Kỹ thuật xung số - Điều khiển hệ thống đèn giao thông

1 Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Môn kỹ thuật số Đề tài: Thiết kế mạch điều khiển đèn giao thông ******************** Lớp: Điện CLC-K8 Thành viên NGUYỄN ĐẮC NGUYÊN TỪ VĂN HOÀNG ĐỖ QUANG NGHĨA TRẦN THẾ TRUNG Giáo viên hướng dẫn PHẠM VĂN HÙNG Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Mục lục Nhận xét đánh giá giáo viên hướng dẫn …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… Lời mở đầu Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số trở thành quen thuộc với nhiều người, phát triển ngành kỹ thuật số có ảnh hưởng lớn đến ngành kinh tế toàn cầu Có người nêu lên ý tưởng gọi kinh tế thời đại “ kinh tế kỹ thuật số, số hóa” gần vượt khỏi ranh giới thuật ngữ kỹ thuật Nhờ có ưu điểm xử lý số độ tin cậy truyền dẫn, tín đa thích nghi kinh tế nhiều phần mềm khác nhau, tín tiện lợi điều khiển khai thác mạng Số hóa xu hướng phát triển tất yếu nhiều lĩnh vực kỹ thuật kinh tế khác Không lĩnh vục thông tin liên lạc tin học Ngày nay, kỹ thật số thâm nhập mạnh mẽ vào Kỹ thuật điện tử, Điều khiển tự động, phát thang truyền hình, y tế, nông nghiệp…và dụng cụ sinh hoạt gia đình Ngay từ ngày đầu khai sinh, kỹ thuật số nói riêng ngành điện tử nói chung tạo nhiều bước đột phá mẽ cho ngàng kinh tế khác đảm bảo yêu cầu người dùng chất lượng dịch vụ Đồng thời kiến thức kỹ thuật số thiếu sinh viên, sinh viên điện tử Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Và mội người nhận thấy rằng, ngày trật tự giao thông nước ta rối ren Vì việc sử dụng đèn giao thông giao lộ cần thiết để hiểu rõ nguyên lý hoạt động muốn phát triển thêm mô hình này, em chọn đề tài cho đồ án nghiên cứu Đèn Giao Thông Thực IC 555 hoặc tạo xung PULSE, 4017 kết hợp số đèn led để hiển thị số tụ điện trở để tạo xung nhịp Với việc sử dụng IC ta thực đèn giao thông với đếm Chương 1: Tìm hiểu chung mạch tổ hợp, mạch dãy mạch dao động I Mạch tổ hợp Khái quát Mạch logic tổ hợp mạch logic giá trị logic tín hiệu không phụ thuộc vào trạng thái cũ mạch, mà hoàn toàn xác định giá trị logic cửa vào mạch thời điểm Khi tổng hợp mạch logic tổ hợp ta cần phải tuân thủ bước đây: Lập bảng chức logic mạch Đó bảng chân lí hay bảng trạng thái, bảng giá trị biến tương ứng với tổng tổ hợp biến vào Từ bảng trạng thái xác định biểu thức hàm logic hoặc bảng Các nô Tiến hành tối thiểu hóa hàm logic đưa dạng thuận lợi để triển khai hàm thông qua mạch logic Các phương pháp tối thiểu hóa logic Tối thiểu hóa hàm logic cách sử dụng định luật đại số logic Tối thiểu hóa hàm logic biểu đồ Các nô Tổng hợp hàm logic ràng buộc Khái niệm hàm logic ràng buộc Hàm số n biến số 2n tổ hợp biến,tương ứng với tổ hợp biến số có giá trị hoặc Nhưng có trường hợp với số tổ hợp biến số hàm số biến số không xác định giá trị thoe điều kiện Phần tử ràng buộc hay số hạng ràng buộc tổ hợp biến tương ứng với trường hợp hàm số không xác định, số hạng ràng buộc Điều kiện ràng buộc biểu thức logic tạo tổng phần tử ràng buộc Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Vậy điều kiện rang buộc Hàm logic rành buộc hàm số logic xác định với điều kiện ràng buộc Tối thiểu hóa hàm logic ràng buộc có cách: tối thiểu hoa công thức hoặc bảng nô Bộ mã hóa giải mã Bộ mã hóa nhị phân – thập phân ( mã BCD ) Bộ mã hóa nhị phân mã hóa có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số thập phân thành mã hệ nhị phân Dạng gọi BCD( Binary Code Decimal) Bảng chân lý mã hóa BCD theo mã 8421 Sơ đồ nguyên lý mã nhị phân 2.2 Bộ giải mã nhị phân – thập phân ( giải mã BCD ) Bộ giải mã BCD có vào bit nhị phân, ký hiệu chúng theo trọng số giảm dần D,C,B,A có cửa 10 số hệ thập phân( số đến ) Ký hiệu chúng y0, y1, y2, y3, y4, y5, y6, y7, y8, y9 Ứng với tổ hợp biến vòa cóc biến xuất Quy ước mức thấp ( mức 0) mức tính cực biến Bảng chân lý giải mã BCD theo mã 8421 Sơ đồ nguyên lý giải mã BCD II Mạch dãy Khái niệm mạch dãy - Mạch dãy mạch logic có phần tử nhớ tạo mạch lật, mạch biến mạch không phụ thuộc vào tổ hợp biến vào mà phụ thuộc vào trnag thái mạch Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội - Thanh ghi dãy mạch nhớ có chức lưu liệu hoặc biến đổi liệu số từ nối tiếp sang song song ngược lại mạch lật lưu giữ bit Vậy ghi dài bit phải tạo từ nhiêu mạch lật Thanh ghi nhận liệu song song _ Thanh ghi nhận liệu song song dài bit có mạch lật kiểu D kí hiệu theo thứ tự F0-F3 bit liệu ngõ vào D mạch lật D0- D3, D0-D3 ngõ mạch lật ngõ ghi Q3Q2Q1Q0 = D3D2D1D0 Bộ ghi dịch Bộ đếm Là thiết bị đếm số xung đến cửa vào, đầu đếm số lượng dung đếm Bộ đếm đa dang, ta xét loại đếm nhị phân đồng đếm thập phân đông - Bộ đếm nhị phân đồng Số xung đếm N=2^n Gồm mạch lật kiểu JK kí hiệu từ F0-F3 , sử dụng mạch NAND tạo mạch logic tổ hợp điều khiển Xung đồng đồng thời cấp đến mạch lật, vào J,K mạch lật thứ ( F0) có mức” 1” Q0Q3 ngõ mạch lật ngõ liệu đếm Giản đồ thời gian - Bộ đếm thập phân đồng Bộ đếm thập phân đồng đếm bit đến 10 xung CP Nội dung đếm mã nhị phân 10 chữ số thập phân 0-9 , gọi mã BCD Vậy mạch tạo mạch lật mạch cổng logic Một số đếm thập phân đồng thoe mã BCD 8421 có sơ đồ hình Mạch có mạch lật kiểu JK ký hiệu từ F0=F3 sử dụng mạch AND xung đồng thời cấp đến mạch lật cửa vào J,K mạch thứ ( mạch F0) có mức “ 1” Q0 - Q3 ngõ mạch lật ngõ liệu đếm C đầu nhớ hàng thậy phân cao đếm Ta thực việc phân tích đếm theo bước sau đây: B1: Xác định loại phương trình( phương trình định thời, phương trình đầu ra, phương tình kích) B2: Xác định phương trình trạng thái Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội B3: Xây dựng bảng tính toán B4: Lập bảng trạng thái, vẽ sơ đồ hình trạng thái Đồ thị dạng sóng đếm thuận thập phân đồng với mã BCD 8421 III Mạch dao động Khái niệm Mạch dao động mạch điện tử tạo tín hiệu đổi theo chu kì Dựa vào dạng tín hiệu mạch dao động tạo ra, người ta chia mạch dao động làm: mạch dao động hình sin( dao động điều hòa) mạch dao động tạo xung Mạch dao động tạo tín hiệu có tần số từ vài Hz đến hàng nghìn MHz Các mạch dao động sử dụng phần tử tích cực là: Tranzotor ( loại lưỡng cực hoặc FET), điốt- tuynen, mạch tích hợp KĐTT hoặc mạch tích hợp với chức khác Các tham số mạch dao động gồm: tần số tín hiệu ra, công suất hiệu suất mạch Ta thường gặp nguyên tắc dao động như: tạo dao động hồi tiếp dương tạo dao động phương pháp tổng hợp mạch Điều kiện tạo dao động Ta xét sơ đồ khối mạch dao động mô tả hình 1.1 Trong đó, ta ký hiệu gọi X’1 - tín hiệu dạng phức X ’F – tín hiệu phản hồi dạng phức Khối 1: khối khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức: Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội K’ = KejαK Với K môđun hàm truyền đạt khối khuếch đại α K góc pha đầu hàm truyền đạt khối khuếch đại Khối khối hồi tiếp khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức : K’ = KFejαF Với KF mô đun hàm truyên đạt khối phản hồi αF góc pha đầu hàm truyền đạt khối phản hồi Giả định có tín hiệu vào dạng phức X’1 ,tích hệ số khuếch đại vòng K’K’F =1, tín hiệu phản hồi tín hiệu vào biên độ góc pha, nghĩa : X ’F = X’I điểm a a’ cso thể nối với mà tín hiệu X’0 không thay đổi mạch tọa dao động tín hiệu mà không cần có kích thích cửa vào Ta suy điều để tì dao động tích hệ số khuếch đại dạng phức vòng kín Hay viết: K’K’F = KKFej(αK+αF) Có thể tách điều kiện làm biểu thức: Điều kiện cân biên độ: KKF =1 Điều kiện cân góc pha: αK+αF =2πn với n= 0, +1, -1, … Kết luận Mạch dao động mạch khuếch đại tự điều khiển phản hổi dương quay lại đầu vào Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn chiều cung cấp mạch phải đảm bảo cân biên độ cân pha Mạch dao động chứa phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi lượng chiều thành xoay chiều mạch dao động chứa phần tử phi tuyến hay khâu điều chỉnh để bảo đảm cho biên độ dao động không đổi trạng thái xác lập Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG I Sơ đồ nguyên lý mạch Sơ đồ khối Bộ tạo xung Bộ đếm Bộ giải mã Bộ hiển thị Nguồn Mạch gồm có khối: Bộ tạo xung Bộ đếm Bộ giải mã hiển thị Bộ hiển thị Bộ nguồn * Khối : tạo xung PULSE có nhiệm vụ tạo xung vào khối 10 Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội * Khối 2: IC 74LS190 mắc nối tiếp, tiếp nhận xung từ khối , thực function đếm thập phân , truyền tín hiệu đến khối để giải mã * Khối 3: IC 74LS47, IC 74LS47 có chức giải mã từ BCD sang led đoạn Mỗi IC giải mã nhóm tín hiệu song song xuất từ IC 74LS190 khối * Khối 4: khối hiển thị, hiển thị số từ giải mã 74LS47 * Khối 5: khối nguồn, ta dùng nguồn nuôi 5V a) Các linh kiện sử dụng mạch thiết kế Phần tử đảo (NOT) Chức năng: Thực phép toán logic ĐẢO (NOT) Cổng ĐẢO có đầu vào: ký hiệu: Bảng thật:  Biểu thức: out = b) A out 1 Phần tử OR cổng OR gồm hai tín hiệu vào tín hiệu chức thực cộng logic 15 Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Nút ấn (button) e) Hình a Hình b • Trạng thái mở : Không có tín hiệu ( hình a ) • Trạng thái đóng : có tín hiệu (hình b ) Ở trạng thái bình thường nút ấn trạng thái mở(hình a), nhấn nút nút ấn chuyển trạng thái sang đóng(hình b)tức có tín hiệu qua làm thay đổi trang thái đèn, Nút ấn có chức chỉnh sai lệch đèn báo Ví dụ: đèn chuyển màu theo thứ tự Xanh => Vàng => Đỏ lại quay lại chu trình liên tục, có sai lệch thời gian bắt đầu cột đèn dẫn đến tình trạng đèn báo sai, cột đèn bên đường A báo đèn Xanh cột bên đường B phải báo đèn Đỏ Cột đèn B trình vận hành chạy sai báo tín hiệu đèn Xanh giống Cột đèn đường A Do phải cho chương trình chạy theo quy luật Khi nhấn nút đèn báo reset lại từ thời điểm ban đầu đèn f) Công tắc chiều 16 Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Hình a Hình b • Trạng thái nối đất • Trạng thái nối nguồn Trong mạch giao thông, sử dụng công tắc chiều để đóng ngắt mạch - Ở trạng thái nối nguồn đèn ngừng hoạt động - Ở trạng thái nối đất đèn hoạt động bình thương g) IC 74LS190 Đây IC đếm thập giai đồng bộ,có khả đếm lên hoặc xuống, có ngõ vào ENABLE tác động mức thấp Có chân D/ Ngõ RCO bình thường cao xuống thấp số đếm đạt đến giá trị Max hay Min Ngoài ra, IC có chân để load liệu trước đếm chân đưa liệu Dưới sơ đồ 74LS190: 17 Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Bảng chi tiết chân: Chân số 3, 2, 6, 11 12 13 14 15, 1, 10, Ký hiệu Q0 đến Q3 E D/ PL TC RCO CLK D0 đến D3 Chức Output Enable input ( tđ thấp) Đếm ngược/ xuôi (tđ thấp) Load (tđ thấp) Số cuối Nơi phát xung kết thúc chu kỳ Nơi tiếp nhận tín hiệu vào Dữ liệu vào Ở đây, yêu cầu cần phải cho mạch đếm khoảng đến 99, IC 74190 đếm khoảng 0- nên ta phải ghép chồng IC 74190 lại với Một IC đảm nhận vai trò đếm hàng đơn vị, đếm hàng chục Để đảm bảo yêu cầu này, ta lợi dung ngõ RCO IC đếm hàng đơn vị nối đến ngõ CLK IC đếm hàng chục Mỗi IC đếm đồng bộ, khối IC đếm không đồng xung dợn sóng từ IC qua IC khác 18 Điện CLC K8 h) Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội IC 74LS47 Đây IC giải mã BCD sang Led đoạn, có mức tác động thấp, cực thu để hở Nó có tính chất với 74247 điểm khác 74247 cho sáng ( top bar- đoạn a) hiển thị số cuối ( bottom bar _ d) hiển thị số Dưới sơ đồ chân ký hiệu logic 74LS47: 19 Điện CLC K8 Chân số: A,B, C, D RBI BI/ RBO QA đến QG LT Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Chức năng: BCD input Ngõ vào xoá dợn sóng (tđ thấp) Ngõ vào xoá/ ngõ xoá dợn sóng ( tđ thấp) Điều khiển led ( tđ thấp) Thử đèn (tđ thấp) • Ngõ vào xoá BI (blanking input) để không hay nối lên cao cho hoạt động giải mã bình thường Ngõ vào xoá dợn sóng RBI (Ripple blanking input) để không hay nối lên caokhi không dùng để xoá số [ở trước số có nghĩa hay số không thừa bên sau dấu chấm thập phân] • Khi nối BI mức thấp, ngõ tắt, bất chấp trạng thái ngõ vào khác • Khi RBI vá ngõ input thấp ngõ vào thử đèn LT ( lamp test) cao, ngõ tắt ngõ xoá dợn sóng RBO xuống thấp • Khi ngõ vào BO/RBO để không hay nối lên cao ngõ vào LT giữ múc thấp ngõ sáng 20 Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội i)IC 4017 IC 4017 ic đếm thập phân tức đếm hệ 10, đếm xung CLK Khi ta đưa tín hiệu xung vào chân CLK ic đếm xung xuất 10 output tương ứng với xung clock Sơ đồ chân IC 4017 IC 4017 có 10 ngõ mức cao liên tục (Q0 đến Q9) hình đây: 21 Điện CLC K8 Chân số 14 13 15 12 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Ký hiệu CLK E MR CO Chức Nơi tiếp nhận tín hiệu vào Enable input ( tđ thấp) AUTO LOAD Chân đưa tín hiệu k) IC 555 Hình 1:Cấu tạo IC 555 22 Điện CLC K8 Ground Trigger Output Reset Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội 5.Control voltage 6.Threshould 7.Discharge 8.Vcc Bên vi mạch 555 có 20 transistor nhiều điện trở thực chức *Nguyên lí hoạt động : -Chân số : (GND) Cho nối mass để lấy dòng cấp cho IC , dòng điện từ mas chảy vào IC -Chân sô 2: (Trigger Input ) Ngõ vào tầng, mức áp chuẩn 1/3 Vcc, lấy cầu phân áp tạo ba điện trở 5K.Khi mức áp chân xuống đến mức (1/3)Vcc chân chuyển lên mức cao, lúc khóa điện tử chân số 7sẽ hở -Chân số 3: (Output) Ngõ tín hiệu dạng xung (mức áp không thấp cao) - Chân số :(Reset) Xác lập trạng thái ngõ Khi chân số cho nối mass chân số chốt mức áp thấp , chân số đặt mức áp cao ngõ chân tự lúc cao lúc thấp - Chân số 5:(Control Voltage) Chân điều khiển ,chân làm thay đổi mức điện áp chuẩn trên cầu chia volt - Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào tầng so với áp 1.Có mức áp chuẩn 2/3 Vcc - Chân số 7: (Dirchange) Chân xả điện, chân ngõ khóa điên (tranistor) khóa điện đóng mở theo mức áp chân số Khi chân mức áp cao khóa điện đóng lại cho dòng chay qua, ngược lại khóa điện hở cắt dòng - Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC 555 23 Điện CLC K8 *Sơ đồ tạo xung nhịp: Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội 24 Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội *Chu kỳ tạo xung: Thông thường mạch dao động ta có công thức tính thời gian ngưng dẫn transistor : T = RC.ln2 =0,69 RC Thời gian ngưng dẫn mức áp cao lúc tụ C nạp d.ng qua + = 0,69.().C Thời gian ngưng dẫn mức áp thấp lúc tụ C xả d.ng qua = 0,69 C Như chu kỳ tín hiệu : T = + T = 0,69.(+2.)*C Tín hiệu xung (3) : l) Tụ điện: 25 Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội • Tụ điện chiều, hay tụ phân cực (Electrolytic Capacitor): Khi đấu nối phải cực âm - dương Thường tụ quy ước cực âm cách sơn vạch màu sáng dọc theo thân tụ, hoặc tụ chưa cắt chân dài cực dương • Tụ điện xoay chiều: hay tụ không phân cực Tụ điện linh kiện thụ động cấu tạo tụ điện hai cực kim loại ghép cách khoảng d hai tụ dung dịch hay chất điện môi cách điện có điện dung C Đặc điểm tụ cho dòng điện xoay chiều qua, ngăn cản dòng điện chiều Công thức tính điện dung tụ: C = ε.S/d ε số điện môi S điện tích bề mặt tụ m2 d bề giày chất điện môi Tụ điện phẳng gồm hai bàn phẳng kim loại diện tích đặt song song cách khoảng d ÷ Cường độ điện trường bên tụ có trị số E= δ ε 0ε 26 Điện CLC K8 ε0 ε Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội = 8.86.10-12 C2/ N.m2 số điện môi chân không số điện môi tương đối môi trường; chân không ÷ = 1, giấy tẩm dầu = 3,6, gốm = 5,5; mica = m) Điện trở: Điện trở linh kiện thụ động có tác dụng cản trở dòng áp Điện trở đựơc sử dụng nhiều điện tử R =ρℓ/S mạch hoặc R=U/I Trong ρ điện trở suất vật liệu S thiết diện dây ℓ chiều dài dây CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MẠCH ĐÈN GIAO THÔNG ε 27 Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội …………………… Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch điều khiển cột đèn Ta tác động vào nút switch-SW1(start , stop), mạch cấp nguồn Đèn xanh sáng đồng thời LED hiển thị 25 giây Khối tạo dao động dùng PULSE tạo xung vuông có chu kì 1s đưa vào chân đếm IC 74LS190 IC 74LS190 đếm xung vào qua giải mã 74LS47 hiển thị giá trị đếm Led, xung đếm tương ứng với giây Ta xét IC 4017 IC 74LS190 tác động lên KHỐI LED : 28 Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khi đèn xanh sáng hết 25s chân RCO IC 74LS190 dùng cho điều khiển Led hàng chục thay đổi tín hiệu chuyển vào chân CLK IC 4017 làm cho tín hiệu Q1 chuyển từ cao(đỏ)sang thấp(xanh), đồng thời tín hiệu Q2 chuyển từ thấp(xanh)sang cao(đỏ)và đèn vàng sáng.Đồng thời tín hiệu xung đầu vào tạo phần tử NOT OR đưa vào IC 74LS190 nên đèn Led thay đổi từ 0s(trạng thái đèn giao thông xanh) sang 5s tiếp tục đếm lùi Sau đèn vàng sáng hết 5s chân RCO IC 74LS190 điều khiển Led hàng chục tiếp tục thay đổ tín hiệu chuyền tín hiệu vào chân CLK IC 4017 làm cho tín hiệu Q2 chuyển từ cao(đỏ)sang thấp(xanh), đồng thời tín hiệu Q3 chuyển từ thấp(xanh)sang cao(đỏ)và đèn đỏ sang đồng thời lại tiếp tục tạo xung đầu vào đưa vào IC 74LS190 để đèn Led sáng từ 0s(trạng thái đèn giao thong vàng) sang 30s lại tiếp tục đếm lùi Cứ tiếp tục đèn xanh 25s, đèn vàng 5s, đèn đỏ 30s sáng theo chu kì đến ta ấn nút stop mạch tạm dừng 29 Điện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Sơ đồ mô phỏng cột đèn giao thong đoạn đường giao Với đoạn đường có cột đèn điều khiển nguyên lý trên.Trong khởi động toàn hệ thống cột đèn giao thong ngã tư cột đèn đường A sáng đèn xanh hiển thị 25s,còn cột đèn đường B sáng đèn đỏ hiển thị 30s.Theo khởi đầu thế,2 hệ thống đèn điều khiển không đồng luân phiên theo chu kì, cho phép đường