Đề tài: Thiết kế mạch chuông tự động pdf

LU Ậ Đề tà i Ậ N V i : Thi ế . V ĂN T ế t kế m ạ , Thá n T Ố T ạ ch ch u n g năm . NG H u ông t ự . H IỆP ự độn g g 1 Đề tài: Thiết kế mạch chuông tự động I - CáC YÊU CầU: - Thiết bị phải hiển thị chính xác thời gian, ngày tháng hiện tại, phải tự động biết được năm nhuận cũng như số ngày trong từng tháng. - Thiết bị có thể báo giờ theo thời gian đã lập trình sẵn. Có hai chế độ chuông báo giờ: Trường học và công sở. + 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: Tiết Bắt đầu Kết thúc Nghỉ 1 6h45’ 7h30’ 5’ 2 7h35’ 8h20’ 10’ 3 8h30’ 9h15’ 5’ 4 9h20’ 10h5’ 10’ 5 10h15’ 11h 5’ 6 11h5’ 11h50’ Nghỉ 7 12h15’ 13h 5’ 8 13h5’ 13h50’ 10’ 9 14h 14h45’ 5’ 10 14h50’ 15h35’ 10’ 11 15h45’ 16h30’ 5’ 12 16h35’ 17h20’ Nghỉ +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 2 . 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 Chuông a Khối chuyển đổi chế độ 3 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 E 1 = L; E 2 = H Khi d ùng trong công sở (trạng thái 2) E 1 = H; E 2 = 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 củ a 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 2 1 2 +V V1 10V S4 S3 4 7 3 1 2 4 6 5 8 U4 IDEAL U3 IDEAL Q1 NPN S R Q _ Q U2 U1A R3 1k R2 1k R1 1k 1 2 3 4 8 7 6 5 Gnd Trg Out Rst Ctl Thr Dis Vcc U1 555 5 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) trên vỏ IC ở hình 2: Chân số 8 để đặt nguồn cung cấp U cc = 5 ÷ 15V. 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 điề u 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 lặ p 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 Hình a Hình b 6 Từ hình vẽ a) ta thấy: Thời gian tồn tại xung t 1 (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 τ n = (R 1 + R 2 )C, ta có : t 1 = (R 1 + R 2 )Cln2 ≈ 0,7( R 1 + R 2 )C (1) Thời gian không có xung t 2 (thời gian nghỉ) phụ thuộc sự phóng đIện của tụ C qua chân phóng điện số 7, nghĩa là tỉ lệ với hằng số thời gian phóng τ p = R 2 C và: t 2 = R 2 Cln2 ≈ 0,7R 2 C (2) Vậy, tần số của dãy xung ở đầu ra: f = 1/T = 1/(t 1 +t 2 ) ≈ 1,44/(R 1 +2R 2 )C Muốn nhận được dãy xung vuông góc đối xứng, nghĩa là t 1 = t 2 =T/2 ta có thể làm theo 2 cách sau: + Chọn R 1 ô R 2 . Lúc đó, theo (1) và (2) có thể coi t 1 ≈ t 2 = 0,7R 2 C. Tuy hiên không thể chọn R 1 quá nhỏ được, ví dụ R 1 = 100Ω, vì khi đó dòng đi từ nguồn +U cc vào chân 7 khi transistor T dẫn là +U cc /R 1 sẽ quá lớn, phá hỏng transistor. + Sử dụng thêm 1 diode mắc song song với R 2 ( hình b )và chọn R 1 = R 2 =R. ở hình vẽ, đường nạp cho tụ C từ nguồn +U cc có đi qua diode; điện trở R nối song song với diode khi đó coi như bị ngắn mạch và hằng số thời gian của mạch nạp τ n =τ p nên t 1 = t 2 ≈ 0,7RC Dãy xung ở đầu ra là đối xứng, với tần số f = 1/T = 1/(t 1 +t 2 ) = 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 mạ ch cộng hưởng cơ điện với độ chính xác rất cao. 7 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 kiể u song song, tạo thành mạch phát dãy xung vuông góc với tần số cỡ MHz. c- Khối đồng hồ ở đây ta thiết kế 1 đồng hồ báo thức 24 giờ. Do đó ta cần có: - 1 bộ đếm 24. - 2 bộ đếm 60 Để thiết kế bộ đếm 24 ta nối ghép bộ đếm 3 và bộ đếm 10. Sau đó sử dụng các mạch logic để khử 6 trạng thái thừa. Để thiết kế bộ đếm 60 ta nối ghép bộ đếm 6 và bộ đếm 10. Cụ thể như sau: XTAL2 1.000MHZ XTAL1 1.000MHZ C1 1uF C2 1uF U1D U1C U1B U1A R3 1k R2 1k R1 1k Hình a Hình b 8 * 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 : P max =3 ⇒ số bít dùng: m=2 Dùng 2 bit để mã hóa hệ thống Dùng JK–FF để thực hiện Gọi s(t): y 1 y 0 s(t+1): Y 1 Y 0 J 0 K 0 : y 0 → Y 0 J 1 K 1 : y 1 → Y1 Dùng mã BCD để mã hoá hệ thống : 0: 00 1: 01 2: 11 Ta có bảng mã hoá hệ thống sau: x y 1 y 0 Y 1 Y 0 0 1 00 00 01 01 01 11 11 11 00 10 Bảng kích JK: 9 y Y JK 0 0 0 - 0 1 1 - 1 0 - 1 1 1 - 0 Bảng kích hệ thống: x y 1 y 0 0 1 J 1 K 1 J 0 K 0 J 1 K 1 J 0 K 0 00 0 - 0 - 0 - 1 - 01 0 - - 0 1 - - 1 11 - 0 - 0 - 1 - 1 10 - - - - - - - - Lập hệ phương trình kích: J 1 x y 1 y 0 0 1 00 [...]... CP K Q _ Q R 16 * 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 y X 0 0 1 0 1 1 1 0 Bảng kích JK y 0 0 1 1 Y 0 1 0 1 JK 01-1 -0 Bảng kích hệ thống x 0 1 1 JK y 0 JK 0-0 1-1 Hệ phương trình kích J=x K=x Sơ đồ thực hiện 17 V3 S CP1 Q1 CP2 Q2 J CP K Q _ Q R *Thiết kế bộ đếm 6 Dùng đồ... Ta có các hệ hàm như sau: J2=xy1 y0 =K2 y1 J1 =x⎯y2y0= K2⎯y2 J0 =x K2=y0x K1 =y0x K0 = x Sơ đồ thực hiện: V4 CP1 Q1 CP2 Q2 S J CP K Q _ Q R S J CP K Q _ Q R S J CP K Q _ Q R *Thiết kế giải mã bộ đếm 6: Từ yêu cầu ta có bảng hoạt động: 21 Đầu vào Y2 Y1 Y0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Đầu ra a 1 0 1 1 0 1 − − a Y1Y0 00 01 11 b 1 1 1 1 1 0 − − 1 1 0 1 1 1 − − b 10 d e f g 1 1 1 0 0 0... 1 − 1 1 − 1 1 f Y1Y0 Y2 0 00 01 11 10 1 − − 1 1 1 a=⎯Y0+Y1 b= Y0+⎯Y2 c= Y1+Y0 d= Y1+Y2.⎯Y0+Y2.Y0 e=⎯Y2 ⎯Y0 f= Y2+⎯Y1.⎯Y0 g= Y2+Y1 23 Sơ đồ thực hiện hệ thống y2 y1 y0 a b c d e f g * Thiết kế giải mã bộ đếm 10 Bảng hoạt động: y3 0 0 0 0 0 đầu vào y2 y1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 y0 0 1 0 1 0 a 1 0 1 1 0 b 1 1 1 1 1 c 1 1 0 1 1 d 1 0 1 1 0 đầu ra e f 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 g 0 0 1 1 1 24 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1... 1 f = y3+ y2⎯y1+ ⎯y1⎯y0+⎯y0y2 g y1y0 00 y3y2 01 00 01 11 10 1 1 1 1 1 28 11 − − − − 10 1 1 − − g = y3+ y2⎯y0+ y2⎯y1+ y1⎯y2 Sơ đồ thực hiện hệ thống 29 y3 y2 y1 y0 a b c d e f g 30 * Thiết kế giải mã bộ đếm 3 Bảng hoạt động đầu vào y1 y0 0 0 0 1 1 1 1 0 a 1 0 1 − b 1 1 1 − đầu ra c d e f 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 − − − − g 0 0 1 − a y1 y0 0 1 0 1 1 − a = y1+ ⎯y0 b y0 0 y1 1 1 0 1 1 1 − 1 b = ⎯y1+ y0 c... d y1 y0 0 1 0 1 1 − 1 d = ⎯y0+ y1 e y1 y0 0 1 0 1 1 − 1 e = ⎯y0+ y1 f y1 0 y0 0 1 1 1 − 32 f = ⎯y0 g y1 y0 0 1 0 1 − 1 g = y1 Sơ đồ thực hiện hệ thống y1 y0 a b c d e f g Sơ đồ mạch Bộ đếm 6: Trên thực tế bộ đếm 6 được thiết kế từ IC 7490 và bộ giải mã bằng IC 7447, được hiển thị bằng LED 7 thanh 33 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... 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: 34 Bộ đếm 60 được thực hiện bằng cách nối ghép bộ đếm 6 và bộ đếm 10.Cứ mỗi khi bộ đếm 10... − 01 − − 11 1 − 10 − 0 1 − 1 − K1 = x J0 x y1y0 00 01 10 11 − − 10 − − J0 = x K0 0 x y1y0 00 1 − − 01 1 11 1 − 10 − K0 = x Sơ đồ bộ đếm cơ số 3: V2 S CP1 Q1 CP2 Q2 J CP K Q _ Q R S J CP K Q _ Q R *Thiết kế bộ đếm 5 Dựng mụ hỡnh Moore X = {0,1} S = {0,1,2,3,4} x S(t+1) 11 0 1 0 1 2 3 4 s(t+1) 0 1 2 3 4 1 2 3 4 0 ∏ = {0,1,2,3,4} là phõn hoạch thế tương đương ⇒ hệ thống cú otomat min Mó hoỏ: Pmax = 5... 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... y 0 JK 0-0 1-1 Hệ phương trình kích J=x K=x Sơ đồ thực hiện 17 V3 S CP1 Q1 CP2 Q2 J CP K Q _ Q R *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 S(t+1) x S(t) 0 1 2 3 4 5 0 0 1 2 3 4 5 1 1 2 3 4 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 . LU Ậ Đề tà i Ậ N V i : Thi ế . V ĂN T ế t kế m ạ , Thá n T Ố T ạ ch ch u n g năm . NG H u ông t ự . H IỆP ự độn g g 1 Đề tài: Thiết kế mạch chuông tự động . I - CáC YÊU CầU: - Thiết bị phải hiển thị chính xác thời gian, ngày tháng hiện tại, phải tự động biết được năm nhuận cũng như số ngày trong từng tháng. - Thiết bị có thể báo giờ theo. 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 Chuông a Khối