Đồ án số mạch điều khiển led chữ

Đồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữĐồ án số mạch điều khiển led chữ

BẢNG THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Họ Và Tên : Nguyễn Khắc Thành

Lớp : 51K 1 _ ĐTVT MSSV: 1051080522

KHOA: Điện Tử Viễn Thông

Tên đồ án: Thiết kế mạch điện tử bằng các phần tử logic cơ bản để điều

khiển các đèn LED nháy chữ “Điện Tử - Viễn Thông

Lần Ngày Nội dung Nhận xét cho phép/

không cho phép thông qua đợt sau

Chữ ký của GVHD 1.

2.

3.

4.

5.

Nhận xét chung :……… …

……… ………… ……….

………

Ghi chú: ……….………

Điều kiện để sinh viên được phép bảo vệ đồ án: phải thông qua đầy đủ và có chữ ký của giáo viên hướng dẫn.

Bản này phải được đóng kèm vào đầu trang của quyền thuyết minh đồ án.

LỜI NÓI ĐẦU.

Ngày nay, Điện tử - Viễn thông đã trở thành một ngành cực kỳ quantrọng, góp phần hỗ trợ cho các ngành khác cùng phát triển Các vi mạch điện tử(mạch tương tự, mạch số hay các mạch lập trình) được sản xuất ngày càng nhiềuvới các công nghệ khác nhau Đặc biệt, các vi mạch số đã có nhiều thay đổi lớn

và đang thâm nhập vào các thiết bị điện tử thông dụng và chuyên dụng nhất hiệnnay Môn học điện tử số đã phần nào giúp cho chúng tôi, những sinh viên cónhững hiểu biết đầu tiên vè các mạch số, cách xây dựng cũng như thiết kế mộtmạch số, nắm được các vấn đề cốt lõi và tang khả năng làm việc thực tế

Sauk hi được học qua môn Điện tử số cũng với sự hướng dẫn của giảng

viên Thạc Sỹ Nguyễn Mạnh Toàn, nhóm em đã chọn đề tài “thiết kế mạch chạy

chữ Điện Tử - Viễn Thông” làm đề tài cho đồ án Thiết kế mạch số Với mục đích

vận dụng những kiến học của môn Điện tử số để phần nào hiểu rõ hơn quá trìnhxây dựng và hoàn thiện những mạch số và hiẻu được phần nào hiểu rõ nguyên lýhoạt động của chúng Trong quá trình thực hiện đồ án không tránh khỏi nhữngthiếu sót, em mong nhận được sự giúp đỡ của các thầy cô, bạn bè để nhóm cóthể hoàn thành đồ án một cách tốt nhất

Em xin chân thành cảm ơn giảng viên Thạc Sỹ Nguyễn Mạnh Toàn đã

chỉ bảo tận tình nhóm thực hiện đề tài này, cảm ơn mọi ý kiến đóng góp của cácthầy cô và bạn bè

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ.

Thiết kế mạch điện tử bằng các phần tử logic cơ bản để điều khiển các

đèn LED nháy chữ “Điện Tử - Viễn Thông”,

Ý tưởng thiết kế: Mạch điều khiển các LED để chạy chữ “Điện Tử - Viễn

Thông” với 5 trạng thái khác nhau như sau:

Trạng thái 1: Đầu tiên chữ “ĐIỆN” sáng

Trạng thái 2: 5 giây tiếp theo, thêm số “TỬ” sáng

Trạng thái 3: 5 giây tiếp theo, thêm chữ “VIỄN” sáng

Trạng thái 4: 5 giây tiếp theo, thêm chữ “THÔNG” sáng

Trạng thái 5: 5 giây tiếp theo, tất cả các chữ đều tắt

Sau đó lặp lại các trạng thái trên

Trong đồ án này chúng em sử dụng IC 555 để tạo xung với chu kỳ T=5 giây, Đểlàm tốt môn đồ án này chúng em phải có kiến thức về môn điện tử số, hiểu đượccấu trúc và chức năng của một số IC, mạch giải mã, các cổng logic và một sốkiến thức về các linh kiện điện tử như: Tụ điện, điên trở, led, transistor…

Trong đề tài này chúng em đi sâu nghiên cứu một số loại IC quan trọng, đượcứng trong dụng nhiều nhất đề tài này như: IC 74LS74, IC 4081 , IC tạo xungvuông (IC 555)

điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứngdụng cho đơn ổn và không ổn định.Từ đó thiết bị này được làm ra với tínhthương mại hóa 10 năm qua một số nhà sản suất ngừng sản suất loại IC này bởi

vì sự cạnh tranh và những lý do khác Tuy thế những công ty khác lại sản suất ranhững dòng này.IC 555 hiện nay được sử dụng khá phổ biến ở các mạch tạoxung, đóng cắt hay là những mạch dao động khác

1.2.2 Cấu tạo của IC 555

1.2.3 Các thông số

+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555,NE7555 )

+ Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V

1.2.4 Chức năng của 555

+ Tạo xung

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

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

1.2.5 Bố trí chân và sơ đồ nguyên lý

+ Chân số 3: (OUTPUT), chân này là chân để lấy tín hiệu ra logic Trạng tháicủa tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cao, nó tương ứngvới gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng màtrong thực tế, mức 0 này không được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35-0.75V).+ Chân số 4: (RESET), dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân 4 nối massethìngõ ra ở mức thấp.Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùytheo mức áp trên chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao độngthực hay nối chân này

+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong

IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND

Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người tathường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện 0.01uF đến 0.1 uF các tụnày lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.

+ Chân số 6 (THRESHOLD), là một trong những chân đầu vào so sánh điện ápkhác và cũng được dùng như 1 chân chốt

+ Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịuđiều khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa nàyđóng lại ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC

555 dùng như 1 tầng dao động

+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho

IC hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 18V (Tùy từng loại 555 nhé thấp nhất là con NE7555)

1.2.6 Nguyên lý hoạt động của IC 555

Ký hiệu 0 là ở mức logic thấp 0V, 1 là ở mức logic cao, gần bằng Vcc

Khi S = 1 thì Q= 1 và Q=0 Sau đó, khi S=0 thì Q=0 và Q=1.

Khi R=1 thì Q=1 vàQ=0

Tóm lại, khi S=1 thì Q=1 và khi R= 1 thì Q=0, bởi vì R=1 thì Q=1, transistor

mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6không vượt quá mức V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF Q không Reset.+ Giai đoạn đầu ra ở mức 1: Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0 vìđiện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1 (V+) ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S=1,

Q=1 và Q=0 Ngõ ra của IC ở mức 1 Khi Q=0, transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp

qua R, điện áp trên tụ tăng, Khi nhấn công tắc lần nữa Op-amp 1 có V-=1 lớnhơn V+ nên ngõ ra của Op-amp ở mức 0, S=0, Q và Qkhông đổi Trong khiđiện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó

+ Giai đoạn đầu ra ở mức 0V: Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- =2/3 Vcc, R=1 nên Q = 0 vàQ = 1 Ngõ ra của IC ở mức 0 Vì Q = 1, transistor

mở dẫn, Op-amp 2 có V+ = 0 bé hơn V -, ngõ ra của Op-amp 2 ở mức 0 Vì vậy

Qvà không đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua transistor

Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ dao độngquanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3 (Xem dường đặc tính tụ điện phóng nạp ở trên)

- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ởthời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C

- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thờiđiểm điện áp trên C bằng Vcc/3 Xả điện với thời hằng là Rb.C

- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện

Đây là loại IC tạo xung vuông khá là phổ biến nó được ứng dụng nhiều trên cácmạch điện tử Đối với bài này là nó chỉ có nhiệm vụ tạo xung vuông với tần sốxác định

● Cách mắc IC để tạo ra xung chuẩn:

Hình 4: Cánh mắc IC 555 để tạo xung chuẩn

Công thức tính các tham số đầu ra của IC 555:

C1 = Tụ điện tính bằng Fara ( F )

T = Tm + Ts : Chu kỳ toàn phần

Tm = ln2 x ( R1 + R2 ) x C1 : Thời gian điện mức cao

Ts = ln2 x R2 x C1 : Thời gian điện mức thấp

Hình 1.3.1 IC 74LS74

IC 74LS74 chứa 2 Flip-Flop D Dữ liệu ở đầu vào D sẽ được lưu giữ và

ổn định ở đầu ra khi xung nhịp chuyển lên mức cao (mức 1)

1.3.2 Tìm hiểu về Flip-Flop D

1.3.2.1 Khái niệm

Trigger D còn có tên gọi khác là trigger trễ (delay) là một cấu trúc logic

có 2 trạng thái ổn định và 1 lối vào thông tin , có chức năng thiết lập trạng thái 0 theo tín hiệu đầu vào D = 0 và thiết lập trạng thái 1 theo tín hiệu đầu vào

D = 1 trong điều kiện định thời của CP

Flip-Flop D là nơi để chuyển dữ liệu từ ngõ vào D đến ngõ ra Q cungcấp cho mạch sau như: mạch cộng, mạch dịch… nên hơn nữa ngõ vào D phảichờ một khoảng thời gian khi xung Ck kích thì mới đưa ra ngõ ra Q, do đó Flip-Flop D còn được xem như là mạch trì hoãn, ngõ D còn gọi là Delay

Hình 1.3.2 Ký hiệu của Flip-Flop D

1.3.2.2 Bảngchuyển đổi trạng thái của Flip-Flop D

6 5

1 R

Từ bảng trạng thái của Flip-Flop D ta viết được phương trình logic của

nó là: =

Phương trình logic của Flop D cho thấy trạng thái kế tiếp của Flop D ở thời điểm trùng với thời điểm tác động tại thời điểm Điềunày giải thích sự đã tồn tại một sự trễ trong cấu trúc logic này

Flip-• Dạng xung nhịp của Flip-Flop D

CP

Hình 1.3.3 Dạng xung nhịp của Flip-Flop D

• Đồ hình trạng thái của trigger D

Hình 1.3.4 Đồ hình trạng thái của Flip-Flop D

Dạng xung nhịp và các mức logic của Flip-Flop D

1.3.2.3 Cách tạo Flip-Flop D

Flip-Flop D có thể xây dựng từ Flip-Flop JK

Khi nối ngõ vào của FF RS hay JK thì sẽ được FF D: chỉ có một ngõ vào gọi

là ngõ vào data(dữ liệu) hay delay( trì hoãn) Hoạt động của FF D rất đơn giãn:ngõ ra sẽ theo ngõ vào mỗi khi xung ck tác động cạnh lên hay xuống

Hình 1.3.5.Ký hiệu của khối Flip-Flop D

Flip-Flop D thường là nơi để chuyển dữ liệu từ ngõ vào D đến ngõ ra Qcung cấp cho mạch sau như mạch cộng, ghi dịch nên hơn nữa ngõ vào D phảichờ một khoảng thời gian khi xung ck kích thì mới đưa ra ngõ ra

1.3.2.4 Sơ đồ chân của IC 74LS74

IC 74LS74 gồm có 14 chân, gồm 1 chân nguồn Vcc là chân 14, có 1 chân nốiđất, 2 chân cấp xung CK, 2 chân đầu vào tương ứng với 2 đầu vào của 2 trigger

D, cùng với 4 đầu ra (mỗi trigger D có 2 đầu ra Q và Q đảo), 2 chân xóa và 2chân PR IC 74LS74 đóng vai trò tương đương với 2 Flip-Flop D Vỳ vậy, trong

J Clk K

D D

các mạch số sử dụng Flip-Flop D chúng ta sử dụng IC 74LS74 (tương ứng với 2Flip-Flop D).

Sơ đồ chân logic và các trạng thái vào ra

Hình 1.3.7 Sơ đồ chân logic của IC 74LS74

• Các trạng thái vào ra của Flip-Flop D

XXX

↑

↑L

XXXHLX

H L

L HH* H*

1.4.2.1 Khái niệm cổng AND.

Cổng AND dùng thực hiện hàm AND 2 hay nhiều biến, cổng AND có

số ngõ vào tùy thuộc số biến và có một ngõ ra Ngõ ra của cổng là hàm ANDcủa các biến ngõ vào

Ký hiệu của cổng AND

Hình 1.4.2 Ký hiệu cổng AND có số ngõ vào lần lượt là 2,3,4

Đặc điểm: Nếu tất cả các biến ngõ vào bằng 1 thì ngõ ra bằng 1

Phương trình đầu ra:

● Loại 2 ngõ vào: Y = A·B

● Loại 3 ngõ vào: Y = A·B·C

Bảng chân lý của cổng AND có 2,3 ngõ vào

X 0 0

• Nhận xét:

- Ngõ ra cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả ngõ vào lên cao

- Khi có một ngõ vào = 0, ngõ ra = 0 bất chấp các ngõ vào còn lại

- Khi có một ngõ vào = 1, ngõ ra = AND của các ngõ vào còn lại

Vậy với cổng AND 2 ngõ vào, ta có thể dùng 1 ngõ vào làm ngõ kiểmsoát, khi ngõ kiểm soát = 1, cổng mở cho phép tín hiệu logic ở ngõ vào còn lạiqua cổng và khi ngõ còn lại qua cổng và khi ngõ kiểm soát = 0, cổng đóng, ngõ

ra luôn = 0 bất chấp các ngõ vào còn lại

Hình 1.4.3 Giản đồ thời gian của cổng AND 2 ngõ vào

Trên giản đồ ta thấy, ngõ ra Y chỉ lên mức 1 khi cả A và B đều ở mức 1

1.5 DIODE PHÁT QUANG –LED

1.5.1 Khái niệm

LED (viết tắt của từ Light Emitting Diode) là cá diode có khả năng phát

ra ánh sáng hay tia hồng ngoại Giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khốibán dẫn loại P ghép với một bán dẫn loại N Tương tự như bóng đèn tròn bìnhthường nhưng không có dây tóc ở giữa, đèn LED tạo ra nhiều ánh sáng đơn, tỏanhiệt ít hơn so với các thiết bị chiếu sáng khác

Hình 1.5.1 Diode phát quang1.5.2 Cấu tạo.

Diode gồm có một lớp tiếp xúc P-N và hai chân cực Anốt (A) và Catốt(K), Anốt nối vơi bán dẫn loại P và Katốt nối với bán dẫn loại N

Hình 1.5.2 Cấu tạo cua LED

Vật liệu chế tạo diode phát quang là các liên kết của các nguyên tốnhóm 3 và nhóm 5 như GaAs hoặc liên kết 3 nguyên tố GaAsP, …Đây là cácvật liệu tái hợp trực tiếp, có nghĩa là sự tái hợp xảy ra giữa các điện tử ở sát đáydải

1.5.3 Hiệu suất và thông số hoạt động

LED dùng làm chỉ thị có công suất chỉ cỡ 30-60 mili oát.Năm 1999,Philips Lumileds giới thiệu LED có thể hoạt động liên tục với công suất 1W Nódùng 1 đế bán dẫn lớn hơn rất nhiều so với LED chỉ thị Thêm nữa là có bộ phậntản nhiệt bằng kim loại

Một trong những ưu điểm của LED là có hiệu suất chiếu sáng cao LED trắngnhanh chóng bắt kịp và vượt qua hiệu suất của đèn dây tóc

Năm 2002, Lumileds chế tạo thành công LED 5W với hiệu suất chiếu sáng từ18-22 lumen/oát Để so sánhđèn dây tóc 60-100W có hiệu suất cỡ 15lm/W,

nhanh khi tăng dòng qua LED

Tháng 9 năm 2003, một loại LED xanh da trời được công ty Cree giới thiệu phát

ra 24mW với dòng điện là 20mA Điều này có nghĩa là 1 bóng LED trắng sẽ có65lm/W với dòng 20mA Đây chính là LED trắng có hiệu suất cao nhất thời đó,hơn 4 lần so với đèn dây tóc

Năm 2006, họ giới thiệu sản phẩm mẫu đạt kỷ lục mới cho hiệu suất của LEDtrắng là 131lm/W với dòng điện 20mA.Năm này, công ty Nichia Corporationgiới thiệu LED trắng với hiệu suất 150lm/W cũng với dòng điện 20mA

Năm 2011, Xlamp XM-L , 1 dòng sản phẩm của hãng Cree phát ra 100lm/W vớicông suất 10W, hiệu suất là 160lm/W nếu công suất là 2W

Năm 2012, Cree giới thiệu LED trắng hiệu suất 254lm/W Trong thực tế, LEDchiếu sáng có công suất từ 1W trở lên, dòng tiêu thụ điển hình là 350mA

Chú ý là hiệu suất nói trên chỉ tính riêng cho LED và dưới môi trường nhiệt độthấp trong phòng thí nghiệm Trên thực tế, nhiệt độ cao và mạch nguồn cho LEDcũng có thất thoát năng lượng nên hiệu suất thấp hơn nhiều

Tháng 3 năm 2012, cree tuyên bố LED mẫu đã đạt được 208lm/W với nhiệt độphòng, nhiệt độ màu là 4579K

1.5.4 Ứng dụng của LED

Nhờ vào ưu điểm là nhỏ gọn, ít tỏa nhiệt và có nhiều màu sắc khácnhau (với nhiều loại LED), các ứng dụng của LED hiện nay được sử dụng rộngrãi như: đèn trong xe hơi, đèn giao thông, các màn hình quảng cáo, đèn chiếusáng trong sinh hoạt, trong máy tính (chuột quang, các nút báo tắt/mở điệnáp…), các thiết bị điều khiển từ xa, truyền tín hiệu trong sợi quang, làm đènchiếu sáng trong nhà kính (dùng trong Sinh học, Nông nghiệp…)

2.2.THIẾT KẾ CỤ THỂ CHO TỪNG KHỐI.

2.2.1 Khối nguồn

Trong hầu hết các mạch logic số nguồn nuôi thường duy trì ổn định ở mức+5V Do yêu cầu cao của hệ thống các nguồn nuôi thường được chế tạo mộtcách đặc biệt nhằm đem lại hiệu quả và tính ổn định cao

Thông thường có 2 kiểu nguồn chính:

+ Dùng pin hoặc ắc quy cho điện áp tương đối ổn định, mặc dù trên thitrường không có loại pin hoặc ắc quy 5V cho nên nếu dùng nó thì phải qua một

bộ phận ổn áp để đưa điện áp về dạng chuẩn hơn nữa trong quá trình sử dụng,năng lượng trong pin hết đi hệ thống sẽ bị gián đoạn

Trong thực tế hiện nay các mạch điều khiển, hiện thị người ta luôndùng mức tương thích TTL hơn CMOS Mức TTL thì các IC TTL dùng được(các họ dòng 74) và CMOS cũng dùng được ( các dòng thuộc CMOS có giảiđiện áp từ 3V đến 8V) Mức TTL ở đây là điện áp chuẩn dương 5V và chuẩn âm

là 0V Đối với các mạch dùng vi xử lý , các IC TLL, IC đòi hỏi cần phải cónguồn cung cấp ổn định 5V (dao động từ 4.75V đến 5.25V) nếu điện áp khôngnằm trong giải đó mà xuống mức giới hạn thì ICS không hoạt động (Reset) còntrên mức giới hạn thì hỏng ICs Do vậy trong các mạch thiết kế dùng ICs người

ta phải có một nguồn cung cấp ổn định để nuôi các IC đó và điện áp này khôngđược lên xuống theo điện áp nguồn Nếu nguồn 5V không ổn định mà thay đổitheo điện áp nguồn thì chip của bạn hoạt động cũng không ổn định (reset) haychết và LED của bạn sẽ lúc sáng lúc tối Vậy việc cần ở đây là cấp cho nó nguồn5V ổn định