Đề tài xúc xắc điện tử

Đề tài xúc xắc điện tử

Mở Đầu

Trong những năm gần đây công nghệ vi điện tử phát triển rất mạnh mẽ Sự ra đời của các vi mạch cỡ lớn, cực lớn với giá thành giảm nhanh, khả năng lập trình ngày

càng cao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong ngành kỹ thuật điện tử, mạch số ở

những mức độ khác nhau đã và đang thâm nhập vào tất cả các thiết bị điện tử thông

dụng và chuyên dụng Tình hình đó đòi hỏi kỹ thuật số một trong những cơ sở ngành của các ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật máy tính, Tin học, Điều khiển học tự động, Thông tin đo lường điện tử phải có những cải tiến phù hợp.

Chính vì những lý do trên nên Bộ Giáo Dục và Đào Tạo đã đưa môn học kỹ thuật số vào chương trình đào tạo của ngành Điện tử - Tin học – Viễn thông.

Thời đại hiện nay nhu cầu giải trí của mọi người rất đa dạng Những trò chơi để thử sự may mắn ngày càng được ưa thích, trong đó có trò xúc xắc Và em cũng là người ưa thích sự may mắn đó Chính vì vậy nên khi nghe cô giáo giới thiệu đề tài làm

đồ án thì em rất thích mạch xúc xắc, và ngoài ra em cảm thấy đây là mạch cũng không khó lắm nhưng nó chứa đựng rất nhiều kiến thức mà cô giáo đã truyền đạt cho chúng

em khi học Và lại làm mạch xúc xắc thì chúng em có thể tự làm mạch thực tế để thỏa mãn sự hiếu kỳ của mình

Chính vì những lý do đó nên em đã quyết định chọn đề tài xúc xắc điện tử trong lần làm đồ án kết thúc môn học lần này

Đây là lần đầu làm đồ án nên không thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong các thầy cô giáo và các bạn góp ý kiến nhận xét để chúng em có thể rút kinh nghiệm trong những đồ án sau này

Chúng em trân trọng cảm ơn!!!

Mục lục

Mở đầu 1

Mục lục 3

Phần I : Cơ sở lý thuyết 5

1.1 Sơ đồ khối 5

1.2 Mã hóa trạng thái 5

1.3 Bản đồ krnaugh 6

1.4 Tối thiểu hàm 6

1.5 Vẽ logic 7

1.6 Phân tích mạch và phương án thiết kế 7

1.6.1 Chỉ dùng cổng NAND 7

1.6.1.1 Phương trình logic 7

1.6.1.2 Vẽ logic 7

1.6.2 Chỉ dùng cổng NOR 8

1.6.2.1 Phương trình logic 8

1.6.2.2 Vẽ logic 8

Phần II : Thực nghiệm 9

2.1 Chọn phương án thiết kế 9

2.2 Thiết kế 9

2.3 Phân tích mạch và chọn linh kiện 9

2.4 Giới thiệu các linh kiện có trong mạch 10

2.4.1 IC555 10

2.4.1.1 Cấu tạo 10

2.4.1.2 Chức năng 10

2.4.1.3 Chức năng các chân 10

2.4.2 IC4017 11

2.4.2.1 Cấu tạo 11

2.4.2.2 Chức năng 11

2.4.2.3 Sơ đồ chân và chức năng các chân 11

2.4.3 Diode phát quang (led) 12

2.4.3.1 Cấu tạo 12

2.4.3.2 Nguyên lý hoạt động 12

2.4.4 Diode bán dẫn 12

2.4.4.1 Cấu tạo 12

2.4.4.2 Nguyên lý hoạt động 12

2.4.5 Transistor 12

2.4.5.1 Cấu tạo 12

2.4.5.2 Nguyên lý hoạt động 12

2.4.6 Điện trở 12

2.4.6.1 Cấu tạo 12

2.4.6.2 Ứng dụng 13

2.4.7 Tụ điện 13

2.4.7.1 Cấu tạo 13

2.4.7.2 Ứng dụng 13

2.5 Mạch thực tế 13

2.6 Nguyên lý hoạt động của mạch xúc xắc 14

Phần III : Nhận xét đánh giá kết quả 15

3.1 Những việc đã làm được 15

3.2 Những việc chưa làm được 15

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

1.1 Sơ đồ khối.

Để làm được một viên xúc xắc như hình vẽ:

Hình 1.1 Mạch hiển thi xúc xắc

ta cần 7 đầu ra tương ứng với 7 led để hiển thị xúc xắc từ 1 đến 6 vậy ta có sơ đồ khối:

Hình 1.2 Sơ đồ khối của mạch xúc xắc điện tử

1.2 Mã hóa trạng thái.

Mạch có 6 trạng thái nên để mã hóa cần 3 biến nhị phân ( A ,B ,C )

Ở đây ta nối kathode của các led chung với nhau và nối về cực âm của nguồn và chọn mức tích cực ở ngõ ra bằng 1 Vậy ta có bảng trạng thái mô tả hoạt động của mạch giãi

mã xúc xắc như sau:

Bảng 1.1 Bảng trạng thái mô tả hoạt động giải mã của mạch.

1.3 Bảng đồ krnaugh.

Từ bảng trạng thái mô tả hoạt động giãi mã xúc xắc ta có thể lập bản đồ Krnaugh như sau:

Hình 1.3 Bản đồ krnaugh và tối thiểu

A B C a b c d e f g Hiển thị

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

1 0 0 0 0 0 0

0 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 0

0 1 0 1 1 0 1

1 1 0 1 1 0 1

0 1 1 1 1 1 1

x x x x x x x

x x x x x x x

1 2 3 4 5 6 X X

1.4 Tối thiểu hàm.

Sau khi thực hiện tối thiểu hóa các hàm logic trên ta có các phương trình của các led như sau:

a = C

b = e = A + B + C

c = f = A C

d = g = A + B C

I.5 Vẽ logic.

Từ các phương trình trên ta có thể vẽ được hàm logic như sau:

Hình 1.4 Mạch logic của xúc xắc

1.6 Phân tích mạch và phương án thiết kế.

Từ các phương trình đã tối thiểu và hình 1.4 ta có thể đưa mạch về dạng chỉ dùng cổng NAND hoặc chỉ dùng cổng NOR như sau:

1.6.1 Chỉ dùng cổng NAND.

1.6.1.1 Phương trình logic.

1.6.1.2 Vẽ logic.

Hình 1.5 Mạch logic của xúc xắc bằng cổng NAND

1.6.2 Chỉ dùng cổng NOR.

1.6.2.1 Phương trình logic.

1.6.2.2 Vẽ logic.

Hình 1.6 Mạch logic của xúc xắc bằng cổng NOR

PHẦN II: THỰC NGHIỆM

2.1 Chọn phương án thiết kế.

Từ các phương án đã phân tích ở phần 1.6 thì em thấy phương án chỉ dùng cổng NAND là phương án tốt vì khi sử dụng phương án này chúng ta chỉ sử dụng duy nhất

1 cổng đó là cổng NAND Mặt khác so với các phương án khác thì phương án này sử dụng ít cổng nên mạch của chúng ta sẽ gọn hơn và sẽ tiết kiệm chi phí khi lắp mạch cho nên trong mạch này em sử dụng phương án chỉ dùng cổng NAND

2.2 Thiết kế.

Vì đây là mạch tổ hợp nên để thiết kế mạch thì ta có thể làm theo các bước thiết

kế mạch tổ hợp như sau:

Bước 1: phân tích yêu cầu

Để làm được mạch xúc xắc như hình 1.1 thì ta cần 7 đầu ra vậy phải có ít nhất 3 đầu vào

Bước 2: Lập bảng trạng thái

Từ yêu cầu của mạch và theo phân tích ở bước 1 thì ta có bảng trạng thái (bảng 1.1)

Bước 3: Tối thiểu hóa

Từ bảng trạng thái đã lập ở bước 2 (bảng 1.1) ta có thể tối thiểu các hàm logic

và có được phương trình các led đầu ra (phần 1.4)

Bước 4: Vẽ sơ đồ logic

Theo phương trình các led đầu ra ở bước 3 ta có thể vẽ mạch logic ( hình1.4)

Từ mạch logic trên (hình 1.4) ta thấy mạch này dùng nhiều cổng logic nên để đưa chúng về dạng chỉ dùng mọt loại cổng duy nhất thì ta có thể biến đổi phương trình các led đầu ra (phần 1.4.1) và từ các phương trình đó ta có thể vẽ lại mạch logic (hình 1.5)

2.3 Phân tích mạch và chọn linh kiện.

Từ mạch logic của bài (hình 1.5) thì ta thấy thực tế không cần phải dùng các cổng logic đó mà dựa vào chức năng của IC4017 ta có thể thay các cổng logic đó bằng IC4017 Như thế có thể làm cho mạch gọn hơn Nhưng để cho IC4017 hoạt động được theo mạch của ta thì ta cần sử dụng thêm IC555 để kích chân clock cho IC4017

Ngoài 2 IC trên là 2 linh kiện chính của mạch để cho mạch của chúng ta chạy theo yêu cầu thì cũng cần có một số linh kiện kèm theo khác như: các diode phát quang (led) dùng để hiển thị xúc xắc, các transistor dùng để khuếch đại tín hiệu làm cho các led sáng hơn, các diode bán dẫn dùng để chống hiện tượng ngắn mạch đối với những transistor nào hoạt động từ nhiều ngõ ra của IC4017, các điện trở dùng để hạn dòng và tụ điện dùng để bảo vệ mạch khi điện áp tăng ngoài ra còn dùng để lọc nhiễu

và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

Vậy để làm được một mạch xúc xắc ta cần có các linh kiện :

Một IC555, một IC4017, 7 diode phát quang (led), 6 diode bán dẫn, 4 transistor,

15 điện trở, 2 tụ điện ngoài ra chúng ta cần có dây dẫn và bảng để gắn mạch

2.4 Giới thiệu các linh kiện có trong mạch.

Để hiểu hơn về mạch xúc xắc này ở phần này chúng em sẽ trình bày sơ lược về cấu tạo và hoạt động các linh kiện có trong mach

2.4.1 IC555.

2.4.1.1 Cấu tạo.

IC555 là một vi mạch số được cấu tạo như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ chân và cấu tạo của IC555

2.4.1.2 Chức năng.

Máy phát xung.

Điều chế được độ rộng xung (PWM)

Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

2.4.1.2 Chức năng các chân.

Chân số 1 (GND) : cho nối GND (mass) để lấy dong cung cấp cho IC(còn gọi là chân chung)

Chân số 2 (TRIGGER): chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như một chân chốt hay ngõ vào của 1 tần số so áp với mức điện áp chuẩn là 2/3 Vcc

Chân 3(OUTPUT): chân này được dùng để lấy tín hiệu ra logic

Chân số 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra

Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức điện áp chuẩn trong IC555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND (mass) và

để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

Chân số 6(THRESHOLD):chân đầu vào so sánh điện áp và cũng được dùng như một chân chốt

Chân sô 7(DISCHAGER): có thể xem chân này như một khóa điện tử, và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì nó mở ra

Chân số 8(Vcc): Chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động (từ 2v - 18v)

2.4.2 IC4017

2.4.2.1 Cấu tạo.

IC4017 là một vi mạch tổ hợp gồm nhiều linh kiện điện tử hợp thành

2.4.2.2 Chức năng.

IC4017 là dòng CMOS dùng để đếm xung thập phân Nó có thể đếm xung ở sườn dương và sườn âm và kết thúc 1 chu kỳ đếm tự động reset

2.4.2.2 sơ đồ chân và chức năng các chân.

Chân 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11 tương ứng với 10 đầu ra của IC4014.Các chân này được xuất ra mức 1 khi số xung được đếm tương ứng với thứ tự các chân đầu ra

Chân 15 là chân reset Khi chân này tác động ở mức 1 thì đếm sẽ bị reset về đầu Chân 14 là chân xung đầu vào và đếm ở sườn dương

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

Chân 12 là chân xung báo hiệu là đã đếm xong 1 chu kì đếm ( có nghĩa là khi IC4017 đếm từ 1-5 thì chân 12 ở mức 1 và IC4017 đếm từ 6-10 thì chân 12 ở mức 0) Chân 8 và 16 là chân nguồn

2.4.3 Diode phát quang (led).

2.4.3.1 Cấu tạo.

Diode phát quang là linh kiện bán dẫn có một lớp tiếp giáp P-N

2.4.3.2 Nguyên lý hoạt động.

Khi phân cực thuận, electron từ bán dẫn N chuyển sang bán dẫn P Electron nhận năng lượng của điện trường chuyển trạng thái từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao Electron ở trạng thái kích thích chuyển xuống mức năng lượng tự phát rồi chuyển xuống mức năng lượng thấp và phát ra bức xạ ánh sáng có năng lượng bằng hf

2.4.4 Diode bán dẫn.

2.4.4.1 Cấu tạo.

Diode bán dẫn có cấu tạo là một mặt ghép P-N với hai điện cực nối với hai miền P và N

2.4.4.2 Nguyên lý hoạt động.

Diode bán dẫn hoạt động dựa vào tính chất của mặt ghép P-N

2.4.5 Transistor.

2.4.5.1 Cấu tạo.

Transistor là một linh kiện bán dẫn gồm các miền bán dẫn tạp chất P, N xen kẽ nhau, tùy thuộc theo trình tự của miền P và miền N ta có hai loại cấu trúc điển hình: PNP và NPN ( ở mạch này ta sử dụng loại NPN)

Miền N thứ nhất được gọi là miền emitơ, miền này có nồng độ tạp chất lớn nhất, nó đóng vai trò phát xạ các hạt dẫn (điện tử), điện cực nối với miền này được gọi

là miền emitơ, ký hiệu là E Miền P kế tiếp được gọi là miền bazơ, miền này có nồng

độ tạp chất ít hơn, độ dày của nó có kích thước rất nhỏ so với kích thước toàn bộ transistor, miền bazơ đóng vai trò truyền hạt dẫn, điện cực nối với miền được gọi là cực bazơ, ký hiệu B Miền N còn lại được gọi là miền colectơ, điện cực nối với miền này gọi là cực colectơ, ký hiệu là C

2.4.5.2 Nguyên lý hoạt động.

Transistor hoạt động ở 3 chế độ đó là chế độ khuyếch đại, chế độ cắt dòng và chế độ bảo hòa Ở mạch này transistor hoạt động ở chế độ khuếch đại

2.4.6 Điện trở.

2.4.6.1 Cấu tạo.

Điện trở thông thường( không dây quấn): Thường được làm bằng than hay các chất đặc biệt khác có tình dẫn điện kém Các vật liệu này bao bọc bên ngoài một lõi sứ, hoặc lớp bọc bị xẽ theo đường rãnh xoắn óc xung quanh lõi ( điện trở mặt), hoặc chúng được ép lại thành khối ( điên trở khối)

Điện trở có dây quấn: được làm bằng dây côngtantan ( điện trở thấp) hay nicrôm ( điện trở cao) quấn trên một ống bằng sứ, được bao phủ bằng một lớp men màu nâu hay xanh

2.4.6.2 Ứng dụng.

Điện trở có thể dùng để giới hạn dòng điện, tạo sụt áp, dùng để phân cực, làm tải cho mạch điện, chia áp, địng hằnh số thời gian, v.v

2.4.7 Tụ điện.

2.4.7.1 Cấu tạo.

Tụ điện được cấu tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi chất điện môi

2.4.7.2 Ứng dung.

Tụ điện được ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tử

Cho điện áp xoay chiều đi qua và ngăn điện áp một chiều lại, do đó tụ điên được sử dụng để truyền tính hiệu giữa các tầng khuyếch đại có chênh lệch về điện áp một chiều

Lọc điện áp xoay chiều sau khi đã chỉnh lưu điện áp một chiều bằng phẳng

Với điện áp xoay chiều thì tụ dẫn điện còn đối với điện một chiều thì tụ lại trở thàng tụ lọc

2.5 Mạch thực tế.

Từ các bước phân tích và thiết kế ở trên ta có mạch thực tế hoàn chỉnh:

Hình 2.1 Sơ đồ mạch thực tế xúc xắc điện tử

2.6 Nguyên lý hoạt động.

DÙng IC555 để tạo xung vuông như sơ đồ tạo xung vuông (Hình 2.6)

Hình 2.6 Sơ đồ tạo xung vuông của IC555

IC555 tạo ra xung vuông chỉ có 2 giá trị 0 hoặc 1 và IC4017 có thể đếm được 1 trong 2 giá trị này Sau khi tạo được xung vuông thì sẽ chuyển qua IC4017 Tại đây IC4017 sẽ đếm xung Khi xung đầu vào nó đang ở mức dương thì xung đầu tiên được đếm và khi xung đầu vào xuống mức âm thì chân 1 vẫn giữ trạng thái là ở mực 1.Khi xung đầu vào lại đến sườn dương thứ 2 thì ngày lập tức xung thứ 2 được đếm và xung đầu tiên bị mất trạng thái và xuống mức âm Cứ như thế nó đếm đến 10 là kết thúc 1 chu kì đếm và quay trở về chu kì mới Nhưng vì ở đây ngõ đếm ra thứ 6 (chân số 5) được nối với chân reset (chân 15) (Hình 2.1) nên giới hạn 6 mức đếm cho mạch từ

0 => 5.Tức là xúc xắc chỉ nhảy từ 1 đến 6

7 led được điều khiển bằng 4 transitor và 6 diode, tương ứng với 4 nhóm tín hiệu đèn Chân số 13 của 4017 nối với 1 nút nhấn đến nguồn âm có tác dụng đếm khi nhấn nút và dừng đếm khi nhả nút

Như vật khi ta nhấn công tắc thì mạch sẽ chạy ngẫu nhiên với 6 trang thái để hiển thị xúc xắc từ 1 đén 6 và khi nhả công tắc ra thì nó sẽ dừng ở một trạng thái bất

kỳ Vậy là xúc xắc của ta đã được nhảy xong

Phần III: NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 Những việc đã làm được.

Trong lần làm đò án môn học lần này chúng em chọn mạch xúc xắc điện tử và

đã đạt được một số thành quả như sau:

Đã phân tích từ yêu cầu của đề tài để vẽ sơ đồ khối cho mạch

Từ sơ đồ khối đã phân tích và giải mã các trạng thái của mạch

Sau khi lập được bảng giãi mã trạng thái cho mạch thì chúng em đã lập được bản đồ krnaugh và tối thiểu

Khi đã tối thiểu được các phương trình cho các led từ bản đồ krnaugh thì đã vẽ được mạch logic

Nhìn vào mạch logic chúng em đã phân tích và đưa ra được một số phương án thiết kế thích hợp và cũng đã chọn được phương án thích hợp

Sau khi chọn được phương án thiết kế thích hợp và tham khảo một số tài liệu trên mạng thì chúng em đã xác định được mô hình của mạch và các linh kiện cần có

Sau khi xác định được mạch và các linh kiện thì chúng em đã xác định được cách làm mạch thực tế và tiến hành mua linh kiện về lắp mạch

Kết quả là đã lắp được mạch và mạch đã chạy được

3.2 Những việc chưa làm được.

Chúng em muốn thiết kế nút reset để khi nhấn nút thì tất cả 7 led đều sáng nhưng vẩn chưa làm được

Khi thiết kế mạch thì chúng em đã xét cho mạch chạy tránh trường hợp mạch chạy theo chu kỳ nhưng khi lắp mạch xong thì mạch vẩn chạy theo chu kỳ mặc dù vì mạch chạy nhanh nên chúng ta vẩn không thể quyết định xúc xắc sẽ dừng số mấy

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Giáo Dục

Hà Nội

Hà Nội

Nghị Việt – Hàn, Đà Nẵng