Bài tập lớn kỹ thuật số thiết kế mạch đồng hồ số

Nội dung: Thiết kế mạch đồng hồ số gồm: hai nút Start và Stop để khởi động và dừng hệ thống, 6 Led 7 thanh để hiển thị Giờ, Phút, Giây ( hh:mm:ss), một nút chọn chế đọ Mode, 3 nút để chỉnh giờ, phút, giây. Hoạt động: Khi nhấn nút Start đồng hồ hoạt động ở chế độ 24h. Nếu nhấn Mode đồng hồ chuyển sang chế độ 12h. Đang ở chế độ 12h, nếu ấn Mode thì chuyển sang chế độ 24h và ngược lại. Điều chỉnh thời gian bằng 3 nút H, M,S. Khi ấn Stop, hệ thống dừng hoạt động. Phần thuyết minh: Chương 1: Trình bày về các mạch chức năng sử dụng trong hệ thống 1.1. Phân tích các yêu cầu công nghệ 1.2. Các linh kiện cần dùng trong bài Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông. 2.1. Sơ đồ khối bố trí các linh kiện trong bài 2.2. Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế 2.3. Trình bày sơ đồ chân,bảng chân lý.....

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT SỐ

TÊN ĐỀ TÀI:

Số 4: Thiết kế mạch đồng hồ số

PHIẾU GIAO BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT SỐ

Chương 1: Trình bày về các mạch chức năng sử dụng trong hệ thống

1.1 Phân tích các yêu cầu công nghệ

1.2 Các linh kiện cần dùng trong bài

Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông.

2.1 Sơ đồ khối bố trí các linh kiện trong bài

2.2 Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế

2.3 Trình bày sơ đồ chân,bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch sửdụng

2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch

2.5 Thuyết minh nguyên lý hoạt động của mạch

2.6 Xây dựng mạch mô phỏng trên phần mề proteus và chạy thử

Chương 3: Kết luận

3.1 Các kết quả đạt được 3.2 Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hương khắcphục

Chú ý:

Trước khi bảo vệ đồ án sinh viên phải nộp:

- File mềm gồm file trình bày đồ án và file mô phỏng

- Quyển in khổ A4.- Có phiếu giao đề tài và danh sách nhóm

BỘ MÔN ĐL&ĐK GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay các hệ thống điện tử rất đa dạng và đang dần thay thế các côngviệc hàng ngày của con người từ những công việc đơn giản đến phức tạp nhưđiều khiển tín hiệu đèn giao thông, đo tốc độ động cơ hay các đồng hồ số Các

hệ thống này có thể thiết kế theo hệ thống tương tự hoặc hệ thống số Tuy nhiêntrong các hệ thống điện tử thông minh hiện nay người ta thường sử dụng hệthống số hơn là các hệ thống tương tự bởi một số các ưu điểm vượt trội mà hệthống số mang lại đó là: độ tin cậy cao, giá thành thấp, dễ dàng thiết kế, lắp đặt

và vận hành… Để làm được điều đó, chúng ta phải có kiến thức về môn kỹthuật số, hiểu được cấu trúc và chức năng của một số IC số, mạch giải mã, cáccổng logic và một số kiến thức về các linh kiện điện tử

Sau một thời gian học tập và tìm hiểu các tài liệu về môn kỹ thuật số, với

sự giảng dạy, hướng dẫn nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn cô giáo Nguyễn Thị

Hà, em đã hoàn thành xong đề tài:”Thiết kế mạch điều khiển đèn giao thông”

Do kiến thức và trình độ năng lực hạn hẹp nên việc thực hiện đề tài này

không thể tránh được thiếu sót, kính mong nhận được sự thông cảm và góp ýcủa cô giáo

Em xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện:

Chương 1: CÁC MẠCH CHỨC NĂNG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ

Mạch đèn giao thông bao gồm 2 cột đèn Ban đầu cột đèn thứ nhất ở đènxanh ,cột thứ 2 để đèn đỏ.Đặt thời gian là 15 s với cột thứ nhất và 20s vớicột thứ 2 Sau 15s cột đèn thứ nhất chuyển sang đèn vàng ,sau 20s cột đènthứ 2 chuyển sang đèn đỏ.Trong khoảng thời gian 5s 2 cột đèn cách nhau thìcột đèn thứ nhất ở trạng thái đèn vàng.Hết 5s 2 cột đèn lại quay trở lại trạngthái ban đầu và hoạt động lặp lại theo chu kỳ

1.2 Các mạch và chức năng của từng mạch

1.2.1.Mạch logic tổ hợp

a Đặc điểm cơ bản và phương pháp thiết kế của mạch

- Đặc điểm: mạch tổ hợp là mạch mà trị số ổn định của tín hiệu đầu ra ởthời điểm bất kì chỉ phụ thuộc vào tổ hợp các giá trị tín hiệu đầu vào ởthời điểm đó

- Bộ mã hóa ưu tiên

Bộ mã hóa ưu tiên có thể có nhiều tín hiệu đồng thời đưa đến, nhưngmạch chỉ tiến hành mã hóa tín hiệu đầu vào nào có cấp ưu tiên caonhất ở thời điểm xét

c Bộ giải mã

Giải mã là quá trình phiên dịch hàm ý đã gán cho từ mã

Bộ giải mã là mạch điện thực hiện giải mã từ mã thành tín hiệu đầu ra,biểu thị tin tức vốn có

Là bộ giải mã thực hiện chuyển đổi từ mã BCD thành 10 tín hiệu đầu

ra tương ứng 10 chữ số của hệ thập phân

- Bộ giải mã của hiển thị kí tự

Hai loại hiển thị số:

+ linh kiện hiển thị bán dẫn

+ đèn hiển thị số 7 thanh chân không

b Phương pháp phân tích chức năng logic mạch dãy.

- Bộ nhớ cơ bản: là mạch điện có chức năng tiếp nhận tín hiệu nhị phân

mã hóa và xóa tín hiệu đã nhớ trước

- Bộ dao động đa hài cơ bản cổng NAND TTL

- Bộ dao động đa hài vòng RC

- Bộ dao đọng đa hài thạch anh

- Bộ dao động đa hài CMOS

2 Trigơ smit

- Trigo smit có thể biến đổi dạng xung, biến đổi vô cùng châm chạp ởđầu vào thành dạng xung vuông thỏa mãn yêu cầu mạch số ở đầu ra.

- Có ứng dụng rộng trong các mạch phát xung và tạo dạng xung

3 Mạch đa hài đợi

- Mạch đa hài đợi CMOS

- Đa hài đợi họ TTL

*Chu kỳ tạo xung:

Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian

*Sơ đồ chân LM555

Chân số 1 : (GND) Cho nối mass để lấy dòng cấp cho IC , dòng điện từ mas

Chân sô 2: (Trigger Input ) Ngõ vào của một tầng, ở đây mức áp chuẩn bằng1/3 Vcc, lấy cầu phân áp tạo bởi ba điện trở 5K.Khi mức áp chân 2 xuống đếnmức (1/3)Vcc thì chân 3 sẽ chuyển lên mức cao, lúc này khóa điện tử trên chân

Chân số 7: (Dirchange) Chân xả điện, chân này là ngõ ra của một khóa điên(tranistor) khóa điện này đóng mở theo mức áp chân số 3 Khi chân 3 ở mức ápcao thì khóa điện đóng lại và cho dòng chay qua, ngược lại thì khóa điện hở và

2 Sơ đồ kiểu chân và tác dụng của từng chân

Từ hình vẽ ta thấy:

+ Từ chân 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 tương ứng với 10 xung đầu ra của DC4017.Các chân này được xuất ra mức 1 khi số xung được đếm tương ứng với số thự

tự các chân đầu ra

+ Chân 15 là chân Reset Khi chân này tác động ở mức 1 thì đếm sẽ Reset vềđầu

+ Chân 14 là xung đầu vào và đếm ở sườn dương

+ Chân 13 là xung đầu vào và đếm ở sườn âm

+ Chân 12 là xung báo hiệu là đếm xong 1 chu kỳ đếm (Có nghĩa là khiCD4017 đếm từ 1 đến 5 thì chân 12 ở mức 1 và CD4017 đếm từ 6 đến 10 thìchân CD4017 ở mức 0 )

2.3 /Bộ đếm:

Dùng IC 74190 bộ đếm thập phân

*Sơ đồ cấu tạo:

:

2.4/Bộ giải mã:

2.5/Bộ hiển thị:

Bộ hiển thị là thiết bị thể hiện số đếm, và thiết bị hiển thị bộ đèn giao thông

*Sơ Lược Về Các Linh Kiện Chính Trong Mạch.

a) Máy biến áp

Sơ đồ thế hiện số

đếm

Hiển thị số đèn giao thông

Máy biến thế hay máy biến áp là thiết bị điện gồm hai hoặc nhiều cuộn dây,

hay 1 cuộn dây có đầu vào và đầu ra trong cùng 1 từ trường Cấu tạo cơ bản củamáy biến thế thường là 2 hay nhiều cuộn dây đồng cách điện được quấn trêncùng 1 lõi sắt hay sắt từ ferit

Máy biến thế có thể thay đổi hiệu điện thế xoay chiều,

tăng thế hoặc hạ thế, đầu ra cho 1 hiệu điện thế tương

ứng với nhu cầu sử dụng Máy biến thế đóng vai trò

rất quan trọng trong truyền tải điện năng

Máy biến thế hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lí:

 dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từ

trường)

 sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (cảmứng điện)

Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp,

và 1 từ trường biến thiên trong lõi sắt Từ trường biến thiên này tạo ra trongmạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thểthay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường Sự biến đổi này có thểđược điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt

Khi N P , U P , I P, ΦP và N S , U S , I S, ΦS là số vòng quấn, hiệu điện thế, dòng điện và

từ thông trong mạch điện sơ cấp và thứ cấp (primary và secondary) thì theo

 Tụ điện một chiều, hay tụ phân cực (Electrolytic Capacitor): Khi đấu nốiphải đúng cực âm - dương Thường trên tụ quy ước cực âm bằng cách sơnmột vạch màu sáng dọc theo thân tụ, hoặc khi tụ chưa cắt thì chân dài hơn

là cực dương

 Tụ điện xoay chiều: hay tụ không phân cực

Tụ điện là một linh kiện thụ động cấu tạo của tụ điện là hai bản cực bằng kimloại ghép cách nhau một khoảng d ở giữa hai bản tụ là dung dịch hay chất điệnmôi cách điện có điện dung C Đặc điểm của tụ là cho dòng điện xoay chiều điqua, ngăn cản dòng điện một chiều

Công thức tính điện dung của tụ: C = ε.S/d

ε là hằng số điện môi

S là điện tích bề mặt tụ m2

d là bề giày chất điện môi

Tụ điện phẳng gồm hai bàn phẳng kim loại diện tích đặt song song và

 = 8.86.10-12 C2/ N.m2 là hằng số điện môi của chân không

 là hằng số điện môi tương đối của môi trường; đối với chân không  = 1,giấy tẩm dầu = 3,6, gốm = 5,5; mica = 4 5

c) Điện trở:

Điện trở là linh kiện thụ động có tác dụng cản trở cả dòng và áp.

Điện trở đựơc sử dụng rất nhiều trong các mạch điệntử

R =ρℓ/S hoặc R=U/ITrong đó ρ là điện trở suất của vật liệu

S là thiết diện của dây

ℓ là chiều dài của dây

d) Diode:

Diode được cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn p-n được ghép với nhau Diodechỉ hoạt động dẫn dòng điện từ cực anot sang catot khi áp trên hai chân đượcphân cực thuận (VP>VN) và lớn hơn điện áp ngưỡng Khi phân cực ngược(VP<VN) thì Diode không dẫn điện

e) IC ổn áp (LM 78xx)

để nuôi mạch hoạt động.Có thể dùng nhiều loại IC nhưng thông dụng nhất là họ

IC 78xx loại IC này có 3 chân rất tiện cho việc thiết kế bộ nguồn nhỏ và ổn địnhhay các ổn áp trên xe ô tô

Họ IC 78xx chân 1 là ngõ vào , chân 2 là ngõ ra, điện áp ngõ ra ở chân 2 có giátrị là xx vnhu7 được ghi trên IC (ví dụ như IC 7805,7812, thì điện áp ngõ ra cógiá trị là 5v, 12v, ) Tùy vào dòng điện ngõ ra người ta thêm vào để chỉ như là:

Ta xét nguyên lý hoạt động của họ 78:

Ta thấy họ 78 có 3 chân 2 chân vào và 1 chân ra (có chung cực âm) Khiđặt hiệu điện thế nhất định vào chân 1 (hiệu điện thế chân vào phải lớn hơn chânra).Khi đó tại chân ra sẽ cho ta hiệu điện thế chúng ta cần theo từng loại chứcnăng mà của họ 78

f) Phần tử đảo (NOT)

Chức năng:

Thực hiện phép toán logic ĐẢO (NOT)

Cổng ĐẢO chỉ có 1 đầu vào:

Chức năng thực hiện phép nhân logic

Cổng AND gồm hai đầu vào và một hàm ra

0 1

1 0

out A

Nguồn Ac hoặc Dc 15V đuợc lấy từ con 3 (máy biến áp) dẫn qua cầu diodenén điện dẫn qua tụ lọc gợn sóng qua IC ổn áp 78xx qua tụ chống nhiễu 104 qua

IC 741 tạo xung vuông đơn cực

-Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Nguồn:

Nguồn và xungđược lấy từ mạchnguồn và mạch xung, xung được cung cấp cho IC 74190 đếm chạy đuổi sau mỗichu kì xung từ Q0-Q9 Nhiệm vụ của diode từ D1-D9 chống dòng điện quay ngượctrở về IC 4017.Khi Q0-Q3 lần lược tích cực mức cao và đưa vào cực b của U2,điện trở Rb phân cực cho C1815 bây giờ BJT dẫn đèn Xanh_1 sáng đồng thời kíchcho U3 dẫn đèn đỏ 2 sáng.Nhiệm vụ của các điện trở cực E của BJT là hạ áp choLed Đến lúc Q4 tích cục mức cao kích cho U4 dẫn

làm cho đèn Vàng 1 và đèn Đỏ 2 sáng.Tương tự

cho chu kì tích cực mức cao của IC4017.Đèn giao

Thông này hoạt động theo nguyên lý đèn Đỏ =

Đèn Vàng + Đèn Xanh Để đèn sáng nhanh hay

chậm ta chỉnh chu kì xung ở mạch tạo xung

Mạch này có hai trụ riêng biệt,để 4 trụ ta

gắn các led song song với nhau

-Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Tạo Xung:

Mạch dùng IC 555 được lắp theo sơ đồ nguyên lý như hình vẽ

*Thiết kế bộ hiển thị đèn giao thông:

Nguyên lý: các trạng thái chuyển tiếp theo thứ tự lặp tuần hoàn

Tối thiểu hàm ra theo bìa cacno ta có:

J2= y2 ; K2= 1 ; J1 = y2 ; K1= 1

Z1= y2 y1 ; Z2=y1 ; Z3=y2

* Sơ đồ thiết kế bộ xung kích trạng thái hiển thị đèn giao thông:

* Sơ đồ nguyên lý bộ đêm thập phân ngược đồng bộ:

1y2y 1K1J 2K2J 3Z2Z1Z

00 X1 X0 100

01 1X X1 010

10 X0 1X 001

II Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của mạch dùng IC số điều khiển đèn giao thông ở ngã tư:

III.Thuyết minh nguyên lý hoạt động của mạch

-Đầu tiên mạch sẽ được nuôi bằng một nguồn xung vuông.Ta sử dụng IC555 đểtạo xung vuông,nguyên lý hoạt động của mạch nguồn:

Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC Mạch FF là loại

Khi S = [1] thì Q = [1] và = [ 0].Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = [0].Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0].Tóm lại, khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì = [1],transisitor mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp

ở chân 6 không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset

Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0

Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S

= [1], Q = [1] và = [0] Ngõ ra của IC ở mức 1.Khi = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng Khinhấn công tắc lần nữa Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 0, S = [0], Q và vẫn không đổi Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn

V2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó.

Op-Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu

kỳ ổn định

-Nguyên lý hoạt động của mạch đếm xung

Chỉ có một ngõ ra được kích mức cao tại một thời điểm.Bạn có thể thấy được ra ngõ ra ÷10 output sẽ mức cao cho lượt đếm 0 > 4 và ở

Khi xung đầu vào nó đang ở mức dương thì xung đầu tiên được đếm và xungđầu vào ở mức âm thì chân 1 vẫn ở mức 1 Khi xung đầu vào đếm ở mức dươngthứ 2 thì ngay lập tức xung thứ 2 được đếm và xung đầu tiên bị mức trạng thái

và xuống ở mức âm Và cứ như thế nó đếm đến 10 là kết thúc 1 chu kỳ đếm vàquay lại một chu kỳ mới

Chú ý: Ic 4017 có thể đếm được ở 2 mức :đếm sườn âm và đếm sườn dương.+Nếu đếm sườn dương :Clock vào chân 14 và chân 13 được nối đất

+Nếu đếm ở sườn âm :Clock vào chân 14 và chân 13 được nối V

Đầu tiên mạch được cấp điện áp để hoạt động ,qua mạch tạo xung sử dụngIC555 để tạo xung vuông với xung nhịp ởn định.Khi đã có xung vuông ta đưaxung vuông vào mạch đếm xung và qua bộ giải mã sau đó là hiển thị trên bộhiển thị là đèn led 7 thanh và led màu.

Chương 3.Kết Luận

3.1: Các kết quả đạt được

- Điều khiển được đèn giao thông, hoạt động ổn định

- Biết được cấu tạo, đặc điểm và nguyên lí hoạt động của 1 số vi mạch điện tử

- Sơ đồ nguyên lí của mạch đồng hồ số

- Học hỏi thêm nhiều kiến thức, có khả năng lắp ráp một sản phẩm hoàn chỉnh

3.2: Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục.

- Không được sử dụng trực tiếp các linh kiện điện tử, chỉ được tham khảo quaInternet, sách tham khảo và các tài liệu có liên quan,… nên bài làm còn nhiềuthiếu sót và sai sót,…

- Cồng kềnh không thuận lợi cho sử dụng Dễ bị hư hỏng khi có sự va chạm

hoặc điện áp không ổn định Các IC dễ bị hư hỏng khi thi công không có nhiềuchức năng như các đồng hồ khác

Nên chính vì thế hiện nay con người đã đi đến một hướng giải quyết khác dùng

Vi điều khiển hoặc dùng những chip vi mạch có độ tích hợp cao Để khắc phụcnhững khuyết điểm trên