

S J CP K R Q _

* Thiết kế bộ đếm 2

Bộ đếm 2 gồm có 2 trạng thái :( 0 1 ) do đó cần số triger là:N=log2 2,hay N=1

Dùng 1 con Triger ta có thể mã hoá 2 trạng thái

Bảng mã hoá hệ thống

y X Y 0 1

0 0 1

1 1 0

Bảng kích JK

y Y JK 0 0 0-

0 1 1-

1 0 -1

1 1 -0

Bảng kích hệ thống x

y 0 1

J K J K 0 0 - 1 -

1 - 0 - 1

Hệ phương trình kích

J = x

K = x

Sơ đồ thực hiện

*Thiết kế bộ đếm 6 Dùng đồ hình Mealy để biểu diễn hệ thống X = {0,1} S = {0,1,2,3,4,5} Ta có bảng hoạt động x

S(t) S(t+1) 0 1

0 0 1

1 1 2

2 2 3

3 3 4

4 4 5

5 5 0

Bộ đếm 6 không rút gọn được, bộ đếm là otomat min Ta có: P max = 6 ⇒ số bít cần m = 3 ⇒ dùng 3 bít để mã hoá hệ thống ⇒ dùng JK- FF để thực hiện Gọi s(t): y2 y1 y0

s(t+1): Y2 Y1 Y0

J2 K2: y2 → Y2 J1 K1: y1 → Y1 J0 K0: y0 → Y0 - Dùng mã nhị phân s0: 000 s2: 010 s4: 100 s1: 001 s3: 011 s5: 101 Bảng mã hoá hệ thống:

x Y Y Y

CP1 CP2 Q1 Q2

S J CP K R Q _

000 000 001

001 001 010

010 010 011

011 011 100

100 100 101

101 101 000

110 - - - - - -

111 - - - - - -

Bảng kích JK y →Y JK 0 → 0 0 -

0 → 1 1 -

1 → 0 - 1

1 → 1 - 0

Bảng kích hệ thống: x

y2 y1 y0

0 1

J2K2 J1K1 J0K0 J2K2 J1K1 J0K0 000 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 1 -

001 0 - 0 - - 0 0 - 1 - - 1

010 0 - - 0 0 - 0 - - 0 1 -

011 0 - - 0 - 0 1 - - 1 - 1

100 - 0 0 - 0 - - 0 0 - 1 -

101 - 0 0 - - 0 - 1 0 - - 1

110 - - - - - - - - - - - -

111 - - - - - - - - - - - -

Hệ phương trình kích:

J2 K2

J1 K1

y1 y0 xy2 00 01 11 10 00 01 − − − − 11 − − − − 10 1

y1 y0

xy2 00 01 11 10

00 − − − −

11

1 − −

10 − − − −

y1 y0

xy2 00 01 11 10

00 − −

01 − − − −

11 − − − −

10 − − 1

y1 y0

xy2 00 01 11 10

10

1 − −

S J CP K R Q _

S J CP K R Q _ CP1

CP2 Q1 Q2 V4

Đầu vào Đầu ra

a b

− −

1 − −

y0 y1

y2

−

−

−

a = y1+ y3+ y2y0+ ⎯y2⎯y0

11 − − − −

g = y3+ y2⎯y0+ y2⎯y1+ y1⎯y2

Sơ đồ thực hiện hệ thống

g f e

d

c b a y0

y1

Dựa vào sơ đồ chân của IC 7490 và 7447 ta có cách ghép nối các chân giữa 2 IC trên Có IC 7490 là IC đếm 10, do vậy để có được bộ đếm 6, khi 7490 đếm đến 6 (theo mã BCD là 0110) thì chân QB và QC của 7490 ở trạng thái cao Dùng cổng AND nối QB và QC về hai chân R01 và R02 bộ đếm sẽ được reset lại.Ta sẽ có được bộ đếm 6

Bộ đếm 10:

Trên thực tế bộ đếm 10 được thiết kế từ IC 7490 và bộ giải mã bằng IC 7447, được hiển thị bằng LED 7 thanh.IC 7490 là IC đếm 10 do vậy ta chỉ cần đấu hai chân R01 và R02 xuống đất, 7490 hoạt động đúng yêu cầu

Bộ đếm 60 được thực hiện bằng cách nối ghép bộ đếm 6 và bộ đếm 10.Cứ mỗi khi bộ đếm 10 đếm đến 9 (theo mã BCD là 1001) khi đó chân QA và QD của bộ đếm sẽ ở trạng thái cao, ta dùng một cổng AND để đưa hai chân đó nối với chân CKA (chân nhận xung kích) của bộ đếm 6 Như vậy , khi bộ đếm 10 hoàn thành 1 chu kỳ đếm thì bộ đếm 6 được kích xung để đếm thêm 1→ Ta có bộ đếm 60

Bộ đếm 3

Trên thực tế bộ đếm 3 được thiết kế từ IC 7490 và bộ giải mã bằng IC 7447.Để

có được bộ đếm 3, khi 7490 đếm đến 3 (theo mã BCD là 0011) lúc đó chân QA và

QB của IC 7490 ở trạng thái cao, ta dùng cổng AND đấu hai chân trên quay về hai chân R01 và R02 khi đó bộ đếm sẽ được reset lại

Bộ đếm 24

Ghép hai bộ đếm 3 và 10 ta sẽ được bộ đếm 30, cách ghép tương tự như bộ đếm

60 Khi bộ đếm 10 đếm đến 9 thì 1 xung sẽ được kích đến chân CKA của bộ đếm 3 thông qua 1 cổng AND có đầu vào là chân QA và QA của bộ đếm 10→ ta có bộ đếm 30

Từ bộ đếm 30 muốn có bộ đếm 24 ta làm như sau:

Khi bộ đếm 30 đêm đến 23 lúc đó bộ đếm 10 đếm đến 3 (theo mã BCD là 0011)→ chân QB và QA ở trạng thái cao còn bộ đếm 3 đếm đến 2 ( theo mã BCD là 0010)→ chân QB ở trạng thái cao Ta dùng một cổng AND với 3 đầu vào là chân

QB của bộ đếm 3 và chân QB, QA của bộ đếm 10, đầu ra được đấu với các chân R01 và R02 của cả hai bộ đếm Như vậy sau khi đếm đến 23 bộ đếm sẽ được reset lại→ Ta có bộ đếm 24

Sơ đồ dồng hồ thời gian thực

Đồng hồ thời gian thực là sự ghép nối của 2 bộ đếm 60 và một bộ đếm 24 Cụ thể như sau:

Cho xung kích vào 1 bộ đếm 60- đó sẽ là bộ đếm giây Khi bộ đếm giây đếm đến

59 sẽ có chân QA, QD của bộ đếm 10 và chân QA, QC của bộ đếm 6 ở trạng thái cao, ta dùng 1 cổng AND có đầu vào là các chân trên đấu với chân CKA của một

bộ đếm 60 khác- bộ đếm 60 này sẽ là bộ đếm phút Như vậy khi bộ đếm giây hoàn thành 1 chu kỳ 60 giây thì bộ đếm phút sẽ đếm tăng lên 1

Tương tự như trên khi bộ đếm phút đếm đến 59 ta lại cho 1 xung kích vào chân CKA của bộ đếm 24- bộ đếm giờ→ Vậy ta có sơ đồ mạch của 1 đồng hồ thời gian thực

d- Khối điều khiển báo chuông

Khối điều khiển báo chuông là 1 otomat có nhớ, ở chế độ trường học khối sẽ nhớ 24 thời điểm cần báo chuông Do vậy ta cần thiết kế bộ đếm 24 Bộ đếm bao gồm 24 trạng thái tương ứng với 24 thời điểm cần báo chuông

- Đầu vào là các bit 0 hoặc 1 1 tương ứng với các thời điểm đúng cần báo chuông được đưa ra từ khối đồng hồ, 0 là các thời điểm còn lại Để lấy được các thời điểm đúng cần báo chuông từ khối đồng hồ ta làm như sau:

Ta mã hoá các thời điểm cần báo giờ như sau:

Thời điểm báo

chuông

Trạng thái tương ứng

Ta nhận thấy các bit ở vị trí 1 ,2 ,3 ,9 ,13 ,15 không thay đổi ở tất cả các trạng thái do đó

để có xung ra từ khối đồng hồ tại các thời điểm cần báo chuông ta dùng các cổng logic

và dựa vào bảng mã hoá trên để lắp mạch láy xung ra từ khối đồng hồ tại các vị trí bít còn lại.Xung này sẽ kích vào khối điều khiển độ dài chuông

- Hệ thống sẽ có 2 đầu ra Z1, Z2 Z1 tương ứng với các thời điểm báo chuông ra chơi ( chuông kêu trong 5s ), Z2 tương ứng với các thời điểm báo chuông vào lớp ( chuông kêu trong 10s )