Đồ Án môn học Đề tài thiết kế mạch Đèn giao thông sử dụng ic 4017 và ic 74192 hiển thị trên led 7 thanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề Tài: Thiết kế mạch đèn giao thông sử dụng IC 4017 và IC 74192 hiển thị trên LED 7 thanh Giảng viên hướng dẫn: TS... Hoạt độ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Đề Tài: Thiết kế mạch đèn giao thông sử dụng

IC 4017 và IC 74192 hiển thị trên LED 7 thanh

Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Văn Tùng Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 04 Lớp: 20241FE6009002 – Khoá 17

Hà Nội, tháng 10 năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Đề Tài: Thiết kế mạch đèn giao thông sử dụng

IC 4017 và IC 74192 hiển thị trên LED 7 thanh

Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Văn Tùng Lớp: 20241FE6009002 – Khoá 17

Nhóm 04

Nguyễn Công Duy

Đặng Nhật Hào

Chu Minh Hiếu

2022607860 2021608201 2022606774

Hà Nội, tháng 10 năm 2024

PHIẾU GIAO ĐỒ ÁN MÔN HỌCHỌC PHẦN ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

I Thông tin chung

1 Mã lớp học phần: 20241FE6009002 Khóa: 17

2 Tên nhóm: Nhóm 4

3 Họ và tên thành viên trong nhóm:

Sinh viên 1: Lê Đức Duy Mã SV: 2022607118

Sinh viên 2: Nguyễn Hữu Duy Mã SV: 2022605867 Sinh viên 3: Nguyễn Công Duy Mã SV: 2022607860 Sinh viên 4: Đặng Nhật Hào Mã SV: 2021608201 Sinh viên 5: Chu Minh Hiếu Mã SV: 2022606774

II Nội dung học tập

1 Tên đề tài: Thiết kế mạch đèn giao thông sử dụng IC74192 và IC 4017, hiển thị trên Led 7 thanh.

2 Hoạt động của sinh viên:

1 Thiết kế được các mạch điện tử có chức năng đáp ứng

2 Giao tiếp được bằng văn bản và bằng đồ họa trong môi

3 Giao tiếp được bằng văn bản và bằng đồ họa trong môi

5 Lựa chọn và sử dụng các tài liệu kỹ thuật phù hợp L5

7 Triển khai được kế hoạch làm việc nhóm và đóng góp

8 Điều phối được nhóm làm việc hiệu quả với vai trò

3 Sản phẩm nghiên cứu:

1 Slide thuyết trình Theo đề tài đồ án 01

- Thiết kế hệ thống điện tử đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của sinh viên thông qua sản phẩm của đồ án.

- Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo đề tài được giao trước giảng viên và các sinh viên khác.

IV Học liệu thực hiện Đồ án

Hà Nội, ngày 09 tháng 9 năm 2024

Trưởng bộ môn Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

TS Trần Đình Thông TS Trần Văn Tùng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bào báo cáo này, nhóm chúng em xin được bày tỏ sự kínhtrọng và lòng biết ơn tới nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em học tập Đặcbiệt, chúng em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Giảng viên hướng dẫn – TS.Trần Văn Tùng, người đã tận tâm chỉ bảo và hướng dẫn nhóm chúng em rấtnhiều trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Với kinh nghiệm còn hạn chế, nhóm chúng em trong quá trình làm và thựchiện đồ án môn vẫn còn những thiếu sót chưa hoàn chỉnh được như ý Nhưng sauquá trình thực hiện đề tài nhóm chúng em cũng đã rút ra được rất nhiều kinhnghiệm để sau này có thể hoàn thiện tốt hơn ở những học phần sau cũng như ứngdụng vào kinh nghiệm thực tế sau này

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện

Lê Đức DuyNguyễn Hữu DuyNguyễn Công DuyĐặng Nhật HàoChu Minh Hiếu

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Vấn đề khiến giao thông tại các ngã ba, ngã tư mà không cần đến sự cómặt thường trực của cảnh sát giao thông để phân luồng, người ta sử dụng các đèngiao thông báo hiệu: đèn xanh là được phép di chuyển, đèn vàng là giảm tốc độ

và đèn đỏ là dừng lại Việc sử dụng đèn tín hiệu giao thông như vậy đã giảmthiểu tắc đường và những vụ tai nạn không mong muốn

Nhận thấy đây là vấn đề sát thực với những kiến thức đã được trang bị

trong quá trình học tập và nghiên cứu, nhóm em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế

mạch đèn giao thông sử dụng IC 4017, IC 74192 hiển thị trên LED 7 thanh”

để làm sản phẩm cho học phần “Đồ án Điện tử cơ bản” này

Trong đề tài này bọn em nghiên cứu chủ yếu về nguyên lý hoạt động củađèn giao thông có hiển thị số đếm trên led 7 thanh thông qua IC đếm 74192, cáchhoạt động của IC 4017, IC 555 Thực hiện viết báo cáo và làm mạch in, môphỏng, kiểm thử các điểm đo của mạch, tạo ra sản phẩm thực tế có thể chạy đượctheo yêu cầu của đề tài

MỤC LỤC

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 8

1.1 Tổng quan 8

1.2 Nhiệm vụ đề tài 9

1.3 Phân chia công việc trong nhóm 9

PHẦN 2 LÝ THUYẾT 10

2.1 Các linh kiện sử dụng trong đồ án 10

2.2 Nguyên lý 15

2.2.1 Tạo nguồn 5V 15

2.2.2 Nguyên lý tạo xung IC 555 15

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của IC 74192 15

2.2.4 Giải mã của IC 7447 16

2.2.5 Hiển thị LED 7 thanh và LED đơn 16

PHẦN 3 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 18

3.1 Yêu cầu 18

3.2 Thông số kỹ thuật 18

3.3 Xác định yêu cầu bài toán 19

3.4 Phân tích thiết kế 19

3.5 Sơ đồ khối hệ thống 21

3.6 Nguyên lý hoạt động các khối 22

3.6.1 Khối nguồn 22

3.6.2 Khối tạo xung 23

3.6.3 Khối đếm 23

3.6.4 Khối giải mã và hiển thị 24

3.7 Mô phỏng Proteus 25

3.8 Mô phỏng Altium 26

26

và số vụ tai nạn cũng ngày một nhiều Trong khi đó, hệ thống đường xá tại nước

ta còn nhiều hạn chế thường gây ra các hiện tượng ùn tắc giao thông và tại nạngiao thông

Để giải quyết tình trạng này, hệ thống đèn giao thông là rất cần thiết để điềukhiển giao thông công cộng, giúp đảm bảo an toàn cho người tham gia giaothông, hạn chế ùn tắc và giảm thiểu tai nạn giao thông Bằng các kiến thức đãhọc qua các môn học: Điện tử số, Thực hành điện tử tương tự và Thực hành điện

tử cơ bản, đã cung cấp cho chúng em nhiều kỹ năng hữu ích để thực hiện đồ án.Các kỹ năng hàn mạch, thiết kế mạch, đo đạc số liệu là những kỹ năng vô cùngquan trọng ảnh hưởng lớn đến chất lượng của đồ án

Từ thực tiễn, chúng em chọn đề tài “Thiết kế hệ thống ngã tư đèn giao thông sửdụng IC số” làm đề tài cho đồ án nhằm giúp cho mọi người ý thức hơn trong việcchấp hành luật lệ giao thông, đặc biệt là giao thông đường bộ Việc có đèn tínhiệu điều thiết giao thông tại các nút thắt này là điều rất cần thiết, vừa giảm thiểutắc đường vào giờ cao điểm, vừa hỗ trợ cảnh sát giao thông và đặc biệt là giảmthiểu rủi ro tai nạn

vẽ mạch in Altium và mô phỏng trên phần mềm Proteus.

Nội dung 3: Tìm hiểu và thực hiện cách làm mạch in trong thực tế.

1.3 Phân chia công việc trong nhóm

Nhiệm vụ Người thực hiện Thời gian

thực hiệnTìm hiểu nguyên lý hoạt động

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động

Lưu ý: Mỗi sinh viên sẽ chọn một trong các nội dung trên đề tìm hiểu

trong thời gian đã quy định trước và sau khi nghiên cứu mỗi sinh viên có trách nhiệm giải thích cho các thành viên trong nhóm về nội dung đã được giao

Các quy định trong nhóm:

 Hoàn thành đúng tiến độ các công việc được giao

 Tham gia đầy đủ và đúng giờ các cuộc họp (nếu vắng phải có lý do)

 Đóng góp đầy đủ vào quỹ

 Tích cực trong việc nghiên cứu và tham gia hỗ trợ các thành viên khác trong nhóm

Nếu không thực hiện đúng quy định, nhóm sẽ xem xét báo cáo với GVHDloại khỏi nhóm

PHẦN 2 LÝ THUYẾT

2.1 Các linh kiện sử dụng trong đồ án

Máy biến áp dùng để thay đổi hiệu điện thế xoay chiều, hay tăng thế hoặc

hạ thế và đóng vai trò rất quan trọng trong việc truyền tải điện năng [8]

Hình 2.1 Cấu tạo của máy biến áp

IC 555 hoạt động với chế độ dao động đa hài phi ổn để tạo ra xung vuông.

Độ rộng của xung có thể được điều chỉnh bằng biến trở.

- Thông số kỹ thuật của IC 555:

 Điện áp đầu vào: 4.5-16V

 Dòng điện cung cấp : 10mA - 15mA

 Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

 Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V

 Công suất lớn nhất là : 600mW

Hình 2.2 Cấu tạo của IC 555

IC 74192 là IC đếm thuận/nghịch nhị phân 4 bit có đầu ra nối tiếp khi tràn IC này được ứng dụng làm đồng hồ cho các giai đoạn hoạt động tiếp theo mà không cần sử dụng thêm logic IC 74192 giúp đơn giản hóa việc thiết kế bộ đếm có nhiều tầng.

Một số tính năng và thông số của IC 74192:

 Tốc độ cao, tần số điển hình là 40MHz

 Dải điện áp hoạt động: Từ 2 – 6 V

 Dòng điện tối đa được phép qua mỗi cổng ra: 8mA

 Công suất: 90mW

 Tính năng đếm đồng bộ

 Reset chính không đồng bộ và tải song song

 Có đầu vào preset riêng lẻ

 Mạch phân tầng được cấp nội bộ

Hình 2.3 cấu tạo của IC 74192

IC 7447 được sử dụng trong bộ chuyển đổi BCD trong LED 7 thanh hiểnthị từ số 0 đến số 9 Đầu vào nhận các giá trị nhị phân, BCD xử lý giải mã ra sốthập phân và hiển thị thông qua LED 7 thanh [5]

Một số tính năng và thông số kỹ thuật của IC 7447

Cho dải điện áp rộng hơn

Người dùng không cần lắp thêm điện trở ở bên ngoài

Có 4 đầu vào nhưng có đến 7 đầu ra

 IC được đóng gói với 16 chân trong 1 dòng kép DIP

 Bộ chuyển đổi BCD sang led 7 đoạn, hiển thị giá trị từ 0 đến 9

 Nguồn cấp hoạt động tốt nhất trong khoảng điện áp 5V (có thể giao động

từ 4.75V – 5.25V)

Hình 2.4 cấu tạo của IC 7447

Cấu tạo bên trong IC số 7432 có 4 cổng logic OR, mỗi cổng có 2 ngõ vào và 1 ngõ ra được ứng dụng trong các mạch logic cơ bản, bộ mã hóa,

bộ giải mã, bộ ghép kênh, bộ tách kênh, mạch dao động, hệ thống kỹ thuật số và mạng.

Một số tính năng và thông số kỹ thuật của IC 74LS32:

 Dải điện áp hoạt động: 2 - 6V.

 Dòng điện tối đa được phép rút qua mỗi đầu ra cổng: 8mA.

 Bao gồm 4 cổng OR, mỗi cổng có 2 ngõ vào, 1 ngõ ra.

 Kiểu chân: DIP 14.

Hình 2.5 Cấu tạo của IC 7432 [6]

IC 4017 là một bộ đếm đơn giản trong công nghệ điện tử số Đây là một

bộ đếm đơn giản ở dạng chia tỉ số của 10, tức là nó sẽ đếm từ 0 đến 9 trước khichuyển sang đếm từ 0 lại IC này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đếm,chuyển đổi tín hiệu và điều khiển các mạch đơn giản [4]

Một số tính năng và thông số kỹ thuật của IC 4017:

Cấu tạo:

 LED 7 đoạn bao gồm 8 LED được kết nối song song để có thể thắp sáng hiển thị số “0, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, A, b, C, d, E, F, …”.

 Mỗi đoạn Led được đánh dấu từ A tới G.

 Đoạn thứ tám gọi là “chấm thập phân” (Decimal Point) ký hiệu DP được sử dụng khi hiển thị số không phải là số nguyên.

Phân loại: Dựa vào các cực được nối, có thể phân loại LED 7 đoạn như sau:

 Loại dương chung (Common Anode): nếu cực dương (anode) của tất

cả 8 LED được nối với nhau và các cực âm (cathode) đứng riêng lẻ.

 Dòng tối đa chạy qua mỗi LED là 25mA.

Dòng chạy bình thường: 10mA

2.2.2 Nguyên lý tạo xung IC 555

Ta cần phải cung cấp xung clock cho mạch thì các IC đếm mới hoạtđộng được Vì vậy trong khối tạo xung này ta sử dụng IC 555 làm linh kiệnchính kết hợp với các tụ điện và điện trở, biến trở tạo ra xung clock có tần số1Hz

Tần số dao động của mạch được đưa ra là:

f =ln (2)× ( R1+2 × R 2) ×C 31 = 1

ln(2) ×(1000 Ω+2× 72000 Ω)×10 ×10−6F ≈ 1 Hz[10]

Ta có thể thay đổi được tần số xung clock bằng cách tuỳ chỉnh biến trở vàquan sát nó bằng đèn led trong khối.

Lưu ý: - Tụ điện C2 (100pF) được kết nối với chân số 5 (chân 5 - cực điện

áp điều khiển) thực ra không cần sử dụng Tụ điện này được sử dụng để tránh cácvấn đề nhiễu có thể phát sinh trong mạch nếu chân đó bị hở

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của IC 74192

- Chế độ đếm ngược của ic 74192

(Điều kiện đếm ngược: chân 11 = 1, chân 14 = 0, chân 4 nhận xung từ 0-1)

Khi cấp nguồn chân 14 = 0, chân 4 nhận xung clock 0-1 với tần số 1HZđầu ra chân 13 đồng bộ với chân 4

=> chân 11 nhận tín hiệu giống với chân 4 mạch không xác định trạng tháiđếm đồng thời cấp xung sang chân 14 của ic 4017 làm chuyển đổi trạng thái theoxung clock cấp vào chân 4

Sau khi nhận tín hiệu từ IC logic ở trên độ preset, đếm hết chu kỳ ở đượcthiết lập ở cổng input chân 13 về 0

=> chân 4 của IC 74192 thứ 2 chuyển trạng thái

=> mạch đếm ngược trình từ liện tục đến khi chân 13 của IC 74192 thứ 2

về 0 tạo ra xung clock vào IC 4017 và làm chuyển sang trạng thái tiếp theo

- Chế độ reset của ic 74192

Khối đếm có chức năng nhận tín hiệu xung clock từ khối tạo xung, thựchiện các phép toán logic và đưa kết quả sang khối giải mã Nút nhấn được nối vớichân 14 của IC Khi bấm nút bị reset chân 14 bị chuyển trạng thái từ 0 – 1

2.2.4 Giải mã của IC 7447

Khối giải mã có chức năng nhân tín hiệu từ khối đếm, chuyển từ mã nhịphân sang mã LED 7 đoạn để hiển thị kết quả Các ngõ ra của IC 7447 nối với

Cách hoạt động của IC 7447:

- Các chân A, B, C, D: Đầu vào của 7447, nhận các giá trị nhị phân (BCD)

từ 0 đến 15, tương ứng với mỗi giá trị nhận được sẽ giải mã 1 đầu ra Q tươngứng

- Chân QA – QG : đươc nối trực tiếp LED 7 thanh trong đó QA=a, QB=b,QC=c, QD=d, QE=e, QF=f, QG=g Giá trị hiển thị trên LED 7 thanh sẽ phụthuộc vào giá trị đầu vào của các mạch [9]

2.2.5 Hiển thị LED 7 thanh và LED đơn

Khối hiển thị có chức năng hiển thị kết quả sau khi được nhận dữ liệu giải

mã từ khối giải mã

- Khi nhận được tín hiệu từ khối bộ đếm ic 7447 sẽ giải mã và gửi sang led

7 thanh hiển thị số , kết hợp với bộ tạo xung và ic 74192 led 7 thanh sẽ hiển thị

- Đối các LED đơn hiển thị các đèn giao thông thông qua ngõ ra của IC

4017 ở khối đếm

2.2.6 Nguyên lý hoạt động của IC 4017

Giải điện áp cấp cho ic từ 3V-5V

Tốc độ xung vận hành tối đa 5Mhz

Công suất thấp 10uW

Điều kiện để thực hiện chế độ dịch xung:

Chân 16 = 1, chân 8 = 0, chân 15 = 0 (reset khi = 1), chân 13 để cấp xungcho IC khác (không dùng đến = 0), chân 14 nhận tín hiệu clock vào từ 1-0 [4]

Hình 2.8 Sơ đồ thời gian hoạt động của IC 4017

PHẦN 3 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG

3.1 Yêu cầu

Hiển thị đèn báo hiệu: đèn giao thông được hiển thị ra theo trình tự đỏxanh vàng rồi lặp lại đồng thời xuất hiện với thời gian theo thứ tự thời gian đượcthiết lập được xuất qua led 7 thanh theo bộ đếm hệ thập phân

- Yêu cầu kĩ thuật thiết kế mạch in:

Hình 3.1 Tiêu chuẩn thiết kế mạch in

3.2 Thông số kỹ thuật

 Hệ thống sử dụng nguồn điện 5V

 Kích thước mạch chính: 120mm x 110mm

Khối nguồn

 Nguồn đầu vào: ~220V AC

 Nguồn đầu ra: 5V DC

 Dòng ra: 1A

 Kích thước mạch: 50mm x 30mm

 Đầu vào: INPUT +,

INPUT- Đầu ra: OUTPUT+,

OUTPUT-Khối tạo xung

 Nguồn cấp: 3.3V - 5VDC

 Tín hiệu ra: 1HZ

Khối bộ đếm

IC 4017: Xuất ra đèn LED 3 tín hiệu tương ứng với 3 màu Đỏ Xanh Vàng

IC 74912: Xuất ra tín hiệu bộ đếm để đưa vào bộ giải mã thiết lập bộ đếmngược theo thời gian quy định Mỗi khi kết thúc một khoảng thời gian bộ đếmxuất một tín hiệu vào ic 4017 để chuyển đổi trạng thái và tiếp tục thực hiện quytrình đếm ngược

LED 7 thanh

 Điện áp hoạt động là 5V

 Dòng điện tiêu thụ: 20mA

 Kích thước: 29 x 41mm

 Hiển thị màu đơn sắc tương ứng với 7 đoạn

 Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 2.54mm

3.3 Xác định yêu cầu bài toán

 Điện áp đầu vào khối nguồn 220V AC

 Điện áp đầu ra khối nguồn 5V DC

 Tần số tín hiệu vào hình sin 50Hz

 Tần số tính hiệu ra xung vuông 1Hz

 Dòng điện đầu vào 1A

3.4 Phân tích thiết kế

Từ các yêu cầu thiết kế trên nhóm xin đề xuất ra 3 phương án được tóm tắttrong Bảng 2.1

Nhận xét:

 Phương pháp sử dụng Vi điều khiểu Arduino tuy có tính linh hoạt cao

và có chức năng đa nhiệm nhưng yêu cầu hiểu biết về ngôn ngữ lập trình cao,chức năng quá mạnh mẽ so với yêu cầu đơn giản và có giá thành cao hơn so với

 Phương pháp sử dụng IC 7473 cần hiểu biết nhiều về toán tử logic đồngthời để ứng dụng cần phải phát triển làm cho mạch trở nên phức tạp trong việctính toán làm phát sinh thêm thời gian nghiên cứu.

 Phương pháp sử dụng IC 4017 và IC 74192 có chức năng ổn định, dễkiểm soát nên thích hợp cho các dự án độc lập, đơn giản và ổn định Đồng thờichi phí giá thành cũng rẻ và dễ dàng thay thế khi có lỗi

Kết luận: Phương pháp sử dụng IC 4017 và IC 74192 đảm bảo về yêu cầu

thiết kế và tiết kiệm chi phí nên phù hợp với dự án

đích

- 4017 có 2 chức năngreset và đếm hệ 10

- 74192 có 3 chức năngđếm tiến, lùi và đếm hệ10

- Phụ thuộc vào sơ

đồ nguyên lý củachân JK - FF để tạo

ra các bit tươngứng 2 chế độ: khôngđồng bộ, đồng bộ

Yêu cầu

kỹ thuật

Phải có kiến thức về lậptrình vi điều khiển

Sơ đồ nguyên lý phụthuộc vào Datasheet,cần tìm hiểu các chế độhoạt động

- Sơ đồ nguyên lýphụ thuộc vàodatasheet

Mức độ linh hoạtthấp, thiết lập chế độtrạng thái đếm đơnphát triển thêm phức

Dễ lắp ráp và thay thếnhưng khó khăn trongviệc đi dây mạch in

Dễ lắp ráp và thaythế nhưng mạch khiphát triển trở lênphức tạp khó lắp ráphơn