LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI - Việc áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật vào đời sống nhằm nâng cao mức sống con người ngày càng phổ biến: Từ các ứng dụng trong công cộng như hệ thống an ninh ch
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật vào đời sống nhằm nâng cao mức sống con người ngày càng trở nên phổ biến, từ hệ thống an ninh công cộng đến dây chuyền sản xuất tự động trong các nhà máy Trong đó, phát triển công nghệ giao thông thông minh, thân thiện và an toàn là một lĩnh vực quan trọng với nhiều tiềm năng Nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài “Thiết kế mạch đèn giao thông dùng họ vi mạch TTL” để tìm hiểu và học hỏi về lĩnh vực này.
Với kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế, đề tài này tập trung vào việc tiếp cận và tìm hiểu nhằm nâng cao kỹ năng thực hành cho tương lai Do đó, hệ thống sẽ được thiết kế và thi công một cách đơn giản, đảm bảo hoạt động hiệu quả, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng và nâng cao trong tương lai.
Phương pháp nghiên cứu và thực hiện đề tài bao gồm việc tận dụng kiến thức sẵn có, tham khảo tài liệu từ thư viện và internet, cùng với sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn (GVHD) Nhờ vào những phương pháp này, đề tài không chỉ có tính ứng dụng thực tiễn mà còn đảm bảo tính khả thi cao.
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
- Cách thiết kế mạch: Có thể sử dụng các IC số hoặc vi điều khiển Các cách thì có ưu nhược điểm riêng.
Sử dụng IC số giúp đơn giản hóa quy trình thiết kế mà không cần kiến thức lập trình Tuy nhiên, việc này có thể dẫn đến mạch cồng kềnh với nhiều linh kiện, thiết kế phức tạp và hệ thống khó khăn trong việc phát triển và nâng cấp.
Sử dụng vi điều khiển giúp tạo ra mạch nhỏ gọn với ít IC, đồng thời thiết kế layout đơn giản và hệ thống dễ nâng cấp Tuy nhiên, để thực hiện điều này, người thực hiện cần có kiến thức vững về lập trình vi điều khiển.
Nhóm thực hiện đồ án môn học tập trung vào việc nắm vững kiến thức về linh kiện điện tử và IC số, đồng thời phát triển các kỹ năng cơ bản trong thi công và thiết kế mạch Đề tài không yêu cầu phức tạp, vì vậy nhóm chỉ sử dụng các IC số để hoàn thành dự án.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
KHỐI NGUỒN
• Output: Qua IC 7805 cho ra 5V
BỘ TẠO XUNG
2.2.1 Các thông số cơ bản của IC 555 Điện áp đầu vào: 2 – 18V (Tùy từng loại của 555: LM555, NE555, ) Dòng điện cung cấp: 6mA – 15mA Điện áp logic ở mức cao: 0.5V – 15V Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 – 0.06
Công suất lớn nhất: 600mW
2.2.2 Các chức năng của IC 555
Là thiết bị tạo xung tương đối chính xác. Điều chế độ rộng xung.
Chân số 1 (GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung.
Chân số 2 (TRIGGER) là chân đầu vào có điện áp thấp hơn mức điện áp so sánh, được sử dụng như một chân chốt hoặc ngõ vào cho mạch so sánh Mạch so sánh này sử dụng các transistor PNP với điện áp chuẩn đạt 2/3Vcc.
Chân số 3 (OUTPUT) là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic, với trạng thái tín hiệu được xác định bởi mức 0 và 1 Mức 1 tương ứng với điện áp cao gần bằng VCC, trong khi mức 0 tương đương với 0V Tuy nhiên, trong thực tế, mức 0 không hoàn toàn là 0V mà nằm trong khoảng từ 0.35V đến 0.75V.
Chân số 4 (RESET) được sử dụng để lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối với mass, ngõ ra sẽ ở mức thấp Ngược lại, khi chân 4 nối vào mức áp cao, trạng thái ngõ ra sẽ phụ thuộc vào mức áp trên chân 2 và 6 Để tạo dao động trong mạch, chân số 4 thường được kết nối lên.
Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE) của IC 555 được sử dụng để điều chỉnh mức áp chuẩn, thông qua các biến áp hoặc điện trở nối với GND Mặc dù chân này có thể không cần kết nối, nhưng để giảm nhiễu, người ta thường nối chân số 5 xuống GND qua tụ điện có giá trị từ 0.01uF đến 0.1uF Các tụ điện này giúp lọc nhiễu và duy trì độ ổn định của điện áp chuẩn.
Chân số 6 (THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
Chân số 7 (DISCHAGER) hoạt động như một khóa điện tử, được điều khiển bởi chân 3 Khi chân 3 có mức áp thấp, khóa này sẽ đóng lại; ngược lại, khi chân 3 có mức áp cao, khóa mở ra Chân 7 cũng tự nạp và xả điện cho mạch R-C khi IC 555 hoạt động ở chế độ dao động.
Chân số 8 (VCC) là chân cung cấp điện áp và dòng cho IC hoạt động; nếu không có chân này, IC sẽ không hoạt động Điện áp cấp cho chân VCC dao động từ 2V đến 18V, tùy thuộc vào từng loại IC, với con NE7555 là loại thấp nhất.
BỘ ĐẾM: IC 74LS192
Hình 2.3: IC 74LS192 Hình 2.4: Sơ đồ chân
Các chân: 11, 12, 13 tích cực mức thấp, các chân còn lại tích cực mức cao.
Chân số Chức năng Nguồn, đất 16 Chân nguồn
11 Chân quay về trạng thái đếm đặt trước
Bảng 2.1: Chức năng các chân IC 74LS192
Hình 2.5: Bảng trạng thái IC 74LS192
BỘ GIẢI MÃ: IC 74LS247
74247: IC giải mã BCD để hiển thị ra led 7 đoạn
Hình 2.6: IC 74LS247 Hình 2.7: Sơ đồ chân IC 74LS247
Các chân: 11, 12, 13 tích cực mức thấp, các chân còn lại tích cực mức cao.
Chân số Chức năng Nguồn, đất 16 Chân nguồn
3 (LT) Test đèn 4(RBI) Xuất số khác “0” qua led kế tiếp bên trái 5(BI) Không hiển thị các số không vô nghĩa
Bảng 2.2: Chức năng các chân IC 74LS247
Hình 2.8: Bảng trạng thái IC 74LS247
IC 74HC4017
Các chân có chức năng:
Từ chân 1 – 7 và 9, 10, 11: Output pin Q0 tới Q9.
Chân 12 (Carry Out): Chân lên mức cao sau khi IC đếm từ 1 đến 10 Thường được sử dụng để kích cho một IC đếm khác.
Chân 13 (Clock Enable): Chân cho phép, tích cực mức thấp.
Chân 14 (Clock): Tích cực cạnh lên Input xung.
Chân 15 (Reset): Đưa trạng thái ngõ ra lên mức cao.
IC OR 74LS32
7432: cổng logic cộng, 2 ngõ vào 1 ngõ ra
Hình 2.10: IC 74LS32 Hình 2.11: Sơ đồ chân IC74LS32
IC NOT 74LS04
7404: cổng logic đảo, 1 ngõ vào 1 ngõ ra.
Hình 2.12: IC 74LS04 Hình 2.13: Sơ đồ chân IC 74LS04
BỘ HIỂN THỊ
Led 7 đoạn: Có 2 loại Anode chung và Cathode chung, trong đề tài nhóm chọn sử dụng loại Anode chung Đối với loại Anode chung thì các ngõ vào đều tích cực mức thấp, chân Anode chung được nối lên nguồn.
Hình 2.14: Cấu tạo LED 7 đoạn
Hình 2.15 : Bảng trạng thái LED 7 đoạn.
Hình 2.16: Led đơn Điện áp định mức của Led:
Led xanh biển và trắng: 3.5 – 4V
Dòng định mức của Led: 20mA cho đa số các led.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC KHỐI
3.1.2 Chức năng của từng khối
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn mạch.
- Khối tạo xung: Tạo xung Clock để cấp cho khối đếm thực hiện đếm.
- Khối đếm: Đếm số xung từ khối tạo xung gửi đến Chu kì đếm phụ thuộc vào chu kì xung Clock từ khối tạo xung gửi đến.
- Khối cài đặt thời gian: Lưu thời gian 3 trạng thái Đỏ - Vàng - Xanh để cấp cho khối đếm.
- Khối giải mã: có chức năng giải mã số xung đếm được từ khối đếm sang mã
-Khối Reset : Sử dụng nút bấm kết nối với các chân reset, preset khối đếm, khối lưu trạng thái để reset về trạng thái ban đầu.
- Khối hiển thị: hiển thị thời gian tồn tại của trạng thái và chỉ màu giao thông của trạng thái.
KHỐI HIỂN KHỐI GIẢI THỊ
KHỐI ĐẾM MÃ KHỐI TẠO
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH, NGUYÊN LÝ CHI TIẾT
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý nguồn 12V to 5V
- Lấy nguồn đầu vào từ Adapter 12V qua IC7805 xuất ra nguồn 5V.
- Diode D9 để tránh cấp nguồn ngược Tụ C3, C4 lọc nhiễu Led D13 báo hiệu đã có nguồn 5V ở đầu ra.
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lí khối tạo xung 1Hz từ IC555
- Mạch đếm hoạt động với chu kì 1 giây Suy ra tần số xung cần cho mạch hoạt động là 1Hz, vì f=1/T.
- Do đó ta sẽ tính toán thiết kế mạch tạo xung 1Hz từ IC 555
- Đầu tiên ta chọn C2 và R1 có giá trị lần lượt là 10uF và 10KΩ. f out = T 1 = 0 , 69 ×( R 1+2 1 R 2 )×C 2 =1 Hz
Giá trị lần lượt của tụ C2 và điện trở R1, R2 là 10uF, 10KΩ và 68KΩ
Tụ C1 để tránh nhiễu Qua quá trình nạp xả diễn ra, IC555 sẽ tạo ra xung sóng vuông 1Hz ở chân 3.
Khối đếm và khối cài đặt thời gian bao gồm bộ đèn báo tín hiệu Đỏ, Vàng, Xanh, cùng với bộ hiển thị thời gian bằng Led 7 đoạn và hệ thống đếm lùi chuyển trạng thái.
Gồm 3 loại đèn Đỏ - Vàng – Xanh Trong đó:
- Đèn đỏ: Tín hiệu dừng lại.
- Đèn vàng: Tín hiệu giảm tốc độ.
- Đèn xanh: Tín hiệu di chuyển.
Thời gian đèn đỏ sáng = Thời gian đèn xanh sáng + Thời gian đèn vàng sáng
Bộ đếm lùi chuyển trạng thái:
- Sử dụng IC 4017 và các cổng logic để tạo data đưa vào IC 74102 để thực hiện đếm.
- Sử dụng IC 74192 để thực hiện đếm xuống.
- IC NE555 tạo xung đếm.
3.2.2 Tính toán nguyên lí hoạt động
Khối tạo xung cung cấp xung CLOCK 1 Hz cho chân Down của IC 74192, cho phép thực hiện đếm xuống với chu kỳ 1 giây IC 74192 nhận dữ liệu đầu vào từ các chân D0, D1, D2, D3 của IC 4017 Khi IC 74192 hàng đơn vị đếm xuống đến 0, nó sẽ cung cấp một xung CLOCK cho IC 74192 hàng chục.
IC 74192 bắt đầu đếm xuống và khi đếm qua 0, nó sẽ tạo ra một xung CLOCK cho IC 4017 IC 4017 sẽ chuyển đổi giữa 3 trạng thái một cách tuần tự Khi đếm vượt quá 3 trạng thái, IC 4017 sẽ bị Reset thông qua trạng thái thứ 4 tại chân 7.
4017) được nối với chân MR (chân 15 của 4017).
- Data đầu ra Q0, Q1, Q2, Q3 của IC 74192 được đưa đến IC giải mã (74247) để hiện thị ra led 7 đoạn.
Bảng chuyển và ghim trạng thái
Sử dụng một bộ đếm xuống Xanh - Vàng - Đỏ (30-05-35) và một bộ đếm xuống Đỏ - Xanh - Vàng (35-05-30)
Để thiết lập mạch, cần nối chân D1 và D3 xuống mức [0] vì cả hai chân này ở mức [0] Chân D0 và D2 cũng ở mức [0] khi chân Q0 ở mức [1], và sẽ lên mức [1] khi chân Q1 và Q2 đạt mức [1] Do đó, cần kết nối chân Q1 và Q2 của IC 4017 vào một cổng logic OR (IC 7432) để điều khiển chân D1 và D2 của IC 74192.
Với mã nhị phân 0000 chuyển sang mã BCD là 0 mã nhị phân 0101 chuyển sang mã BCD là 5
Cả chân D2 và D3 đều ở mức [0], vì vậy cần nối hai chân này xuống mức 0 Chân D0 và D1 cũng ở mức [0] khi chân Q1 ở mức [1], và sẽ lên mức [1] khi chân Q0 và Q2 đạt mức [1] Do đó, cần kết nối chân Q0 và Q2 của IC 4017 vào một cổng logic OR (IC7432) để dẫn đến chân D1 và D2 của IC 74192.
Với mã nhị phân 0000 chuyển sang mã BCD là 0 mã nhị phân 0011 chuyển sang mã BCD là 3 Đỏ - Xanh - Vàng
Tương tự bộ đếm xuống Xanh – Vàng – Đỏ (30-05-35) ta có bảng trạng thái cho Đỏ
Led 7 đoạn hiển thị thời gian trạng thái thông qua IC giải mã led 7 đoạn 74247Led đơn hiển thị trạng thái tín hiệu thông qua 3 Q0, Q1, Q2 của IC 4017 Để Reset về trạng thái ban đầu sẽ kích mức 1 vào toàn bộ các chân Reset của các IC
74192 và IC 4017 thông qua nút nhấn và cổng OR