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
LÝ THUYẾT
Các linh kiện sử dụng trong đồ án
Máy biến áp là thiết bị quan trọng trong việc điều chỉnh hiệu điện thế xoay chiều, có khả năng tăng hoặc hạ thế, góp phần thiết yếu vào quá trình truyền tải điện năng.
Hình 2.1 Cấu tạo của máy biến áp
IC 555 là một mạch tích hợp bao gồm bộ OP-AMP để so sánh điện áp, mạch lật và transistor để xả điện Mạch này hoạt động hiệu quả và chính xác với ba chế độ làm việc: chế độ đơn ổn, lưỡng ổn và phi ổn IC 555 được ứng dụng rộng rãi trong việc tạo xung và tạo độ trễ thời gian.
Hình 2.2 Cấu tạo của IC 555
IC 74192 là bộ đếm BCD thập phân lên xuống thuộc họ 74xx, thường được ứng dụng trong đồng hồ, bộ đếm và các mạch logic điện tử.
Hình 2.3 cấu tạo của IC 74192
IC 7447 là một thành phần quan trọng trong bộ chuyển đổi BCD, cho phép hiển thị các số từ 0 đến 9 trên LED 7 thanh Nó nhận đầu vào là các giá trị nhị phân, sau đó giải mã thành số thập phân và hiển thị kết quả thông qua LED 7 thanh.
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 bộ đếm đơn giản trong công nghệ điện tử số, hoạt động theo nguyên tắc chia tỉ số của 10, đếm từ 0 đến 9 trước khi quay lại 0 Bộ đếm này được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống đếm, chuyển đổi tín hiệu và điều khiển mạch đơn giản.
LED 7 THANH dùng để hiển thị thông tin từ khối bộ đếm và khối giải mã.
Hình 2.7 Cấu tạo của LED 7 thanh
Nguyên lý
Nhận nguồn điện 220V/50Hz, qua biến áp hạ áp, điện áp được giảm xuống còn 12V/1A Sau đó, điện áp xoay chiều được chuyển đổi thành điện áp một chiều 1V thông qua cầu chỉnh lưu Cuối cùng, IC 7805 chuyển đổi điện áp 12VDC thành 5VDC.
2.2.2 Nguyên lý tạo xung IC 555
Để các IC đếm hoạt động, cần cung cấp xung clock cho mạch Trong khối tạo xung, IC 555 được sử dụng làm linh kiện chính, kết hợp với tụ điện, điện trở và biến trở để tạo ra xung clock với tần số 1Hz.
Tần số dao động của mạch được đưa ra là: f =ln ( 2 ) × ( R 1+ 1 2 × R 2 ) ×C 3 = ln ( 2 ) × 1
Ta có thể thay đổi được tần số xung clock bằng cách tuỳ chỉnh biến trở và quan sát nó bằng đèn led trong khối.
Tụ điện C2 (100pF) kết nối với chân số 5 (cực điện áp điều khiển) thực tế không cần thiết Nó chỉ được sử dụng để ngăn chặn các vấn đề nhiễu có thể xảy ra trong mạch khi chân này 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.
Chân 11 của IC 4017 nhận tín hiệu tương tự như chân 4, nhưng mạch này không xác định trạng thái đếm Đồng thời, nó cung cấp xung cho chân 14 của IC 4017, giúp chuyển đổi trạng thái theo xung clock được cấp vào chân 4.
Sau khi nhận tín hiệu từ IC logic ở trên độ preset, đếm hết chu kỳ ở được thiết 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 nhận tín hiệu xung clock từ khối tạo xung, thực hiện các phép toán logic và chuyển kết quả đến khối giải mã Nút nhấn được kết nối với chân.
14 của IC Khi bấm nút bị reset chân 14 bị chuyển trạng thái từ 0 – 1.
- Preset của IC 74192 Điều kiện chân 11 = 0, chân 14 = 0, xung chân 4 từ 1 – 0, chân 11 về âm chân 14 về âm
Mạch nhận trạng thái song song sử dụng IC 4017 để lấy tín hiệu qua mạch logic nhằm thiết lập thời gian Chân 14 và chân 13 có thể chuyển từ 1-0, trong khi chân 11 luôn ở mức 0 Chân 4 nhận tín hiệu xung clock với chu kỳ 1 Hz, cho phép mạch chuyển trạng thái từ chế độ Preset sang chế độ đếm ngược.
Khối giải mã có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ khối đếm sang mã LED 7 đoạn để hiển thị kết quả Các ngõ ra của IC 7447 được kết nối với điện trở nhằm hạn chế dòng điện, giúp bảo vệ LED 7 đoạn khỏi nguy cơ cháy.
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 được kết nối trực tiếp với LED 7 thanh, trong đó các chân QA, QB, QC, QD, QE, QF, QG tương ứng với các giá trị a, b, c, d, e, f, g Giá trị hiển thị trên LED 7 thanh sẽ thay đổi tùy thuộc vào giá trị đầu vào của các mạch.
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 tín hiệu từ khối bộ đếm IC 7447, nó sẽ tiến hành giải mã và truyền dữ liệu đến đèn LED 7 thanh để hiển thị số Sự kết hợp với bộ tạo xung và IC 74192 giúp đèn LED 7 thanh hiển thị chính xác thông tin cần thiết.
- Đối các LED đơn hiển thị các đèn giao thông thông qua ngõ ra của IC
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
THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG
Yêu cầu
Đèn giao thông hoạt động theo trình tự màu sắc đỏ, xanh, vàng, lặp lại liên tục Thời gian hiển thị của mỗi màu được thiết lập theo thứ tự và được thể hiện qua đèn LED 7 thanh, sử dụng bộ đếm hệ thập phân.
- Yêu cầu kĩ thuật thiết kế mạch in:
Hình 3.1 Tiêu chuẩn thiết kế mạch in
Thông số kỹ thuật
Hệ thống sử dụng nguồn điện 5V
Kích thước mạch chính: 120mm x 110mm
Kích thước mạch: 50mm x 30mm
IC 4017: Xuất ra đèn LED 3 tín hiệu tương ứng với 3 màu Đỏ Xanh Vàng.
IC 74912 phát tín hiệu cho bộ đếm, giúp thiết lập bộ giải mã để thực hiện quá trình đếm ngược theo thời gian quy định Khi kết thúc mỗi khoảng thời gian, bộ đếm sẽ xuất tín hiệu vào IC 4017, kích hoạt quá trình chuyển đổi trạng thái và tiếp tục đếm ngược.
Điện áp hoạt động là 5V
Dòng điện tiêu thụ: 20mA
Hiển thị màu đơn sắc tương ứng với 7 đoạn.
Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 2.54mm
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
Phân tích thiết kế
Từ các yêu cầu thiết kế trên nhóm xin đề xuất ra 3 phương án được tóm tắt trong Bảng 2.1
Phương pháp sử dụng Vi điều khiển Arduino mang lại tính linh hoạt và khả năng đa nhiệm cao, nhưng đòi hỏi người dùng phải có kiến thức vững về ngôn ngữ lập trình Bên cạnh đó, chức năng của nó thường vượt quá nhu cầu đơn giản và chi phí cũng cao hơn so với các phương pháp khác, do đó không phù hợp với yêu cầu sử dụng cơ bản.
Để sử dụng IC 7473 hiệu quả, người dùng cần có kiến thức vững về các toán tử logic Việc áp dụng IC này có thể làm cho mạch trở nên phức tạp hơn trong quá trình tính toán, dẫn đến việc cần thêm thời gian nghiên cứu và phát triển.
Phương pháp sử dụng IC 4017 và IC 74192 mang lại sự ổn định và dễ kiểm soát, rất phù hợp cho các dự án độc lập, đơn giản Bên cạnh đó, chi phí thấp và khả năng thay thế dễ dàng khi gặp lỗi cũng là những ưu điểm nổi bật của phương pháp này.
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.
Bảng 3 1 So sánh các phương án thiết kế mạch
Phương án Sử dụng Vi điều khiển
Sử dụng IC 4017 và IC
Chức năng Đa chức năng, sử dụng được cho nhiều mục đích.
- 4017 có 2 chức năng reset và đếm hệ 10.
- 74192 có 3 chức năng đếm tiến, lùi và đếm hệ 10.
- Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của chân
JK - FF để tạo ra các bit tương ứng 2 chế độ: không đồng bộ, đồng bộ.
Phải có kiến thức về lập trình vi điều khiển.
Sơ đồ nguyên lý phụ thuộc vào Datasheet, cần tìm hiểu các chế độ hoạt động.
- Sơ đồ nguyên lý phụ thuộc vào datasheet.
- Cần có kiến thức về Điện tử số.
Có độ linh hoạt cao, dễ phát triển
Mức độ linh hoạt thấp, chỉ thiết lập được một trạng thái đếm nhận xung logic.
Mức độ linh hoạt thấp, thiết lập chế độ trạng thái đếm đơn phát triển thêm phức tạp.
Khả năng lắp ráp Đơn giản trong việc lắp ráp nhưng khó khăn trong việc thay thế.
Dễ lắp ráp và thay thế nhưng khó khăn trong việc đi dây mạch in.
Dễ lắp ráp và thay thế nhưng mạch khi phát triển trở lên phức tạp khó lắp ráp hơn. Độ tin cậy
Trong quá trình lập trình, việc xảy ra lỗi là điều dễ hiểu Tuy nhiên, một hệ thống đáng tin cậy và ít bị hỏng sẽ giúp đảm bảo sự ổn định trong suốt thời gian sử dụng.
Giá thành đắt so với sử dụng IC số, khó khăn trong việc thay thế linh kiện.
Giá thành rẻ dễ tìm kiếm và thay thế trên thị trường.
Giá thành rẻ dễ tìm kiếm và thay thế trên thị trường.
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 định mạch.
Khối tạo xung: Cung cấp xung clock vào bộ đếm của mạch giúp IC đếm hoạt động.
Khối bộ đếm nhận tín hiệu xung clock từ khối tạo xung và thực hiện các phép toán logic thông qua IC 4017 Kết quả được xuất ra khối hiển thị, đồng thời kết hợp với IC 74192 để tạo ra bộ đếm xuất tín hiệu cho bộ giải mã.
Khối giải mã nhận tín hiệu từ khối đếm và chuyển đổi mã nhị phân thành mã thập phân, hiển thị kết quả trên đèn 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.
Nguyên lý hoạt động các khối
Hình 3 3 Sơ đồ nguyên lý
Chức năng: Tạo xung vuông với tần số 1Hz.
Vai trò: Cung cấp xung clock cho bộ đếm IC 4017 và IC 74192.
Hình 3.4 Sơ đồ khối nguồn
Chức năng: Tạo xung vuông với tần số 1Hz
Vai trò: cung cấp xung clock cho bộ đếm IC 4017 và IC 74192
Hình 3.5 Sơ đồ khối tạo xung
Chức năng: Tạo bộ đếm theo đèn giao thông, tạo bộ đếm ngược ở IC 74192,
IC 4017 cung cấp xung ra LED 7 thanh và cấp tín hiệu cho mạch logic.
Vai trò: Xuất tín hiệu ra bộ giải mã và bộ hiển thị.
Hình 3.6 Sơ đồ khối đếm
3.6.4 Khối giải mã và hiển thị
Chức năng: Chuyển đổi tín hiệu đầu ra của IC 74192 từ mã nhị phân sang mã thập phân, sau đó hiển thị lên LED 7 thanh
Hình 3 7 Sơ đồ khối giải mã và hiển thị
Mô phỏng Proteus
Hình 3 8 Kết quả mô phỏng khi ở đèn xanh 20 giây và đèn đỏ 15 giây
Mô phỏng Altium
Hình 3.9 Mô phỏng 2D trên Altium
KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Các quy trình thực hiện kết quả đo
4.1.1 Tiêu chuẩn kiểm thử mạch
•Tiêu chuẩn quốc gia TCVN ISO 10012 : 2007ISO 10012 : 2003 Hệ thống quản lý đo lường
•Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10895-2:2015 (IEC 61193-2:2007) Hệ thống đánh giá chất lượng
•Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6749-8:2017 (IEC 60384-8:2015) Tụ điện không đổi trong thiết bị điện tử
•Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6748-1:2009 (IEC 60115-1 : 2008) về Các điện trở cố định sử dụng trong thiết bị điện tử - Phần 1: Quy định kỹ thuật chung
•Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8241-4-5:2009 (IEC 61000-4-5:2005) Tương thích hiện từ (EMC)- Phần 4-5: Phương pháp đo và thử - Miễn nhiễm đối với xung
•ĐLVN 142 : 2019 Phương tiện đo điện trở cách điện
4.1.2 Quy trình 1: Đo thông mạch Đo, kiểm tra thông mạch trong dây, dòng điện hoặc cầu chì rất cần thiết trongkỹ năng sửa chữa mạch/thiết bị điện tử Chế độ đo thông mạch được sử dụng để kiểmtra các công tắc, cầu chì, kết nối điện, dây dẫn và các thành phần khác Đây là một yếu tốquan trọng để kiểm tra thông mạch bằng đồng hồ vạn năng vì tính liên tục kém có thểgây ra hỏa hoạn, sốc điện hoặc làm hỏng các thiết bị Luôn tắt, rút phích cắm hoặc lật cầu dao trên tín hiệu đang kiểm tra để ngăn chặn shock điện hoặc hỏa hoạn Sau đâylà các bước cơ bản để thực hiện đo thông mạch bằng đồng hồ vạn năng:
Bước 1: Chỉnh đồng hồ sang chế độ đo thông mạch.
Bước 2: Điều chỉnh để đặt kim về vị trí 0 (Trước khi tiến hành đo cần đảm bảo cơ. cấu chỉ thị phải hiển thị 0).
Bước 3: Đặt que đo vào hai điểm đo cần đo thông mạch. Bước 4: Quan sát đồng hồ, nhận định kết quả đo
Bước 5: Khi kết thúc, TẮT đồng hồ vạn năng để duy trì tuổi thọ pin.
4.1.3 Quy trình 2 : Đo dòng điện một chiều
Dòng điện là sự di chuyển có hướng của các electron trong mạch điện kín Khi các electron di chuyển theo một chiều cố định, đó được gọi là dòng điện một chiều Để đo dòng điện một chiều, có nhiều công cụ như vôn kế một chiều, ampe kìm và đồng hồ vạn năng Để đảm bảo kết quả đo chính xác, cần xác định rõ loại dòng điện đang đo là một chiều hay xoay chiều Dưới đây là các bước cơ bản để đo dòng điện một chiều bằng đồng hồ vạn năng.
Để đo dòng điện một chiều, trước tiên bạn cần chỉnh đồng hồ sang chế độ đo dòng điện Sau đó, hãy điều chỉnh thang đo cho phù hợp; nếu bạn muốn đo dòng mA, hãy chuyển nút đến giá trị mA, và tương tự đối với dòng A.
Bước 3: Tắt nguồn điện của các mạch thí nghiệm.
Bước 4: Nối que màu đỏ của đồng hồ vạn năng với cực dương của nguồn điện.
Que màu đen về phía cực âm theo chiều dòng điện trong mạch thí nghiệm Mắc đồng hồnối tiếp với đối tượng cần đo.
Bước 5: Bật điện cho mạch thí nghiệm.
Để đọc kết quả đo dòng điện chính xác, bạn cần xem thông số hiển thị trên đồng hồ vạn năng Hãy điều chỉnh chuyển mạch thang đo sao cho phù hợp với giá trị dòng điện cần đo.
- Phạm vi đo được của đồng hồ.
Đầu đo của đồng hồ cần được kết nối chắc chắn với mạch điện để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo Nếu kết nối không ổn định, có thể xảy ra xung điện, gây nguy hiểm cho mạch điện.
- Không bao giờ thực hiện đo dòng điện với các thang đo khác
4.1.4 Quy trình 3: Đo điện áp một chiều Điện áp một chiều là tên gọi của hiệu điện thế giữa hai cực nguồn điện qua mạchmột chiều Điện áp một chiều được sử dụng rộng rãi trong hệ thống truyền động điện và các thiết bị điện Để đo điện áp một chiều, có thể sử dụng vôn kế hoặc đồng hồ vạn năng để có được thông số chính xác nhất Sau đây là các bước cơ bản để thực hiện điện áp một chiều bằng đồng hồ vạn năng:
Bước 1: Chỉnh đồng hồ sang chế độ đo điện áp một chiều.
Để đạt được kết quả đo chính xác, hãy điều chỉnh thang đo phù hợp bằng cách đặt chuyển mạch ở thang đo DC lớn hơn nhưng gần nhất với giá trị cần đo Ví dụ, khi đo điện áp 220V, thang 250V sẽ cho kết quả chính xác hơn so với thang 1000V.
Để thực hiện bước 3, hãy đặt hai que đo vào hai điểm cần đo, đảm bảo mắc đồng hồ song song với đối tượng cần đo Đặt que đen vào điểm có điện thế thấp hơn và que đỏ vào điểm có điện thế cao hơn.
Bước 4: Bật điện cho mạch thí nghiệm.
Bước 5: Đọc kết quả đo điện áp thể hiện trên mặt đồng hồ vạn năng.
Khi điện áp vượt quá 250V, hãy tắt nguồn điện trước khi kết nối dây đồng hồ vào điểm cần đo Sau khi đã nối dây, bạn có thể bật nguồn Lưu ý không chạm vào dây đo trong quá trình đo, ghi lại kết quả và tắt nguồn trước khi tháo dây đo ra khỏi điểm cần đo.
- Không để chuyển mạch ở vị trí thang đo mA hay Ω.
- Không cắm que đo sang đầu đo dòng điện 15A xoay chiều.
Để đo điện áp xoay chiều bằng đồng hồ ở thang đo một chiều, kim chỉ thị sẽ không hoạt động Tuy nhiên, dòng điện lớn đi qua đồng hồ có thể gây hỏng thiết bị.
4.1.5 Quy trình 4: Đo thông số tín hiệu sử dụng máy hiện sóng
Bước 1: Thiết lập chế độ để máy hiện sóng hoạt động.
Bước 2: Hiệu chỉnh các que đo.
Bước 3: Điều chỉnh độ sáng và độ nét trên hình.
Bước 4: Điều chỉnh tia ngang phù hợp với chế độ đo
Bước 5: Điều chỉnh chế độ đo cho máy hiện sóng.
Bước 6: Đặt que đo vào các điểm đo
Bước 7: Đọc giá trị tín hiệu cần đo.
Chú ý: Khi sử dụng máy hiện sóng cần điều chỉnh 3 thiết lập cơ bản để thích ứng với tínhiệu đưa vào bao gồm:
Việc điều chỉnh biên độ tín hiệu là cần thiết để kiểm soát việc suy giảm hoặc khuếch đại tín hiệu trước khi tín hiệu được đưa vào các bản lái tia chiều dọc.
Thiết lập độ lớn của thời gian trên mỗi khoảng chia được biểu diễn ngang qua màn hình.