ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên đề tài: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM - 15 Yêu cầu: Theo nguyên lý mạch đếm từ – 12 Thiết kế mạch đếm - 15 Nhiệm vụ đồ án: Sử dụng kiến thức mơn học điện tử bản2,kỹ thuật số Có thể dùng vi điều khiển Giáo viên hướng dẫn : Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHU Ngày giao nhiệm vụ : 19-09-2010 Ngày hồn thành nhiệm vụ : 08-01-2011 Thơng qua môn Ngày … tháng … năm 2011 Chủ nhiệm môn SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú -1- ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN e&f Giáo viên hướng dẫn Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHU SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú -2- ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 MỤC LỤC Chương 1: Nội dung yêu cầu giới hạn đề tài I Nội dung yêu cầu II Giới hạn đề tài Chương 2:Thiết kế, khảo sát sơ đồ khối I Thiết kế sơ đồ khối II Khảo sát sơ đồ khối Nguồn cung cấp Mạch tạo xung dao động Mạch đếm xung Mạch giải mã Mạch hiển thị Chương 3: Sơ đồ nguyên lý I Sơ đồ nguyên lý mạch đếm từ đến 15 II Chức IC sử dụng mạch 10 Mạch tạo dao động sử dụng IC LM555 10 Mạch đếm sử dụng IC 74LS192 14 IC giải mã BCD hiển thị LED đoạn 74LS247 15 Led hiển thị 17 Nguyên lý hoạt động 18 III SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú -3- ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 LỜI MỞ ĐẦU Ngaøy khoa học kỹ thuật ngày tiến ứng dụng nhiều tất lónh vực quốc gia mà lónh vực Điện – ĐiệnTử quan trọng, đánh dấu bước nhảy vọt khoa học kỹ thuật giới đại Việc kết hợp lónh vực điện - điện tử với lónh vực khác cơ, vật lý…đã tạo sản phẩm trí tuệ mà người mơ ước Và phát triển khoa học lónh vực điện tử có đổi mặt kỹ thuật phương tiện Đề tài “Thiết Kế Mạch Đếm Từ Đến 15 ” đa dạng phong phú, có nhiều loại hình khác dựa vào cơng dụng độ phức tạp Do tài liệu tham khảo Tiếng Việt cịn hạn chế, trình độ có hạn kinh nghiệm thực tế non kém, nên đề tài chắn cịn nhiều thiếu sót Vì mong nhận ý kiến đóng góp, giúp đỡ chân thành thầy cô bạn sinh viên Trong trình học trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật HCM - Trung Tâm Cao Đẳng Nghề Đà Nẵng , e quý thầy hướng dẫn tận tình kiến thức ngành.Từ tảng kiến thức giúp e hoàn thành đồ án Em xin cảm ơn quý thầy cô khoa điện – điện tử , chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đình Phú hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành đồ án Người Thực Hiện Đề Tài SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú -4- ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 CHƯƠNG 1: NỘI DUNG YÊU CẦU VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI I Yêu cầu: Theo nguyên lý mạch đếm từ – 12 Thiết kế mạch đếm - 15 II Giới hạn đề tài: Sử dụng linh kiện môn học điện tử bản, kỹ thuật xung, kỹ thuật số Sử dụng IC số IC tạo xung dao động SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú -5- ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ - KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI I Sơ đồ khối: Mạch tạo xung dao động Mạch đếm xung Mạch giải mã Mạch hiển thị LED đoạn Mạch khống chế hiển thị Nguồn cung cấp II Khảo sát sơ đồ khối: Nguồn cung cấp: Mỗi IC làm việc tốt cần cấp nguồn từ 5V đến 9V dòng cho loại IC LM555, HC74LS192, HC74LS247, LED đoạn sử dụng dòng nhỏ, IC cần sử dụng khoảng vài chục mA nên ta cần sử dụng loại biến 2A (ampe) đủ Sau mạch nắn điện áp xoay chiều thành chiều D D T1 220VAC 12VAC - +13,2VDC + C R t SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú -6- ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 Để mạch hoạt động ổn định, ta cần tạo điện áp ổn định cách sử dụng IC ổn áp Như 7805 để ổn định điện áp +5V, IC 7808 để ổn định điện áp +8V: Dưới cách đấu nối: Chân 1: Ngõ vào, yêu cầu Vin > 1,5Vout Chân 2: Nối mass Chân 3: lấy điện áp Với mức điện áp khác nhau, ta chọn loại IC ổn áp cho phù hợp Mạch tạo xung dao động: Mạch có nhiệm vụ tạo tần số dao động chuẩn để đưa vào mạch đếm xung Để tạo xung dao động, ta sử dụng nhiều loại mạch tạo xung như: - Mạch dao động đa hài không trạng thái bền sử dụng Transistor - Mạch dao động đa hài không trạng thái bền sử dụng IC NE555 - Mạch dao động đa hài không trạng thái bền sử dụng mạch Op-amp Trong đồ án em sử dụng mạch dao động đa hài không trạng thái bền sử dụng IC tạo dao động NE555 Mạch đếm xung: Khi nhận tín hiệu xung dao động ngõ nhận xung đếm mã hóa chuyển đến ngõ dạng tín hiệu nhị phân SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú -7- ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 Mạch đếm xung dao động sử dụng nhiều loại IC đếm nhị phân như: 74LS393, 74LS192, 74LS193… đồ án, em xin chọn loại LS192 thơng dụng thực tế Em sử dụng IC 74LS192: IC đếm hàng đơn vị IC đếm hàng chục Nếu cần đếm thêm lên hàng trăm lớn ta sử dụng IC đếm nối tiếp để đếm hàng trăm… Mạch giải mã: Chuyển đổi tín hiệu số dạng nhị phân thành tín hiệu điều khiển phát sáng đèn LED LED đoạn Có nhiều loại IC giải mã như: 74LS47, 74LS247, 4511… nhiên, để phù hợp với cách hiển thị LED đoạn có Anod chung em chọn loại 74LS247 để giải mã hiển thị Mạch hiển thị: Như trình bày phần giải mã, em chon j loại LED đoạn có Anod chung để phù hợp với IC giải mã 74LS247 SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú -8- ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 CHƯƠNG III: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ I Sơ đồ nguyên lý mạch đếm từ đến 15: VCC U3 R1 U5 R V C C Q DC 1k CV G N D TR TH 5 12 UP TCU 13 DN TCD 11 PL 14 MR R2 47k U1 15 D0 Q0 D1 Q1 10 D2 Q2 D3 Q3 U4 5 12 UP TCU 13 DN TCD 11 PL 14 MR C1 10uF 13 12 11 10 15 14 U2 15 D0 Q0 D1 Q1 10 D2 Q2 D3 Q3 NE555 QA QB QC QD QE QF QG 74LS247 74LS192 A B C D BI/RBO RBI LT A B C D BI/RBO RBI LT QA QB QC QD QE QF QG 13 12 11 10 15 14 74LS247 74LS192 U6:A U7 Khởi động R3 13 12 10k NOT 74ALS11 SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú -9- ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 II Chức IC sử dụng mạch: Mạch tạo dao động sử dụng IC LM555: a) Sơ đồ mạch VCC R1 R VCC Q DC 1k U5 Out CV R2 TR TH GND 47k NE555 C1 10uF b) Giải thích chức năng: IC LM555 IC chế tạo dạng chíp lần cho cho vào năm 1971 IC LM555 dùng làm nhiều ứng dụng mạch tạo xung (Pulse generator), dùng làm định thời (time), dùng làm tầng so áp(comparator), IC LM555 đa có nhiều cơng dụng thực tiển Sơ Đồ Chân LM 555 SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú - 10 - ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 Chân 1: Chân nối masse để lấy dòng cấp cho IC Chân 2: Ngõ vào tầng so áp 2, mức áp chuẩn (1/3) Vcc,lấy cầu chia Volt tạo điện trở 5k,khi mức áp chân xuống đến mức áp cao lúc khoá điện chân số sẻ trạng thái hở Chân 3: Ngõ ra, tín hiệu ngõ có dạng xung (mức áp không thấp không cao) Khi chân số xuống thấp mức áp chuẩn (1/3) Vcc chân lên mức áp cao chân lên cao mức áp chuẩn (2/3) Vcc chân xuống mức áp thấp Chân 4: Chân reset, chân reset xác lập trạng thái ngả Khi chân số cho nối masse( đặt mứcáp thấp) chân bị chốt mức áp thấp, chân đặt mức áp cao ngả tự do,và lúc lên cao lúc xuống thấp Chân 5: Chân điều khiển, qua chân làm thay đổi mức áp chuântreen cầu chia Volt Khi mức áp chuẩn cấp cho tầng so áp 1và bị thay đổi tần số tín hiệu thay đổi theo người ta thường đưa điện áp vào chân để thực điều chế tần số Chân 6: Ngã vào tầng so áp 1.có mức áp chuẩn (2/3)Vcc, lấy cầu chia Volt tạo điện trở 5K mức áp chân lên mức (2/3) Vcc chân chuyển xuống mức áp thấp,lúc khoá điện chân số sẻ trạng thái đóng kín Chân 7: Chân xã điện, chân ngã khoá điện đóng mở theo áp, khố điện đóng mở theo mức áp chân số Khi chân số mức áp cao khố điện đóng lại sẻ cho dòng chảy chân số mức áp thấp khố điện hở, cắt dịng Chân 8: Chân cấp nguồn, nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC LM555,IC LM555 làm việc với mức nguồn nuôi từ 3V đến 18V SVTH: Nguyễn Hồng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú - 11 - ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 R1, R2, R3 dùng để điều chỉnh dịng nạp cho tụ C2, mục đích để tạo thời gian nạp tạo mức xung thấp ngõ chân số IC NE555 R1 dùng để điều chỉnh thời gian tụ C2 xả điện áp tụ vào chân IC, thời gian ngõ chân số mức xung cao R4 D1 nơi phát tần số cao tần, ta chọ D1 LED hồng ngoại Sơ đồ cấu trúc bên trong: 5k 2/3Vcc R 5k 1/3Vcc F/F Q OUTPUT S Q N PN 5k PN P Q 1 * Nguyên lý hoạt động: Trong mạch chân số nối với chân số nên hai chân có chung điện áp điện áp tụ C2 để so sánh với điện áp chuẩn 2/3Vcc 1/3 Vcc Chân có tụ nhỏ nối mass để lọc nhiễu tần số cao làm ảnh hưởng điện áp chuẩn 2/3Vcc Chân nối nguồn +Vcc nên không dùng chức Reset, chân xả điện nối vào hai điện trở R1 R2 tạo đường xả cho tụ Ngõ chân đưa đến mạch nhận xung Khi đóng điện tụ C1 bắt đầu nạp điện từ 0V lên nên: - Op-amp1 có Vi+ < Vi- nên ngõ có V01 = mức thấp, ngõ R = - Op-amp2 có Vi+ > Vi- nên ngõ có V02 = mức cao, ngõ S = - Mạch F/F có ngõ S = nên Q = Q = Lúc đó, ngõ chân có Vo ~Vcc SVTH: Nguyễn Hồng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú - 12 - ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 - T2 có VB2 = Q = nên T2 tạm ngưng dẫn để tụ C nạp điện Tụ C2 nạp điện qua điện trở R1, R2 với số thời gian nạp t nap = ( R1 + R 2) × C2 Khi điện áp tụ tăng đến mức 1/3 Vcc Op-amp2 đổi trạng thái, ngõ có V02 = mức thấp, ngõ S = Khi S xuống mức thấp F/F khơng đổi trạng thái nên điện áp ngõ mức cao Khi điện áp tụ tăng đến 2/3Vcc Op-amp1 đổi trạng thái, ngõ V01 = mức cao, ngõ R = Khi F/F có ngõ R = nên Q = Lúc đó, ngõ chân có Vo = 0V Khi ngõ Q = làm T2 dẫn bảo hòa chân nối mass làm tụ C1 không nạp tiếp điện áp mà phải xả điện qua R2 T2 xuống mass Tụ C1 xả qua R2 với thời gian: t xa = R2 × C1 Khi điện áp tụ - tức điện áp chân số số - giảm xuống 2/3Vcc Op-amp1 đổi trở lại trạng thái cũ V 01 = mức thấp, ngõ R = Khi R xuống mức thấp F/F khơng đổi trạng thái nên điện áp ngõ mức thấp Khi điện áp tụ giảm xuống đến mức 1/3Vcc Op-amp2 lại có Vi + > Vi- nên ngõ có V02 = mức cao, ngõ S = Mạch F/F có ngõ S = Q = 0, ngõ chân qua mạch đảo có Vo = Vcc, đồng thời lúc T2 phân cực Q = nên ngưng dẫn chấm dứt giai đoạn xả điện tụ Như vậy, mạch trở lại trạng thái ban đầu tụ lại nạp điện từ mức 1/3Vcc lên 2/3Vcc, tượng lại tiếp diễn liên tục để tạo xung ngõ Tuy nhiên, khởi động, tụ C2 nạp từ 0V lên 2/3Vcc sau xả điện xuống 1/3Vcc xả xuống 0V Do đó, từ chu ký thứ trở thời gian nạp xả tụ C2 tính cơng thức sau: * Thời gian nạp: t nap = 0,69( R1 + R2 )C1 * Thời gian xả: t = 0,69 R2C1 SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú - 13 - ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 * Chu kỳ: T = tnap + txa * Tần số xung: f = 1 = T t nap + t xa Trong mạch ta sử dụng linh kiện: R1 = 1K R2 = 47K C1 = 10uF −5 Vậy: thời gian nạp tụ C1: t nap = 0,69(1000 + 47000)10 = 0,33s Thời gian xả tụ C1: t xa = 0,69 × 47000 × 10 −5 = 0,32s Chu kỳ mạch tạo xung T = tnap + txa = 0,33 + 0, 32 = 0,65s Tần số dao động mạch f = 1/T = 1/0,65 = 1,54Hz Mạch đếm sử dụng IC 74LS192: a) IC 74LS192: * Cấu tạo IC 74LS192 16 15 14 13 12 11 10 74LS192 Chân 3, 2, 6, (Q0, Q1, Q2, Q3): ngõ Flip – Flop, đếm nhị phân từ đến Chân (CPD): nhận tín hiệu xung đếm xuống Chân (CPU): nhận tín hiệu xung đếm lên Chân (GND): mass Chân 11 (PL): chọn kiểu nhận tín hiệu ngõ vào Nếu chân 11 mức cao (nối +Vcc) IC 74LS192 nhận tín hiệu xung đếm chân chân 5, mức thấp (nối mass) cho ngõ Qn = Dn Chân 12 (TCU): chân đếm lên tràn liệu, cấp cho chân IC đếm mức cao SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú - 14 - ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 Chân 13 (TCD): chân xuống lên tràn liệu, cấp cho chân IC đếm mức cao Chân 14 (MR): reset mức cao Chân 15, 1, 10, (D0, D1, D2, D3): nhận liệu để chốt số cần xuất Chân 16: nhận điện áp nuôi Vcc * Bảng trạng thái * Sơ đồ mạch: VCC R1 R VCC U5 Q DC 1k CV R2 U3 15 10 11 14 TR GND 47k TH D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 UP DN PL MR TCU TCD 12 13 74LS192 U4 NE555 15 10 C1 10uF 11 14 D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 UP DN PL MR TCU TCD 12 13 74LS192 Trong mạch, U4 dùng để đếm hàng đơn vị, U3 dùng để đếm hàng chục Các chân 15, , 10, U3 chốt mức thấp để bắt đầu đếm từ lên Các chân 15, 10 U4 chốt mức cao 1, chốt mức thấp để hàng đơn vị bắt đầu đếm từ trở lên IC giải mã BCD hiển thị LED đoạn 74LS247: SVTH: Nguyễn Hồng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú - 15 - ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 Có chức chuyển đổi mã BCD thành khuôn dạng phù hợp với hiển thị thập phân LED đoạn có Anod chung Khi đầu vào chân (LAMP TEST) mức thấp, tất đầu thấp (hay trạng thái mở) Khi đầu vào chân (RB OUTPUT) mức thấp: tất đầu mức cao (hay trạng thái tắt) Khi đầu vào D, C, B, A LLLL (tất mức thấp) chân số (RB INPUT) mức thấp, tất đầu mức cao (hay trạng thái tắt), điều cho phép xóa bỏ số không mong muốn kéo theo dãy số * Sơ đồ chân IC 74LS247: U1 Chân 6, 2, 1, 7: ngõ vào BCD 13 A QA Chân 3: nhận mức xung thấp tất 12 B QB chân ngõ mức xung thấp (lợi dụng tính 11 C QC 10 chất này, ta thử nhanh IC 74LS247 LED D QD đoạn kết nối với nó) BI/RBO QE 15 Chân 4: ngõ vào điều khiển tất chân RBI QF 14 LT QG ngõ mức cao nhận mức thấp Chân 5: ngõ vào điều khiển tất chân 74LS247 ngõ mức cao nhận mức xung thấp đồng thời ngõ vào A, B, C, D mức thấp (xóa số vơ nghĩa) Chân 14, 15, 9, 10, 11, 12, 13: ngõ nối với chân g, f, e, d, c, b, a LED đoạn có Anod chung * Bảng trạng thái IC 74LS247: Số hiển thị A B C D E F LT H H H H H H H H H H H H H H H H RBI H X X X X X X X X X X X X X X X Ngõ vào D C L L L L L L L L L H L H L H L H H L H L H L H L H H H H H H H H RBO B L L H H L L H H L L H H L L H H A L H L H L H L H L H L H L H L H H H H H H H H H H H H H H H H H a H L H H L H L H H H H L H L H H b H H H H H L L H H H H L L H L L c H H L H H H H H H H H H L H L L Ngõ d H L H H L H H L H L L H H H H L e H L H L L L H L H L H H H H H H f H L L L H H H L H H H H H L H H g L L H H H H H L H H H H H H H H SVTH: Nguyễn Hoàng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú - 16 - ĐỒ ÁN MƠN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 LED hiển thị: Để tương thích với IC giải mã 74LS247, ta chọn loại Anod chung Anod LED a LED b LED c LED d LED e LED f LED g LED p o in t Anod Tùy theo số muốn hiển thị mà ta cấp điện áp mức thấp vào chân từ a đến g tương ứng a b c d e f g IC cổng logic NAND 7412: a) Sơ đồ chân: b) Bảng trạng thái SVTH: Nguyễn Hồng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú - 17 - ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 III Nguyên lý hoạt động: Khi cấp nguồn, IC tạo dao động NE555 tạo xung dao động chân số 3, tần số xung phụ thuộc vào giá trị điện trở R1, R2 tụ C1 Xung dao động đưa vào chân UP (5) IC 74LS192 (U4) để thực phép đếm hàng đơn vị Tuy nhiên, lúc chân Reset (chân 14 MR) IC 74LS192 trạng thái ngắt nên mạch chưa sẵn sàng để hoạt động Để mạch hoạt động, ta phải nhấn nút khởi động Lúc IC U4 nhận xung từ chân IC NE555 đưa sang bắt đầu đếm từ lên Sau đếm hết hàng chục, chân tràn hàng chục TCU U4 kích xung sang chân UP U3 để thực phép đếm hàng chục Khi đếm đến 15 chuyển sang 16 ngõ vào IC U8A mức cao, làm ngõ IC U8A mức thấp, IC 74LS192 thực vòng đếm chốt từ 5, cổng ngõ vào IC đếm hàng đơn vị chốt mức D0 = D1 = D2 = D3 = Nút khởi động lúc làm chức reset mạch Do Reset, chân MR IC 74LS192 mức cao nên IC phải bắt đầu đếm từ lên không bị phụ thuộc vào vị trí chốt ngõ vào SVTH: Nguyễn Hồng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú - 18 - ... R2 47k U1 15 D0 Q0 D1 Q1 10 D2 Q2 D3 Q3 U4 5 12 UP TCU 13 DN TCD 11 PL 14 MR C1 10 uF 13 12 11 10 15 14 U2 15 D0 Q0 D1 Q1 10 D2 Q2 D3 Q3 NE555 QA QB QC QD QE QF QG 74LS247 74LS192 A B C D BI/RBO... ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1: MẠCH ĐẾM TỪ ĐẾN 15 CHƯƠNG III: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ I Sơ đồ nguyên lý mạch đếm từ đến 15 : VCC U3 R1 U5 R V C C Q DC 1k CV G N D TR TH 5 12 UP TCU 13 DN TCD 11 PL 14 MR R2 47k U1 15 ... QG 13 12 11 10 15 14 74LS247 74LS192 U6:A U7 Khởi động R3 13 12 10 k NOT 74ALS 11 SVTH: Nguyễn Hồng Thiện GVHD: Th.S Nguyễn Đình Phú -9- ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1: