năm 20….NGƯỜI ĐÁNH GIÁ KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN Tên đồ án: Thiết kế và lắp ráp mạch khóa số điện tử Sinh viên thực hiện: Giáp Bằng Nghị ĐỊA ĐIỂM TG T.HIỆN PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 1 Tìm hiểu -
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
I Đề tài của chúng em là “Thiết kế và lắp ráp mạch khóa số điện tử ”với yêu cầu là:
Sản phẩm phải đảm bảo yêu cầu.
Sản phẩm phải hoạt động tốt.
Đảm bảo tính kĩ thuật, mỹ thuật, hoàn thành đúng thời gian quy định
II Phương pháp thực hiện đề tài.
Dựa vào yêu cầu của đề tài chúng em đã sử dụng các linh kiện : IC số 4017 và một số kinh kiện khác.
- Hệ thống này được thực hiện bằng cách:
Sử dụng : sử dụng nguồn 5V cấp cho mạch hoạt động.
Sử dụng: Transistor, Relay, điện trở,diode.
CƠ SỞ LÍ THUYẾT
LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG
Điện trở là mức độ cản trở dòng điện trong một vật dẫn điện Vật dẫn điện tốt có điện trở nhỏ, trong khi vật dẫn điện kém có điện trở lớn Đối với vật cách điện, điện trở có giá trị rất lớn.
- Điện trở thường : Điện trở thường là các điện trở có công xuất nhỏ từ 0,125W đến 0.5W
Điện trở công suất là loại điện trở có công suất lớn hơn 1W, 2W, 5W, và 10W Chúng còn được gọi là điện trở sứ hoặc điện trở nhiệt, do có vỏ bọc sứ và khi hoạt động, chúng tỏa nhiệt.
Hình 1.3 kí hiệu điện trở
1.1.4 Đơn vị điện trở ,Cách kiểm tra điện trở
Cách đọc trị số điện trở
Hình 1.4 Thứ tự vòng màu của điện trở Điện trở 4 vòng màu :
Vòng a, b chỉ trị số tương ứng với màu
Vòng c chỉ hệ số nhân
Kiểm tra bằng mắt thường : nhìn vào màu trên thân điện trở.
Kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng.
1.1.5 Ứng dụng của điện trở Điện trở có mặt ở mọi nơi trong thiết bị điện tử và như vậy điện trở là linh kiệnquan trọng không thể thiếu được trong mạch điện,điện trở có những tác dụng sau:
Để điều chỉnh dòng điện qua tải cho phù hợp, ví dụ như khi sử dụng bóng đèn 8V với nguồn 12V, ta có thể kết nối bóng đèn với một điện trở theo hình thức nối tiếp Việc này giúp giảm áp suất điện áp 4V trên điện trở, đảm bảo bóng đèn hoạt động an toàn và hiệu quả.
Màu thân điện trở Vòng a Vòng b Vòng c Vòng d
Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động quan trọng, được sử dụng phổ biến trong các mạch điện tử Chúng có vai trò thiết yếu trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều và mạch tạo dao động.
Hình 1.6 Kí hiệu của tụ điện
-Cấu tạo của tụ điện :
Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi
Giấy, gốm, mica và giấy tẩm hóa chất thường được sử dụng làm chất điện môi Tụ điện được phân loại dựa trên các loại chất điện môi này, bao gồm tụ giấy, tụ gốm và tụ hóa.
1.2.2 Ý nghĩacủa giá trị điện áp ghi trên thân tụ
Một tính chất quan trọng của tụ điện là tính chất phóng nạp của tụ, nhờ tính chất này mà tụ có khả năng dẫn điện xoay chiều.
Tụ điện phóng điện từ cực dương sang cực âm, đi qua tải trước khi trở về cực âm của tụ Thời gian tích điện của tụ điện tỷ lệ thuận với điện dung, nghĩa là điện dung càng lớn thì thời gian tích điện càng lâu.
Tất cả các tụ điện đều được ghi rõ trị số điện áp ngay sau giá trị điện dung, đây là mức điện áp tối đa mà tụ có thể chịu đựng Nếu vượt quá mức điện áp này, tụ điện có khả năng bị nổ.
1.2.4 Ứng dụng của tụ điện
Tụ điện là linh kiện quan trọng trong kỹ thuật điện và điện tử, không thể thiếu trong các thiết bị điện tử Mỗi mạch điện tụ có chức năng riêng, bao gồm truyền dẫn tín hiệu, lọc nhiễu, lọc điện nguồn và tạo dao động.
Tụ điện cho phép điện áp xoay chiều đi qua trong khi ngăn chặn điện áp một chiều, vì vậy nó được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các tầng khuyếch đại có sự chênh lệch về điện áp một chiều.
Điện áp xoay chiều sau khi được chỉnh lưu sẽ trở thành điện áp một chiều ổn định, và đây chính là nguyên lý hoạt động của các tụ lọc nguồn.
Với điện AC ( xoay chiều ) thì tụ dẫn điện còn với điện DC( một chiều ) thì tụ lại trở thành tụ lọc
Tụ giấy và tụ gốm (trị số nhỏ) thường được sử dụng trong các mạch cao tần, trong khi tụ hoá (trị số lớn) thường lắp đặt trong các mạch âm tần hoặc để lọc nguồn điện có tần số thấp.
Máy biến áp, hay còn gọi là máy biến thế, là thiết bị điện quan trọng dùng để truyền tải năng lượng hoặc tín hiệu điện xoay chiều giữa các mạch điện thông qua nguyên lý cảm ứng điện từ.
Máy biến áp bao gồm một cuộn dây sơ cấp và một hoặc nhiều cuộn dây thứ cấp, được liên kết thông qua trường điện từ Khi dòng điện với điện áp xác định được cung cấp cho cuộn sơ cấp, nó tạo ra một trường điện từ, theo định luật cảm ứng Faraday, trường này sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng trong các cuộn thứ cấp Để đảm bảo việc truyền năng lượng hiệu quả, cần bố trí mạch dẫn từ qua lõi cuộn dây, và vật liệu dẫn từ phải phù hợp với tần số làm việc.
Ở tần số thấp, như trong biến áp điện lực và âm tần, cần sử dụng lá vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao, chẳng hạn như thép silic và permalloy Đồng thời, mạch từ nên được thiết kế theo dạng khép kín, sử dụng các lõi ghép hình chữ E, chữ U hoặc chữ I để tối ưu hóa hiệu suất.
LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CHỦ ĐỘNG
Điốt bán dẫn là linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, có khả năng cho phép dòng điện chỉ đi qua theo một chiều, ngăn chặn dòng điện chảy ngược lại Chúng hoạt động dựa trên các đặc tính của chất bán dẫn, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng điện tử.
Diode là một thiết bị bán dẫn với cấu trúc tiếp xúc P-N, được bao bọc bởi lớp nhựa plastic bên ngoài Hai đầu của diode được tráng kim loại nhôm để dễ dàng kết nối với dây dẫn.
Hình 1.9 Hình Diode thực tế
2.1.2 Phân loại tụ điện Diode
Diode là linh kiện điện tử quan trọng với nhiều loại và công dụng khác nhau Diode ổn áp giúp duy trì điện áp ổn định, trong khi diode thu quang chuyển đổi ánh sáng thành điện năng Diode phát quang phát ra ánh sáng khi có dòng điện chạy qua, còn diode biến dung điều chỉnh điện dung trong mạch Diode xung xử lý tín hiệu xung, diode tách sóng tách biệt tín hiệu mong muốn khỏi nhiễu, và diode nắn điện chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Việc hiểu rõ cấu tạo và chức năng của từng loại diode là cần thiết cho các ứng dụng điện tử hiện đại.
Diode Zener có cấu trúc tương tự như diode thông thường, với hai lớp bán dẫn P - N ghép lại Trong chế độ phân cực ngược, diode Zener hoạt động khác biệt so với diode thường, giữ lại một mức điện áp cố định theo giá trị ghi trên diode Khi phân cực thuận, diode Zener hoạt động như một diode thông thường.
Diode tiếp điểm, hay còn gọi là diode nhỏ vỡ bằng thủy tinh, được thiết kế với bề mặt tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn P - N tại một điểm, giúp giảm thiểu điện dung ký sinh Loại diode này thường được sử dụng trong các mạch cao tần để tách sóng tín hiệu hiệu quả.
Là Diode tiếp mặt dùng để nắn điện trong các bộ chỉnh lưu nguồn AC 50Hz , Diode này thường có 3 loại là 1A, 2A và 5A.
-Diode phát quang: là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại.
2.1.3 Cách kiểm traDiode Đặt đồng hồ ở thang x 1Ω , đặt hai que đo vào hai đầu Diode
+) Nếu đo chiều thuận que đen vào Anôt, que đỏ vào Katôt => kim lên, đảo chiều đo kim không lên là => Diode tốt
+) Nếu đo cả hai chiều kim lên = 0Ω => là Diode bị chập
+) Nếu đo thuận chiều mà kim không lên => là Diode bị đứt
+) Nếu để thang 1KΩ mà đo ngược vào Diode kim vẫn lên một chút là Diode bị dò 2.1.4 Tính chất - Ứng dụng
- Tính chất Điốt chỉ dẫn điện theo một chiều từ Anốt sang katốt.
+) Khi U > 0, ta nói điốt phân cực thuận và dòng điện qua điốt lúc đó gọi là AK dòng điện thuận
+) Khi U < 0, ta nói điốt phân cực ngược và dòng điện qua điốt lúc đó gọi là AK dòng điện ngược
-Những thông số đáng lưu ý của Diode
Giá trị trung bình dòng điện cho phép chạy qua diode khi phân cực thuận.
Giá trị điện áp ngược lớn nhất khi đặt vào diode chịu được.
Điốt có khả năng dẫn điện chỉ theo một chiều từ a-nốt đến ca-tốt khi được phân cực thuận, do đó, nó được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
Điốt có đặc điểm nội trở thay đổi lớn, với R 0 khi phân cực thuận (nối tắt) và RD khi phân cực nghịch (hở mạch) Nhờ vào tính năng này, điốt được sử dụng như các công tắc điện tử, cho phép đóng ngắt thông qua việc điều khiển mức điện áp Điều này làm cho điốt trở thành một thành phần quan trọng trong kỹ thuật điện và điện tử.
2.2.1 Giới thiệu chung về transistor
Bài viết mô tả cấu trúc của một linh kiện bán dẫn bao gồm ba lớp bán dẫn được ghép lại, tạo thành hai lớp tiếp giáp P-N nằm ngược chiều nhau Ba vùng bán dẫn này kết nối với ba chân, được gọi là ba cực: cực gốc (cực nối với vùng bán dẫn chung, có độ dày mỏng và nồng độ tạp chất thấp), cực phát (E) và cực thu (C) ở hai bên, với nồng độ tạp chất khác nhau Cụ thể, vùng cực E có nồng độ tạp chất rất cao, trong khi vùng C có nồng độ tạp chất lớn hơn vùng B nhưng nhỏ hơn vùng E, điều này khiến chúng không thể hoán vị cho nhau.
Hình dưới mô tả cấu trúc của 2 loại Tramsistor NPN và PNP.
Hình 2.1 hình dạng phân cực transistor
Nồng độ tạp chất trong vùng E cao hơn so với vùng B và C, trong khi vùng B và C có nồng độ tạp chất thấp nhất Kích thước của vùng nền là nhỏ nhất trong ba vùng bán dẫn, trong khi vùng phát và vùng thu có kích thước lớn hơn Transistor NPN có khả năng đáp ứng tần số cao tốt hơn so với transistor PNP Bài viết này sẽ tập trung vào transistor NPN, nhưng transistor PNP cũng có những đặc điểm tương tự.
-Transistor ở trạng thái chưa phân cực
Khi pha chất cho (donor) vào thanh bán dẫn tinh khiết, ta thu được chất bán dẫn loại N với các điện tử tự do có mức năng lượng trung bình gần dải dẫn điện, dẫn đến mức năng lượng Fermi được nâng lên Ngược lại, khi pha chất nhận (acceptor), ta tạo ra chất bán dẫn loại P, trong đó các lỗ trống của chất nhận có mức năng lượng trung bình gần dải hóa trị hơn, làm giảm mức năng lượng Fermi.
Khi nối P-N được thiết lập, một rào điện thế xuất hiện tại mối nối Các điện tử tự do trong vùng N sẽ khuếch tán sang vùng P, trong khi các lỗ trống từ vùng P cũng khuếch tán sang vùng N Kết quả là tại hai bên mối nối, vùng N tích tụ các ion dương, trong khi vùng P chứa các ion âm, tạo thành hàng rào điện thế.
Hiện tượng này xuất hiện tại hai mối nối transistor, cho thấy kích thước của vùng hiếm phụ thuộc vào nồng độ chất pha Cụ thể, vùng hiếm rộng hơn ở nồng độ chất pha nhẹ và hẹp hơn khi nồng độ chất pha đậm.
-Cơ chế hoạt động của transistor lưỡng cực
Trong ứng dụng thông thường(khếch đại),nối phát nền phải được phân cực thuận trong lúc nối thu nền phải được phân cực nghịch
Vì nối phát nền phân cực thuận nền vùng hiếm hẹp lại,nối thu nền được phân cực nghịch nên vùng hiếm rộng ra.
Nhiều điện tử từ cực âm của nguồn VEE di chuyển vào vùng phát và sang vùng nền Vùng nền có tạp chất ít và rất hẹp, dẫn đến số lượng lỗ trống không nhiều, do đó lượng lỗ trống khếch tán sang vùng phát là không đáng kể Mạch được phân cực theo cách này.
Hình 2.3 mạch cực tính transistor
Do vùng nền hẹp và ít lỗ trống, một số điện tử sẽ khếch tán sang vùng phát tái hợp với lỗ trống của vùng nền Hầu hết các điện tử từ vùng này khếch tán qua vùng thu và bị hút về cực dương của nguồn VCC.
Các điện tử tự do trong vùng phát tạo ra dòng điện cực phát IE, di chuyển từ cực phát E Đồng thời, các điện tử từ vùng thu di chuyển về cực dương của nguồn VCC, hình thành dòng điện thu IC chảy vào vùng thu.
LINH KIỆN ĐIỆN CƠ
Rơ le là một công tắc điện hoạt động với hai trạng thái ON và OFF Trạng thái của rơ le phụ thuộc vào việc có dòng điện chạy qua hay không.
Hình 3.1 Relay 8 chân 2 cặp tiếp điểm
Khi dòng điện chạy qua relay, nó kích hoạt cuộn dây bên trong, tạo ra một từ trường hút Từ trường này tác động lên đòn bẩy, làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện, từ đó thay đổi trạng thái của relay Số lượng tiếp điểm bị thay đổi có thể từ 1 đến nhiều, tùy thuộc vào thiết kế Relay có hai mạch độc lập: một mạch điều khiển cuộn dây để bật hoặc tắt relay, và một mạch kiểm soát dòng điện có thể đi qua relay dựa trên trạng thái ON hoặc OFF.
Cuộn hút của relay cần được mắc song song với một diode để bảo vệ mạch Relay hoạt động dựa trên dòng điện chảy qua cuộn cảm, tạo ra lực hút để điều khiển việc đóng mở các tiếp điểm Sự tắt đột ngột của cuộn cảm có thể gây hư hỏng cho BJT hoặc IC.
IC SỐ CD4017
IC 4017, hay còn gọi là CD4017, là một vi mạch đếm CMOS 10 bit, được thiết kế từ các mạch Mosfet, phù hợp cho các ứng dụng nhỏ Vi mạch này hoạt động với tín hiệu xung clock đầu vào và có 10 đầu ra, cho phép đếm từ 0 đến 10 bằng cách kích hoạt lần lượt 10 đầu ra theo cạnh dương của xung clock.
IC 4017 sẽ tiết kiệm không gian và thời gian thiết kế mạch Bạn có thể thiết lập lại và điều khiển đếm với các chân reset và chân enable.
Sơ đồ chân của IC 4017
IC CD4017 có 16 chân, bao gồm 11 chân đầu ra và 5 chân phục vụ cho việc cấp nguồn và điều khiển Dưới đây là thông tin chi tiết về các chân của IC 4017.
Số chân Tên chân Mô tả
Giá trị số đếm là 5 thì chân sẽ có mức logic 1.
1 Giá trị số đếm là 1 thì chân sẽ có mức logic 1.
Giá trị số đếm là 0 thì chân sẽ có mức logic 1.
2 Giá trị số đếm là 2 thì chân sẽ có mức logic 1.
6 Giá trị số đếm là 6 thì chân sẽ có mức logic 1.
Giá trị số đếm là 7 thì chân sẽ có mức logic 1.
3 Giá trị số đếm là 3 thì chân sẽ có mức logic 1.
8 Giá trị số đếm là 8 thì chân sẽ có mức logic 1.
Giá trị số đếm là 9 thì chân sẽ có mức logic 1.
4 Giá trị số đếm là 4 thì chân sẽ có mức logic 1.
Chân này có mức logic 1 khi số đếm vượt quá giá trị 10.
Kích hoạt mức thấp của chân 13 cho phép mạch nhận tín hiệu xung clock, giúp bộ đếm hoạt động hiệu quả Ngược lại, khi chân này ở mức cao, mạch sẽ không nhận được tín hiệu và bộ đếm sẽ không thực hiện việc đếm.
14 Clock Là tín hiệu đầu cào xung clock Ở mỗi xung cạnh dương của xung clock, giá trị bộ đếm tăng thêm 1.
15 Reset Khởi động lại bộ đếm về 0.
16 Vcc Chân nguồn đầu vào.
Các đặc tính của IC 4017
Cá c đặc tính của IC 4017
Bộ đếm CMOS có 16 chân, tần số hoạt động cao.
Hỗ trợ 10 chân đầu ra được giải mã.
Đầu vào xung clock có mạch Schmitt trigger nên không có giới hạn thời gian tăng giảm tín hiệu.
Dải điện áp hoạt động là từ 3V đến 15V Tuy nhiên, ở điều kiện hoạt động bình thường nên sử dụng điện áp + 5V.
IC 4017 tương thích chuẩn logic TTL.
Tốc độ hoạt động trung bình thường 5MHz, xung nhịp tối đa là 5.5Mhz
Có nhiều package 16 chân PDIP, GDIP, PDSO
Biểu đồ thời gian của CD4017
Bạn có thể mở rộng khả năng đếm lên đến 20 bằng cách kết hợp hai IC 4017 Ngoài ra, việc kết hợp nhiều IC với nhau cho phép bạn tăng phạm vi đếm lên đến 30, 40, hoặc thậm chí 10n số.
Khi kết hợp nhiều IC qua chân Carry Out, mức logic mặc định là thấp Tuy nhiên, khi số đếm đạt 10, chân này chuyển sang mức logic 1 và duy trì trạng thái này trong 5 lần đếm tiếp theo trước khi trở lại mức logic 0.
Khi đếm đến 10, nó sẽ lại tăng lên mức logic cao Biểu đồ thời gian cho biết trạng thái của tất cả các đầu ra nhờ các đầu vào.
IC 4017 có 10 chân đầu ra, hoạt động theo nguyên tắc nhận mức logic 1 một cách tuần tự khi có tín hiệu xung clock được cung cấp Tín hiệu xung clock này có thể được tạo ra từ IC 555 hoặc các IC số khác.
Chân 13 là chân clock được giữ ở mức logic thấp nếu không chân này có thể tạm dừng nhận xung clock
Chân reset của CD4017 được duy trì ở mức logic thấp, giúp thiết lập lại bộ đếm để bắt đầu đếm từ 0 khi cần Khi hai chân này giữ ở mức logic thấp, mạch sẽ hoạt động bình thường.
Các ứng dụng của IC 4017
Các ứng dụng của IC 4017
IC 4017 có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực sau:
Mạch ma trận đèn LED
Các ứng dụng và dự án điều khiển LED
Ứng dụng IC 4017 trong đếm nhị phân hoặc bộ giải mã nhị phân
Phép đếm chia hết cho N
Ứng dụng trong điện tử công nghiệp và y tế.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH
Sơ đồ khối chức năng từng khối
1.2 Sơ đồ nguyên lý, nguyên lý hoạt động của mạch
Hình 1.1 Sơ đồ ngyên lý của mạch
KHỐI XƯ LÍ KHỐI BÀN
IC 4017 là bộ đếm thập phân với 10 đầu ra, trong đó các chân ngõ ra từ Q0 đến Q9 sẽ bật cao lần lượt khi chân CLK được kéo lên mức cao Chân MR hoạt động như chân RESET, yêu cầu phải ở mức thấp trong quá trình hoạt động, và để reset IC, cần đưa chân này lên mức cao.
Khi cấp điện cho mạch, IC 4017 sẽ được reset, với đầu ra đầu tiên Q0 ở mức cao, trong khi các đầu ra Q1 đến Q9 ở mức thấp Đầu ra Q0 được kết nối với phím số 1, mã số đầu tiên trong dãy mã 110215, và chân còn lại của phím 1 được nối với chân CLK của IC 4017.
Khi nhấn đúng mã đầu tiên, nút nhấn 1 sẽ kết nối chân Q0 với CLK, làm cho chân CLK đạt mức cao Lúc này, IC sẽ chuyển tín hiệu cao sang ngõ ra Q1 và tiếp tục ở trạng thái chờ.
Theo sơ đồ mạch, chân Q1 kết nối với phím 1 (mã số thứ 2 trong dãy mã 110215) Khi phím 1 được nhấn, IC sẽ tiếp tục truyền tín hiệu mức cao đến các ngõ ra khác.
Khi phím 5 được nhấn, ngõ ra Q6 sẽ tăng lên mức cao 5V, kích hoạt transistor dẫn điện, từ đó đóng rơ le và bật đèn LED báo hiệu.
Trong quá trình nhập mã, nếu nhấn vào các nút không có trong mật mã như 3, 4, 6, 7, 8, 9, sẽ xảy ra hiện tượng kết nối 5V với MR, dẫn đến việc reset IC Do đó, người dùng cần bắt đầu nhập lại mã từ đầu.
Nếu bấm vào các số 1,1,0,2,1,5 nhưng không theo thứ tự thì không cũng không thể mở cửa được.
Vậy nên các phím 1,0,2,5 sẽ nối với các chân Q0 – Q5 qua 1 con diode (để tránh điện áp ngược) và chân CLK.
Password có thể tùy chỉnh tối đa đến 9 chữ số Trong đề tài này, mạch khóa số được thiết kế với password là 110215.