Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đã làm cho cuộc sống của chúng ta ngày càng được nâng cao về mọi mặt, cả trong sinh hoạt hàng ngày cũng như trong sản xuất. Với sự ra đời của các mạch điện tử, xu hướng số hóa đã làm tăng đáng kể năng suất lao động và làm giảm sức lao động của con người trong quá trình sản xuất và sinh hoạt hàng ngày. Bởi vì mạch kỹ thuật số có những ưu điểm như: dễ thiết kế, dễ lưu trữ, truyền tải, độ chính xác cao, ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu, có thể lập trình được, có thể dễ dàng tạo mạch tích hợp với chức năng đơn giản đến phức tạp.Để hiểu rõ hơn về cấu tạo và nguyên lý làm việc của IC số, đặc biệt là IC đếm chúng tôi đã lựa chọn đề tài “ thiết kế mạch đếm ô tô ra vào cổng trường”.Phạm vi nghiên cứu: các công ty hay xí nghiệp lớn thường có nhiều cổng ra vào cho ô tô, xe đạp hay các phương tiện khác, ở đây chúng tôi chỉ thiết kế mạch đếm trong phạm vi hẹp là ra và vào cùng một cổng, nghiên cứu đếm tiến từ 000 đến 999.Đối tượng nghiên cứu: mạch đếm và thiết kế mạch đếm.Phương pháp nghiên cứu: từ nghiên cứu lý thuyết, áp dụng những kiến thức đã học để đưa tới thực nghiệm nhằm giảm chi phí, mô phỏng để kiểm tra hoạt động của mạch trước sau đó đưa vào chế tạo mạch thật.
MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Ngày với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, làm cho sống ngày nâng cao mặt, sinh hoạt hàng ngày sản xuất Với đời mạch điện tử, xu hướng số hóa làm tăng đáng kể suất lao động làm giảm sức lao động người trình sản xuất sinh hoạt hàng ngày Bởi mạch kỹ thuật số có ưu điểm như: dễ thiết kế, dễ lưu trữ, truyền tải, độ xác cao, bị ảnh hưởng nhiễu, lập trình được, dễ dàng tạo mạch tích hợp với chức đơn giản đến phức tạp Để hiểu rõ cấu tạo nguyên lý làm việc IC số, đặc biệt IC đếm lựa chọn đề tài “ thiết kế mạch đếm ô tô vào cổng trường” Phạm vi nghiên cứu: công ty hay xí nghiệp lớn thường có nhiều cổng vào cho ô tô, xe đạp hay phương tiện khác, thiết kế mạch đếm phạm vi hẹp vào cổng, nghiên cứu đếm tiến từ 000 đến 999 Đối tượng nghiên cứu: mạch đếm thiết kế mạch đếm Phương pháp nghiên cứu: từ nghiên cứu lý thuyết, áp dụng kiến thức học để đưa tới thực nghiệm nhằm giảm chi phí, mơ để kiểm tra hoạt động mạch trước sau đưa vào chế tạo mạch thật Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Lĩnh Lê Xuân Tiến Vũ Ngọc Sơn I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Sơ đồ khối chức khối mạch Để thiết kế đếm thuận đề xuất sơ đồ khối mạch hình Sơ đồ khối mạch gồm có khối khối nguồn, khối tạo xung, khối đếm, khối giải mã, khối hiển thị Ở phần chúng tơi trình bày chức khối Khối nguồn Khối tạo xung Khối đếm Khối giải mã Khối hiển thị Hình Sơ đồ khối mạch đếm vào cổng trường Chức khối: Khối nguồn: cung cấp nguồn ổn định 5V cho toàn mạch Khối tạo xung: cấp xung cho mạch đếm hoạt động Khối đếm: đếm xung clock từ mạch tạo xung tạo Khối giải mã: giải mã BCD sang led đoạn Khối hiển thị: hiển thị số từ đến 1.2 Cấu tạo thiết kế cụ thể cho khối chức hệ thống Qua sơ đồ khối tìm hiểu linh kiện nên sử dụng mạch Dưới cấu tạo, nguyên lý hoạt động chức khối mạch sử dụng 1.2.1 Khối nguồn Trong mạch điện tử nguồn mạch quan trọng nhất, định đến hoạt động ổn định hay khơng ổn định chí ngưng hoạt động mạch Một nguồn không tốt làm cho mạch hoạt động không ổn định làm hỏng linh kiện cách nhanh chóng Vì nguồn ổn áp tốt cần cho mạch điện tử Mạch điện gồm phần sau : Hạ áp, chỉnh lưu, lọc, biến đổi (78xx) Nguồn điện xoạy chiều 220VAC-50Hz qua biến áp hạ áp xuống 24VAC 1A vàđược qua chỉnh lưu nhằm biến đổi xoay chiều thành chiều Thành phần 1chiều có độ gợn nên phải qua lọc C để san phẳng điện áp gợn cho điện áp chiều Sau điện áp chiều qua ổn áp 78xx cho điện áp ổn áp mà cần Ở điện áp cần 5VDC nên sử dụng ổn áp 7805 Để tạo nguồn hồn chỉnh ta có s hỡnh 2.1 U1 Biến U2 áp Mạch chØnh Ut lu Bé läc U01 ỉn ¸p Ut Rt Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch nguồn Dưới linh kiện sử dụng chức chúng: - Biến áp : Để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều U2 phù hợp với tải, mạch ta sử dụng hạ áp - Mạch chỉnh lưu : Có nhiệm vụ biến đổi điện áp điện áp xoay chiều thành điện áp chiều nhấp nhơ Ut (điện áp chiều có độ lớn thay đổi theo thời gian) Sơ đồ mạch chỉnh lưu thể hình 2.2 TR1 d4 220V AC U1 d1 R1 U212VAC 10k d3 d2 TRAN-2P2S Hình 2.2 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu -Bộ lọc : San phẳng điện áp chiều nhấp nhô thành điện áp chiều phẳng U01 Để thiết kế mạch ổn áp có nhiều phương pháp khác sử dụng diode zener, sử dụng IC ổn áp Hiện IC ổn áp sủ dụng phổ biến giá thành rẻ, dễ sử dụng dộ ổn định cao Một số loại IC ổn áp phổ biến dòng IC 78xx với xx giá trị điện áp ổn định Vì vậy, đồ án lựa chọn sử dụng IC ổn áp 7805 để thiết kế mạch nguồn IC ổn áp 7805 ổn áp với giá trị đầu vào từ dải điện áp từ 4.8-5.2(V), dòng tải chịu đựng tối đa 1A Do ta thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch nguồn hình 2.3 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn Tác dụng linh kiện sơ đồ nguyên lý mạch nguồn sau: Máy biến áp biến đổi điện áp xoay chiều 220VAC-50Hz xuống còn24VAC 1A D1, D2, D3, D4 : cầu diode có tác dụng chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp chiều Tụ C1,C2: Tụ lọc, có tác dụng giảm bớt nhấp nhô điện áp tạo điện phẳng Ngồi tụ C có tác dụng để lọc nhiễu (các sóng hài bậc cao) IC 7805 IC cho điện áp ổn định 5V, có cực tính dương Tụ C3,C4 : Tụ dùng để cảc thiện trình độ giữ cho điện trở mạch đủ nhỏ tần số cao 1.2.2 Khối tạo xung Mạch tạo xung có vai trò quan trọng hệ thống mạch điện tử Xung dòng điện hay điện áp có thời gian tồn ngắn ví q trình q độ mạch điện đầu mạch tạo xung khống chế mạch logic hoạt động theo tần số dao động, theo cạnh lên, xuống xung tác động để điều chỉnh thời gian hoạt động thời gian xử lý hệ thống.ở chọn đề tài mạch đếm ô tô vào cổng trường nên trước hết, tơ qua cổng cần có cảm biến để qt, kích thước tơ lớn so với phương tiện khác hay người , mô mạch ta sử dụng cặp led hồng ngoại gồm led phát led thu để nhận biết ô tô qua nên khoảng cách cặp led 3m Sau ô tô qua cản cặp led thu phát lúc lúc khối tạo xung phát xung đếm lượt ô tô qua hiển thị số lần đếm led đoạn Có nhiều mạch tạo xung với dạng xung khác dùng TZT, sử dụng transistor, mạch khuếch đại thuật toán hay IC 741 IC 555 , dùng IC 555 mạch tạo xung dùng IC 555 có nhiều ưu điểm như: + Chu trình làm việc thay đổi + Khả cho dòng lớn, có khả cung cấp dòng lớn đến 200 mA + Điện nguồn nuôi cho phép biến đổi rộng từ 3V - 15V + Đầu tương thích TTL + Độ ổn định nhiệt độ làm việc cao Dạng thực IC 555 biểu diễn hình 2.4 Hình 2.4 Dạng thực IC 555 a) Cấu trúc IC 555 Cấu trúc IC 555 thể hình 2.5 Hình 2.5 Sơ đồ chân IC 555 Công dụng chân linh kiệnIC 555 sau: Chân (GND): Chân cho nối masse để lấy dòng Chân (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn 1/3 mức nguồn nuôi Chân (Output): Chân ngả ra, tín hiệu chân dạng xung, khơng mức áp thấp mức áp cao Chân (Reset): Chân xác lập trạng thái nghĩ với mức áp chân mức thấp, hay hoạt động Chân (Control Voltage): Chân làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 Chân (Threshold): Chân so áp với mức áp chuẩn 2/3 mức nguồn nuôi Chân (Discharge): Chân có khóa điện đóng masse, thường dùng cho tụ xả điện Chân (VCC): Chân nối vào đường nguồn V+ IC 555 làm việc với mức nguồn từ đến 15V b) Cấu tạo IC 555 Cấu tạo NE555 gồm OP-amp so sánh điện áp, mạch lật transistor để xả điện Cấu tạo IC đơn giản hoạt động tốt Bên gồm điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành phần Cấu tạo tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương Op-amp điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm Op-amp Khi điện áp chân nhỏ 1/3 VCC, chân S = [1] FF kích Khi điện áp chân lớn 2/3 VCC, chân R FF = [1] FF reset Kết cuối cùng: Ngõ OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vng, có chu kỳ ổn định Sơ đồ cấu trúc bên ic 555 đục thể hình vẽ 2.6 Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc bên Bảng đồ hình trạng thái dao động IC555: S R Q’ 0 Q 1 1 X Hình 2.7 Bảng trạng thái Flip-Flop RS Sơ đồ mạch tạo xung dùng IC 555 thể hình 2.8 Hình 2.8 Sơ đồ mạch tạo xung dùng IC 555 Linh kiện tác dụng : - C9: Tụ chống nhiễu cho IC - C10: Tụ phóng nạp tạo dao động - R6: Hạ điện áp - RV2: Điều chỉnh độ nhạy Led thu - D4, D5: Led phát, Led thu dùng để thay đổi trạng thái logic 1.2.3 Cổng AND IC 7408 a) Phép toán AND hay gọi phép nhân logic Hàm AND (hàm và): y = x1.x2 10 Bảng chân lý mạch điện minh họa quan hệ logic AND thể hình 2.9 X1 X1 X2 Y 0 1 0 1 X2 Y - + Hình 2.9 Bảng chân lý mạch điện minh hoạ quan hệ logic AND Mở rộng cho trường hợp tổng quát có n biến: y = x1 x2 … xn Mạch điện thực quan hệ logic AND gọi cổng AND b) Cổng AND Định nghĩa: Là mạch có từ hai đầu vào trở lên đầu tổ hợp AND biến đầu vào Giản đồ thời gian: x1 x2 y Hình 2.10 Giản đồ thời gian hàm AND Ký hiệu logic cổng AND thể hình 2.11 X1 X2 x1 y x2 Hình 2.11 Cổng AND 11 y & Cấu trúc cổng AND sử dụng mạch IC 7408 biểu diễn hình 2.12 Hình 2.12 Cấu trúc IC 7408 1.2.4 Khối đếm Đếm khả nhớ xung đầu vào, mạch điện thực nhớ xung đầu vào gọi mạch đếm Mạch đếm tạo thành từ kết hợp Flip-Flop, mạch đếm có đầu vào cho xung đếm, đầu vào đặt lại RESET, CLEAR(xoá) nhiều đầu Một chữ số nhị phân có giá trị 1, gọi bit, Flip-Flop có đầu Q Q đảo, có trạng thái rõ rệt 1, đầu Q Q đảo tương ứng với bit số nhị phân Nếu gộp nhiều Flip-Flop lại kết số nhị phân có nhiều bit, số bit số Flip-Flop Điều kiện để hình thành mạch đếm phải hình thành trạng thái khác có xung đếm vào a) Flip-Flop JK Flip – Flop JK mạch điện có chức thiết lập trạng thái 0, trạng thái 1, chuyển đổi trạng thái trì trạng thái vào tín hiệu đầu vào J, K xung nhịp CP Trong kỹ thuật số thường yêu cầu FF có chức nói FF JK, nghĩa FF vạn năng, linh hoạt Mạch FF JK xem mạch FF đa năng, có đặc tính tất 12 Ký hiệu logic Flip – Flop JK trình bày sau: Hình 2.13 Ký hiệu Flip – Flop J-K Trong đó: Lối vào J K lối vào liệu, lối vào CLK lối vào xung nhịp Clock Lối Q Q lối bình thường lối phủ định Flip – Flop n Phương trình trạng thái: Q n +1 = J Q + KQ n Bảng chức đầu vào kích: Qn J K Qn+1 Qn J K Qn+1 0 0 0 X 0 0 1 X 13 1 X Qn J K Qn+1 Qn J K Qn+1 1 1 X 0 1 1 1 1 Hình 2.14 Bảng trạng thái Flip-flop JK b) Khảo sát IC đếm 74LS90 Mạch đếm sử dụng chip 74LS90 chip đếm thông dụng với đếm tích hợp sẵn chip Từ đếm kết hợp với bảng trạng thái reset đếm khoảng từ đến 10 Kết hợp nhiều chip lại đếm đến số lớn IC7490 gồm chia chia chia + chia input A điều khiển đầu QA + chia input B điều khiển đầu QB,QC,QD (trong QD có trọng số lớn nhất) Đầu vào đếm lấy xung từ IC 555 từ cảm biến ứng dụng đếm sản phẩm Đầu A,B tích cực sườn âm Để tạo đếm 10 ta nối đầu QA vào chân B để tạo xung kích cho đếm QA, QB, QC, QD : đầu Bảng trạng thái IC 74LS90 : 14 Hình 2.15 Sơ đồ đầu QA, QB , QC , QD 1.2.5 Khối giải mã Mạch giải mã mạch có chức ngược lại với mạch mã hóa Mục đích sử dụng phổ biến mạch giải mã làm sáng đèn để hiển thị kết dạng chữ số, có nhiều loại đèn hiển thị nhiều loại mã số khác nên có nhiều mạch giải mã khác Các IC giải mã có chức giải mã từ mã số BCD sang mã số đoạn để điều khiển hiển thị số thập phân Led đoạn Trong thực tế Led đoạn có loại loại chung Anốt loại chung Ktốt IC giải mã thực tế có loại: loại đầu tích cực mức thấp (dùng cho loại Led chung Anốt) loại đầu tích cực mức cao (dùng cho loại Led chung Ktốt) 15 Một số IC giải mã đoạn đầu tích cực mức thấp: SN74LS47, SN74LS247 Một số IC giải mã đoạn đầu tích cực mức cao SN74LS48, SN 74LS248, 4511, 4543 Ở ta khảo sát giải mã BCD tiêu biểu IC 74LS247 Khảo sát giải mã BCD 74LS247: IC74LS47 chuyển đổi mã BCD thành khuôn dạng phù hợp với theo hệ 10 LED có A chung Khi đầu vào LAMP TEST thấp tất đầu thấp Khi đầu vào RB OUTPUT thấp tất đầu cao Khi đầu vào D, C, B,A, thấp (số hệ 10) RB INPUT thấp tất đầu cao Điều cho phép xoá bỏ tất trạng thái khơng mong muốn theo dãy digit Hình 2.16 Sơ đồ chân IC 74LS247 IC 74LS247 có16 chân công dụng chân theo tên sau: Chân 16: Vcc nối +5V Chân 8: GND nối Mass Chân 7,6,1,2 Các chân đầu vào mã nhị phân BDC Chân 13,12,11,10,9,15,14 chân đầu tích cực mức thấp tương ứng với a,b,c,d,e,f,g Led đoạn Chân LT_L ( Lamp Test input): Kiểm tra Led Chân BI/R O_L (Blanking Input or Ripple-Blanking Output): Xóa ngã vào 16 Chân RBI_L (Ripple-Blanking Input): Xóa gợn sóng ngã vào 1.2.6 Khối hiển thị Khối hiển thị ta sử dụng LED đoạn.LED đoạn (hay thanh, segment) loại đèn hiển thị Trong thực tế, LED dùng làm cấu quan sát hiển thị số hệ thập phân Trong số trường hợp đặc biệt dùng để hiển thị hệ HEX kí tự Cấu tạo LED bao gồm LED phát quang gọi thanh, a, b, c, d, e, f, g, dp ( dấu chấm) Trong thực tế có loại chung A (Common Anode) chung K(CommonCathode) với cấu trúc sau: - Cấu trúc loại K chung: Hình 2.17 Cấu trúc Loại K chung Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy cathode nối mức thấp chân tương ứng a, b, , dp có mức cao đưa đến sáng - Cấu trúc loại A chung: 17 Hình 2.18: Cấu trúc loại A chung Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy Anode nối mức cao chân tương ứng a, b, , dp có mức thấp đưa đến sáng Ký hiệu hình dạng Led đoạn: Hình 2.19 Ký hiệu hình dạng LED đoạn Trong mạch thiết kế sử dụng Led đoạn Anode chung 18 II THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MẠCH Từ việc tìm hiểu, xây dựng sơ đồ khối chọn linh kiện phù hợp mạch thiết kế Chúng em thảo luận để vẽ mạch nguyên lý cho chạy thành công phần mềm mô mạch điện Proteus 2.1 Sơ đồ nguyên lý Dưới mạch nguyên lý sau vẽ chạy mô phỏng: Hình 2.20 Sơ đồ ngun lý mạch đếm tô vào cổng trường 2.2 Mạch in Sau có mạch ngun lý chạy ổn định, chúng tơi lắp ráp mạch bo test cho chạy thử kiểm tra mạch chạy ổn định, linh kiện hoạt động tốt tiến hành vẽ mạch in Dưới hình vẽ mạch in: 19 Hình 2.21 Mạch in 20 Hình 2.22: Hiển thị mạch 3D Mạch in vẽ hồn thành chưa mong muốn phải câu nhiều dây mạch, đạt yêu cầu đề tài đặt kết cố gắng nhóm 2.3 Chế tạo mạch Trong q trình để hồn thành mạch nhóm chia công việc để làm, thời gian đạt hoàn thành tiến độ mạch chế tạo đẹp, ổn định, hoạt động tốt Sau vẽ mạch in tiến hành chế tạo mạch thu sản phẩm sau: 21 Hình 2.23 Mặt mặt mạch 22 2.4 Khảo sát mạch Sau hoàn thành mạch, chúng em tiến hành khảo sát mạch Cấp nguồn cho mạch khảo sát khối mạch sau: + Khối nguồn: Sử dụng đồng hồ vạn đo điện áp lối khối nguồn thu điện áp lối 5V Khối nguồn hoạt động với lý thuyết + Khối tạo xung: Quan sát sáng tắt đèn báo xung cho vật cản qua hai cặp led hồng ngoại dùng đồng hồ vạn đo điện áp lối tạo xung Chúng em nhận thấy khối tạo xung hoạt động ổn định tạo dao động với ý tưởng lý thuyết đặt + Khối đếm khối giải mã: Để biết chúng hoạt động có ổn định hay không,quan sát chữ số thay đổi hiển thị led đoạn Kết khối đếm khối giải mã hoạt động ổn định với lý thuyết + Khối hiển thị: Trong trình kiểm tra khối điếm khối giải mã nhận thấy Led đoạn hiển thị tốt chữ số hiển thị 23 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu thiết kế, chúng em hồn thành đồ án với yêu cầu “ Thiết kế mạch đếm ô tô vào cổng trường” Kết thiết kế lắp ráp thành mạch điện đạt yêu cầu thiết kế Trong trình thiết kế, chế tạo mạch gặp nhiều khó khăn, vấn đề lúc chế tạo hoàn thành mạch đưa kiểm tra.Cả nhóm cố gắng tìm hiểu sửa chữa, trao đổi giúp hoàn thành tốt đề tài Qua đề tài thiết kế giúp chúng em áp dụng kiến thức học vào thực tế, đồng thời nâng cao khả tìm hiều thiết kế mạch số Những kiến thức lần thực đồ án giúp chúng em có thêm kinh nghiệm thiết kế mạch điện có độ phức tạp cao 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Nguyễn Thúy Vân, Kỹ thuật số, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2004 - Nguyễn Quốc Trung, Điện tử số, NXB Giáo dục, 2005 - Tìm hiểu tham khảo internet số trang web: http://www.alldatasheet.com/ http://www.dientuvietnam.net/ http://codientu.org/ 25 ... IC đếm lựa chọn đề tài “ thiết kế mạch đếm ô tô vào cổng trường Phạm vi nghiên cứu: công ty hay xí nghiệp lớn thường có nhiều cổng vào cho ô tô, xe đạp hay phương tiện khác, thiết kế mạch đếm. .. tra khối điếm khối giải mã nhận thấy Led đoạn hiển thị tốt chữ số hiển thị 23 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu thiết kế, chúng em hồn thành đồ án với u cầu “ Thiết kế mạch đếm ô tô vào cổng trường ... IC 7408 1.2.4 Khối đếm Đếm khả nhớ xung đầu vào, mạch điện thực nhớ xung đầu vào gọi mạch đếm Mạch đếm tạo thành từ kết hợp Flip-Flop, mạch đếm có đầu vào cho xung đếm, đầu vào đặt lại RESET,