thiết kế và thi công mạch đồng hồ số có báo giờ

thiết kế và thi công mạch đồng hồ số có báo giờ dùng ic số 7490 cho đồ án môn học 1. Phần lý thuyết và thi công chính xác, đã qua môn được còn bạn thì sao jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj,chjhlasfasdsadasfasfasmfnasfsakjfalskdnlsakdjlaskdalkdnalkd

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển tiến bộ của khoa học kỹ thuật điện tử đặc biệt là trong

kỷ thuật số, mạch số ứng dụng rất nhiều trong đời sống xã hội như: mạch đồng hồ

số, đếm sản phẩm, hiển thị nhiệt độ… Trong các trường học, xi nghiệp đồng hồ sốdùng xem giờ và báo giờ Mục đích chính của đồ án này là thiết kế đồng hồ số cóbáo giờ sau mỗi giờ Đồ án gồm 2 phần: giới thiệu và nội dung

Vì thời gian và kiến thức có hạn, cùng với việc thiếu kinh nghiệm nên không tránhkhỏi những thiếu sót, rất mong sự góp ý và đánh giá của thầy

LỜI CÁM ƠN

Sau một khoảng thời gian thực hiện đề tài, và ngày hôm nay đồ án 1 của em

đã hoàn thành Ngoài sự cố gắng của bản thân, em cũng đã nhận được rất nhiều sựgiúp đỡ từ bạn bè, thầy cô bộ môn khoa Điện, đặc biệt là sự tận tình của thầyNguyễn Trường Duy Thầy đã giúp em vạch hướng đi và hướng dẫn cụ thể từngyêu cầu của đề tài, đồng thời cũng truyền đạt rất nhiều kinh nghiệm của thầy cho

em để em có thể hoàn thành bài tập lớn này

Do kiến thức còn rất hạn hẹp nên trong quá trình thực hiện đồ án em khôngtránh khỏi những sai sót, mong quý thầy cô trong hội đồng khảo thi bỏ qua vàhướng dẫn em chỉnh sửa những sai sót để em có thể hoàn chỉnh đồ án của mình

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao chép nguyênbản từ tài liệu hay công trình đã có trước đó Nếu có sao chép tôi hoàn toàn chịutrách nhiệm

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

MỤC LỤ

LỜI MỞ ĐẦU 1

LỜI CÁM ƠN 2

LỜI CAM ĐOAN 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 4

MỤC LỤC……….……….5

PHẦN 1: GIỚI THIỆU 7

1 Đặt vấn đề 7

2 Mục tiêu 8

3 Các phương án thực hiện 8

4 Lựa chọn phương án 8

5 Giới hạn đề tài 9

6 Các sản phẩm liên quan 9

PHẦN 2: NỘI DUNG 9

Chương 1 Lý thuyết liên quan 9

1.1 Led 7 đoạn 9

1.2 IC 74LS247 10

1.3 IC 74LS90 12

1.4 Mạch đếm mod 10 14

Chương 2 Thiết kế 16

2.1 Sơ đồ khối 16

2.1.1 Sơ đồ khối 16

2.1.2 Nguyên tắc hoạt động 17

2.2 Thiết kế 17

2.2.1 Khối đếm 17

2.2.1.1 Sơ đồ 17

2.2.1.2 Nguyên tắc hoạt động 17

2.2.2 Khối giải mã 18

2.2.2.1 Sơ đồ 18

2.2.2.2 Nguyên tắc hoạt động 18

2.2.3 Khối hiển thị 18

2.2.3.1 Sơ đồ 18

2.2.3.2 Tính toán 19

2.2.3.3 Nguyên tắc hoạt động 19

2.2.4 Khối tạo xung 20

2.2.4.1 Sơ đồ 20

2.2.4.2 Nguyên tắc hoạt động 20

2.2.5 Khối giải mã báo giờ 21

2.2.5.1 Sơ đồ 21

2.2.5.2 Nguyên tắc hoạt động 21

2.2.6 Khối báo giờ 21

2.2.6.1 Sơ đồ 22

2.2.6.2 Tính toán 22

2.2.6.3 Nguyên tắc hoạt động 23

2.2.7 Khối nguồn 23

2.2.7.1 Sơ đồ 23

2.2.7.2 Tính toán 24

2.2.7.3 Nguyên tắc hoạt động 25

2.2.8 Sơ đồ nguyên lý 26

2.2.8.1 Sơ đồ nguyên lý 26

2.2.8.2 Sơ đồ mạch in 26

2.2.8.3 Sơ đồ bố trí linh kiện 30

2.2.6.4 Quá trình lắp ráp và cân chỉnh 34

Chương 3: Kết luận 36

1 Kết luận 36

2 Hướng phát triển 36

Phần phụ lục 36

Tài liệu kham khảo 36

PHẦN 1: GIỚI THIỆU

1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các thiết bị điện tử ngày càngđược ứng dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả trong các lĩnh vực trong cuộc sống.Việc xử lý tín hiệu điện tử hiện đại đều dựa trên cơ sở là tín hiệu số, vì các thiết

bị số có hầu như có ưu điểm hơn hẳn các thiết bị tương tự

Việc phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử đã cho ra đời nhiều vi mạch sốkích cỡ đa dạng với giá thành thấp, khả năng lập trình cao đã mang lại nhiều sựthay đổi trong ngành điện tử Với sự phát triển đó, thì mạch số ngày càng đượcnhiều người trong ngành kỹ thuật ưu chuộng do lợi ích và tính ứng dụng cao của

nó Do vậy, việc hiểu biết về kỹ thuật số rất quan trọng trong việc tạo ra mạch sốcũng như giúp ích trong chuyên ngành điện tử

2 Mục tiêu

Tìm hiểu về cách tạo đồng hồ số dùng IC số

Khảo sát và ứng dụng các IC đếm, giải mã, mạch tạo trễ… dùng trong mạchđồng hồ số

Khảo sát bộ đếm, báo giờ bên trong đồng hồ

Thiết kế được mạch đồng hồ số có báo giờ

Lắp mạch thực tế, điều chỉnh lỗi và thi công mạch hoàn chỉnh

3 Các phương án thực hiện

Phương án 1: Sự dụng IC số Để tạo bộ đếm ta dùng các IC đếm cùng các ICgiải mã và led 7 đoạn để hiển thị Để tạo mạch báo giờ ta dùng chuông 5V và mạchtạo trễ kết hợp cùng mạch đếm giờ để tạo tiếng chuông

Phương án 2: Dùng vi điều khiển Để tạo bộ đếm, báo giờ ta dùng phần mềmPIC C viết code rồi nạp vào cho vi điều khiển, kết hợp cùng led 7 doạn và chuông

để tạo nên mạch đồng hồ số báo giờ

4 Lựa chọn phương án

Với tính đặc thù của đề tài “Thiết kế và thi công mạch đồng hồ số có báo giờ”,

em chọn phương án dùng IC số Vì:

 Thứ nhất, do yêu cầu của môn học

 Thứ hai, để làm quen với việc dùng IC số trong chế tạo các mạch đơngiản

5 Giới hạn đề tài

Trong phạm vi này, em chỉ thiết kế và thi công mạch đồng hồ số và chỉ thêmchức năng báo giờ đơn giản chứ không thực hiện những chức năng phức tạp hơn

6 Các sản phẩm liên quan

Về đề tài này cũng có các sản phẩm liên quan như:

 Đồng hồ SKMEI Đây là sản phẩm được dùng rộng rãi trong thị trường doTrung Quốc sản xuất, với nhiều ưu điểm như: nhỏ gọn, có thể chỉnh giờ,phút giây; có thể báo giờ, báo thức, chỉnh ngày tháng, giá thành rẻ Tuynhiên, với giá thành rẻ nên sản phẩm có tuổi thọ không cao, dễ hư hỏng,không chống thấm nước

 Apple Watch Đây là sản phẩm được sản xuất gần đây với nhiều tính năngvượt trội, ngoài chức năng: báo thức, báo giờ, chỉnh giờ, ngày tháng; sảnphẩm này còn có chức năng theo dõi thức khoẻ, có thể dùng liên lạc nhưđiện thoại, kết nối wifi… Tuy nhiên, sản phẩm này có dung lượng pin thấphơn so với đồng hồ thông thường, sản phẩm này chỉ dùng tối đa được 1ngày; giá thành sản phẩm này rất cao, cao hơn nhiều so với các sản phẩmkhác; khó khăn trong việc bảo hành, sửa chữa

Có 2 loại led 7 đoạn là anode chung và cathode chung.

Led 7 đoạn có kí hiệu, sơ đồ chân như hình sau:

2 Hình 1.1 Kí hiệu, sơ đồ chân led 7 đoạn.

Led 7 đoạn có cấu tạo là các led đơn được sắp xếp theo vị trí để khi sáng hoặctắt tạo thành 1 số thập phân từ 0 đến 9

Dòng cho mỗi đoạn từ 10 đếm 20 mA và điện áp cho các led nhỏ là 2V

Ở đây em chọn led loại anode chung

Hình 1.2 Sơ đồ chân IC giải mã số BCD sang 7 đoạn 74LS247.

Chức năng các một số chân quan trọng của IC:

 IC có 4 ngõ vào “DCBA” để nhận số BCD cần giải mã

 IC có 7 ngõ ra “f, g, e, d, c, b, a” dùng điều khiển led 7 anode chung

 IC còn có các tín hiệu điều khiển kiểm tra đèn “LAMP TEST - LT”, tín hiệu xóa số không vô nghĩa vào (RB) và ra (RBO)

 Bảng 1.2 Bảng trạng thái hoạt động của IC74LS247

Giải thích hoạt động của IC giải mã 74LS247:

Trạng thái giải mã: từ trạng thái số 0 đến trạng thái thứ 15 là hoạt động giải

mã bình thường cho 16 trạng thái

 16 trạng thái này gồm có 10 trạng thái từ 0 đến 9 – gọi là giải mã số BCD, 10trạng thái này led hiển thị đúng số thập phân từ 0 đến 9

 6 trạng thái còn lại từ 10 đến 15 (từ 1010B đến 1111B) thì led cũng giải mãnhưng không đúng theo số hex

 Trạng thái LT: nếu tín hiệu này ở mức ‘0’ và RBO ở mức ‘1’ thì led sẽsáng số 8

 Trạng thái BI: nếu tín hiệu này ở mức ‘0’ thì led sẽ tắt

 Trạng thái RBI: nếu tín hiệu này ở mức ‘0’, 4 ngõ vào số BCD ở

“0000”, LT ở mức ‘1’ thì led tắt – có chức năng xóa số 0 vô nghĩa

Hình 1.3 Sơ đồ chân IC 74LS90.

Chức năng một số chân quan trọng của IC:

 IC có 4 ngõ vào Q0, Q1, Q2, Q3 để xuất ra số đang đếm

 Chân MS1, MS2 ở mức cao để thiết lập trạng thái Q0 = Q3 = 1, Q1 = Q2 = 0

 Chân MR1, MR2 ở mức cao thì xoá về 0 ở 4 ngõ ra

 Chân CP0 hoặc CP1 nối vào Q0 thì IC đếm mod 10, còn không thì đếm mod 2

Bảng 1.3 Bảng trạng thái hoạt động của IC 74LS90

Giải thích hoạt động của IC giải mã 74LS90:

Để IC đếm mod 10 ta có 2 cách nối mạch:

 Q0 nối vào CP0, chân CP1 được cấp xung sẽ đếm mod 10

 Q0 nối vào CP1, chân CP0 được cấp xung sẽ đếm mod 10

1.4 Mạch đếm mod 10

Mạch đếm mod 10 sẽ đếm 10 trạng thái từ 0 đến 9: trạng thái ban đầu là0000b, trạng thái kết thúc là 1001b Với mạch đếm nhị phân 4 bit, khi đếm từ0000b tới 1111b sẽ reset về 0000b để bắt đầu chu kì tiếp theo, nhưng đối với mạchđếm mod 10 thì phải dùng trạng thái 1010b để reset về 0000b Trình tự đếm nhưbảng 1.4

Trong quá trình đếm từ 0 tới 9, tín hiệu CLR = 1 nên mạch bình thường, khi

có thêm xung nữa, mạch chuyển sang 10=1010b thì tín hiệu CLR = 0 sẽ xoá tất cảcác flip-flop về 0000b và tín hiệu CLR =1 trở lại đề mạch thực hiện chu trình tiếptheo Sơ đố mạch đếm mod 10 như hình 1.4

Chương 2 Thiết kế

2.1 Sơ đồ khối

2.1.1 Sơ đồ khối

2.1.2 Nguyên tắc hoạt động

Khối nguồn sẽ cấp xung cho tất cả các khối hoạt động Khối tạo xung sẽ cấpxung 1Hz cho khối đếm giây, khối đếm giây đếm số nhị phân nên cần qua khốigiải mã sang mã BCD để hiện thị ra led Khối đếm giấy sau 60 giây sẽ tạo 1 xungcấp cho khối đếm phút và thực hiện tương tự cho khối đếm giờ Khi được khốiđếm giờ nhận đếm giờ nhận được 1 xung từ khối đếm phút, nó sẽ đồng thời tácđộng đến khối giải mã báo giờ để khỏi giải mã báo giờ tác động vào khối báo giờlàm chuông kêu

vị Tương tự với khối đếm phút, khi đến phút 60 thì reset lại ban đầu và cấp 1 xung

cho khối đếm giờ Khi khối đếm giờ đếm tới 24 thì sẽ reset lại ban đầu, khi đó coinhư đã đếm được 1 ngày.

Trong mạch còn có các nút nhấn với để điều chỉnh thời gian, khi nhấn nút sẽcấp 1 xung cho cho IC đếm làm tăng 1 phút hay giờ, ngoài ra còn có các nút reset

để trả lại trạng thái ban đầu cho mạch

2.2.2 Khối giải mã

Chức năng chính của khối này là chuyển đổi số nhị phân 4 bit thành sốBCD để đưa đến các led 7 đoạn dùng để hiển thị số thập phân tương ứng của mạchđếm

Để led 7 đoạn hoạt động bình thường thì áp rơi trên nó là 1,8 – 2V, dòng từ

10 – 20mA Áp ngõ ra của IC giải mã là 3,5V Ta chọn led hoạt động ở chế độbình thường có áp 1,8V và dòng 10mA

Áp trên điện trở:

VR = 3,5 – 1,8 = 1,7 V

Giá trị trở hạn dòng:

R = 10 mA 1,7 V = 170 Ω

2.2.3.3 Nguyên tắc hoạt động

Trong khi IC 74LS90 hoạt động đồng thời IC giải mã sẽ giải mã các số nhịphân và chuyển sang mã BCD cung cấp cho led 7 đoạn trong khối hiển thị đề xuấtkết quả ra ngoài

2.2.4 Khối tạo xung

Khối tạo xung có chức năng tạo xung 1Hz cung cấp cho khối đếm giây đềmạch đếm hoạt động bình thường Khối tạo xung được tạo thành từ các tụ, điệntrở, IC, thạch anh 32.786Hz

2.2.4.1 Sơ đồ

2.2.4.2 Nguyên tắc hoạt động

IC 4060 sẽ chia tần số dao động của thạch anh từ 32768 Hz xuống còn 2 Hz

ở ngõ ra cuối cùng Q13 theo bảng sau

1024

Xung 2Hz ở ngõ ra này được đưa vào chân Ck của IC 4013 Khi 4060 thựchiện xong 1 chu kì đếm rồi tự reset khiến chân Q13 từ mức cao chuyển sang mứcthấp cung cấp 1 xung cho 4013 IC 4013 giống như flip – flop D có vai trò chuyểnxung 2Hz thành xung 1 Hz (chân Q) để cấp cho cho mạch đếm giây.

Ta chọn tụ C1 = 22pF, C2 = 100pF, R49 = 220k, R48 = 10M theo datasheetcủa nhà sản xuất để ổn định tần số thạch anh

2.2.5 Khối giải mã báo giờ

cho 1 xung tích cực mức cao trong khoảng thời gian dài hơn theo sự tính toán củamình để duy trì sự tích cực mức cao cho transitor dẫn làm chuông kêu lâu hơn.

2.2.6 Khối báo giờ

Khối báo giờ có gồm mạch tạo thời gian trễ, transistor NPN và chuông 5V.Mạch tạo trễ có chức năng làm tăng thời gian tích cực mức cao của ngõ ra của khốigiải mã báo giờ giúp transistor tăng thời gian dẫn Transistor có chức năng tạotrạng thái ngắt, dẫn làm chuông kêu hay ngừng kêu

2.2.6.1 Sơ đồ

2.2.6.2 Tính toán

 Tính toán điện trở phân cực:

Để trasistor NPN C1815 hoạt động bình thường thì áp rơi trên nó VBE (SAT) =0,7 V, dòng I = I = 10 mA, β = 10 áp ngõ ra của IC555 từ 3 – 3,3V

IB = IC β =10

10 = 1 mAĐiện trở phân cực:

R = (3−0,7)V

1 mA = 2.3 kΩ

Ta chọn R = 2.2 kΩ

 Tính toán điện trở cho mạch tạo trễ.

Để mạch delay thời gian như ta mong muốn, ở đây ta chọn khoảngthời gian delay là 3 giây

Thời gian delay:

t = 1,1 x R48 x C3 = 3 giây

Chọn C3 = 10uF

 R48 = 272.7 kΩ Chọn R48 = 330 kΩChọn R53 = 47kΩ dùng làm điện trở kéo lên

2.2.6.3 Nguyên tắc hoạt động

Khi ngõ ra của IC 74LS33 (cổng NOR) kích vào ngõ Trigger của IC 555 1xung mức thấp, với tính chất của mạch tạo trễ thì ngõ ra IC 555 sẽ cho ra 1 xungtích cực mức cao với thời gian duy trì xung là 3 giây để transistor dẫn từ 3 giâylàm chuông kêu

2.2.7 Khối nguồn

Chức năng chính là tạo nguồn nuôi cho toàn mạch, đảm bảo dòng làm việc

ổn định Để tạo ra nguồn điện một chiều ổn định 5V cho các khối trong mạch ta sẽ

sử dụng IC ổn áp 7805 để lúc nào cũng ghim điện áp cố định ở mức cho phép

 Tính toán giá trị tụ điện:

Điện áp AC qua biến áp cách li 220V thành điệp áp AC 15V

Sau khi qua cầu diode sẽ thành điện áp DC

7805 để tạo điện áp cố định 5V cho mạch Để đề phòng sóng hài còn lại sau khiqua IC ổn áp, ta mắc thêm tụ điện 100uF đóng vai trò như mạch lọc thông thấp đểtriệt sóng hài sau đó mới cấp nguồn cho các khối trong mạch.

 Sơ đồ mạch in khối giải mã, hiển thị, giải mã báo giờ, đếm phút.

 Sơ đồ mạch in khối giải mã, hiển thị, đếm giờ.

 Sơ đồ mạch in khối báo giờ.

 Sơ đồ mạch in khối tạo xung.

2.2.8.3 Sơ đồ bố trí linh kiện

 Sơ đồ bố trí linh kiện khối giải mã, hiển thị, giải mã báo giờ, đếm giây.

 Sơ đồ bố trí linh kiện khối giải mã, hiển thị, giải mã báo giờ, đếm phút.

 Sơ đồ bố trí linh kiện khối giải mã, hiển thị, đếm giờ.

 Sơ đồ bố trí linh kiện khối báo giờ

 Sơ đồ bố trí linh kiện khối nguồn

 Khối tạo xung

 Khối tạo xung

Kiểm tra mạch tạo xung bằng testboard, lắp các linh kiện vào rồi cấpnguồn 5V vào Dùng led đơn nối vào ngõ ra Q13 của 4060 và chân Q 4013thấy led ở 4060 nhấp nháy 2 lần thì led ở 4013 nhấp nháy 1 lần chứng tỏ cóxung 1Hz ra ở chân Q

Sau đó lắp ráp vào mạch in, hàn mạch, dùng VOM kiểm tra mối hàn.Cấp nguồn cho mạch, mạch chạy tốt

 Khối đếm, giải mã, hiển thị.

Kiểm tra IC đếm, giải mã, led 7 đoạn bằng testboard Cấp nguồn vàxung cho IC đếm, giải mã, led 7 đoạn; dùng VOM chân đen cấm GND,chân đỏ đo các chân CP0 và ngõ ra của IC đếm Thấy CP0 có xung, và cácchân ngõ ra đếm bình thường, tương tự cho các IC giải mã và led 7 đoạn.Lắp ráp linh kiện vào mạch in, hàn mạch, dùng VOM kiểm tra mối hànthấy tất cả đều ổn Sau đó, cấp nguồn và xung vào mạch:

 Mạch đếm giây: mạch chỉ sáng led mà không đếm Dùng VOM

đo nguồn của các ngõ vào và ra của IC đếm nhận thấy chúng vẫnhoạt động bình thường Đo ngõ vào IC giải mã 74LS247 vẫn cóhoạt động nhưng ngõ ra thì không Sau đó, kiểm tra lại mối hànthấy các mối hàn được hàn chắc vào mạch Kiểm tra lại cácđường nối dây trong mạch in thấy hoàn chỉnh Cuối cùng, thay IC

74LS247 bằng IC 74LS47 mới vào mạch hoạt động Nút nhấn khinhấn bị dội nhiều do thiếu tụ, nên đã gắn tụ vào nhưng vẫn dội

mà ít hơn

 Mạch đếm phút và đếm giờ: tương tự mạch đếm giây

 Khối báo giờ.

Kiểm tra IC NE555, transistor và chuông bằng cách lắp ráp mạch trêntestboard như trong sơ đồ nguyên lý Cấp xung và nguồn cho mạch, sau đódùng VOM đó xung ra ở IC NE555 thấy có xung ra như tính toán và chuôngkêu trong khoảng thời gian đó

Lắp ráp vào mạch in, hàn mạch và kiểm tra mối hàn thấy đã ổn Sau đó,cấp nguồn và xung cho mạch Mạch không hoạt động, đo xung ngõ ra củacổng NOR 74LS33 ở khối giải mã báo giờ thấy khi cấp xung vẫn không cóxung ngõ ra Kiểm tra nguồn cấp thấy chỉ có 3,32V không đủ áp để 74LS33hoạt động, trong khi nó hoạt động ở mức từ 4,75V đến 5,5V Do quá trìnhlàm không tính toán chuyện sụt áp nên gây ảnh hưởng đến toàn mạch Đểkhắc phục tình trang đó, ta phải gắn thêm tụ gốm lọc nguồn có giá trị nhỏ từ

102nF tới 104nF để hồi áp tránh bị sụt trong quá trình hoạt động

Chương 3: Kết luận

1 Kết luận

Sau nhiều tháng tìm hiểu, nghiên cứu và 3 tuần thi công mạch và cân chỉnh,mạch đã hoạt động nhưng vẫn còn chưa hoàn thiện Nhưng qua đây em cũng rút rađược nhiều kinh nghiệm trong thiết kế và thi công mạch, em nghĩ nó sẽ giúp em rấtnhiều trong đồ án sắp tới

2 Hướng phát triển

Từ mạch trên có thể phát triển thêm dùng để điều khiển các thiết bị dândụng như tắt mở đèn, đo nhiệt độ… Hoặc có thể dùng chip vi điều khiển để thựchiện các mạch trên để đạt kết quả tốt hơn