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 tồn 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 nghỉ 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 yêu 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 sô 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 rồi 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 muôn phát triển thêm về mơ 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 đề 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 bắt kỳ
1.Sơ đồ nguyên lý mạch:
1⁄Sơ đồ khối
Bộ tạo Bộ đếm Bộ giải mã Bộ hiển thị
Trang 2-_ Bộ nguồn 2/ Chức năng các khỗi 2.1⁄ Bộ nguồn:
Bộ nguồn cung cấp cho toàn bộ mạch ở đây ta dùng nguồn một chiều khoảng 5V cung cấp cho bộ tạo xung IC555 và bộ đếm IC 74190
2.2 ⁄ Bộ tạo xung: Dùng IC 555 để tạo ra xung nhịp Cấu tạo IC 555 CHANG CHAN ut 7 3 x——~lpscHe_ ouTrE“—x 3 cv CHAN 5 %X—§ |RST =-
+8] THR elt cụ: HÁN 3ý NGO RA)
x~—“lrRe
8 vec 6@ND E——x 1 Tin
CHAN7 NE555 Vcc L °° '—=——- cl) Rm | ON R= Sy COMP? 5 AL 4 H 3 cot Vee; $ IR G 2 ¡| WI DEDMPI | FF Pos nh-{ 9T [A01 L3 1
*Chu kỳ tạo xung:
Thông thường trong mạch dao động ta có cơng thức tính thời gian ngưng dẫn của transistor là :
T = RCIn2 =0.693 RC
Trang 3-_ Thời gian ngưng dẫn ở mức áp cao cũng là lúc tụ C2 nạp d.ng
qua RI+R2
Tn = 0.693*(R1+R2)*C2
Thời gian ngưng dẫn ở mức áp thấp cũng là lúc tụ C2 xá d.ng qua R2
Tx = 0.693*R2*C2
Như vậy chu kỳ của tín hiệu sẽ là : T = Tn+Tx T = 0.693*(R1+2*R2)*C2
Vị mạch định thì LM 555 là mạch tích hợp Analog- đigital Do có ngõ vào là tín hiệu tương tự và ngõ ra là tín hiệu số Vi mạch định thì LM555 được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiến, vì nếu kết hợp với các linh kiện R, C thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như: định thì, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiến các linh kiện bán dẫn công suất như Transistor, SCR, Triac
*So do chan LM555
Chan s6 1 : (GND) Cho néi mass dé lay dong cap cho IC , dong dién từ mas chay vao IC
Chan s6 2: (Trigger Input ) Ngo vao của một tầng, ở đây mức áp chuẩn bang 1/3 Vcc, lay cau phân áp tạo bởi ba điện trở 5K.Khi mức áp chân 2 xuống đến mức (1/3)Vcc thì chân 3 sẽ chuyên lên mức cao, lúc này khóa
điện tử trên chân số 7sẽ hở
Chân số 3: (Output) Ngõ ra tín hiệu ở đạng xung (mức áp khơng thấp thì cao)
Chân số 4 :(Reset) Xác lập trạng thái ngõ ra Khi chân số 4 cho nối mass thì chân số 3 chốt ở mức áp thấp , chỉ khi chân số 4 đặt ở mức áp cao thì ngõ ra chân 3 mới được tự do và mới có thê lúc cao lúc thấp
Chân số 5:(Control Voltage) Chân điều khiến ,chân này làm thay đổi các
mức điện áp chuẩn trên trên cau chia volt
Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào của một tầng so với áp l.Có mức áp
chuẩn bằng 2/3 Vcc
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 áp cao thì khóa điện đóng lại và cho dòng chay qua, ngược lại thì khóa điện ho va cat dong
Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nồi vào nguồn nuôi Vec để cấp điện cho
IC 555
Bén trong vi mach 555 có hơn 20 transistor va nhiều điện trở thực hiện các chức năng như hình 2 gồm có:
a) Cau phan áp gồm ba điện trở 5kO nối từ nguồn +Vcc xuống mass cho ra hai điện áp chuẩn là 1/3 Vcc và 2/3 Vcc
Trang 4chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3 Vec mà OP-AMP (1) có điện áp ra mức cao hay thấp dé làm tín hiệu R (reset), điều khiển Flip- Flop (F/)
c) OP-AMP (2) La mach khuéch đại so sánh có ngõ I,' nhận điện áp chuẩn 1/3 Vec, cịn ngõ I„ thì nối ra ngoài chân 2 Tùy thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 Vec mà OP-AMP (2) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu S(set), điều khién Flip — Flop (F/F)
d) Mạch Flip-Flop(F/F) là loại mạch lưỡng ỗn kích một bên Khi chân set (S) có điện áp cao thì thiện áp này kích đối trạng thái của F/F ở ngõ Q lên
mức cao và ngõ @ xuống mức thấp Khi ngõ set đang ở mức cao xướng mức
thấp thì mạch F/F không đổi trang thái Khi chân Reset(R) có điện áp cao thì điện áp này kích đối trạng thái của F/F làm ngõ Ø lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp Khi ngõ Reset đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F
khơng đối trạng thái
hình 2 : Cấu trúc bên trong của LM 555
e) Mạch Output là mạch khuếch đại ngõ ra dé tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải Đây là mạch khuếch đại đảo, có ngõ vào là chân @ của E/F, nên khi @ ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp (x 0V), và ngược lại, khi @ ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao (~ Vcc)
f) Transistor T, co chan E nối vào điện áp chuẩn khoảng 1,4 V, là loại Transistor PNP Khi cuc B nối ra ngoài bởi chân 4, có điện áp cao hơn 1.4V, thì T¡ ngưng dẫn, nên T¡ không ánh hưởng đếm hoạt động của mạch Khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối mass thi T, dan bão hòa, đồng thời cũng làm mạch OUTPUT dẫn bão hòa, và ngõ ra xuống thấp Chân 4 được gọi là chân Reset có nghĩa là nó Reset IC 555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác Do đó, chân Reset dùng đề kết thúc xung ra sớm khi cần Nếu
Trang 5không dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên Vạ, để tránh mạch bị Reset
do nhiễu
Ø) Transistor T› là transistor có cực C đề hở nôi ra chân 7 ( Discharge =xả ) Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra @ của F/F, nên khi @ ở mức cao thì Ta bão hòa và cực C của Tạ coi như nối mass Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp Khi Ø ở mức thấp thì T; ngưng dẫn cực C của T; bị hở, lúc đó, ngõ ra chân 3 có điện áp cao Theo nguyên lý trên, cực C của T› ra chân 7 có thé làm ngõ ra phụ có mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân 4
*Nguyên lý hoạt động: | Vi
Ký hiệu 0 là mức thâp băng 0V, I là mức cao gân băng VCC Mạch FF là loại RS Flip-flop,
Khi S = [I1] thì Q = [1] và 9= =[ $ Sau đó, khi S = pl thi Q = [1] và 9= = [0]
Khi R= [1] thì 3= =[I] và Q = [0]
Tom lai, khi S = [1] thi Q= [1] va khi R = [1] thi Q = [0] boi vì 3= =[1], transisitor mở dẫn, cực C nói 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
Giai đoạn ngõ ra ở mức 1:
Khi bâm công tặc khởi động, chân 2 ở mức 0
Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn VI(V+), ngõ ra của Op-amp l ở mức Í nên S=[I],Q=[I] và S~ [0] Ngõ ra của IC ở mức l
Khi 3= [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng Khi nhân công tặc lân nữa Op-amp I có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op- amp | ở mức 0, S = [0], Q và S vẫn không đổi Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó
Giai đoạn ngõ ra ở mức 0:
Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- = 2/3 VCC, R = [1] nên Q =
[0] và 9= [1] Ngõ ra của IC ở mức 0
vì 3= [1], transistor mé dan, Op-amp2 có V+ = [0] bé hơn V-, ngõ ra của Op-amp 2 ở mức 0 Vì vậy Q và Q không đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua transistor
Trang 62.3 /Bộ đếm:
Dùng IC 74190 bộ đếm thập phân *Sơ đồ cấu tạo:
74190 OUTPUTS: INPUTS RIPPLE CLOCK
| Ƒz|‹.oo‹ bel (=) BỊ I‡] [=]
oars 0 ll Ha oma LI I IS ° 08 OA _E UPDN OC OD TT T LÍ -TE-TEI-T-TETETE B 0A oc oD — owas EL OUTPUTS =`—~ INPUT OUTPUTS \ Is 74190 INPUTS 2.4/Bộ giải mã: Display dvev 1C Xi Seven-segment display 2.5/Bộ hiển thị: ¬ oo
Bộ hiển thị là thiết bị thể hiện số đếm, và thiết bị hiển thị bộ đèn giao thông
7 say Le —L
4)
ta BOD
Sơ đề thể hiện số đếm Hiến thị đèn giao thông
*Sơ Lược Về Các Linh Kiện Chính Trong Mạch
a) Máy biến áp Lõi sắt
_—> -~———
Ip Is
Up Us
Trang 7Máy biến thế hay máy biến áp là thiết bị điện gồm hai hoặc nhiều cuộn dây, hay I cuộn dây có đầu vào và đầu ra trong cùng I từ trường Cấu tạo cơ
bản của máy biến thế thường là 2 hay nhiều cuộn dây đồng cách điện được
quấn trên cùng I lõi sắt hay sắt từ ferit
Máy biến thế có thể thay đổi hiệu điện thế xoay chiều, /
tăng thế hoặc hạ thể, đầu ra cho 1 hiệu điện thế tương _*#⁄# `
ứng với nhu cầu sử dụng Máy biến thế đóng vai trị ote rat quan trong trong truyén tai dién nang tan sơ cáp,
Uy [ỂTiỂrrrrr HT LLEj 5 Perry - 2 5 oats $ H z $ $
Máy biến thế hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lí: « _ dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từ [
trường)
«‹ su biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra I hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện)
Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp, và l từ trường biến thiên trong lõi sắt Từ trường biến thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp I hiệu điện thế thứ cấp Như vậy hiệu điện thế sơ cap có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ câp thông qua từ trường Sự biến
đối này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt
Khi Np, Up, Ip, Dp va Ns, Us, Is, Os là số vòng quấn, hiệu điện thế, dòng điện và từ thông trong mạch điện sơ câp và thứ câp (primary và secondary) thì theo Định luật Faraday ta có:
Trang 8« - Tụ điện một chiều, hay tụ phân cực (Electrolytic Capacitor): Khi đầu nỗi phải đúng cực âm - đương 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 Dac điểm của tụ là cho dòng điện xoay chiều đi qua, ngăn cản đòng điện một chiều
Cơng thức tính điện dung của tụ: C = e.S/d e là hằng số điện môi
S là điện tích bề mặt tụ m”
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
ổ E=—
EE
€ 9 = 8.86.10" C?/N.m’ 1a hang sé dién méi cuia chân không
E la hang s6 điện môi tương đối của môi trường; đối với chân không € = 1, giây tâm dâu = 3,6, gôm = 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
điện tử
R=pt/S hoặc R=U/I
Trong đó p là điện trở suất của vật liệu
Trang 9
S là thiết diện của dây £ là chiêu dài của dây
<<
Diode được cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn p-n được ghép với nhau Diode chỉ hoạt động dẫn dòng điện từ cực anot sang catot khi áp trên hai chân được phân cực thuận (Vp>Vy) và lớn hơn điện áp ngưỡng Khi phân cực ngược (Vp<Vy) thì Diode
khơng dẫn điện d) Diode: e) IC éndp (LM 78xx) L 7805 45v a 2 D1 D3 | VIN Zz VOUT < i 2200uF/2Bv | Im7812 +12v 1Ì vn 9 vour |2 L785: tập
Trang 10Ho IC 78xx chân I là ngõ vào , chân 2 là ngõ ra, điện áp ngõ ra ở chân 2 có gia tri la xx vnhư7 được ghi trên IC (ví dụ như IC 7805,7812, thì điện áp ngõ ra có giá trị là 5v, 12v, ) Tùy vào dòng điện ngõ ra người ta thêm vào để chỉ như là:
78 L xx : dòng chỉ danh định là 100mA
78xx : dòng điện ra là 1A
78Hxx : dòng điện ra danh định là 5A
Các tụ 0.33uF và 0.1uF dùng chống nhiễu và cái thiện đáp ứng quá độ của ôn áp các tụ này đặt càng gần IC càng tố
- 78xx là dòng họ điện tử dùng để biến đối hiệu điện thế từ cao xuống thâp tùy thuộc vào đặc tính của từng loại họ 78 ví dụ 7805,7812
\
Ta xét nguyên lý hoạt động của họ 78:
entrada 9~ 15 V ge08 10 Ohm salida
eo ’ 1Watio 6V (0mA) 4V (200 mA) e -°
Cargador para telefonos Siemens (carga lenta: 200 mA 4V)
Ta thấy họ 78 có 3 chân 2 chân vào và | chan ra (có chung cực âm) Khi đặt hiệu điện thê nhât định vào chân 1 (hiệu điện thê chân vào phải lớn hơn chân ra).Khi đó tại chân ra sẽ cho ta hiệu điện thê chúng ta cân theo từng loại chức năng mà của họ 78
0) Phần tứ đáo (NOT) Chức năng:
Thực hiện phép toán logic ĐẢO (NOT)
Cổng ĐẢO chỉ có 1 dau vào:
Trang 11ký hiệu: 1 A out —— b— © Bảng thật: A out © Biểu thức: out= A 0 4 g) Phan tu AND
Chức năng thực hiện phép nhân logic Công AND gôm hai đầu vào và một hàm ra
Ký hiệu : *Bang hoạt động:
XI xI|x2| y Y 0 | 0 | 0 oO; 140 X2 11010 1 1 1 h) Phần tử OR:
Trang 12*Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Nguồn Và Mạch Tạo Xung:
Nguồn Ac hoặc Dc 15V được lây từ con 3 (máy biến áp) dẫn qua cầu
diode nén dién dan qua tu loc gon song qua IC 6n ap 78xx qua tụ chống nhiéu 104 qua IC 741 tạo xung vuông đơn cực
-Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Nguồn:
we re
Nguồn và xung được lấy từ mạch nguồn và mạch xung, xung được cung cấp cho IC 74190 đếm chạy đi sau mỗi chu kì xung từ Q0-Q9 Nhiệm vụ của diode từ D1-D9 chống đòng điện quay ngược trở 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 kích cho U3 dẫn đèn đỏ 2
sáng.Nhiệm vụ của các điện trở cực E của BJT là hạ áp cho Led 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 set -Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Tạo Xung: “
+
Trang 13*Thiết kế bộ hiến thị đèn giao thông: ; Nguyên lý: các trạng thái chuyên tiếp theo thứ tự lặp tuân hoàn
@) @)
+ Bang trang thai tống quát:
V X s(t) s(t+1) ZI z2 Z3 s0 sl 1 0 0 sl s2 0 1 0 s2 s0 0 0 1
- Bang ma héa trang thái: ® Bang trạng thái mã hóa:
§ y2yl y2yl | Y2Y1 Z1Z2Z3
sŨ 00 00 01 100 sĨ 01 01 10 010 s2 10 10 00 001 * Chon JKFF lập bảng kích: y2yl J2K2J 1K1 Z1Z2Z3 00 0X 1X 100 01 1X XI 010 10 XI 0X 001
Tối thiểu hàm ra theo bìa cacno ta có: J2=y2 ; K2=1 ; Jl=y2 ; KI=I Z1= y2 yl 3 Z2=yl 3 Z3=y2
Trang 14* Sơ đồ thiết kế bộ xung kích trạng thái hiến thị đèn giao thông: ——— TƯ rã z2 sig a T1 Y1 12 TỔ z3 lpg Ck Kl Y1 + — K2 WY
* Sơ đồ nguyên lý bộ đêm thập phân ngược đồng bộ:
Trang 15II Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của mạch dùng IC số điều khiển đèn giao thông ở ngã tư:
LI
xung clock 1s
II.Kết Luận:
Mạch đèn giao thơng này cịn mang tính sơ sài mang và tính chất mơ phỏng.Qua đó em rút ra kinh nghiệm làm mạch, cũng như áp dụng lý thuyết vào thực hành