Môn kỹ thuật số Thiết kế mạch điều khiển đèn giao thông

Lời mở đầu Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số đã trở thành quen thuộc với nhiều người, bởi vì sự phát triển của ngành kỹ thuật số này đã có ảnh hưởng rất lớn đến ngành kinh tế toàn cầu. Có người đã nêu lên ý tưởng gọi nền kinh tế của thời đại chúng ta là “ nền kinh tế kỹ thuật số, số hóa” đã gần như vượt khỏi ranh giới của một thuật ngữ kỹ thuật. Nhờ có ưu điểm của xử lý số như độ tin cậy trong truyền dẫn, tín đa thích nghi và kinh tế của nhiều phần mềm khác nhau, tín tiện lợi trong điều khiển và khai thác mạng. Số hóa đang là xu hướng phát triển tất yếu của nhiều lĩnh vực kỹ thuật và kinh tế khác nhau. Không chỉ trong lĩnh vục thông tin liên lạc và tin học. Ngày nay, kỹ thật số đã và đang thâm nhập mạnh mẽ vào Kỹ thuật điện tử, Điều khiển tự động, phát thang truyền hình, y tế, nông nghiệp…và ngay cả trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình. Ngay từ những ngày đầu khai sinh, kỹ thuật số nói riêng và ngành điện tử nói chung đã tạo ra nhiều bước đột phá mới mẽ cho các ngàng kinh tế khác và còn đảm bảo được yêu cầu của người dùng cả về chất lượng và dịch vụ. Đồng thời kiến thức về kỹ thuật số là không thể thiếu đối với mỗi sinh viên, nhất là sinh viên điện tử. Và như mội người nhận thấy rằng, ngày nay trật tự giao thông nước ta đang rối ren. Vì vậy việc sử dụng đèn giao thông tại những giao lộ là rất cần thiết và để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và muốn phát triển thêm về mô hình này, em đã chọn đề tài cho đồ án 1 là nghiên cứu về Đèn Giao Thông .Thực hiện bằng các IC 555, 4017 kết hợp một số đèn led để hiển thị và một số tụ cũng như điện trở để tạo xung nhịp. Với việc sử dụng các bộ IC trên ta có thể thực hiện đèn giao thông với các bộ đếm bất kỳ. CHƯƠNG 1: MẠCH CHỨC NĂNG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG I. Ý tưởng thiết kế Hệ thống giao thông mà chúng em thiết kế gồm 2 cột đèn. Mỗi cột gồm đèn: đỏ, xanh, vàng và 2 LED 7 thanh dùng để hiển thị thời gian sáng của đèn. Nút ấn start, stop để khởi động và dừng hệ thống. Trong đó thời gian đèn đỏ sáng là 20s, đèn xanh sáng là 15s, đèn vàng sáng là 5s. Khi đèn xanh 1 sáng 15s đồng thời đèn đỏ 2 sáng trong 20s. Sau khi đèn xanh 1 sáng hết 15s thì đèn vàng 1 sáng 5s. Tiếp theo đèn xanh 2 sáng 15s đồng thời đèn đỏ 1 sáng 20s khi đèn xanh 2 hết 15s thì đèn vàng sáng 5s. Bài toán thỏa mãn khi thời gian đèn đỏ = xanh+ vàng II. Sơ đồ nguyên lý mạch 1. Sơ đồ khối Mạch gồm có 5 khối: Bộ tạo xung Bộ đếm Bộ giải mã hiển thị Bộ hiển thị Bộ nguồn Khối 1 : là 1 IC 555 có nhiệm vụ tạo xung đi vào khối 2 . Khối 2: là 2 IC 74190 mắc nối tiếp, tiếp nhận xung từ khối 1 , thực hiện function đếm thập phân , và truyền tín hiệu đến khối 3 để giải mã. Khối 3: là 2 IC 74247, IC 74247 có chức năng giải mã từ BCD sang led 7 đoạn. Mỗi IC sẽ giải mã một nhóm tín hiệu song song xuất ra từ một IC 74190 ở khối 2. Khối 4: khối hiển thị, hiển thị số từ bộ giải mã 74247 Khối 5: khối nguồn, ta dùng nguồn nuôi 5V CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG. 1. Các linh kiện sử dụng trong mạch thiết kế a) Tụ điện: • Tụ điện một chiều, hay tụ phân cực (Electrolytic Capacitor): Khi đấu nối phải đúng cực âm dương. Thường trên tụ quy ước cực âm bằng cách sơn một 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 kim loại ghép cách nhau một khoảng d ở giữa hai bản tụ là dung dịch hay chất điện môi cách điện có điện dung C. Đặc điểm của tụ là cho dòng điện xoay chiều đi qua, ngăn cản dòng điện một chiều. Công thức tính điện dung của tụ: C = ε.Sd 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 cách nhau một khoảng d. Cường độ điện trường bên trong tụ có trị số E =

LƯU TIẾN HẢI

LÊ VĂN DIỄN

TRẦN VĂN DIỄN

Nhận xét đánh giá của giáo viên hướng dẫn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Lời mở đầu Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số đã trở thành quen thuộc với

nhiều người, bởi vì sự phát triển của ngành kỹ thuật số này đã có ảnh

hưởng rất lớn đến ngành kinh tế toàn cầu Có người đã nêu lên ý tưởng gọi nền kinh tế của thời đại chúng ta là “ nền kinh tế kỹ thuật số, số hóa”

đã gần như vượt khỏi ranh giới của một thuật ngữ kỹ thuật Nhờ có ưu

điểm của xử lý số như độ tin cậy trong truyền dẫn, tín đa thích nghi và

kinh tế của nhiều phần mềm khác nhau, tín tiện lợi trong điều khiển và

khai thác mạng

Số hóa đang là xu hướng phát triển tất yếu của nhiều lĩnh vực kỹ

thuật và kinh tế khác nhau Không chỉ trong lĩnh vục thông tin liên lạc vàtin học Ngày nay, kỹ thật số đã và đang thâm nhập mạnh mẽ vào Kỹ

thuật điện tử, Điều khiển tự động, phát thang truyền hình, y tế, nông

nghiệp…và ngay cả trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình

Ngay từ những ngày đầu khai sinh, kỹ thuật số nói riêng và ngành

điện tử nói chung đã tạo ra nhiều bước đột phá mới mẽ cho các ngàng

kinh tế khác và còn đảm bảo được yêu cầu của người dùng cả về chất

lượng và dịch vụ Đồng thời kiến thức về kỹ thuật số là không thể thiếu đối với mỗi sinh viên, nhất là sinh viên điện tử

Và như mội người nhận thấy rằng, ngày nay trật tự giao thông nước ta

đang rối ren Vì vậy việc sử dụng đèn giao thông tại những giao lộ là rất cần thiết và để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và muốn phát triển

thêm về mô hình này, em đã chọn đề tài cho đồ án 1 là nghiên cứu về

Đèn Giao Thông Thực hiện bằng các IC 555, 4017 kết hợp một số đèn led để hiển thị và một số tụ cũng như điện trở để tạo xung nhịp Với việc

sử dụng các bộ IC trên ta có thể thực hiện đèn giao thông với các bộ đếmbất kỳ

CHƯƠNG 1: MẠCH CHỨC NĂNG SỬ DỤNG TRONG HỆ

Khi đèn xanh 1 sáng 15s đồng thời đèn đỏ 2 sáng trong 20s Sau

khi đèn xanh 1 sáng hết 15s thì đèn vàng 1 sáng 5s Tiếp theo đèn xanh 2 sáng 15s đồng thời đèn đỏ 1 sáng 20s khi đèn xanh 2 hết

15s thì đèn vàng sáng 5s

Bài toán thỏa mãn khi thời gian đèn đỏ = xanh+ vàng

II Sơ đồ nguyên lý mạch

1 Sơ đồ khối

Bộ hiển thị

Bộ giải mã

Bộ đếm

Bộ tạo

xung

* Khối 1 : là 1 IC 555 có nhiệm vụ tạo xung đi vào khối 2

* Khối 2: là 2 IC 74190 mắc nối tiếp, tiếp nhận xung từ khối 1 , thựchiện function đếm thập phân , và truyền tín hiệu đến khối 3 để giải mã

* Khối 3: là 2 IC 74247, IC 74247 có chức năng giải mã từ BCD sangled 7 đoạn Mỗi IC sẽ giải mã một nhóm tín hiệu song song xuất ra từmột IC 74190 ở khối 2

* Khối 4: khối hiển thị, hiển thị số từ bộ giải mã 74247

* Khối 5: khối nguồn, ta dùng nguồn nuôi 5V

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN

GIAO THÔNG.

1 Các linh kiện sử dụng trong mạch thiết kế

a) Tụ điện:

 Tụ điện một chiều, hay tụ phân cực (Electrolytic Capacitor): Khi

đấu nối phải đúng cực âm - dương Thường trên tụ quy ước cực âmbằng cách sơn một 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 bằngkim loại ghép cách nhau một khoảng d ở giữa hai bản tụ là dung dịchhay chất điện môi cách điện có điện dung C Đặc điểm của tụ là chodòng điện xoay chiều đi qua, 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

 = 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

b) 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

điện tử

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

c) Phần tử đảo (NOT)

Chức năng:

Thực hiện phép toán logic ĐẢO (NOT)

Cổng ĐẢO chỉ có 1 đầu vào:

ký hiệu:

Bảng thật:

1 0

1 0

out A

LED 7 đoạn hay LED 7 thanh (Seven Segment display) là 1 linh kiện rấtphổ dụng , được dùng như là 1 công cụ hiển thị đơn giản nhất

Trong LED 7 thanh bao gồm ít nhất là 7 con LED mắc lại với nhau , vìvậy mà có tên là LED 7 đoạn là vậy ,7 LED đơn được mắc sao cho nó cóthể hiển thị được các số từ 0 - 9 , và 1 vài chữ cái thông dụng, để phâncách thì người ta còn dùng thêm 1 led đơn để hiển thị dấu chấm (dot)

led Các led đơn lần lượt được gọi tên theo chữ cái A- B -C-D-E-F-G, vàdấu chấm dot

Như vậy nếu như muốn hiển thị ký tự nào thì ta chỉ cần cấp nguồn vàochân đó là led sẽ sáng như mong muốn

led comon

Thông số :

LED 7 thanh dù có nhiều biến thể nhưng tựu chung thì cũng chỉ vẫn có 2loại đó là :

+ Chân Anode chung (chân + các led mắc chung lại với nhau )

+ Chân Catode chung (Chân - các led được mắc chung với nhau )

* Đối với loại Anode chung :

+ Chân 3 và 8 là 2 chân Vcc(nối ngắn mạch lại với nhau , sau đó nốichung với chân anode của 8 led đơn ), vậy muốn led nào đó sáng thì chỉviệc nối chân catot xuống mass

Điện áp giữa Vcc và mass phải lớn hơn 1.3 V mới cung cấp đủ led sáng,tuy nhiên không được cao quá 3V

Sơ đồ chân IC 4017

C 4017 có 10 ngõ ra ở mức cao liên tục nhau như hình dưới đây:

h) IC 555

Ðây là IC định giờ, tạo xung 555 hoạt động ở cả hai chế

độ : phi ổn ( dao động) & đơn ổn ( Tạo xung hay tạo sự trì hoãn) Người ta dùng 555 trong phần lớn các ứng dụng đòi hỏi chức năng dao động đa hài

Dưới đây là sơ đồ chân của 555:

Chi tiết từng chân:

VCC, chân S = [1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset

i) IC 47190

Đây là IC đếm thập giai đồng bộ,có khả năng đếm lên hoặc xuống, cómột ngõ vào ENABLE tác động ở mức thấp Có một chân U/ D Ngõ RC( Ripple cary hay Ripple clock) bình thường ở cao và xuống thấp khi sốđếm đạt đến giá trị Max hay Min và đồng hồ CK ở thấp

Chân số Ký hiệu Chức năng

Để đảm bảo yêu cầu này, ta lợi dung ngõ ra RC của IC này nốiđến ngõ của IC kia Mỗi IC đếm đồng bộ, nhưng cả khối 2 ICđếm không đồng bộvì xung đồng hồ dợn sóng từ IC này qua ICkhác

~(RBI) Ngõ vào xoá dợn sóng (tđ thấp)

~(BI)/ ~(RBO) Ngõ vào xoá/ ngõ ra xoá dợn sóng ( tđ

thấp)

~a đến ~g Cạnh led được thể hiện( tđ thấp)

~(LT) Thử đèn (tđ thấp)

(Ripple blanking input) được để không hay nối lên caokhi không

được dùng để xoá số 0 [ở trước số có nghĩa hay số không thừa ở

bên sau dấu chấm thập phân]

 Khi nối BI ở mức thấp, các ngõ ra đều tắt, bất chấp các trạng thái ở các ngõ vào khác

 Khi RBI vá các ngõ input ở thấp và ngõ vào thử đèn LT ( lamp

test) ở cao, các ngõ ra đều tắt và ngõ ra xoá dợn sóng RBO xuống thấp

 Khi ngõ vào BO/RBO để không hay nối lên cao và ngõ vào LT giữ

ở múc thấp thì các ngõ ra đều sáng

2 Sơ đồ nguyên lý mạch đèn giao thông

.

Nguyên lý hoạt động của mạch

Ta tác động vào nút switch (start , stop), mạch được cấp nguồn.Đèn xanh 1 ngay lập tức sáng đồng thời trên LED 1 hiển thị 15 giây Đèn

đỏ 2 sáng và trên LED 2 hiển thị 20 giây

Khối tạo dao động IC 555 tạo xung vuông có chu kì 1s đưa vào chân

và hiển thị giá trị đếm được trên Led, mỗi xung đếm tương ứng với mộtgiây.

Ban đầu ta xét bộ IC 4017 và IC 74LS190 tác động lên KHỐI LED 1

Khi đèn xanh sáng hết 15s chân RCO thay đổi tín hiệu ngay lập tức vàchuyển vào chân CLK của IC 4017 làm cho tín hiệu tích cực Q1 chuyểnsang không tích cực, đồng thời tín hiệu Q2 không tích cực chuyển thànhtích cực và đèn vàng sáng Sau khi đèn vàng sáng hết 5s chân RCO thay

đổ tín hiệu và chuyền tín hiệu vào chân CLK của IC 4017 làm cho tínhiệu Q2 chuyển sang không tích cực, sau đó Q0 chuyển sang tín hiệutích cực đồng thời đèn đỏ sáng trong 20s Cứ tiếp tục như vậy đèn xanh15s, đèn vàng 5s, đèn đỏ 20s cứ sáng theo chu kì đến khi ta ấn nút stopthì mạch sẽ tạm dừng

Nguyên lí trên KHỐI LED 2 tương tự như vậy

.

KẾT LUẬN

Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu về đề tài, Thiết kế hệ

thống điều khiển đèn giao thông dùng kỹ thuật số Quá trình hoàn thành

không thể tránh khỏi những sự cố đã nêu trên.Cùng với sự giúp đỡ nhiệttình của thầy chúng em đã hoàn thành đề tài Qua đây một phần nào cũng

giúp bạn đọc được hiểu rõ về ứng dụng của kỹ thuật số trong thực tế,

đồng thời hiểu được những kiến thức cơ bản của kỹ thuật số và chứcnăng của các vi mạch Trong những năm gần đây công nghệ vi điện tửphát triển rất mạnh mẽ sự ra đời các vi mạch với mọi kích thước, đa dạng

về chức năng với giá thành giảm nhanh, khả năng lập trình ngày càngcao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong ngành kĩ thuật điện tử ,mạch số ở những mức độ khác nhau đã và đang thâm nhập vào tất cả cácthiết bị điện tử thông dụng và chuyên dụng Vì vậy sự ra đời kỹ thuật số

là cơ sở cho ngành kỹ thuật điện tử, kỹ thuật máy tính, tin học… bài tậplớn này nhằm đáp ứng nhu cầu tiếp cận với vi mạch số mục đích ứngdụng trong thực tế

Qua quá trình thiết kế, chế tạo không thể tránh khỏi những sai sót

và khuyết điểm Vì vậy chúng em rất mong được sự đóng góp ý kiến củacác thầy cô và bạn đọc, từ đó chúng em có thể rút ra được những kinhnghiệm cho bản thân đồng thời tìm ra những nhược điểm của bài tập lớn.Qua đó giúp chúng em có thể học tập tốt hơn

M c l c ục lục ục lục

CHƯƠNG 1: MẠCH CHỨC NĂNG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 4

II Sơ đồ nguyên lý mạch 4

1 Sơ đồ khối 4

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG 5

1 Các linh kiện sử dụng trong mạch thiết kế 5

a) Tụ điện: 5

b) Điện trở: 7

c) Phần tử đảo (NOT) 7

d) Phần tử OR 8

e) LED 7 thanh 8

f) Nút ấn (button) 11

g) IC 555 11

h) IC 47190 12

i) IC 74247 13

j) IC 4017 16

2 Sơ đồ nguyên lý mạch đèn giao thông 17