dự án kỹ thuật mô hình mạch đồng hồ dùng ic 555

Theo dòng thời gian phát triển của khoa học công nghệ, con người ngày càng sở hữu cho mình những chiếc đồng hồ không chỉ dùng để kiểm soát thời gian, mà còn được nâng cấp thêm nhiều chức

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCMKHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCMKHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

LỜI CẢM ƠN

Đề hoàn thành đồ án môn học này, chúng em đã nhận được sự hỗ trợ giúp đở tận tâm của các thầy cô, người thân và bạn bè trong suốt thời gian thực hiện.

Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy/cô khoa Công nghệ Điện tử, trường Đại học Công nghiệp TP.HCM đã tận tình giảng dạy, cung cấp cho chúng em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua Đặc biệt, em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Văn An, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ nhóm chúng em trong suốt thời gian thực hiện đề tài của môn học này.

Chúng em xin chân thành cám ơn đến gia đình, bạn bè là những người luôn đồng hành động viên giúp đở về vật chất và tinh thần để chúng em có đủ tự tinh hoàn thành đồ án này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn.

Tp.HCM, ngày 22 tháng 04 năm 2024

Nhóm sinh viên thực hiện

Phạm Lê Quốc Tuấn Trần Văn Tường

LỜI MỞ ĐẦU vii

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

1 Các linh kiện điện tử 3

2 Giới thiệu về IC 3

2.1 Giới thiệu IC4518 3

2.2 Giới thiệu về IC4071 5

2.3 Giới thiệu về IC4511 7

2.4 Giới thiệu về IC4081 8

2.5 Giới thiệu về IC4060 9

2.6 Giới thiệu về IC4013 10

2.7 Giới thiệu về điện trở 12

2.8 Giới thiệu về tụ điện 12

2.9 Giới thiệu về diode 1N4007 13

2.10Giới thiệu về IC555 13

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 15

PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CÁC TỪ VIẾT TẮT

ICIntegrated Circuit

CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor NMOSN-type Metal-Oxide-Semiconductor BCDBinary-Coded Decimal

ISISInteractive Simulation and Schematic Input System ARESAdvanced Routing and Editing Software

Từ viết tắt Tên tiếng anh

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 : Sơ đồ chân của IC 4518 4

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý IC4518 4

Hình 2.3 : Sơ đồ chân của IC 4071 6

Hình 2.4 :Sơ đồ chân của IC 4511 7

Hình 2.5 : Sơ đồ chân của IC 4081 8

Hình 2.6 Sơ đồ chân của IC4060 9

Hình 2.7 Sơ đồ chân của IC4013 11

Hình 2.8 Sơ đồ chân của diode 1N4007 13

Hình 2.9 : Sơđồ chân và hình ảnh thực tế của IC LM555 14

Hình 3.1 Sơ đồ khối chi tiết 16

Hình 3.2 Sơ đồ khối tổng quát 16

Hình 3.3 Mạch tạo xung IC 555 18

Hình 3.4 Bảng chi tiết chuyển đổi BCD để hiển thị trên led 7 đoạn 19

Hình 3.5 Trạng thái hoạt động của led 7 đoạn anode chung 20

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.0 Danh sách các linh kiện 3

Bảng 2.1 Chức năng các chân của IC4518 5

Bảng 2.2 Chức năng các chân của IC4071 6

Bảng 2.3 Chức năng của các chân của IC 4081 8

Bảng 2.4 Chức năng các chân của IC4060 10

Bảng 2.5 Chức năng các chân của IC4013 12

Bảng 2.6 Các giá trị điện trở sử dụng trong đề tài 12

Bảng 2.7 Các giá trị tụ điện sử dụng trong đề tài 13

LỜI NÓI ĐẦU

Ngạn ngữ có câu “Thời gian là vàng” nhấn mạnh đến vai trò của thời gian đối với cuộc sống của con người Thời gian là thứ tài sản vô giá, do đó mỗi người đều sở hữu một kho tài sản giá trị vô hình nhưng không phải ai cũng có thể nhận thức đúng đắn và tận dụng có hiệu quả thứ tài sản ấy Trong bối cảnh của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin đã làm thay đổi đáng kể cách thức chúng ta quản lý và sử dụng thời gian Đồng hồ số là một sản phẩm tinh túy của kỹ thuật số, không chỉ giúp chúng ta theo dõi thời gian một cách chính xác mà còn góp phần vào việc nâng cao hiệu suất làm việc và chất lượng cuộc sống Theo dòng thời gian phát triển của khoa học công nghệ, con người ngày càng sở hữu cho mình những chiếc đồng hồ không chỉ dùng để kiểm soát thời gian, mà còn được nâng cấp thêm nhiều chức năng hiện đại hơn do chính tay những người kỹ sư kỹ thuật phát triển Đồng hồ số giúp xem được thời gian ( hiển thị đầy đủ giờ, phút, giây) tương đối chính xác với các loại đồng hồ khác, với giá thành rẻ, nhỏ gọn, dễ sửa chửa, thay thế các linh kiện, có thể điều chỉnh được nguồn xung vào của IC bằng biến trở Bên cạnh đó, đồng hồ còn hạn chế về độ chính xác, không đồng bộ được với thời gian thực khi mất nguồn điện Điều đó dẫn đến phải thiết lập lại từ đầu gây tốn thời gian cho người sử dụng.

Nội dung đồ án của nhóm được thể hiện qua 3 phần: CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

( Trình bày về quá trình phát triển của đồng hồ số ) CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

( Trình bày chi tiết các linh kiện, nguyên lý hoạt động của mạch ) CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

( Tiến hành thiết kế sơ đồ nguyên lý, mạch in Thi công mô hình đã lập ra, kiểm tra mạch )

Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân, không sợ khó sợ thất bại, nhóm em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn Do thời gian làm đồ án có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Nhóm em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến để bài đồ án này hoàn thiện hơn nữa Nhóm em xin chân thành cảm ơn.

1

CHƯƠNG 1

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Trải qua những biến cố lịch sử của loài người, đồng hồ không chỉ là một thiết bị đo thời gian mà còn là một biểu tượng của sự tiến bộ và sự phát triển văn hóa Từ những bước đầu tiên của nó trong thế giới tiền sử, đến sự phát triển vượt bậc trong công nghệ và thiết kế ở thời đại hiện đại, lịch sử của đồng hồ đã kể lên câu chuyện về sự sáng tạo, sự đổi mới và sự tiến bộ của con người.

Đồng hồ không chỉ đo thời gian mà còn là một phản ánh của xã hội và văn hóa Từ những chiếc đồng hồ mặt trời đầu tiên của người Ai Cập cổ đại đến sự phát triển của đồng hồ cơ tinh tế trong thời Trung Cổ châu Âu, mỗi giai đoạn của lịch sử đồng hồ đều mang lại những phát minh và khám phá mới mẻ, tạo ra sự thay đổi đáng kể trong cách chúng ta đo thời gian và hiểu về nó.

Qua thời kỳ tiến hóa của công nghệ, từ đồng hồ cơ đến đồng hồ điện tử và cuối cùng là đồng hồ thông minh, sự phát triển của đồng hồ đã phản ánh sự tiến bộ của con người trong việc áp dụng công nghệ để tạo ra những sản phẩm thông minh và tiện ích hơn Đồng hồ không chỉ là một phương tiện đo thời gian mà còn là một biểu tượng của phong cách cá nhân và phong thái sống của mỗi người.

Trong lời dẫn này, chúng ta sẽ đi sâu vào cuộc hành trình lịch sử của đồng hồ, từ những bước đầu tiên đơn giản đến sự phát triển đầy cảm hứng và sự đổi mới của thời kỳ tiến hóa công nghệ Hãy cùng nhau khám phá và hiểu rõ hơn về một trong những phát minh vĩ đại nhất của con người.

Vào khoảng 3500 TCN, đồng hồ mặt trời Sundial là thiết bị đo thời gian xuất hiện đầu tiên trên thế giới loài người Cơ chế hoạt động của loại đồng hồ này dựa trên quá trình theo dõi mặt trời, mặt trăng thậm chí là dòng thuỷ triều lên xuống mỗi ngày để ước

lượng Sau đồng hồ mặt trời là đến thiết bị thời gian được theo dõi bằng mực nước được

phát minh bởi người Ai Cập cổ vào năm 1400 TCN Gần như cùng thời gian này, đồng

hồ cát cũng được thiết kế thành công Thế nhưng, đến thế kỷ XIII những chiếc đồng hồ

đeo tay mới ra đời và chiếc đồng hồ đeo tay đầu tiên phải đến giữa thế kỷ XIV mới hiện hữu.

Đồng hồ bỏ túi được phát minh trước đồng hồ đeo tay, với chiếc đầu tiên được chế tạo vào năm 1574 tại Thụy Sĩ Đồng hồ bỏ túi đầu tiên chỉ hiển thị giờ, kim phút được thêm vào năm 1680 và kim giây xuất hiện khoảng một thập kỷ sau đó Đây là những cỗ máy khá thô sơ, nhưng không thể phủ nhận rằng chúng đã mở ra cuộc cách mạng đồng hồ cho toàn thế giới

Bắt đầu từ những năm 1960, khi công nghệ IC mới chỉ bắt đầu phổ biến Đồng hồ số sử dụng IC là một trong những ứng dụng đầu tiên của công nghệ này, cho phép chế tạo đồng hồ với kích thước nhỏ gọn hơn và chính xác hơn so với các loại đồng hồ cơ truyền thống.

Vào năm 1960, Seiko giới thiệu chiếc đồng hồ quartz đầu tiên, sử dụng mạch IC để tạo ra dao động ổn định cho việc đo thời gian

Thập kỉ 1970: Các mạch đồng hồ số bắt đầu được sản xuất hàng loạt, với việc sử dụng các IC đếm thời gian và hiển thị số.

Năm 1972: Seiko tiếp tục đổi mới với việc giới thiệu đồng hồ điện tử kỹ thuật số có màn hình LCD.

Thập kỷ 1980: Sự phát triển của công nghệ microprocessor đã mở rộng khả năng của đồng hồ số, cho phép thêm nhiều chức năng như báo thức, đèn nền, và thậm chí là các tính năng tính toán Các IC cụ thể như 7490 và 7447 đã trở thành nền tảng cho việc chế tạo đồng hồ số trong giai đoạn đầu IC 7490 là một bộ đếm thập phân và IC 7447 là một bộ giải mã hiển thị LED 7 đoạn, cả hai đều được sử dụng rộng rãi trong các mạch đồng hồ số2.

Với sự tiến bộ của công nghệ, các mạch đồng hồ số ngày nay có thể được tích hợp vào các thiết bị điện tử như điện thoại di động, máy tính bảng, và thậm chí là các thiết bị đeo thông minh, cho thấy sự phát triển không ngừng của công nghệ IC trong lĩnh vực này Đồng hồ số IC hiện đại không chỉ giới hạn ở việc hiển thị thời gian mà còn kết hợp nhiều chức năng khác nhau, từ theo dõi sức khỏe đến kết nối thông minh

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Các linh kiện điện tử

Bảng 2.0 Danh sách các linh kiện

STTTên linh kiệnSố lượng

1.1.1 Giới thiệu IC4518

CD4518 là IC đếm lên BCD kép bao gồm hai bộ đếm 4 tầng giống nhau, đồng bộ bên trong Các tần của bộ đếm là loại flip flop kiểu D có các dòng CLK và EN có thể hoán đổi cho nhau để tăng dần trên chuyển tiếp về dương hoặc chuyển tiếp về âm IC cũng cung cấp nhiều tính năng như khả năng chống nhiễu cao và tản nhiệt thấp IC có gói 16 chân được niêm phong kín và có thể giao tiếp trực tiếp với mọi thiết bị TTL, CMOS & NMOS Bộ đếm có thể được xếp tầng ở chế độ ripple bằng cách kết nối Q4 với đầu vào enable của bộ đếm tiếp theo trong khi đầu vào đồng hồ của bộ đếm sau được giữ ở mức thấp.

Hình 2.1 : Sơ đồ chân của IC 4518

Hình trên đây mô tả cấu trúc bên trong của 4518 gồm 2 nhóm chia 10 và mỗi

nhóm chia 10 được tạo bởi 4 Trigger D (loại J-K) để có thể chia 2 cho mỗi Trigger và

mạch Modul 10 để hạn chế giới hạn chia của 4518 trong khoảng từ 0 đến 9 tương đương với 0000 – 1001 thì sẽ bị Reset về 0.

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý IC4518

Bảng 2.1 Chức năng các chân của IC4518

2 ENABLE A Chân enable của bộ đếm A

4 Q2A Chân đầu ra 2 của bộ đếm A

7 RESET A Chân reset của bộ đếm A

9 ENABLE B Chân enable của bộ đếm B 10 CLOCK B Chân clock của bộ đếm B

15 RESET B Chân reset của bộ đếm B - Kích hoạt sườn dương hoặc âm

- 100% được kiểm tra cho dòng điện tĩnh ở 20V - Định mức tham số 5V, 10V và 15V

- Biên độ ồn (Trên toàn bộ gói / Phạm vi nhiệt độ) 1V tại VDD = 5V; 2V tại VDD = 10V; 2,5V tại VDD = 15

1.1.2 Giới thiệu về IC4071

Là IC có 4 cổng logic OR được tích hợp trên cùng một package Mỗi cổng OR có hai đầu vào theo chuẩn logic CMOS IC sử dụng tốt trong các ứng dụng công suất thấp.

Cổng bốn CD4071 là các mạch tích hợp MOS (CMOS) bổ sung nguyên khối được chế tạo bằng các bóng bán dẫn chế độ tăng cường kênh N và P Chúng có khả năng dòng nguồn và dòng chìm bằng nhau và phù hợp với ổ đĩa đầu ra dòng B tiêu chuẩn Các thiết bị này cũng có đầu ra được đệm giúp cải thiện đặc tính truyền bằng cách cung cấp mức tăng rất cao Tất cả các đầu vào được bảo vệ chống phóng tĩnh điện bằng điốt tới VDD và VSS.

Hình 2.3 : Sơ đồ chân của IC 4071

Bảng 2.2 Chức năng các chân của IC4071

A1 đến A4 1, 6, 8, 13 Đầu vào Các đầu vào A của 4 cổng OR B1 đến B4 2, 5, 9, 12 Đầu vào Các đầu vào B của 4 cổng OR Q1 đến Q4 3, 4, 10, 11 Đầu ra Đầu ra từ 4 cổng OR

 Thông số kỹ thuật :

- Điện áp hoạt động điển hình: 5V

- Dải điện áp hoạt động: -0,5V đến + 20V - Dòng điện đầu vào DC: ± 10mA

- Công suất tiêu tán: 500mW

- Mức logic tối thiểu điện áp thấp + 5V: 1.5V - Tối thiểu Logic điện áp cao + 5V: 3.5V - Độ trễ lan truyền 5V: 250ns (tối đa) - Thời gian chuyển đổi 5V: 200ns (tối đa) - Có các gói PDIP, GDIP, PDSO 14 chân

- Rò rỉ đầu vào tối đa 1 µA ở 15V trên toàn dải nhiệt độ

1.1.3 Giới thiệu về IC4511

Trình điều khiển/bộ giải mã/chốt CD4511BC BCD đến bảy đoạn được xây dựng với các thiết bị chế độ tăng cường MOS (CMOS) bổ sung và trình điều khiển đầu ra lưỡng cực NPN trong một cấu trúc nguyên khối duy nhất Mạch này cung cấp các chức năng của chốt lưu trữ 4 bit, bộ giải mã 8421 BCD đến bảy đoạn và khả năng điều khiển

đầu ra Các đầu vào kiểm tra đèn (LT), xóa trống (BI) và kích hoạt chốt (LE) được sử dụng để kiểm tra màn hình, tắt hoặc điều chỉnh xung độ sáng của màn hình và để lưu mã BCD tương ứng Nó có thể được sử dụng với các điốt phát sáng bảy đoạn (LED), sợi đốt, huỳnh quang, phóng điện hoặc tinh thể lỏng trực tiếp hoặc gián tiếp.

Hình 2.4 :Sơ đồ chân của IC 4511

 Thông số kỹ thuật

- Số chân: 16

- Điện áp hoạt động: 2V - 6V - Dòng tiêu thụ tối đa: 6mA

- Các chân đầu vào BCD: A, B, C, D - Đầu ra LED 7 đoạn: a, b, c, d, e, f, g

- Đầu vào điều khiển: LE (Latch Enable) / Strobe, BL (Blanking), LT (Lamp Test)

- Chế độ hoạt động: mã BCD vào, chuyển đổi và điều khiển đèn LED 7 đoạn - Điện trở đầu ra tối đa: 40 ohm

- Dòng điện đầu ra tối đa: 25mA

1.1.4 Giới thiệu về IC4081

Là một IC CMOS nguyên khối được cấu tạo với các bóng bán dẫn chế độ nâng cao kênh N và kênh P Các cổng AND cung cấp cho người thiết kế hệ thống khả năng triển khai trực tiếp chức năng AND và bổ sung cho dòng cổng CMOS hiện có Các loại CD4073B, CD4081B và CD4028B được cung cấp dưới dạng gói gốm sứ hai hàng 14 chân ( hậu tố E), gói phẳng gốm 14 chân ( hậu tố K) và ở dạng chip ( hậu tố H).

Hình 2.5 : Sơ đồ chân của IC 4081

Bảng 2.3 Chức năng của các chân của IC 4081

A1 đến A4 1, 6, 8, 13 Đầu vào Đầu vào A của 4 cổng AND B1 đến B4 2, 5, 9, 12 Đầu vào Đầu vào B của 4 cổng AND Q1 đến Q4 3, 4, 10, 11 Đầu ra Đầu ra của 4 cổng AND

 Thông số kỹ thuật :

- Hoạt động ở tốc độ trung bình - t PLH , t PHL = 60 ns (điển hình) tại VDD = 10 V

- Đã kiểm tra 100% cho dòng tĩnh ở 20 V

- Dòng điện đầu vào tối đa 1 µA ở 18 V trên toàn dải nhiệt độ đóng gói: 100 nA ở 18 V và 25°C

- Biên độ nhiễu (phạm vi nhiệt độ gói đầy đủ) = 1 V tại V DD = 5 V; 2 V tại V DD = 10 V; 2,5 V tại V DD = 15 V

- Đặc tính đầu ra đối xứng, tiêu chuẩn hóa - Xếp hạng tham số 5V, 10V và 15V

1.1.5 Giới thiệu về IC4060

Là chip CMOS có bộ đếm nhị phân và bộ dao động Nó có thể được sử dụng để tạo ra độ trễ thời gian có thể lựa chọn hoặc để tạo ra các tín hiệu có tần số khác nhau.

Hình 2.6 Sơ đồ chân của IC4060

CD4060 bao gồm một phần dao động và 14 giai đoạn đếm nhị phân mang gợn sóng Cấu hình bộ dao động cho phép thiết kế mạch dao động RC hoặc tinh thể Đầu vào RESET được cung cấp để đặt lại bộ đếm về trạng thái all-O và vô hiệu hóa bộ dao động Mức cao trên dòng RESET sẽ hoàn thành chức năng đặt lại Tất cả các giai đoạn truy cập đều là Flip-Flop Trạng thái của bộ đếm được nâng lên một bước theo thứ tự nhị phân trên quá trình chuyển đổi âm Tất cả đầu vào và đầu ra đều được đệm đầy đủ Hành động kích hoạt Schmitt trên đường xung đầu vào cho phép thời gian tăng và giảm xung đầu vào không giới hạn

Bảng 2.4 Chức năng các chân của IC4060

Q3-Q9 1-7 Đầu ra Các đầu ra bộ đếm

CLK 11 Đầu vào Chân đầu vào đồng hồ / bộ dao động

 Thông số kỹ thuật

- Đầu vào xung Schmitt trigger cho phép thời gian tăng và giảm không giới hạn - Hoạt động hoàn toàn tĩnh với đầu vào và đầu ra được đệm

- Phạm vi đếm: 0 đến 16383 (giá trị thập phân)

- Tần số xung clock tối đa là 30MHz với VDD = 10V - Hoạt động tốc độ trung bình: 8MHz với VDD = 10V - Chân và chức năng tương thích với IC họ TTL - Độ trễ truyền reset: 25ns với nguồn cấp 5V

- Tần số tối thiểu của bộ dao động RC: 690kHz với VDD = 10V

1.1.6 Giới thiệu về IC4013

Flip-flop kép loại D CD4013B là mạch tích hợp MOS (CMOS) bổ sung nguyên khối được chế tạo với các bóng bán dẫn chế độ nâng cao kênh N và P Mỗi flip-flop có các đầu vào dữ liệu, thiết lập, đặt lại và đồng hồ độc lập và các đầu ra “Q” và “Q” Các thiết bị này có thể được sử dụng cho các ứng dụng đăng ký dịch chuyển và bằng cách kết nối đầu ra “Q” với đầu vào dữ liệu, cho các ứng dụng bộ đếm và chuyển đổi Mức logic hiện diện ở đầu vào “D” được chuyển sang Đầu ra Q trong quá trình chuyển đổi theo chiều dương của xung đồng hồ Việc cài đặt hoặc cài đặt lại độc lập với đồng hồ và được thực hiện ở mức cao trên dòng cài đặt hoặc cài đặt lại tương ứng