THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM SỐ TỪ 2040 ( KỸ THUẬT XUNG SỐ )

ĐỀ TÀI MÔ TẢ CHI TIẾT VỀ THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM SỐ THỨ TỰ TỪ 2040 CỦA MÔN KỸ THUẬT XUNG SỐ. GIÚP NGƯỜI XEM HIỂU ĐƯỢC CHI TIẾT CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ HỖ TRỢ CHO VIỆC SỐ ĐẾM. SỬ DỤNG IC ĐẾM 74192 , IC GIẢI MÃ 7447 VÀ LED 7 THANH. SỬ DỤNG NE555 ĐỂ TẠO XUNG CHO MẠCH ĐẾM.

TRƯỜNG CAO ĐẲNG FPT POLYTECHNIC

BỘ MÔN: ĐIỆN – CƠ KHÍ – TỰ ĐỘNG HOÁ

ASSIGMENT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

MÔN: Kĩ Thuật Xung Số

Đề

tài : Thiết kế mạch đếm tăng từ 20 đến 40 sử dụng

IC555, 74192, 7447 hiển thị ra led 7 thanh GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : ĐÀO VĂN HOA NHÓM THỰC HIỆN : NHÓM 2 LỚP : AE19301

THÀNH VIÊN NHÓM

Đỗ Văn Toàn :PH48745

Nguyễn Chí Hiếu : PH48263 Dương Việt Phương : PH48322

LỜI MỞ ĐẦU

Trong đời sống công nghệ hiện đại ngày nay ngành kỹ thuật Điện tử là ngành kỹ thuật mũi nhọn, hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của sản xuất và đời sống và là đòn bẩy giúp các ngành khoa học kĩ thuật khác phát triển Các hệ thống điện tử ngày nay rất đa dạng và đang thay thế các công việc hằng ngày của con người từ đơn giản đến phức tạp Việc hiện đại hoá năng suất lao động bằng các thiết bị điện tự động là nhu cầu cấp thiết Do đó yêu cầu máy móc cần phải gọn nhẹ hơn, linh động hơn, uyển chuyển hơn, thông minh hơn và tiết kiệm điện hơn Vì vậy, ngành Công nghệ kỹ thuật Điện tử ngày càng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và đời sống.

Các thiết bị điện tử đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi

và mang lại hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội Việc gia công xử lý tín hiệu trong các thiết bị làm việc dựa trên nguyên lý số có ưu điểm hơn hẳn các thiết bị điện tử làm việc dựa trên cơ sở nguyên lý tương tự.

Trải qua sự phát triển của khoa học công nghệ, giờ đây chúng ta đã chết tạo

ra rất nhiều loại tần số phục vụ trong ngàn điện tử viễn thông, công nghệ thông tin, tự động hóa…

Bên cạnh đó với việc thiết kế được các mạch đếm có ứng dụng rộng rãi trong thực tế, nó giúp con người tự động hóa một số ngành công nghiệp.

Xuất phát từ những ứng dụng đó cùng với những kiến thức được học trên lớp và tìm hiểu thực tế, em đã quyết định lựa chọn đề tài: “ Thiết kế mạch đếm tăng từ 20 đến 400 sử dụng IC555, 74192, 7447 hiển thị ra led 7 thanh ”.

Bảng phân công công việc

ST Công việc Người thực

hiện

Người

hỗ trợ

Người kiểm tra

Hạn hoàn thành

1 Phân tích yêu cầu

nội dung Assinment

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT XUNG, KỸ THUẬT SỐ

Bộ đếm thực hiện việc đếm các dãy xung khi có xung điều khiển và nó chỉ cómột đầu vào Do đó, nếu xung đồng bộ (CLK) xuất hiện khác thời điểm xung đếm(Xđ) xuất hiện thì việc đếm xung không thực hiện được nên mạch đếm phải có xungđếm đưa vào chính là dãy xung đồng bộ hay mạch đếm chỉ có một đầu vào.

Hình 1 1 Sơ đồ khối của bộ đếm

Đồ hình là mô hình mô tả sự chuyển đổi các trạng thái trong hay chính là mô tảhoạt động của bộ đếm

Hình 1 2 Đồ hình trạng thái tổng quát của bộ đếmKhi không có tín hiệu vào đếm ( (Xđ ) ̅) mạch giữ nguyên trạng thái ban đầu (i i) khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp( i i+1)

Khi bộ đếm ở trạng thái S_(Kđ-1) nếu tác động một tín hiệu vào đếm thì bộ đếm

sẽ trở về trạng thái ban đầu S_0 và khi đó đồng thời xuất hiện tín hiệu ra một lần duynhất

Trong trường hợp cần hiển thị trạng thái của bộ đếm thì phải dùng thêm mạchgiải mã.

1.2 Phân loại

Phân loại theo cách làm việc:

+ Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counter): là bộ đếm mà sự chuyển đổi trạng tháitrong các FF diễn ra đồng thời khi có tác động của xung đếm Mọi sự chuyển đổi trạngthái (từ Si sang trạng thái mới Sj) đều không thông qua trạng thái trung gian (SiSj)Xung đồng bộ tác động đồng thời tới các phần tử nhớ

+ Bộ đếm không đồng bộ (Asynchronous counter): là bộ đếm tồn tại ít nhất mộtcặp chuyển biến trạng thái Si  Sj mà trong đó các FF không thay đổi trạng thái đồngthời (Si  Si’ Si’’ Sj)

Xung đồng bộ tác động không đồng thời tới các FF

Phân loại theo hệ số đếm

mà vẫn phải đảm bảo bộ đếm được thiết kế là đơn giản (Kđ = 3, 5, 6, 7, 10 )

Phân loại theo mã:

Quá trình đếm của bộ đếm là quá trình thay đổi từ trạng thái trong này đến trạngthái trong khác và mỗi trạng thái trong của bộ đếm được mã hoá bởi một mã cụ thể.Cùng một bộ đếm có thể có nhiều cách mã hoá trạng thái trong khác nhau, các cách

mã hoá khác nhau sẽ tương ứng với các mạch thực hiện khác nhau

-Mã nhị phân, Mã Gray

-Mã BCD, Mã Johnson

-Mã vòng

Phân loại theo hướng đếm:

+ Bộ đếm thuận (Up counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) thìtrạng thái trong của bộ đếm tăng lên 1.(Si  Si+1)

+ Bộ đếm nghịch (Down counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) thìtrạng thái trong của bộ đếm giảm đi 1.(Si Si-1)

Chú ý: Khái niệm thuận nghịch chỉ là tương đối chủ yếu là do vấn đề mã hoá các

+ Bộ đếm thuận nghịch: là bộ đếm vừa có khả năng đếm thuận vừa có khả năngđếm nghịch.

Phân loại theo khả năng lập trình:

+ Bộ đếm có khả năng lập trình : Kđ có thể thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu điềukhiển

+ Bộ đếm không có khả năng lập trình : Kđ cố định, không thay đổi được

Giao thông và Điều khiển:Trong hệ thống đèn giao thông, bộ đếm số có thểđược sử dụng để theo dõi số lượng phương tiện đi qua một giao lộ

Trong hệ thống giao thông công cộng, bộ đếm số có thể được tích hợp vào cổng

và thang máy để theo dõi số lượng người sử dụng

Y tế: Trong lĩnh vực y tế, bộ đếm số có thể được sử dụng để đếm số lần nhấtđịnh sự kiện như nhịp tim, số lần hô hấp, hoặc số lượng viên thuốc đã được sử dụng Thương mại và Bán lẻ: Các doanh nghiệp bán lẻ có thể sử dụng bộ đếm số đểtheo dõi số lượng khách hàng, số lượng lượt xem trực tuyến, hoặc số lượng sản phẩm

đã bán

Điều khiển quy trình tự động: Trong các hệ thống tự động hóa, bộ đếm sốthường được sử dụng để kiểm soát số lượng chu kỳ hoạt động của các thiết bị và đảmbảo rằng quy trình hoạt động đúng cách

Điện tử và Máy tính: Trong lĩnh vực điện tử và máy tính, bộ đếm số thườngđược sử dụng trong các mạch đồng hồ, đếm xung, hay các ứng dụng khác liên quanđến xử lý tín hiệu

Thể thao và Giải trí: Trong các sự kiện thể thao hoặc giải trí, bộ đếm số có thểđược sử dụng để theo dõi số điểm, số lượt và các thống kê khác liên quan

Những ứng dụng trên chỉ là một số ví dụ, và bộ đếm số có thể được tích hợptrong nhiều lĩnh vực khác nhau để cung cấp thông tin chính xác về số lượng đối tượnghoặc sự kiện cụ thể

Ứng dụng của bộ đếm được điều khiển qua máy tính

Ứng dụng của chức năng bộ đếm BATCH

Hình 1.4 Bộ đếm BATCHVD: Đặt 5 sản phẩm vào 1 hộp rồi đóng gói các hộp khi số lượng hộp đạt tới 200.Giá trị cài đặt trước: 5

Giá trị cài đặt BATCH: 200

Hình 1.4 Sơ đồ nguyê lý bộ đếm BatchỨng dụng của bộ đếm để cắt sản phẩm:

VD: Trường hợp cắt giấy là 300mm, sử dụng roller đường kính (D) 50mm kếthợp vơi Encoder 1000 xung

Hình 1.5 Sơ đồ bộ đếm để cắt sản phẩmỨng dụng của bộ định thời trong việc rót sữa vào chai

VD: Rót đầy sữa vào chai trong 30sec (Thời gian cài đặt), rồi khi hòan tất 500chai, đèn báo kết thúc đếm Batch bật ON

Hình 1.6 Sơ đồ bộ đếm định thời giúp rót sữa tự động

2 Vai trò của kỹ thuật xung với chuyên ngành và ứng dụng

2.1 Vai trò của kỹ thuật xung với chuyên ngành tự động hóa

Trong lĩnh vực tự động hóa, kỹ thuật xung (hoặc còn gọi là kỹ thuật điều khiểnxung) đóng một vai trò rất quan trọng Dưới đây là một số vai trò chính của kỹ thuậtxung trong ngành tự động hóa:

Điều khiển Motor: Trong các hệ thống tự động hóa, motor thường được sử dụng đểthực hiện các chuyển động Kỹ thuật xung được sử dụng để điều khiển tốc độ vàhướng của motor thông qua việc cung cấp các xung điều khiển chính xác

Điều Khiển PID: Kỹ thuật xung thường được kết hợp với các bộ điều khiển PID(Proportional-Integral-Derivative) để điều chỉnh các biến điều khiển như vận tốc, vịtrí, áp suất, nhiệt độ và các biến khác trong các hệ thống tự động

Máy CNC (Máy điều khiển số): Trong công nghiệp chế tạo, kỹ thuật xung rất quantrọng trong việc điều khiển các trục di chuyển của máy CNC, giúp máy thực hiện cácphép cắt và gia công chính xác

Biến Tần (Inverter): Kỹ thuật xung cũng được sử dụng trong các biến tần để biếnđổi dòng điện đầu vào thành dạng xung điều khiển tần số và biên độ, từ đó điều khiểntốc độ và hướng quay của motor

Mạch Điều Khiển Logic: Trong các hệ thống tự động, kỹ thuật xung được sử dụng

để đồng bộ hóa và điều khiển các tín hiệu logic, bao gồm việc kích hoạt các thiết bịhoặc chuyển đổi trạng thái của chúng

2.2 Ứng dụng của kỹ thuật xung trong cuộc sống

Kỹ thuật xung không chỉ có ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và tự độnghóa mà còn có những ứng dụng phổ biến trong đời sống hàng ngày của chúng ta Dướiđây là một số ví dụ:

Điều Khiển Tốc Độ Motor: Trong các thiết bị gia đình như máy giặt, máy sấy, quạtđiện, kỹ thuật xung được sử dụng để điều khiển tốc độ quay của motor, giúp điềuchỉnh công suất và tiết kiệm năng lượng

Điều Khiển Ánh Sáng: Trong các hệ thống chiếu sáng thông minh, kỹ thuật xungđược sử dụng để điều khiển độ sáng và màu sắc của đèn LED, tạo ra các hiệu ứng ánhsáng đa dạng và tiết kiệm điện năng.

Điều Khiển Động Cơ Xe Đạp Điện: Trong xe đạp điện, kỹ thuật xung được sử dụng

để điều khiển động cơ, giúp điều chỉnh tốc độ và hiệu suất của xe

Điều Khiển Máy In 3D: Trong công nghệ in 3D, kỹ thuật xung được sử dụng đểđiều khiển chuyển động của đầu in và bàn làm việc, giúp tạo ra các sản phẩm in 3Dchính xác và đẹp mắt

Điều Khiển Đèn LED Trang Trí: Trong trang trí nội thất và ngoại thất, kỹ thuậtxung được sử dụng để điều khiển đèn LED trang trí, tạo ra các hiệu ứng ánh sáng độcđáo và thu hút

Điều Khiển Máy Tính: Trong máy tính và các thiết bị điện tử, kỹ thuật xung được sửdụng để tạo ra xung clock, điều khiển tốc độ hoạt động của các thành phần và đồng bộhóa chúng

3 Vai trò của kỹ thuật số với chuyên ngành và ứng dụng

3.1 Vai trò của kỹ thuật số với chuyên ngành tự động hóa

Kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong chuyên ngành tự động hóa bởi vì nócung cấp các công cụ và phương tiện để xử lý và điều khiển các tín hiệu số, dữ liệu vàcác thiết bị điện tử trong các hệ thống tự động Dưới đây là một số vai trò chính của kỹthuật số trong tự động hóa:

Xử Lý Tín Hiệu Số: Trong các hệ thống tự động hóa, tín hiệu từ cảm biến vàthiết bị đầu ra thường được chuyển đổi sang dạng số để xử lý bởi các vi xử lý số và cácthiết bị logic kỹ thuật số

Điều Khiển Tự Động: Kỹ thuật số được sử dụng để lập trình và điều khiển các hệthống tự động, từ các thiết bị đơn giản như các bộ điều khiển logic PLC(Programmable Logic Controller) đến các hệ thống phức tạp như các hệ thống điềukhiển tối ưu dựa trên thuật toán

Mạch Logic Programable (PLC): Kỹ thuật số cung cấp cơ sở cho việc phát triển

và lập trình các hệ thống điều khiển logic có thể lập trình lại, như PLC Các PLC được

sử dụng rộng rãi để điều khiển các quy trình tự động trong sản xuất và công nghiệp.Mạch Điện Tử Số: Các mạch điện tử số được sử dụng để điều khiển các thiết bịnhư van, motor và các thiết bị điện tử khác trong hệ thống tự động hóa

Giao Thức Liên Kết Dữ Liệu: Kỹ thuật số hỗ trợ việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị

tự động hóa thông qua các giao thức liên kết dữ liệu như Modbus, Profibus,Ethernet/IP, và CAN bus

Mô Phỏng và Kiểm Tra: Kỹ thuật số cho phép mô phỏng các hệ thống tự độngtrước khi triển khai thực tế, cũng như kiểm tra và xác minh tính đúng đắn của các thuậttoán điều khiển.

3.2 Ứng dụng của kỹ thuật số trong cuộc sống

Kỹ thuật số có ứng dụng rất đa dạng và phổ biến trong cuộc sống hàng ngày củachúng ta Dưới đây là một số ví dụ về cách kỹ thuật số được áp dụng:

Công nghệ Thông tin và Viễn thông (ICT):

Internet và Mạng Xã Hội: Sử dụng internet và mạng xã hội để giao tiếp, chia sẻthông tin, và kết nối với người khác trên khắp thế giới

Ứng dụng di động: Sử dụng các ứng dụng di động để làm việc, giải trí, mua sắmtrực tuyến, đặt vé, và thực hiện nhiều tác vụ khác từ xa

Giải Trí Số và Truyền Hình Kỹ Thuật Số:

Dịch vụ phát trực tuyến: Xem phim, nghe nhạc, chơi game, và tiêu thụ nội dung giảitrí trực tuyến thông qua các dịch vụ như Netflix, Spotify, và Steam

Truyền hình kỹ thuật số: Xem truyền hình kỹ thuật số và đa kênh thông qua cácdịch vụ cáp, vệ tinh, và truyền hình Internet

Giao Thương Điện Tử:

Thương mại điện tử: Mua sắm sản phẩm và dịch vụ trực tuyến thông qua các trangweb như Amazon, eBay, và Alibaba

Thanh toán điện tử: Sử dụng các phương thức thanh toán trực tuyến như PayPal,Apple Pay, và Google Pay để thanh toán hóa đơn và mua hàng trực tuyến

Điều Khiển và Tự Động Hóa:

Nhà Thông Minh: Sử dụng các thiết bị nhà thông minh để kiểm soát ánh sáng, nhiệt

độ, an ninh, và các thiết bị gia đình khác từ xa thông qua điện thoại di động hoặc bằnggiọng nói

Tự động hóa văn phòng: Sử dụng các phần mềm và hệ thống tự động hóa để quản lývăn phòng, lập kế hoạch và lên lịch làm việc, và tối ưu hóa quy trình công việc

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH TẠO XUNG

và xuống mass nên led D2 sáng, đầu cực dương tụ C2 không được nạp điện do dòngđiện chỉ đi xuống mass Cùng lúc đó vì Q2 không dẫn (không hoạt động) nên led D1không sáng, cực dương tụ C1 sẽ được nạp điện, nhưng sẽ không nạp được bao nhiêu vìdòng điện lúc này chủ yếu chạy về mass, cực âm tụ C2 lẫn âm tụ C1 cũng vậy, khôngnạp được bao nhiêu Khi Q1 hoạt động thì cực B cũng được coi như đang nối với cực

E xuống mass nên dòng điện ở chân B được đi qua chân E xuống mass, đồng nghĩađiện áp tại B giảm từ 0.6 V về 0V (cực âm tụ C1 xả điện) Khi điện áp tại chân B xảhết thì Q1 ngưng dẫn, đèn led D2 tắt, tới Giai đoạn 2

Q1 ngưng dẫn, cực âm C2 được nạp điện áp thông qua dòng điện đi qua điện trởR1, khi giá trị được nạp đạt 0.6V thì Q2 dẫn (do VBE >= 0.6V), cực C của Q2 nốithông với cực E xuống mass, đèn led D1 sáng, cực dương tụ C1 xả điện, cực dương tụC2 được nạp điện vì Q1 không dẫn Nguyên lý tương tự như giai đoạn 1, cực âm tụ C2

xả điện áp xuống mass do cực B của Q2 nối thông với cực E, khi điện áp xả hết từ0.6V về 0V thì Q2 ngưng dẫn, led D1 tắt, sau đó cực âm tụ C1 lại được nạp điện làmđiện áp tại cực B của Q1 tăng dần lên 0.6V, điện áp này bằng 0.6V thì Q1 lại dẫn

1.2 Mạch tạo xung sử dụng NE555

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lýNguyên tắc cơ bản:

NE555 là một bộ đếm tự do (astable multivibrator) được thiết kế để tạo ra một xungdao động không ổn định, nghĩa là nó tạo ra một chu kỳ xung không đổi nhưng có thểđiều chỉnh được tần số của nó

Mạch này hoạt động nhờ sự kết hợp của các phần tử như ba résitor, hai capacitor, vàmột số transistor nối tiếp và nối song song

Cấu trúc cơ bản:

Mạch NE555 bao gồm ba chân chính: chân 1 (GND), chân 4 (Reset), và chân 8(VCC)

Trong một mạch tạo xung cơ bản sử dụng NE555, chân 4 thường được kết nốivới nguồn cấp (VCC), chân 1 kết nối với mạch đất (GND), và chân 8 được kết nối vớinguồn cấp thông qua một resistor.

Mạch tạo xung NE555 sử dụng hai resistor (R1 và R2) và một capacitor (C) đểtạo ra xung dao động

Quá trình này lặp lại và tạo ra một chu kỳ xung đều đặn

Điều chỉnh tần số xung:

Tần số của xung được điều chỉnh bằng cách thay đổi giá trị của resistor R1, R2 vàcapacitor C

- Tính tần số làm NE555

2 Lựa chọn phương án thiết kế

- Mạch dao động đa hài sử dụng BJT (Bipolar Junction Transistor) và mạch tạoxung sử dụng NE555 đều là các mạch phổ biến trong điện tử, thường được sử dụng đểtạo ra các tín hiệu dao động có tần số và chu kỳ khác nhau Dưới đây là một so sánhgiữa hai loại mạch này:

- Nguyên lý hoạt động:

+ Mạch dao động đa hài sử dụng BJT tận dụng sự tích điện và giải điện của các tụđiện để tạo ra tín hiệu dao động Khi tụ điện nạp điện và giải điện qua các phần tửtrong mạch, tín hiệu ra sẽ biến đổi theo thời gian.

+ Mạch tạo xung sử dụng NE555 hoạt động dựa trên sự kích hoạt và vô hiệu hóacủa một bộ kích thích, cùng với khả năng sạc và xả của một tụ điện nối tiếp Khi tụđiện xả, đầu ra của mạch sẽ chuyển đổi giữa trạng thái cao và thấp, tạo ra tín hiệuxung

- Độ ổn định và độ chính xác:

+ Mạch dao động đa hài sử dụng BJT thường ít ổn định hơn so với mạch tạo xung

sử dụng NE555 Điều này có thể làm cho tần số và chu kỳ của tín hiệu dao động biếnđổi theo điều kiện hoạt động và các yếu tố môi trường

+ NE555 thường cung cấp độ chính xác và ổn định tốt hơn trong việc tạo xung, do

có khả năng điều chỉnh các tham số của mạch như tần số và thời gian

- Điều chỉnh và linh hoạt:

+ Mạch dao động đa hài sử dụng BJT thường khó điều chỉnh và có ít linh hoạt hơn

so với NE555 Điều này có thể yêu cầu sự điều chỉnh kỹ thuật hơn trong quá trình thiết

kế và lắp ráp

+ NE555 có thể dễ dàng điều chỉnh thông qua các thành phần ngoại vi và các điệntrở và tụ điện bên ngoài, giúp người dùng điều chỉnh tần số và thời gian của xung dễdàng hơn

 Sau thời gian thảo luận của nhóm và tham khảo ý kiến của giáo viên hứng dẫn, nhóm 2 chúng em quyết định thực hiện mạch tạo xung bằng NE555.

3 Thiết kế mạch tạo xung

Hình 2.3 Sơ đồ mô phỏng

STT TÊN LINH KIỆN SL THÔNG SỐ GIÁ TIỀN

Hình 1: Mua linh kiện

Hình 2: Là mạch in

Hình 3 Khoan mạch

Hình 4 Kiểm tra Linh kiện

Hình 4 Hàn mạch

Hình 5 Sản phẩm hoàn thành