Thiết kế đồng hồ số hiển thị trên 6 led 7 đoạn

LỜI MỞ ĐẦUVới sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Trong lĩnh vực điều khiển, từ khi công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹ thuật điều khiển hiện đại có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạch điều khiển lắp ráp bằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy, công suất tiêu thụ nhỏ. Ngày nay, trong lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ báo giờ ... đã giúp cho đời sống cuả chúng ta ngày càng hiện đại và tiện nghi hơn. Đề tài “Đồng Hồ Số” rất đa dạng và phong phú, có nhiều loại hình khác nhau dựa vào công dụng và độ phức tạp. Do tài liệu tham khảo bằng Tiếng Việt còn hạn chế, trình độ có hạn và kinh nghiệm trong thực tế còn non kém, nên đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, giúp đỡ chân thành của các thầy cô cũng như của các bạn sinh viên.Người thực hiện đề tài.Hà Như Quỳnh

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành

điện tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp Trong lĩnh vực điều khiển,

từ khi công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹ

thuật điều khiển hiện đại có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các

mạch điều khiển lắp ráp bằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành

rẻ, độ làm việc tin cậy, công suất tiêu thụ nhỏ.

Ngày nay, trong lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi

trong các thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của

con người như máy giặt, đồng hồ báo giờ đã giúp cho đời sống cuả chúng

ta ngày càng hiện đại và tiện nghi hơn

Đề tài “Đồng Hồ Số” rất đa dạng và phong phú, có nhiều loại hình

khác nhau dựa vào công dụng và độ phức tạp Do tài liệu tham khảo bằng

Tiếng Việt còn hạn chế, trình độ có hạn và kinh nghiệm trong thực tế còn

non kém, nên đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót Vì vậy rất mong nhận

được những ý kiến đóng góp, giúp đỡ chân thành của các thầy cô cũng như

của các bạn sinh viên.

Hà Như Quỳnh

GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN, THIẾT KẾ MẠCH

I KHẢO SÁT VI MẠCH HEF4071:

Vi mạch HEF4071 có 4 cổng OR, thực hiện hàm logic OR có sơ đồ logic, sơ đồ

chân như hình 1

Hình 1: Sơ đồ logic và so đồ chân IC HEF4071.

II KHẢO SÁT VI MẠCH HEF4081:

Vi mạch HEF4081 có 4 cổng AND, thực hiện hàm logic AND có sơ đồ logic, sơ

đồ chân như hình 2

Hình 2: Sơ đồ logic và so đồ chân IC HEF4081.

III KHẢO SÁT VI MẠCH HEF4511:

Vi mạch HEF4511 có chức năng giải mã số BCD sang mã 7 đoạn điều khiển led

loại cathode chung có sơ đồ logic, sơ đồ chân như hình 3

Hình 3: Sơ đồ logic và so đồ chân IC HEF4511

IC HEF4511 có 4 ngõ vào DDDCDBDA nối với mạch đếm BCD, có 7 ngõ ra

OGOFOEODOCOBOA nối với led 7 đoạn, có tín hiệu chốt EL tích cực mức thấp, có tín hiệu

xóa số 0, có tín hiệu kiểm tra đèn 7 đoạn LT tích cực mức thấp

Chức năng của các chân được thể hiện qua bảng trạng thái

Bảng 1: Bảng sự thật của HEF4511

Giải thích bảng trạng thái: nhìn vào BTT ta thấy để giải mã hiển thị thì tín hiệu EL

phải nối mức logic 0 (0V), tín hiệu BI và LT phải nối mức 1 (5V) Các trạng thái còn lại

không sử dụng

Kết quả giải mã hiển thị trên led 7 đoạn như hình 4:

Hình 4: Số thập phân hiển thị trên led 7 đoạn

IV KHẢO SÁT VI MẠCH HEF4060:

Vi mạch HEF4060 có chức năng dao động và chia tần số 14 bit có sơ đồ logic, sơ

đồ chân như hình 5

Hình 5: Sơ đồ logic và so đồ chân IC HEF4060

IC này có chức năng đếm hay chia tần 14 bit và có thể tạo dao động

Có 2 mạch dao động: mạch dao động RC xem hình 6 và mạch dao động thạch anh

xem hình 7

Hình 6: Sơ đồ mạch dao động RC dùnhg IC HEF4060.

Hình 7: Sơ đồ mạch dao động thạch anh dùnhg IC HEF4060

V KHẢO SÁT VI MẠCH HEF4518:

Vi mạch HEF4518 có chức năng đếm BCD và có 2 mạch đếm tích hợp bên trong

có sơ đồ logic, sơ đồ chân như hình 8

Hình 8: Sơ đồ logic và so đồ chân IC HEF4518

Bảng 2: Bảng sự thật của IC HEF4518:

VI KHẢO SÁT LED 7 ĐOẠN:

Bộ hiển thị có chức năng thể hiện số thập phân và linh kiện sử dụng là led 7 đoạn

Cấu tạo:

Sơ đồ chân

Bảng mã hiển thị các số thập phân:

Led 7 đoạn là chỉ thị trong đó mỗi đoạn là một diode phát quang (Light Emiting

Diode) được ký hiệu lần lượt là: a, b, c, d, e, f, g

Có hai loại đèn 7 đoạn:

- Loại cathode chung, dùng cho mạch giải mã có ngã ra tác động cao

- Loại anode chung, dùng cho mạch giải mã có ngã ra tác động thấp

Sơ đồ chân của LED 7 đoạn:

Hình 9: Sơ đồ cấu tạo của led anode chung và cathode chung

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI, SƠ ĐỒ MẠCH ĐỒNG HỒ

SỐ.

I THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI

Với mạch đồng hồ số thì sơ đồ khối được thiết kế như sau:

KHỐI DAO ĐỘNG KHỐI ĐẾM GIÂY GIẢI MÃ GIÂY HIỂN THỊ GIÂY

KHỐI ĐẾM PHÚT GIẢI MÃ PHÚT HIỂN THỊ PHÚT

 Khối nguồn: có chức năng cấp nguồn cho toàn bộ mạch để hoạt động

 Khối dao động: có chức năng tạo xung có tần số 1Hz chính xác để cung cấp

cho mạch đếm thời gian và quyết định độ chính xác của đồng hồ

 Khối đếm giây: có chức năng đếm đơn vị giây, chục giây từ 00 đến 59, sau

 Khối giải mã giây: có chức năng giải mã số BCD đơn vị giây, chục giây

sang mã 7 đoạn

 Khối hiển thị giây: có chức hiển thị số thập phân của giây

 Tương tự cho khối đếm phút – đếm từ 00 đến 59 và kết thúc 1 chu kỳ thì

kích xung đếm cho hàng giờ

 Tương tự cho khối đếm giờ: chỉ đếm từ 00 đến 23 giờ

II THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH CHO CÁC KHỐI

Phần này sẽ thiết kế sơ đồ mạch điện cho từng khối

1 Khối dao động tạo xung 1 Hz:

Chức năng là tạo xung 1 Hz chính xác

Có nhiều mạch dao động:

 Mạch dao động dùng RC: gồm có IC, điện trở R và tụ điện C

 Mạch dao động dùng tinh thể thạch anh: gồm có IC, điện trở R, tụ điện C,

thạch anh

Ưu điểm của mạch dao động thạch anh là tần số ổn định, chính xác nhưng chỉ hoạt

động ở tần số cao, muốn có xung 1Hz thì phải dùng thêm chia tần số

Ưu điểm của mạch dao động RC là có thể hoạt động ở tần số thấp nhưng khuyết

điểm thì không ổn định về tần số nên gây ra sai số

Để đếm chính xác về thời gian thì mạch dao động sử dụng vi mạch HEF4060 vừa

tạo dao động dùng thạch anh vừa chia tần số

Sơ đồ mạch điện như sau:

Hình 12: Sơ đồ mạch dao động dùng IC HEF4060 và HEF40193.

Giải thích hoạt động của mạch:

IC HEF4060 có chức năng tạo dao động thạch anh sử dụng thạch anh có tần số

32768Hz Tín hiệu từ bộ dao động được đưa qua các mạch chi tần số ta được tần số của

từng ngõ ra như trong hình, tín hiệu có tần số thấp nhất là 2Hz Để có xung tần số 1Hz thì

phải dùng thêm mạch chia 2, có thể sử dụng Flip Flop hoạt mạch đếm, … ở đây sử dụng

IC đếm HEF40193

Kết quả ta được xung 1Hz

2 Khối đếm giây:

Chức năng đếm đơn vị giây và đếm chục giây, đếm đơn vị giây từ 0 đến 9 và chục

giây từ 0 đến 5, hay kết hợp lại là đếm từ 00 đến 59 Xung đếm giây lấy từ mạch dao

động, sau khi đếm xong 1 chu kỳ thì phải tạo xung kích cho mạch đếm phút, đồng thời

chịu sự tác động của mạch reset hệ thống

Sơ đồ khối của mạch đếm giây như sau:

CK1Hz KHỐI ĐẾM -

GIẢI MÃ – HIỂN THỊ GIÂY

RESET_ALL

CK_PHUT

Hình 13: Sơ đồ khối mạch đếm giây

Mạch đếm được thiết kế sử dụng IC đếm HEF4518 và mạch giải mã sử dụng IC

HEF4511, led 7 đoạn sử dụng loại cathode chung, sơ đồ mạch toàn bộ như hình 1-9

Giải thích hoạt động của mạch: xung ck 1hz lấy từ mạch dao động đưa đến ngõ vào

CK2 tích cực cạnh xuống của IC3A, ngõ vào CK1 tích cực cạnh lên không sử dụng nên

nối mass, ngõ vào RES được nối với mạch “RESET_ALL” của toàn bộ mạch

Ngõ ra BCD của IC3A nối với IC giải mã HEF4511 để điều khiển led 7 đoạn hiển

thị số đếm

Ngõ ra Q3 (XUNG_CHUC_GIAY) của IC3A làm xung ck kích cho mạch đếm

hàng chục giây IC3B – nối với ngõ vào CK2

Do hàng chục giây chỉ đếm từ 0 đến 5 nên lấy trạng thái thứ 6 = 0110 làm trạng thái

reset IC3B: sử dụng 2 tín hiệu Q1 và Q2 của IC3B qua cổng AND và qua cổng OR để kết

hợp với tín hiệu reset toàn mạch “RESET_ALL”

Ngõ ra Q2 của IC3B được dùng là xung CK để kích cho mạch đếm phút

Hình 14: Sơ đồ mạch đếm giây – giải mã – hiển thị.

3 Khối đếm phút:

Chức năng đếm đơn vị phút và đếm chục phút, đếm đơn vị phút từ 0 đến 9 và chục

phút từ 0 đến 5, hay kết hợp lại là đếm từ 00 đến 59 Xung đếm phút lấy từ mạch đếm

giây “CK_PHUT”, sau khi đếm xong 1 chu kỳ 60 phút thì phải tạo xung kích cho mạch

đếm giờ, đồng thời chịu sự tác động của mạch reset hệ thống

Sơ đồ khối của mạch đếm phút như sau:

GIẢI MÃ – HIỂN THỊ PHÚT

RESET_ALL

CK_GIO

Hình 15: Sơ đồ khối mạch đếm phút.

Mạch đếm được thiết kế sử dụng IC đếm HEF4518 và mạch giải mã sử dụng IC

HEF4511, led 7 đoạn sử dụng loại cathode chung, sơ đồ mạch toàn bộ như hình 16

Giải thích hoạt động của mạch: xung lấy từ mạch đếm giây “CK_PHUT” đưa đến

ngõ vào CK2 tích cực cạnh xuống của IC8A, ngõ vào CK1 tích cực cạnh lên không sử

dụng nên nối mass, ngõ vào RES được nối với mạch “RESET_ALL” của toàn bộ mạch

Ngõ ra BCD của IC3A nối với IC giải mã HEF4511 để điều khiển led 7 đoạn hiển

thị số đếm

Ngõ ra Q3 (XUNG_CHUC_PHUT) của IC8A làm xung ck kích cho mạch đếm

hàng chục phút IC8B – nối với ngõ vào CK2

Do hàng chục phút chỉ đếm từ 0 đến 5 nên lấy trạng thái thứ 6 = 0110 làm trạng

thái reset IC8B: sử dụng 2 tín hiệu Q1 và Q2 của IC8B qua cổng AND và qua cổng OR

để kết hợp với tín hiệu reset toàn mạch “RESET_ALL”

Ngõ ra Q2 của IC8B được dùng là xung CK để kích cho mạch đếm giờ

Hình 16: Sơ đồ mạch đếm phút – giải mã – hiển thị.

4 Khối đếm giờ:

Chức năng đếm đơn vị giờ và đếm chục giờ, đếm từ 00 đến 23 Xung đếm giờ lấy

từ mạch đếm phút “CK_GIO”, sau khi đếm xong 1 chu kỳ 24 giờ thì phải tạo xung kích

cho mạch đếm ngày nếu có, đồng thời chịu sự tác động của mạch reset hệ thống

Sơ đồ khối của mạch đếm giờ như sau:

GIẢI MÃ – HIỂN THỊ GIỜ

RESET_ALL

CK_NGAY

Hình 17: Sơ đồ khối mạch đếm giờ

Mạch đếm được thiết kế sử dụng IC đếm HEF4518 và mạch giải mã sử dụng IC

HEF4511, led 7 đoạn sử dụng loại cathode chung, sơ đồ mạch toàn bộ như hình 18

Giải thích hoạt động của mạch: xung lấy từ mạch đếm giây “CK_GIO” đưa đến

ngõ vào CK2 tích cực cạnh xuống của IC13A, ngõ vào CK1 tích cực cạnh lên không sử

dụng nên nối mass

Ngõ ra BCD của IC13A nối với IC giải mã HEF4511 để điều khiển led 7 đoạn hiển

thị số đếm

Ngõ ra Q3 (XUNG_CHUC_GIO) của IC13A làm xung ck kích cho mạch đếm hàng

chục giờ IC13B – nối với ngõ vào CK2

Do giờ chỉ đếm từ 00 đến 23 nên lấy trạng thái thứ 24 = 0010 0100 làm trạng thái

reset hai IC13A và IC13B: sử dụng 2 tín hiệu Q2 của IC13A và Q1 của IC13B qua cổng

AND và qua cổng OR để kết hợp với tín hiệu reset toàn mạch “RESET_ALL”

Ngõ ra Q2 của IC8B được dùng là xung CK để kích cho mạch đếm ngày

5 Khối nguồn:

Các vi mạch sử dụng nguồn 5V

Tra cứu datasheet các IC có công suất tiêu thụ khoảng hàng µW đến mW

Thiết bị tiêu thụ công suất nhiều nhất là led 7 đoạn do đó cần phải tính toán nguồn

Có 6 led 7 đoạn, mỗi led có 7 đoạn, led sáng hết thì 7 đoạn đều sáng, lấy trung bình

Chọn IC ổn áp 7805 loại 1A thì đủ dòng cấp cho mạch hoạt động

Sử dụng nguồn ổn áp 12VDC qua IC ổn áp 7805 để được nguồn 5V Sơ đồ mạch

như sau:

Hình 19: Sơ đồ mạch nguồn

3) Các bước kiểm tra và chạy thử

4) Đánh giá kết quả chạy thực – tính toán sai số

Chương IV

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1) Kết luận

2) Hướng phát triển