Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng JK – FF Bước 1: + Xác định các yêu cầu của bài toán + Phân tích yêu cầu đầu bài tìm ra số trạng thái trong. Bước 2: + Lập đồ hình trạng thái Căn cứ vào yêu cầu của bộ đếm cần thiết kế như: hệ số đếm và một số các yêu cầu khác để xây dựng đồ hình mô tả hoạt động của bộ đếm. Bước 3: + Xác định số phần tử nhớ cần sử dụng, mã hóa các trạng thái trongcủa bộ đếm theo mã đã cho. Số phần tử nhớ được xác định như sau: Mã nhị phân và mã Gray n ≥ log2 Kđ Mã vòng n = Kđ Mã Johnson n = 12 Kđ Bước 4: + Xác định hàm kích của các FF và hàm ra: Dựa vào bảng chuyển đổi trạng thái, bảng ra để xác định phương trình kích cho các FF và phương trình hàm ra. Bước 5: + Vẽ sơ đồ mạch thực hiện Từ các phương trình đầu vào kích các FF và phương trình hàm ra đưa ra sơ đồ mạch thực hiện.
TRƯỜNG CƠ KHÍ – Ơ TƠ KHOA CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC KỸ THUẬT XUNG – SỐ Đề Tài: Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng JK – FF Giáo viên hướng dẫn: ThS Hà Thị Phương Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Cảnh 2020602053 Đoàn Phi Hùng 2021603240 Hoàng Duy Huy 2021605072 Hà Nội, tháng 12 năm 2023 TRƯỜNG CƠ KHÍ – Ơ TÔ KHOA CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC KỸ THUẬT XUNG – SỐ Đề Tài: Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng JK – FF Giáo viên hướng dẫn: ThS Hà Thị Phương Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Cảnh 2020602053 Đoàn Phi Hùng 2021603240 Hoàng Duy Huy 2021605072 Hà Nội, tháng 12 năm 2023 i LỜI MỞ ĐẦU Ngày với tiến khoa học kĩ thuật, công nghệ điện tử phát triển ngày rộng rãi, đặc biệt kĩ thuật số Mạch số ứng dụng nhiều kỹ thuật đời sống xã hội Các ứng dụng mạch số đèn giao thông, đo tốc độ động cơ, đồng hồ số, mạch đếm sản phẩm… Mục đích tập đồ án thiết kế mạch điều khiển LED sáng lan tắt dần với chiều dài L=10 sử dụng JK-FF Đồ án hồn thành giúp em có nhiều kiến thức môn học giúp em tiếp xúc với phương pháp làm việc chủ động hơn, linh hoạt đặc biệt làm việc nhóm Q trình thực đồ án thật bổ ích cho thân em nhiều mặt Vì kiến thức khả hạn chế, kinh nghiệm cịn yếu nên khơng tránh khỏi sai sót, mong đóng góp thầy bạn Xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH ẢNH IV DANH MỤC BẢNG BIỂU V CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BỘ ĐẾM 1.1 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Đồ hình trạng Thái: 1.1.3 Phân loại .7 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH 2.1 THIẾT KẾ BỘ ĐẾM .9 2.2 TÍNH TỐN 10 2.3 MÔ PHỎNG 17 2.4 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 18 2.4.1 Các linh kiện mạch 18 2.4.2 Khối tạo xung - IC555 .19 2.4.3 Khối Trigger JK – IC 74LS73 21 CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 22 3.1 THIẾT KẾ MẠCH IN .22 3.2 CHẾ TẠO, LẮP RÁP .22 3.3 THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 23 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN 24 4.1 ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 24 4.2 TÍNH THỰC THẾ CỦA SẢN PHẨM .24 4.3 ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO .25 iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Bộ đếm .6 Hình 1.2: Đồ hình mơ tả hoạt động đếm Hình 2.1: Sơ đồ mạch đếm Hình 2.2: Đồ hình trạng thái .10 Hình 2.3: Sơ đồ logic 10 Hình 2.4: Đồ hình trạng thái mã hóa mạch 10 bit .11 Hình 2.5: Đồ hình trạng thái mã hóa mạch bit 11 Hình 2.6: Sơ đồ logic bit .14 Hình 2.7: Sơ đồ logic mạch 10 bit 17 Hình 2.8: Mạch mơ Proteus 17 Hình 2.9: Sơ đồ mạch nguyên lý 18 Hình 2.10: Khối tạo xung – IC555 19 Hình 2.11: Khối Trigger JK – IC 74LS73 21 Hình 3.1: Mạch in 2D .22 Hình 3.2: Mạch in 3D .22 Hình 3.3: Chuẩn bị làm mạch 22 Hình 3.4: Mạch in hồn thiện 23 Hình 3.5: Mạch chạy đáp ứng yêu cầu đề 23 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Chuyển đổi trạng thái đầu vào kích bit .12 Bảng 2-2: Karnough J1 .12 Bảng 2-3: Karnough K1 12 Bảng 2-4: Karnough J2 .13 Bảng 2-5: Karnough K2 13 Bảng 2-6: Karnough J3 .13 Bảng 2-7: Karnough K3 13 Bảng 2-8: Karnough J4 .14 Bảng 2-9: Karnough K4 14 Bảng 2-10: Bảng chuyển đổi trạng thái 10 bit 15 Bảng 2-11: Bảng giá trị đầu vào kích 10 bit 16 Bảng 2-12: Bảng linh kiện sử dụng mạch .19 v CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BỘ ĐẾM 1.1 Khái niệm, phân loại Mạch đếm mạch dãy đơn giản xây dựng từ phần tử nhớ phần tử tổ hợp Mạch đếm thành phần hệ thống số, chúng sử dụng để đếm 1.1.1 Khái niệm Bộ đếm mạch dãy tuần hoàn có đầu vào đếm đầu ra, mạch có số trạng thái hệ số đếm - Kđ Dưới tác động tín hiệu vào đếm mạch chuyển từ trạng thái đến trạng thái khác thoe thứ tự định Cứ sau Kđ lần tín hiệu vào đếm, mạch trở trạng thái xuất phát ban đầu Bộ đếm thực việc đếm dãy xung có xung điều khiển có đầu vào Do đó, xung đồng CLK xuất khác thời điểm xung đếm Xđ xuất việc đếm xung khơng thực nên mạch đếm phải có xung đếm đưa vào dãy xung đồng hay mạch đếm có đầu vào Hình 1.1: Bộ đếm 1.1.2 Đồ hình trạng Thái: Đồ hình mơ hình mô tả chuyển đổi trạng thái mơ tả hoạt động đếm Hình 1.2: Đồ hình mơ tả hoạt động đếm Khi khơng có tín hiệu vào đếm (𝑋đ ) mạch giữ nguyên trạng thái ban đầu (i i) có tín hiệu vào đếm (𝑋đ ) mạch chuyển đến trạng thái kế tiếp(i →i+1) Khi đếm trạng thái SKđ-1 tác động tín hiệu vào đếm đếm trở vềtrạng thái ban đầu 𝑆0 đồng thời xuất tín hiệu lần Trong trường hợp cần hiển thị trạng thái đếm phải dùng thêm mạch giải mã 1.1.3 Phân loại Có nhiều cách phân loại đếm: - Phân loại theo cách làm việc: + Bộ đếm đồng (Synchronous counter): đếm mà chuyển đổi trạng thái FF diễn đồng thời có tác động xung đếm Mọi chuyển đổi trạng thái (từ Si sang trạng thái Sj) không thông qua trạng thái trung gian Xung đồng tác động đồng thời tới phần tử nhớ + Bộ đếm không đồng (Asynchronous counter): đếm tồn cặp chuyển biến trạng thái Si→Sj mà FF không thay đổi trạng thái đồng thời Xung đồng tác động không đồng thời tới FF - Phân loại theo hệ số đếm + Bộ đếm có hệ số đếm 𝐾đ = 2𝑛 : Bộ đếm có hệ số đếm cực đại, sử dụng n FF để mã hố trạng thái cho đếm khả mã hoá tối đa (Kđ = 2, 4, 8, 16 ) + Bộ đếm có hệ số đếm 𝐾đ ≠ 2𝑛 : Sử dụng n FF để mã hố trạng thái cho đếm, có (2𝑛 − 𝐾đ ) trạng thái không sử dụng đến Do thiết kế đếm cần phải lưu ý đến trạng thái không sử dụng tức cần phải có biện pháp làm cho đếm khỏi trạng thái cách hợp lý để trở chu trình mà phải đảm bảo đếm thiết kế đơn giản (Kđ = 3, 5, 6, 7, 10 ) - Phân loại theo mã: + Quá trình đếm đếm trình thay đổi từ trạng thái đến trạng thái khác trạng thái đếm mã hoá mã cụ thể Cùng đếm có nhiều cách mã hoá trạng thái khác nhau, cách mã hoá khác tương ứng với mạch thực khác • Mã nhị phân, Mã Gray • Mã BCD, Mã Johnson • Mã vịng - Phân loại theo hướng đếm: + Bộ đếm thuận (Up counter): đếm mà có tín hiệu vào đếm (Xđ) trạng thái đếm tăng lên (Si→Si+1) + Bộ đếm nghịch (Down counter): đếm mà có tín hiệu vào đếm (Xđ) trạng thái đếm giảm (Si→Si-1) Chú ý: Khái niệm thuận nghịch tương đối chủ yếu vấn đề mã hoá trạng thái đếm + Bộ đếm thuận nghịch: đếm vừa có khả đếm thuận vừa có khả đếm nghịch + Bộ đếm có khả lập trình: Kđ thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển + Bộ đếm khơng có khả lập trình: Kđ cố định, khơng thay đổi CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ PHỎNG MẠCH 2.1 Thiết kế đếm Khối nguồn Khối tạo xung Khối đếm Khối LED hiển thị Hình 2.1: Sơ đồ mạch đếm Để thiết kế đếm ta tiến hành theo bước sau: Bước 1: + Xác định u cầu tốn + Phân tích u cầu đầu tìm số trạng thái Bước 2: + Lập đồ hình trạng thái Căn vào yêu cầu đếm cần thiết kế như: hệ số đếm số yêu cầu khác để xây dựng đồ hình mơ tả hoạt động đếm Bước 3: + Xác định số phần tử nhớ cần sử dụng, mã hóa trạng thái trongcủa đếm theo mã cho Số phần tử nhớ xác định sau: - Mã nhị phân mã Gray n ≥ log2 Kđ - Mã vòng n = Kđ - Mã Johnson n = 1/2 Kđ Bước 4: + Xác định hàm kích FF hàm ra: Dựa vào bảng chuyển đổi trạng thái, bảng để xác định phương trình kích cho FF phương trình hàm Bước 5: + Vẽ sơ đồ mạch thực Từ phương trình đầu vào kích FF phương trình hàm đưa sơ đồ mạch thực + Đồ hình trạng thái: Hình 2.4: Đồ hình trạng thái mã hóa mạch 10 bit Mạch đếm vịng lập số flip-flop khơng hạn chế để thuận tiện tính tốn ta xét với 4bit với trạng thái sáng tắt LED Ở trường hợp cần dùng FF Hình 2.5: Đồ hình trạng thái mã hóa mạch bit + Lập bảng chuyển đổi trạng thái giá trị đầu vào kích 4bit xếp theo mã gray Q4 Q3 Q2 Q1 Q`4 Q`3 Q`2 Q`1 J4 K4 J3 K3 J2 K2 J1 K1 0 0 0 X X X 0 0 0 0 X X X X 0 1 0 X X X X 0 X X X X X X X X X X X X 1 X X X X X X X X X X X X 1 0 1 X X X X 0 1 X X X X X X X X X X X X 0 X X X X X X X X X X X X 1 0 1 0 X X 11 X X X 1 X X X X X X X X X X X X 1 1 1 X X X X 1 1 1 X X X 1 X X X X X X X X X X X X 1 X X X X X X X X X X X X 0 X X X X X X X X X X X X 0 1 0 X 0 X X Bảng 2-1: Chuyển đổi trạng thái đầu vào kích bit Dùng bảng Karnough để rút gọn xác định phương trình đầu vào kích Ta có: Q2 Q1 Bảng 2-2: Karnough J1 J1 00 01 11 10 00 X X X 01 X X X X 11 X X 10 X X X Q4Q3 Q2 Q1 K1 Q4Q3 J1=Q2 Bảng 2-3: Karnough K1 00 01 11 10 00 X X 01 X X X 11 X X X 10 X X X X 12 ̅̅̅2 𝐾1 = 𝑄 X X Q2 Q1 J2 Q4Q3 00 01 11 10 00 0 X X 01 X X X X 11 X X X 10 X X X Q2 Q1 K2 Q4Q3 01 11 10 00 X X X 01 X X X 11 X X 0 10 X X X X Q2 Q1 Q4Q3 𝐾1 = ̅̅̅̅ 𝑄3 Bảng 2-6: Karnough J3 00 01 11 10 00 0 X 01 X X X X 11 X X X X 10 X X X Q2 Q1 K3 J2=Q3 Bảng 2-5: Karnough K2 00 J3 Q4Q3 Bảng 2-4: Karnough J2 J3=Q4 Bảng 2-7: Karnough K3 00 01 11 10 00 X X X X 01 X X X 11 X 0 10 X X X X 13 𝐾3 = ̅̅̅̅ 𝑄4 Q2 Q1 J4 Q4Q3 00 01 11 10 00 0 X 01 X X X 11 X X X X 10 X X X X Q2 Q1 K4 Q4Q3 Bảng 2-8: Karnough J4 ̅̅̅1 𝐽4 = 𝑄 Bảng 2-9: Karnough K4 00 01 11 10 00 X X X X 01 X X X X 11 X 10 X X X K4 = Q Vậy với 4bit mạch đếm vịng dùng JK-FF có phương trình kích sau: 𝐽1 = 𝑄2 𝐽3 = 𝑄4 ̅̅̅2 𝐾1 = 𝑄 ̅̅̅4 𝐾3 = 𝑄 𝐽2 = 𝑄3 ̅̅̅1 𝐽4 = 𝑄 ̅̅̅3 𝐾2 = 𝑄 𝐾4 = 𝑄1 J4 K4 Q4 J3 Q3 Q2 J2 J1 Q1 JK-FF JK-FF JK-FF JK-FF ̅̅̅ ̅̅̅ ̅̅̅1 ̅̅̅ 𝑄2 K1 𝑄3 K2 𝑄 𝑄4 K3 Hình 2.6: Sơ đồ logic bit Sau tìm kiếm mạch vịng sử dụng JK-FF với số bit rút gọn vẽ sơ đồ logic ta tìm kiếm sơ đồ logic mạch vòng dùng JK-FF với số bit 10 14 + Lập bảng chuyển đổi trạng thái giá trị đầu vào kích 10bit xếp theo mã johnson S S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 Q10 Q9 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 S15 S16 S17 S18 S19 Q8 0 1 1 1 1 1 0 0 0 Q7 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 Q6 0 0 1 1 1 1 1 0 0 Q5 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 Q4 0 0 0 1 1 1 1 1 0 Q3 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 Q2 0 0 0 0 1 1 1 1 1 Q1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 Q`10 Q`9 Q`8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Q`7 0 1 1 1 1 1 0 0 0 Q`6 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 Q`5 0 0 1 1 1 1 1 0 0 Q`4 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 Q`3 Q`2 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 Bảng 2-10: Bảng chuyển đổi trạng thái 10 bit J10 K10 J9 K9 J8 K8 J7 K7 J6 K6 J5 K5 J4 K4 J3 K3 J2 K2 J1 K1 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 15 Q`1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 0 X X X X X X X X X X 0 X X X X X X X X X X 0 X X X X X X X X X X 0 X X X X X X X X X X 0 X X X X X X X X X X 0 X X X X X X X X X X 0 X X X X X X X X X X 0 X X X X X X X X 1 1 1 X Bảng 2-11: Bảng giá trị đầu vào kích 10 bit + Xác định phương trình đầu vào kích: Từ bảng chuyển đổi trạng thái, tối thiểu hóa cho đầu vào kích ta có hệ phương trình kích: - 𝐽1 = 𝑄2 ̅̅̅̅ - 𝐾3 = 𝑄 - 𝐽6 = 𝑄7 ̅̅̅̅ - 𝐾8 = 𝑄 ̅̅̅̅ - 𝐾1 = 𝑄 ̅̅̅̅ - 𝐽4 = 𝑄 ̅̅̅̅ - 𝐾6 = 𝑄 - 𝐽9 = 𝑄10 - 𝐽2 = 𝑄3 - 𝐾4 = 𝑄1 - 𝐽7 = 𝑄8 ̅̅̅̅̅ - 𝐾9 = 𝑄 10 ̅̅̅̅ - 𝐾2 = 𝑄 - 𝐽5 = 𝑄6 ̅̅̅̅ - 𝐾7 = 𝑄 ̅̅̅̅ - 𝐽10 = 𝑄 - 𝐽3 = 𝑄4 ̅̅̅̅ - 𝐾5 = 𝑄 - 𝐽8 = 𝑄9 - 𝐾10 = 𝑄1 16 𝐽5 𝐾5 𝐽10 𝐾10 𝑄5 𝐽4 𝑄4 JK JK FF 𝑄 ̅̅̅4 ̅̅̅5 𝐾4 FF 𝑄 𝐽 𝑄 JK 𝑄10 JK FF ̅̅̅̅̅ FF ̅̅̅9 𝑄10 𝐾9 𝑄 10 𝐽3 𝐾3 𝐽8 𝐾8 𝑄 𝑄1 𝐽1 𝐽2 JK 𝑄3 JK JK FF 𝑄 ̅̅̅2 𝐾 FF 𝑄 ̅̅̅3 𝐾2 FF 𝑄 ̅̅̅1 𝑄 JK FF 𝑄 ̅̅̅8 𝐽7 𝐾7 JK FF 𝑄7 ̅̅̅7 𝐾6 𝑄 Hình 2.7: Sơ đồ logic mạch 10 bit 2.3 Mơ Hình 2.8: Mạch mơ Proteus 17 𝐽6 JK FF 𝑄6 ̅̅̅6 𝑄 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 2.4 Nhóm chúng em thiết kế mạch phần mềm Altium Designer Hình 2.9: Sơ đồ mạch nguyên lý 2.4.1 Các linh kiện mạch STT Tên linh Số kiện lượng Thông số kỹ thuật Chức Nguồn điện áp đầu vào – 18V IC LM555 Dòng điện tiêu thụ: – 15mA Tạo xung Điện áp logic đầu mức cao: 0.5 – 15V cho mạch Điện áp logic đầu mức thấp: 0.03 – điều khiển 0.06V IC gói JK Flip Flop kép IC74LS73 Điện áp hoạt động: 5V Điều khiển Điện áp đầu vào mức cao: V led Điện áp đầu vào mức thấp: 0,8 V Điện áp đầu vào 3V LED 11 Hiển thị Màu sắc: Vàng Đường kính: 5mm 18 6 Biến trở Điện trở Điện trở Tụ điện 13 Sai số: 10% Điều chỉnh Công suất: 2W tốc độ nháy Giá trị: 10K led Loại vòng màu Bảo vệ Sai số 5% linh kiện Giá trị 1K mạch Loại vòng màu Thiết kế Sai số 5% mạch tạo Giá trị 10K xung Điện dung: 100uF Thiết kế Điện áp: 50V mạch tạo Nhiệt độ hoạt động: -55°C — 125°C xung Loại bóng bán dẫn: NPN Transistor C1815 11 Dòng điện tối đa: 150mA Điều khiển Điện áp cực đại: 50V LED Điện áp cực đại cực phát (VEBO): 5V Nút nhấn Số chấn nút nhấn chân Reset Kích thước: 6x6x4.3MM mạch Bảng 2-12: Bảng linh kiện sử dụng mạch 2.4.2 Khối tạo xung - IC555 Hình 2.10: Khối tạo xung – IC555 19