Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng JK – FF.

Đồ án môn học: Kỹ thuật xung số Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng JK – FF.

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

🙢🙢🙢 ĐỒ ÁN MÔN KỸ THUẬT XUNG SỐ

TÊN ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM THUẬN NGHỊCH, NHỊPHÂN, ĐỒNG BỘ Kđ=8, SỬ DỤNG JK-FF HIỆN THỊ KẾTQUẢ ĐẾM TRÊN LED 7 THANH,CÓ ĐẦU RA BÁO KHI GẶP

SỐ ĐẾM 3, 6

Giáo viên hướng dẫn : TS Hà Thị Phương

Sinh viên thực hiện :

PHIẾU GIAO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

HỌC PHẦN ĐỒ ÁN KỸ THUẬT XUNG – SỐI Thông tin chung

1 Mã lớp học phần: 20231FE6021.002 Khóa: K162 Tên nhóm: Nhóm 13

3.Họ và tên thành viên trong nhóm:

Sinh viên 1: Nguyễn Thế Anh MSV: 2020602230Sinh viên 2: Nguyễn Công Thành MSV: 2021602429

Nội dung học tập

1 Tên đề tài: Thiết kế mạch đếm thuận nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sử dụngJK-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 3, 6

2 Hoạt động của sinh viên (xác định các hoạt động chính của sinh viên trong quá

trình thực hiện Đồ án để hình thành tri thức, kỹ năng đáp ứng mục tiêu/chuẩn đầu ranào của học phản).

TNội dung cần thực hiện

CĐR Thời gian hoànthành

2 Xác định yêu cầu bài toán Tuần 113 Xây dựng sơ đồ khối chức năng và xác định

4 Phân tích và thiết kế sơ đồ nguyên lý Tuần 125 Thử nghiệm và hiệu chỉnh Tuần 126 Thiết kế mạch in và lắp ráp Tuần 137 Viết và hoàn thiện báo cáo Bài tập lớn mô tả

các nội dung đã thực hiện Tuần 15

3 Sản phẩm nghiên cứu (xác định cụ thể sản phẩm của chủ đề nghiên cứu cần đạt được)

- Nội dung mô tả xác định yêu cầu bài toán

- Nội dung thể hiện việc xây dựng sơ đồ khối chức năng và nhiệm vụ các khối- Nội dung thiết kế sơ đồ nguyên lý và mô phỏng mạch điện

- Mạch in đã thiết kế, lắp ráp, hiệu chỉnh và hoàn thiện

- Báo cáo Đồ án theo mẫu BM03 của quyết định số 815/QĐ-ĐHCN ngày 18 tháng 8năm 2019 của trường ĐH Công nghiệp Hà nội (Phụ lục 3), bao gồm các nội dungsau:

TTNội dung báo cáo đồ án

1 Mở đầu (Nêu lý do chọn đề tài; Mục tiêu của đề tài; Phương pháp thực hiện2 Phần 1 Tổng quan (Nêu tổng quan về vấn đề cần nghiên cứu; Cơ sở xác định

đề tài; Ứng dụng trong thực tiễn …)

3 Phần 2 Xây dựng sơ đồ khối; Tính toán, mô phỏng và thiết kế sơ đồ nguyên lý4 Phần 3 Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh

5 Kết luận

6 Tài liệu tham khảo7 Phụ lục (Nếu có)II.Nhiệm vụ học tập

1 Hoàn thành Đồ án theo đúng quy định (từ ngày 20/11/2023 đến ngày 23/12/2023).

2 Báo cáo sản phẩm và trình bày kết quả thực hiện nghiên cứu theo đề tài đã đượcgiao trước giảng viên và các sinh viên.

III Học liệu thực hiện Đồ án

thuật xung - số, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2014

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án (nếu có): Máy tính cá nhân, phần mềm vẽ mạch điện tử, mô phỏng mạch điện, board mạchđiện, mạch điện, các linh kiện điện tử cần thiết cho đề tài.

CHƯƠNG 2 Tính toán, thiết kế mô phỏng 10

2.1Cơ sở lý thuyết và tính toán bộ đếm 10

2.1.1 Phần tử nhớ 10

2.1.2 Phần tử nhớ JK-FF 10

2.1.3 Bộ đếm 12

2.1.4 Thiết kế bộ đếm bằng JK-FF 13

2.1.5 Thiết kế bộ đếm báo khi gặp số đếm 3,6 19

2.2Mô phỏng bộ đếm trên máy tính 19

CHƯƠNG 3 Lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh 26

Hình 1 Sơ đồ khối của Flip-Flop 10

Hình 2 Sơ đồ mạch logic của JK-FF 11

Hình 13 Bộ giải mã tích hợp LED 7 thanh 25

Hình 14 Bộ báo hiệu khi đếm được 3 xung 25

Hình 15 Bộ đếm hoàn chỉnh 26

Hình 16 Sơ đồ chân của SN74LS73N 27

Hình 17 Sơ đồ chân của SN74HCOON 27

Hình 18 Sơ đồ chân của SN74LS32N 28

Bảng 5 Bảng tối thiểu của J3 16

Bảng 6 Bảng tối thiểu của K3 16

Bảng 7 Bảng tối thiểu của J2 17

Bảng 8 Bảng tối thiểu của K3 17

Bảng 9 Bảng tối thiểu của J1 18

Bảng 10 Bảng tối thiểu của K1 18

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử màtrong đó là kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật,quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin… do đó chúng ta phải nắm bắt vàvận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹthuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng.

Xuất phát từ những đợt đi thực tập tốt nghiệp tại nhà máy và tham quan các doanhnghiệp sản xuất, chúng em đã được thấy nhiều khâu được tự động hóa trong quá trìnhsản xuất Một trong những khâu đơn giản trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó làsố lượng sản phẩm làm ra được đếm một cách tự động.

Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chưađược áp dụng trong những khâu đếm sản phẩm, đóng bao bì mà vẫn còn sử dụng nhâncông.

Từ những điều đã được thấy đó và khả năng của chúng em, chúng em muốn làm mộtđiều gì nhỏ để góp phần vào giúp người lao động bớt phần mệt nhọc chân tay mà chophép tăng hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời đảm bảo được độ chính xác

cao Nên chúng em quyết định thiết kế mạch đếm thuận nghịch, nhị phân, đồng bộ

Kđ=8, sử dụng JK-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp sốđếm 3,6

1.1 Mục đích nghiên cứu

Nắm chắc được nguyên lý làm việc của các thành phần điện tử cơ bản

Biết cách kết hợp các thành phần điện tử khác nhau tạo ra một mạch đếm đạt được cácyêu cầu của bài tập lớn

Biết cách sử dụng một số phần mềm mô phỏng mạch phổ biến để mô phỏng được bộđếm sản phẩm trước khi đi vào chế tạo

Nắm được quy trình chế tạo mô hình thực một mạch đếm sản phẩm Hiểu được cấu tạo, cách thức hoạt động của bộ đếm sản phẩm

1.2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Bộ đếm sản phẩm sử dụng trong công nghiệp và cách chế tạo một bộ đếm sảnphẩm đơn giản Các phần tử logic và phần tử nhớ cơ bản (JK-FF), bộ IC giải mã hiển thịsố trên LED 7 thanh Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp thu thập dữ liệu; Phươngpháp phân tích; Phương pháp thử nghiệm và chọn lọc

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Nội dung lý thuyết: Kiến thức được áp dụng trong suốt bài tập lớn thuộc phạm vihọc phần Kỹ thuật xung số, khoa điện tử trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Sảnphẩm bài tập lớn sử dụng phần mềm Proteus 8 Professional để phục vụ mô phỏng vàchế tạo Bài tập lớn cùng với sản phẩm được nghiên cứu và hoàn thiện để phục vụ việcđánh giá chất lượng sinh viên và cho mục đích tham khảo trong phạm vi trường Đại họcCông nghiệp Hà Nội.Các thiết bị được sử dụng trong quá tình làm đồ án: Máy tính vàmột số dụng cụ điện khác

1.4 Ứng dụng

Sản phẩm bộ đếm sản phẩm có thể được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất tựđộng và bán tự động để đếm sản phẩm trên băng chuyền, làm thiết bị hỗ trợ việc đónggói Ngoài ra bộ đếm sản phẩm còn được sử dụng trong đời sống như việc đếm xe ravào trong bãi đỗ xe, đếm số lượng hành khách qua cửa,… Bộ đếm sản phẩm giúp việckiếm kê số lượng sản phẩm chính xác và nhanh chóng hơn, thay thế sức lao động conngười, nâng cao năng suất trong sản xuất

1.5 Ý nghĩ đồ án

Bài tập lớn giúp sinh viên bước đầu hiểu rõ hơn về mô hình bộ đếm được sử dụngtrong thực tế Biết được cách thức hoạt động của những linh kiện điện tử trong hệ thống

đếm Bên cạnh đó bài tập lớn cũng tạo điều kiện cho sinh viên tự tìm tòi, nghiên cứu vàhoàn thiện một sản phẩm, rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm, sử dụng các phần mềm môphỏng thành thạo Đây là cơ sở nền tảng để phát triển các sản phẩm lớn hơn trong tươnglai

CHƯƠNG 2 Tính toán, thiết kế mô phỏng2.1 Cơ sở lý thuyết và tính toán bộ đếm

2.1.1 Phần tử nhớ

Tín hiệu số nhị phân là tín hiệu cơ bản trong mạch số FF là phân tử cơ bản lưu trữ (nhớ)tín hiệu nhị phân, vì một bít tín hiệu nhị phân có thể nhận một trong hai giá trị 0, 1 nênFF tối thiểu cần cố chức năng sau :

1 - Có hai trạng thái ổn định, trạng thái 0 và trạng thái 1, 2 - Có thể tiếp thu, lưu trữ và đưa ra tín hiệu vào

Đương nhiên, thực tiễn còn đề ra các yêu cầu khác

Hình 1 Sơ đồ khối của Flip-Flop

Có 4 loại phần tử nhớ cơ bản là SR-FF, JK-FF, D-FF, T-FF với các chức năng làm việc của các đầu vào chức năng khác nhau tùy theo từng loại phần tử nhớ

2.1.2 Phần tử nhớ JK-FF

JK – FF là một loại FF vạn năng và có nhiều ứng dụng

JK Flip-Flop cũng tương tự như một R-S khoá và có các đầu ra hồi tiếp về đầu vào nhưhình dưới đây

Hình 2 Sơ đồ mạch logic của JK-FF

Một ưu điểm của J-K Flip-Flop là nó không có trạng thái không xác định như của R-Skhi cả hai đầu vào ở mức 1 Ví dụ, nếu J = K = 1; Q = 1 và 𝑄̅ = 0; khi có xung nhịpđến, chỉ có cổng cho phép truyền dữ liệu vào, còn cổng 1 sẽ ngăn lại Mức 0 tại đầu racủa cổng 2 sẽ khiến cho phần tử nhớ chuyển trạng thái Như vậy, khi các đầu vào đều ởmức cao, đầu ra sẽ đảo hay lật (toggle) trạng thái tại mỗi xung nhịp vào

Nhận xét:

+ Phương trình đặc trưng của JK – FF có dạng: 𝑄 = 𝐽 𝑄̅ + 𝐾̅ 𝑄 + Có sự tương ứng

giữa JK và RS, J tương ứng với S, K tương ứng với R nhưng tổ hợp 11 trong JK vẫnđược sử dụng mà không bị cấm như trong RS.

JK = 00 FF luôn giữ nguyên trạng thái JK = 01 FF luôn chuyển đến trạng thái 0 JK = 10 FF luôn chuyển đến trạng thái 1 JK = 11 FF luôn lật trạng thái

Bảng 2 Bảng trạng thái của JK-FF

JK Flip-Flop chỉ có một khả năng cho trạng thái không xác định, đó là khi độ dài xungnhịp lớn hơn thời gian truyền đạt Giả thiết, Flip-Flop đang ở trong trạng thái: Q = 0 , 𝑄̅=1 và J = K = 1 Khi có xung nhịp đến, đầu ra sẽ đảo trạng thái sau một khoảng thờigian truyền đạt “t” : Q = 1 và 𝑄̅ = 0 Tuy nhiên, do vẫn có xung nhịp kích thích, đầu rasẽ hồi tiếp trở lại đầu vào khiến mạch có xu hướng dao động giữa 0 và 1 Bởi thế, tạithời điểm cuối của xung nhịp, trạng thái của Flip-Flop sẽ không được xác định Hiệntượng này gọi là hiện tượng đua vòng quanh và có thể gây nên chuyển biến sai nhầmcủa mạch Người ta khắc phục hiện tượng này bằng cách sử dụng mạch JK FF kiểu chủtớ

2.1.3 Bộ đếm

Bộ đếm là một mạch dãy đơn giản được xây dựng tử các phần tử nhớ và các phần

tử tổ hợp Bộ đếm là thành phần cơ bản của các hệ thống số, chúng được sử dụng đểđếm thời gian, chia tần số hay điều khiển các mạch khác

Khi không có tín hiệu vào đếm (X) mạch giữ nguyên trạng thái hiện tại (𝑆𝑖), khí có tínhiệu vào đếm (𝑋𝑑 ) mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp (Si+1)

Khi bộ đếm ở trạng thái 𝑆𝐾𝑑−1(với 𝐾𝑑 là hệ số đếm) nếu tác động một tín hiệu vào đếmthì bộ đếm sẽ trở về trạng thái ban đầu (𝑆0)

Hình 4 Đồ hình trạng thái tổng quát của bộ đếm

Bộ đếm có nhiều loại và được phân loại theo nhiều cách khác nhau: Theo cách làm việc: Bộ đếm đồng bộ, bộ đếm không đồng bộ

Theo hệ số đếm: Bộ đếm có hệ số đếm 𝐾𝑑 = 2𝑛và bộ đếm có hệ số đếm 𝐾𝑑 ≠ 2𝑛 Theo loại mã: Bộ đếm mã nhị phân, mã gray, mã BCD, mã Johnson,…

Theo hướng đếm: Bộ đếm thuận, bộ đếm nghịch

Theo khả năng lập trình: Bộ đếm có thể lập trình và bộ đếm không thể lập trình

2.1.4 Thiết kế bộ đếm bằng JK-FF

Thiết kế bộ đếm thuận nghịch Kđ = 8

Để tiến hành thiết kế bộ đếm ta thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Xác định, phân tích yêu cầu bài toán

Nhiệm vụ được giao là thiết kế bộ đếm thuận nghịch, đồng bộ với Kđ = 8.

Bước 4: Thiết lập biểu thức (Sử dụng phương pháp bảng Karnaugh)

Dựa vào đồ hình chuyển đổi trạng thái, bảng mã hóa trạng thái kết hợp với bảng kíchJK-FF ta xây dựng được bìa Karnaugh tương ứng với bộ đếm

Bảng 4 Bảng chuyển đổi trạng thái và giá trị đầu vào kích của JK-FF(bìa Karnaugh)

R Q3Q2Q1 Q3’Q2’Q1’ J3 K3 J2 K2 J1 K1S0

Bảng 10 Bảng tối thiểu của K1

Từ đó ta thu được các biểu thức đầu vào của các JK-FF 𝐽1 = 𝐾1 = 1

𝐽2 = 𝐾2 =R.Q1+R Q 1=R⨁ Q 1

𝐽3 = 𝐾3 = R.Q2.Q1+R Q 2 Q 1

2.1.5 Thiết kế bộ đếm báo khi gặp số đếm 3,6

Bước 1: Xác định, phân tích yêu cầu bài toán

Đề bài yêu cầu báo khi gặp số điếm 3.6, sử dụng bộ đếm thuận Kđ = 8, dùng 3 trạng tháiđầu để đếm ba xung, trạng thái cuối làm tín hiệu reset JK-FF

Bước 2: Thiết lập bảng giá trị , xây dựng biểu thức

2.2 Mô phỏng bộ đếm trên máy tính

Sử dụng phần mềm Proteus 8 Professional và các kết quả đã tính toán ở mục trên, từngbước mô phỏng bộ đếm sản phẩm trên máy tính Proteus 8 Professional là một trong

những phần mềm mô phỏng được sử dụng rộng rãi hiện nay Sử dụng Proteus 8Professional ta có thể phác thảo mạch nguyên lý, mô phỏng hoạt động mạch ngoài thựctế, thiết kế PCB và đưa ra hình ảnh trực quan của mạch thành phẩm dưới dạng 3D phụcvụ cho việc chế tạo

Hình 6 Hình mô phỏng

Linh kiện sử dụng để thiết kế mạch đếm trong bài tập lớn bao gồm: Mạch tích hợp phần tử nhớ JK-FF: IC SN74LS73N Mạch tích hợp phần tử logic AND 2 đầu vào: IC SN74HC08N Mạch tích hợp bộ giải mã BCD thành mã 7 vạch: IC SN74LS47 Mạch tích hợp phần tử logic OR IC 74HC32NMạch tích hợp phần tử nhớ NOR IC 74HC85NMạch tích hợp phần tử nhớ NOT IC 74HC04NLED 7 thanh dương chung

Các linh kiện khác: Chân cắm nguồn DC 5.5mm, nút nhấn tự giữ và nhấn nhả (môphỏng xung từ cảm biến tiệm cận), điện trở (10k ,220k)

Đầu tiên, từ biểu thức các đầu vào chức năng và sơ đồ mạch logic đã dựng ở trên Takết nối các phần tử JK-FFcùng các cổng logic để tạo mạch đếm

Dựa vào biểu thức đầu vào của 𝐽1, ta xây dựng được mạch đầu vào 𝐽1 = 𝐾1 = 1

Hình 7 Mạch đầu vào J1

Ta có biểu thức đầu vào 𝐽2 = 𝐾2 và mạch đầu vào𝐽2 = 𝐾2 =R.Q1+R Q 1=R⨁ Q 1

Hình 8 Mạch đầu vào𝐽2

Ta có biểu thức đầu vào 𝐽3 = 𝐾3và mạch đầu vào𝐽3 = 𝐾3 = R.Q2.Q1+R Q 2 Q 1

Hình 9 Mạch đầu vào J3

Hình 10 Mô phỏng mạch đếm 8 xung

Mạch tạo xung cho mạch đếm thuận nghịch

Hình 11 Sơ đồ tạo xung sử dụng IC NE 555

Mạch ổn áp 5v sử dụng IC 7805

Hình 12 Sơ đồ mạch ổn áp dùng IC 7805

Các đầu ra Q1,Q2,Q3 của mạch đếm được nối tương ứng với chân A,B,C của mạch tíchhợp giải mã (IC SN74LS47N) và đầu ra của bộ giải mã được nối tương ứng với LED 7thanh tạo thành thành phần hiển thị kết quả cho bộ đếm

Hình 13 Bộ giải mã tích hợp LED 7 thanh

Thiết kế bộ báo hiệu khi đếm được 3 xung bằng đèn LED

Hình 14 Bộ báo hiệu khi đếm được 3 xung

Kết hợp tất cả các thành phần đã thiết kế ở trên, ta có sơ đồ mạch hoàn chỉnh của bộ

đếm

Hình 15 Bộ đếm hoàn chỉnh

CHƯƠNG 3 Lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh3.1 Linh kiện

IC SN74LS32N

Hình 18 Sơ đồ chân của SN74LS32N

IC SN74LS47N

IC SN74HC86N

Hình 20 Sơ đồ chân IC 74HC86N

IC SN74HC04

Hình 21 Sơ đồ chân IC74HC04

3.2 Chế tạo

Sau khi thiết kế và chế tạo, chúng em có sản phẩm thực tế như hình dưới

CHƯƠNG 4 Kết luận

Qua quá trình nghiên cứu và làm đồ án, chúng em nhận thấy đây là một đề tài hayvà ứng dụng thực tiễn cao, giúp chúng em có thể vận dụng những kiến thức đã học vàothực tế công việc như cách lựa chọn linh kiện, cách thiết kế mạch, cách phân tích, tínhtoán mạch; rèn luyện các kỹ năng cần thiết như hoạt động nhóm, kỹ năng làm mạch, kỹnăng phân tích vấn đề, giải quyết vấn đề, kỹ năng làm việc độc lập có hiệu quả; thànhthạo các phần mềm hỗ trợ, thiết kế như Proteus; giúp hiểu hơn cách kết hợp các linhkiện, các nguyên lý làm việc của chúng để đạt được yêu cầu đề bài

Sản phẩm của chúng em tuy hoạt động về cơ bản đúng nguyên lý nhưng vẫn cònmột số hạn chế hiện tại chưa thể khắc phục được ngay mặc dù đã tìm ra được nguyênnhân xảy ra lỗi và phương án khắc phục Nhóm em sẽ cố gắng khắc phục sớm

Em xin gửi lời cảm ơn đến cô Hà Thị Phương đã truyền đạt cho chúng em những

kiến thức về kỹ thuật xung số và tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành báo cáo bài tậplớn