đồ án thiết kế mạch báo chuông trường đại học vinh

Đồ án Thiết kế mạch báo chuông trường Đại Học Vinh BẢNG THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên: Nguyễn Thế Sơn Lớp : 48K-ĐTVT MSSV : 0751080465 Tên đồ án: Thiết kế mạch báo chuông trường Đại Học Vinh Lần Ngày Nội dung Nhận xét Chữ kí GVHD Nhận xét chung: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Ghi chú: - Điều kiện để sinh viên phép bảo vệ đồ án: Phải thông qua đầy đủ có chữ kí GVHD xác nhận - Bảng phải kẹp vào đầu thuyết minh đồ án Vinh, ngày 17 tháng năm 2010 Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Thị Quỳnh Hoa ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠCH SỐ Mục lục I Lời mở đầu II Giới thiệu chức hệ thống III Phân tích toán IV Sơ đồ khối V Thiết kế cụ thể cho khối : Thiết kế khối nguồn Thiết kế khối tạo xung chuẩn Hz Thiết kế khối đồng hồ số Thiết kế khối khối hiển thị Thiết kế khối giải mã đổ chuông Thiết kế khối chuông VI Một số linh kiện thông dụng dùng hệ thống : IC giải mã đoạn 74LS47 IC đếm mode 10 74HC192 IC giải mã BCD sang mã 10 74HC4028 IC tích hợp phần tử OR 74LS32P IC tích hợp phần tử AND 74LS08 Led đoạn chung Anot VII Sơ đồ mạch hệ thống VIII Lời kết Giáo viên hướng dẫn: TS: Nguyễn Thị Quỳnh Hoa Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thế Sơn I Lời mở đầu : Các hệ thống điện tử ngày thay công việc hàng ngày người từ công việc từ đơn giản đến phức tạp điều khiển tín hiệu đèn giao thông, đo tốc độ động hay tạo chuông báo vào học, chơi trường học hệ thống thiết kế theo hệ thống tương tự hệ thống số Tuy nhiên hệ thống điện tử thông minh người ta thường sử dụng hệ thống số hệ thống tương tự số ưu điểm vượt trội mà hệ thống số mang lại là: độ tin cậy cao, giá thành thấp, dễ dàng thiết kế, lắp đặt vận hành… Để làm tốt đồ án phải có kiến thức môn điện tử số, hiểu cấu trúc chức số IC đếm, mạch giải mã, cổng logic số kiến thức linh kiện điện tử tụ điện, transistor, diode… Trong đồ án môn học chúng em chọn đề tài thiết kế mạch đồng hồ báo tiết học trường đại học Vinh, với mục đích cố vận dụng số kiếm thức học từ môn điên tử số, mạch tương tự…Và cuối mong muốn ứng dụng mạch vào thực tế… II Giới thiệu chức : Đồng hồ số báo chuông hồn tồn tự động, có khả báo vào học, chơi, trường, có khả hiển thị thời gian tại, có khả chỉnh giờ, hoặt động với độ tin cậy cao sử dụng nguồn Pin, Ắc quy điện lưới 220v với lần khởi động hệ thống chỉnh thời gian III Phân tích tốn : Qua tìm hiểu thời gian chơi, vào học trường em thấy: Trường đại học vinh tổ chức buổi học, buổi học kéo dài tiết, xen kẽ tiết học thời gian chơi, thời gian chơi sau tiết 1,2,4 phút, sau tiết 10 phút thời gian đổ chuông báo chơi 10s, thời gian đổ chuông báo vào học 5s thời gian vào học ca sáng 7h, ca chiều 13h, ca tối 19h ứng với mùa đơng Cịn vào mùa hè thời gian vào học ca sáng 6h30’, ca chiều 13h30’, ca tối 18h30’ Với thời gian phức tạp ta phải thiết kế đồng hồ số hoàn chỉnh, sở thiết kế thêm module giải mã thời gian, để nhận biết thời điểm đổ chuông hợp lý Khi thiết kế đồng hồ số ta lại phải thiết kế đếm 24 cho khối giờ, đếm 60 cho khối phút khối giây Xây dụng giải mã để giải mã tín hiệu BCD từ IC đếm để hiển thị led đoạn, ngồi cịn phải có khối chỉnh thời gian, khối nguồn khối tạo xung IV Sơ đồ khối : Khối nguồn 5v Khối hiển thị Khối tạo xung 1Hz Khối đồng hồ Khối giải mã đổ chuông Khối chuông Khối chỉnh thời gian V Thiết kế cụ thể cho khối Khối nguồn Trong hầu hết mạch logic số nguồi ni thường trì ổn định mức +5V Do yêu cầu cao hệ thống nguồn nuôi thường chế tạo cách đặc biệt nhằm đem lại hiệu quả, tính ổn định cao Thơng thường có kiều nguồn chính: + Dùng pin ắc quy cho điện áp tương đối ổn định, thị trường khơng có loại pin ắc quy chuẩn 5v dùng phải qua biến đổi điện áp để đưa điện áp dạng chuẩn trình sử dụng, lượng pin, ắc quy hết hệ thống bị gián đoạn - Sơ đồ đưa điện áp 6V từ pin điện áp chuẩn sau: + Trên thực tế để có nguồn điện đáng tin cậy người ta hay dùng phương pháp ổn áp dòng điện chiều từ cuộn sơ cấp biến áp sau chỉnh lưu cách sử dụng IC loại 7805 - Sơ đồ mắc mạch ổn áp dùng IC 7805 sau: Khối xung chuẩn 1Hz Có nhiều cách để tạo xung chuẩn 1Hz dùng dao động đa hài, dùng mạch khuyếch đại có hồi tiếp dương, dùng thạch anh, IC tạo dao động chuyên dụng 555 Trong cách dùng thạch anh xác sai số nhỏ, nhiên dùng thạch lại phải tạo mạch tương đối phức tạp khuyếch đại dao động nội từ thạch anh sau lại phải tiến hành chia tần nhiều lần phức tạp Để có mạch dao động tạo xung chuẩn tương đối xác người ta hay dùng IC555 giá thành rẻ, lắp ráp vận hành tương đối đơn giản đồ án em sử dụng loại IC để tạo dao động - Sơ đồ chân IC sau: - Cách mắc IC để tạo xung chuẩn: Trong tần số xung tính theo cơng thức: Hay t=ln2.C.(R1+2R2) Trong qua trình thiết kế mạch ta chọn C=100uf, R1=10K, R2=2,2K ta có xung là: t=ln2.100.10-6(10.10-3+2,2.2.10-3) ≈ 1s - Dạng xung chân số 3: - Sơ đồ mạch thực tế sau: Khối đồng hồ Trong thiết kế đông hồ thấy: Đồng hồ sử dụng đếm có đếm mod 10, đếm mod đếm mod Các đếm thiết kế dựa triger JK, RS, D…và hiết kế theo kiểu đếm đồng hay không đồng Để thiết kế đếm 24 cho khối đếm ta ghép nối đếm mod đếm mod 10 sau sử dụng mạch logic để khử trạng thái thừa Để thiết kế đếm 60 ta nghép đếm đếm 10 - Thiết kế đếm mod 3: Bộ đếm mod có trạng thái là: (0, 1, 2) cần số triger N>Log23 hay N=2, dùng triger ta lại mã hố đến 22 trạng thái ta thiết kế đếm mod sau loại bỏ trạng thái thừa - Sơ đồ đếm mod 3: Kiểu không đồng bộ: Clock -Kiểu đồng bộ: Clock - Bảng trạng thái đếm: Đếm TP B A 0 1 0 1 Trạng thái đếm 00 01 10 11 00 - Nguyên lý hoặt động: Có thể biểu diễn thơng qua giản đồ sóng sau: Ck Qa Qb - Thiết kế đếm mod 6: Tương tự đếm mod 3, để thiết kế đếm mod 6(đếm từ đếm 5) ta phải dùng n triger cho n thoả mãn n>=log26, chon n=3, số trạng thái có là: 23 = thừa trạng thái - Bảng đếm: Đếm TP Đếm nhị phân A B C 0 0 1 0 1 1 0 Trạng thái đếm 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 - Từ bảng trạng thái ta có sơ đồ nguyên lý: Clock Bộ đếm hoặt động bình thường xung thứ 6(đếm từ đến 5) Vì triger JK hoạt động tích cực xườn âm xung nhịp nên đến sườn sau xung thứ sáu hai đầu B, C có mức tích cực cao qua cổng AND để đưa vào kích hoặt reset làm trở lại trạng thái ban đầu -Ngun lý hoạt động mơ tả băng giản đồ sóng: Ck A B C - Thiết kế đếm mod 10: Để đếm từ đên tức có 10 trạng thái ta phải dùng số triger n>=log 210, ta chon n=4 triger mã hố 4=16 trạng thái ta dùng 10 trạng thái - Ta có bảng đếm: Đếm TP 10 A 1 1 0 Đếm nhị phân B C 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 D 0 0 0 0 1 Trạng thái đếm 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 - Sơ đồ nguyên lý đếm thập phân: - Nguyên lý hoạt động: Đây đếm không đồng bộ, đếm hoạt động bình thường cho đếm xung thứ 10, sườn âm xung thứ 10 thông qua cổng AND hệ thống bị reset trạng thái ban đầu 10 - Giản đồ sóng : Clock A B C D Trên thực tế ta không thiết kế đếm triger mà dùng IC đếm mod 10 để thiết kế đếm mod 3, mod 6, mod 10 Cụ thể thiết kế đếm 60 cho khối giây khối đếm phút ta dùng IC74HC192 với sơ đồ sau: - Để thiết kế đếm 24 ta ghép nối sau: 11 - Nguyên tắc hoạt động: Khi có xung clock đặt vào lối vào xung đếm thuận IC đếm hàng đơn vị khối đếm giây, IC đếm từ đếm cho mã BCD đầu C Khi IC đếm lên đên chân tín hiệu T U chuyển mức thấp, ta dùng chân để nối với lối vào xung clock IC đếm hàng chục giây Khi IC đếm giây đếm đến 60 tạo xung thông qua cổng AND đưa vào chân reset IC đếm giây, IC bị reset đồng thời tạo xung kích vào lối vào xung clock IC đếm hàng đơn vị phút Các IC đếm phút vào đếm hoạt động tương tự IC đếm giây Khối giải mã hiển thị Để hiển thị kết đếm ta dùng led đoạn có chung anot IC giải mã đoạn 74LS47, chân đầu giải mã đoạn nối với chân led đoạn với thứ tự tương ứng, chân đầu vào giải mã nối với đầu đếm thời gian theo thứ tự chân tương ứng Khối điều chỉnh thời gian Khối điều chỉnh thời gian đơn giản phím bấm chỉnh phút chỉnh Các phím bấn kết hợp với công OR để tạo xung đưa vào lối vào clock khối đếm phút khối đếm Trong mạch không dùng đến nút chỉnh giây đơn vị thời gian nhỏ Cịn muốn chỉnh xác đếm đơn vị giây ta cần khởi động mạch vào thời điểm có số giây 00 - Sơ đồ chỉnh thời gian: 12 Khối giải mã đổ chuông Khối giải mã đổ chuông khối tương đối phức tạp đề tài này, liệu cần giải mã 24bit – tổng số bit đầu IC đếm, với số bit lớn thực tế người ta hay dùng Vi điều khiển họ 8051, PIC để giải mã nhiên yêu cầu môn học “Đồ án thiết kế mạch số” nên yêu cầu đặt thiết kế mạch dùng phần tử logic IC số Do mạch khơng tránh khỏi cồng kềnh Qua tìm hiểu chúng em thấy trường Đại Học Vinh tổ chức buổi học là: buổi sáng, buổi chiều buổi tối, buổi học có tiết học, tiết học có phút chơi, riêng chơi sau tiết thứ 10 phút trình bày mục Phân tích tốn Do ca học giống mức độ phức tạp đề tài nên chúng em thiết kế mạch giải mã đổ chuông cho buổi học Giả sử ta thiết kế giải mã đổ chuông cho ca học buổi sáng: Thời gian đổ chuông ca học sau: Tiết học Bắt đầu 7h00 7h50 8h40 9h35 10h25 kết thúc 7h45 8h35 9h25 10h20 11h10 Nghỉ 5' 5' 10' 5' 5' Để thiết kế mạch giải mã ta cần phải lập hàm y = f(x0, x2,…x23) Khi thời điểm có đổ chng y có giá trị Chúng ta xây dựng mạch giải mã dựa phần tử logic AND để nhận biết mốc thời gian tức nhận biết số thập phân từ đến giải sử thời điểm 07 00 phút 00 giây ta dùng mạch AND để nhận biết số sau: Mạch giải mã 0: 13 U2B U2C U1A U2A U2D Mạch giải mã 7: Sau nhận biết giá trị thập phân đếm thời gian ta tiến hành kết hợp giá trị đầu mạch AND để mạch giải mã thời điểm giờ, thời điểm khác tiến hành tương tự Sau giải mã hết thời điểm để đổ chuông ta tiến hành xây dựng mạch phân biệt đâu thời điểm đổ chuông chơi, đâu thời điểm đổ chuông vào học mạch OR sau: Ta thấy để thực mạch ta phải sử dụng nhiều mạch AND có 4, cổng vào, bên cạnh phải phối hợp với cổng NOT cồng kềnh khó thực Trên thực tế để thiết kế mạch ta dùng phương pháp đơn giản là: Ta tiến hành giải mã từ mã BCD đếm sang mã thập phân sử dụng IC 74HC4028 sau tiến hành chọn thời điểm đổ chuông mạch AND cổng vào Do thời gian báo chuông vào học 5s, báo chuông chơi 10s ta sử dụng mạch OR cổng để tổng hợp tín hiệu mạch AND thành tín hiệu đổ chng ứng với chuông vào học chuông chơi 14 Bộ giải mã thiết kế: Khối chuông : - Khối chng bao gồn hệ thơng kích chng chng, chng chng điện tử chng học, chuông điện tử công suất nhỏ cần nối trực tiếp với đầu FET - Hệ thơng kích chng bao gồm transistor trường làm việc khố điện tử đế đóng mở dịng điện điều khiển chng Khi có xung dương kích thích từ giải mã đến đầu vào kích chuông, tụ điện nối song song với cực Source Gate Transistor trường nạp điện để trì điện áp cực S D FET Thời gian mở FET phụ thuộc vào giá trị tụ điện điện trở mắc song song với - Thời gian mở FET tính gần bằng: t = 0.8xCxR - Đối với mạch trẽ 5s ta có: t=0,8x47x106x120x103 =5a - Đối với mạch trễ 10s ta có: t=0,8x100x106x120x103 =10s Do thời gian đổ chng lúc chơi vào học khác nên ta sử dụng mạch khoá kiểu nối vào đầu giải mã đổ chuông -Sơ đồ khối kích chng: 15 Nếu dùng loại chng học có cơng suất lớn, đầu FET nối với môt rơle để điều khiển loại chng hình sau: VI Sơ đồ mạch hệ thống Dùng phần mềm vẽ mạch chạy mơ Protues máy tính cho ta sơ dồ mạch hệ thống trình bày cụ thể giấy khổ A1 VII Một số linh kiện dùng hệ thống IC giải mã đoạn 74LS47 Vi mạch giải mã đoạn 74LS47 loại IC có 16 chân dùng để giải mã từ mã BCD sang mã đoạn để hiển thị led đoạn - Hình dạng sơ đồ chân thực tế: 16 - Chức chân IC 74LS47 sau: + Chân số chân nối đất (0V) + Chân số 16 chân nguồn cung cấp + Chân 1,2,6,7 chân tín hiệu vào BCD + Chân 9,10,11,12,13,14,15 chân đầu + Chân 3,4,5 chân kiểm tra IC - Bảng chân lý IC 74LS47: - Sơ đồ logic: 17 IC đếm mode 10 74HC192 74HC192 vi mạch đếm mod 10 thông dụng sử dụng nhiều thực tế, bới chế tạo cơng nghệ tiết kiệm điện năng, đếm tiến, đếm lùi, đếm có liệu vào có chức reset… - Hình dạng sơ đồ chân thực tế: - Mô tả chân IC 74HC192: Thứ tự chân 3, 2, 6, 11 12 13 14 15, 1, 10, 16 Kí hiệu Q0 đến Q3 CPD CPU GND P L T U C T D C MR D0 đến D4 VCC Tên chức Đầu BCD đếm Lối vào xung đến lùi Lối vào xung đến tiến Nối đất (0V) Tải liệu song song (Active LOW) Lối cờ mang (Active LOW) Lối cờ muợn (Active LOW) Reset (Active HIGH) Dữ liệu vào đếm Nguồn cung cấp - Bảng chế độ hoặt động: 18 Sơ đồ logic : IC giải mã BCD sang mã 10 74HC4028 Vi mạch 74HC4028 loại vi mạch giải mã thông dụng 16 chân chuyên dùng để giải mã tín hiệu BCD sang mã 10, loại IC sử dụng công nghệ CMOS để chế tạo nên tốc độ hoạt động cao tiết kiệm điện -Sơ đồ chân thực tế: - Chức chân vi mạch 74HC4028 sau: 19 + Chân số 1,2,3,4,5,6,7,9,14,15 chân đâu liệu thập phân tương ứng với chân Y4,Y2,Y0,Y7,Y9,Y5,Y6,Y8,Y1,Y3 + Chân số 10,11,12,13 chân liệu đầu vào BCD tương ứng với chân A, D, C, B + Chân số chân nối đất (0v) + Chân sô 16 chân cấp nguồn - Bảng chân lý IC 74HC4028 - Sơ đồ logic: IC tích hợp phần tử OR 74LS32P 20 IC 74LS32P loại IC tích hợp phần tử OR, IC chứa phần tử OR, chân trình bày hình vẽ, chân số nối đất, chân 14 chân nguồn IC tích hợp phần tử AND 74LS08 IC 74LS08 loại IC tích hợp phần tử AND, IC chứa phần tử AND, chân trình bày hình vẽ, chân số nối đất, chân 14 chân nguồn Led đoạn Led đoạn linh kiện hiển thị mã đoạn chuyên dụng, hiển thị 16 giá trị tương ứng với mã BCD Led đoạn có loại: loại chung anot loại chung catot Led đoạn có nhiều màu sắc khác Trong đề tài có sử dụng led đoạn chung anot để hiển thị thời gian Hình dạng sơ đồ led đoạn thực tế: 21 VIII Lời kết : Qua trình làm đồ án em thấy đề tài thú vị, đề tài mẻ xong đề tài kết hợp khéo léo kiến thức môn điện tử số, điện tử tương tự…Muốn làm đề tài sinh viên phải có lượng kiến thức tương đối vận dụng cách sáng tạo vào thực tiễn để đạt kết cao Trong đồ án em nghiên cứu, tính tốn thiết kế khối đồng hồ báo chuông trường học cho xây dựng mơ hình thực tế Tuy nhiên trình sưu tầm linh kiện số để xây dựng mạch thật em gặp khó khăn việc tìm kiếm số linh kiện nên đồ án dừng lại khâu thiết kế đồng hồ số, cịn khối giải mã đổ chng chưa thể thực mong thầy cô thông cảm Lời cuối em xin cám ơn chân thành tới thầy, cô cô Hoa người trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đồ án Vinh, ngày 17 tháng năm 2010 Sinh viên Nguyễn Thế Sơn 22 ... Sơ đồ khối V Thiết kế cụ thể cho khối : Thiết kế khối nguồn Thiết kế khối tạo xung chuẩn Hz Thiết kế khối đồng hồ số Thiết kế khối khối hiển thị Thiết kế khối giải mã đổ chuông Thiết kế khối chuông. .. cầu môn học ? ?Đồ án thiết kế mạch số” nên yêu cầu đặt thiết kế mạch dùng phần tử logic IC số Do mạch khơng tránh khỏi cồng kềnh Qua tìm hiểu chúng em thấy trường Đại Học Vinh tổ chức buổi học là:... transistor, diode… Trong đồ án môn học chúng em chọn đề tài thiết kế mạch đồng hồ báo tiết học trường đại học Vinh, với mục đích cố vận dụng số kiếm thức học từ môn điên tử số, mạch tương tự…Và cuối