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 ra nào của học phản.. Sản ph
Trang 1KHOA ĐIỆN TỬ -o0o -
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 02 Lớp: 20234FE6009002 – Khoá 16
Hà Nội, tháng 08 năm 2024
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ -o0o -
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:
Trang 3PHIẾU GIAO ĐỒ ÁN MÔN HỌCHỌC PHẦN ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN
I Thông tin chung
1 Mã lớp học phần: 20234FE6009002 Khóa: 16
2 Tên nhóm: Nhóm 2
3 Họ và tên thành viên trong nhóm:
- Sinh viên 1: Hoàng Hữu Tuấn MSV: 2021600958
- Sinh viên 2: Đặng Đình Hùng MSV: 2021601064
- Sinh viên 3: Nguyễn Cảnh Tuân MSV: 2021601097
II Nội dung học tập
1 Tên đề tài: Thiết kế mạch đèn giao thông sử dụng IC 4017, IC 74192 hiển thịtrên LED 7 thanh
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
ra nào của học phản).
hoàn thành
3 Xây dựng sơ đồ khối chức năng và xác định
4 Phân tích và thiết kế sơ đồ nguyên lý L2, L4 Tuần 4
7 Viết và hoàn thiện báo cáo Bài tập lớn mô tả
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
Trang 4- 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 18tháng 8 năm 2019 của trường ĐH Công nghiệp Hà nội (Phụ lục 3), bao gồm các nộidung sau:
III Nhiệm vụ học tập
1 Hoàn thành Đồ án theo đúng quy định (từ ngày 08/07/2024 đến ngày 31/08/2024)
Đánh giá quá trình (Bài kiểm tra thường xuyên):
- Đánh giá nội dung thực hiện xác định yêu cầu bài toán; xây dựng sơ đồ khối;thiết kế sơ đồ nguyên lý và mô phỏng mạch điện: Tuần thứ 4 của thời gian thực hiện
IV Học liệu thực hiện Đồ án
1 Mở đầu (Nêu lý do chọn đề tài; Mục tiêu của đề tài; Phương pháp
Trang 5Hà Nội, ngày 08 tháng 07 năm 2024
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
TS Trần Đình Thông TS Trần Văn Tùng
Trang 6LỜI 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 TrầnVăn Tùng, người đã tận tâm chỉ bảo và hướng dẫn nhóm chúng em rất nhiều trongsuốt 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
Trang 7TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Vấn đề khiến giao thông tại các ngã ba, ngã tư mà không cần đến sự có mặtthường trực của cảnh sát giao thông để phân luồng, người ta sử dụng các đèn giaothông 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 giảm thiểu tắcđường 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 của đèngiao thông có hiển thị số đếm trên led 7 thanh thông qua IC đếm 74192, cách hoạtđộng của IC 4017, IC 555 Thực hiện viết báo cáo và làm mạch in, mô phỏng, kiểmthử các điểm đo của mạch, tạo ra sản phẩm thực tế có thể chạy được theo yêu cầucủa đề tài
Trang 8MỤC LỤC
PHẦN 1 MỞ ĐẦU 11
1.1 Tổng quan 11
1.2 Nhiệm vụ đề tài 11
1.3 Phân chia công việc trong nhóm 12
PHẦN 2 LÝ THUYẾT 13
2.1 Các linh kiện sử dụng trong đồ án 13
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 17
2.2.6 Nguyên lý hoạt động của IC 4017 17
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 24
3.8 Mô phỏng Altium 25
Trang 9PHẦN 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 26
4.1 Các quy trình thực hiện kết quả đo 26
4.1.1 Tiêu chuẩn kiểm thử mạch 26
4.1.2 Quy trình 1: Đo thông mạch 26
4.1.3 Quy trình 2 : Đo dòng điện một chiều 26
4.1.4 Quy trình 3: Đo điện áp một chiều 27
4.1.5 Quy trình 4: Đo thông số tín hiệu sử dụng máy hiện sóng 28
4.2 Sản phẩm thực tế 29
PHẦN 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 30
5.1 Kết luận 30
5.2 Hướng phát triển 31
PHẦN 6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32
PHẦN 7 PHỤ LỤC 33
7.1 Cảnh báo về an toàn 33
7.2 Tổng quan về thiết bị 33
7.3 Các thao tác sử dụng sản phẩm 33
7.4 Các lỗi khuyến cáo 33
Trang 10DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2 1 Cấu tạo của máy biến áp 13
Hình 2 2 Cấu tạo của IC 555 13
Hình 2 3 Cấu tạo của IC 74192 13
Hình 2 4 Cấu tạo của IC 7447 14
Hình 2 5 Cấu tạo của IC 7432 14
Hình 2 6 Cấu tạo IC 4017 15
Hình 2 7 Cấu tạo của LED 7 thanh 15
Hình 2 8 Sơ đồ thời gian hoạt động của IC 4017 17
Hình 3 1 Sơ đồ nguyên lý 22 Hình 3 2 Sơ đồ khối nguồn 23
Hình 3 3 Sơ đồ khối tạo xung 23
Hình 3 4 Sơ đồ khối đếm 24
Hình 3 5 Sơ đồ khối giải mã 24
Hình 3 6 Sơ đồ khối hiển thị 25
Hình 3 7 Kết quả mô phỏng 26
Hình 3 8 Tiêu chuẩn thiết kế mạch in 26
Hình 3 9 Mô phỏng trên Altium 27
Hình 3 10 Mạch in 3D 27
Trang 11Vấn đề khiến giao thông tại các ngã ba, ngã tư mà không cần đến sự có mặtthường trực của cảnh sát giao thông để phân luồng, người ta sử dụng các đèn giaothông báo hiệu: đèn xanh là được phép di chuyển, đèn vàng là giảm tốc độ và đèn
đỏ là đừng lại Việc sử dụng đèn tín hiệu giao thông như vậy đã giảm thiểu tắcđường và những vụ tai nạn không mong muốn
Nhận thấy đây là vấn đề sát thực với những kiến thức đã được trang bị trongquá trình học tập và nghiên cứu, nhóm em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế mạch đèngiao thông sử dụng IC 555, 4017 hiển thị trên LED 7 thanh” để làm sản phẩm chohọc phần “Đồ án Điện tử cơ bản” này
Ý nghĩa thực tiễn:
Hiện nay với số lượng phương tiện tham gia giao thông và hệ thống đường
sá có mật độ dày đặc ở các thành phố lớn khiến việc điều tiết giao thông rất khókhăn nhất là tại các nút thắt như ngã ba, ngã tư Việc có đèn tín hiệu điều thiết giaothông tại các nút thắt này là điều rất cần thiết, vừa giảm thiểu tắc đường vào giờ caođiểm, vừa hỗ trợ cảnh sát giao thông và đặc biệt là giảm thiểu rủi ro tai nạn
1.2 Nhiệm vụ đề tài
Phạm vi nghiên cứu:
Nội dung 1: Tìm hiểu nguyên lý, lý thuyết hoạt động của IC 4017, IC tạo
xung 555, IC 74192…
Nội dung 2: Tìm hiểu và thực hành thiết kế mạch trên phần mềm thiết kế, 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.
Trang 121.3 Phân chia công việc trong nhóm
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
Trang 13PHẦN 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 hạthế 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 gồm một bộ OP-AMP dùng để so sánh điện áp, 1 mạch lật vàtransistor giúp xả điện Hoạt động tốt và có độ chính xác cao có 3 chế độ làm việcchế độ đơn ổn, lưỡng ổn, phi ổn Được ứng dụng để tạo xung, tạo trễ thời gian, [2]
Hình 2.2 Cấu tạo của IC 555
IC 74192 thuộc họ 74xx là một bộ đếm BCD thập phân lên xuống được ứngdụng trong đồng hồ, được sử dụng trong các bộ đếm, mạch logic, điện tử [3]
Hình 2.3 cấu tạo của IC 74192
Trang 14IC 7447 được sử dụng trong bộ chuyển đổi BCD trong LED 7 thanh hiển thị
từ số 0 đến số 9 Đầu vào nhận các giá trị nhị phân, BCD xử lý giải mã ra số thậpphân và hiển thị thông qua LED 7 thanh [5]
Hình 2.4 cấu tạo của IC 7447
IC 7432 cấu tạo gồm 4 cổng logic OR [9], mỗi cổng có 2 ngõ vào và 1 ngõ
ra Mỗi cổng OR có hai ngõ vào (input)
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 bộđếm đơn giản ở dạng chia tỉ số của 10, tức là nó sẽ đếm từ 0 đến 9 trước khi chuyểnsang đếm từ 0 lại IC này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đếm, chuyểnđổi tín hiệu và điều khiển các mạch đơn giản [4]
Hình 2.6 Cấu tạo IC 4017 LED 7 THANH dùng để hiển thị thông tin từ khối bộ
Trang 152.2.2 Nguyên lý tạo xung IC 555
Ta cần phải cung cấp xung clock cho mạch thì các IC đếm mới hoạt độngđược Vì vậy trong khối tạo xung này ta sử dụng IC 555 làm linh kiện chính kếthợp với các tụ điện và điện trở, biến trở tạo ra xung clock có tần số 1Hz
Tần số dao động của mạch được đưa ra là:
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 1HZ đầu
ra chân 13 đồng bộ với chân 4
Trang 16=> 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
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 cácđiện trở để hạn chế dòng điện đi qua khối hiển thị nhằm hạn chế trường hợp cháyLED 7 đoạn [9]
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 tương ứng
- 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 phụ thuộcvào giá trị đầu vào của các mạch [9]
Trang 172.2.5 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
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 xung cho
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
Trang 18PHẦN 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 đỏ xanhvàng rồi lặp lại đồng thời xuất hiện với thời gian theo thứ tự thời gian được thiết lậpđược 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+,
Trang 19OUTPUT-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 đếm xuấtmột tín hiệu vào ic 4017 để chuyển đổi trạng thái và tiếp tục thực hiện quy trìnhđếm 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, chứcnăng quá mạnh mẽ so với yêu cầu đơn giản và có giá thành cao hơn so với cácphương pháp còn lại nên không phù hợp với yêu cầu
Trang 20 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 việc tínhtoán 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 thời chiphí 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 đồnguyên lý của chân
JK - FF để tạo ra cácbit tương ứng 2 chếđộ: không đồng 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
- Cần có kiến thức vềĐiện tử số
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 thay thế nhưng mạch khiphát triển trở lênphức tạp khó lắp ráphơn
Trang 21Độ tin cậy
Dễ xảy ra lỗi trong quátrình lập trình
Đáng tin cậy và ít bịhỏng trong quá trình sửdụng, giúp đảm bảo sự
ổn định
Đáng tin cậy và ít bịhỏng trong quá trình
sử dụng, giúp đảmbảo sự ổn định
Chi phí
Giá thành đắt so với sửdụng IC số, khó khăntrong việc thay thế linhkiện
Giá thành rẻ dễ tìm kiếm
và thay thế trên thịtrường
Giá thành rẻ dễ tìmkiếm và thay thế trênthị trường
3.5 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.2 Sơ đồ khối khái quát
Khối nguồn: Cung cấp điện áp cho toàn bộ hệ thống và đảm bảo sự ổn địnhmạch
Khối tạo xung: Cung cấp xung clock vào bộ đếm của mạch giúp IC đếm hoạtđộng
Khối bộ đếm: Khối đếm có chức năng nhận tín hiệu xung clock từ khối tạoxung, thực hiện các phép toán logic qua ic 4017 để xuất ra khối hiển thị đồng thờikết hợp với ic 74192 thực hiện bộ đếm xuất tín hiệu ra bộ giải mã
Khối giải mã: Khối giải mã có chức năng nhận tín hiệu từ khối đếm, chuyển
từ mã nhị phân sang mã thập phân hiển thị kết quả ra LED 7 thanh
Khối hiển thị: Khối hiển thị có chức năng hiển thị kết quả sau khi được nhận
dữ liệu giải mã từ khối giải mã và khối bộ đếm