Đồ án thiết kế mạch đếm ô tô ra vào cổng trường - ic số

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.

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

PH N M Đ UẦN MỞ ĐẦU Ở ĐẦU ẦN MỞ ĐẦU 1

I C S LÝ THUY TƠ SỞ LÝ THUYẾT Ở ĐẦU ẾT 2

1.1 S đ kh i và ch c năng c a các kh i m chơ đồ khối và chức năng của các khối mạch ồ khối và chức năng của các khối mạch ối và chức năng của các khối mạch ức năng của các khối mạch ủa các khối mạch ối và chức năng của các khối mạch ạch 2

1.2 C u t o và thi t k c th cho t ng kh iấu tạo và thiết kế cụ thể cho từng khối ạch ết kế cụ thể cho từng khối ết kế cụ thể cho từng khối ụ thể cho từng khối ể cho từng khối ừng khối ối và chức năng của các khối mạch ch c năng c a h th ngức năng của các khối mạch ủa các khối mạch ệ thống ối và chức năng của các khối mạch 2

1.2.1 Kh i ngu nối và chức năng của các khối mạch ồ khối và chức năng của các khối mạch 2

1.2.2 Kh i t o xungối và chức năng của các khối mạch ạch 5

1.2.3 C ng AND IC 7408ổng AND IC 7408 9

1.2.4 Kh i đ mối và chức năng của các khối mạch ết kế cụ thể cho từng khối 10

1.2.5 Kh i gi i mãối và chức năng của các khối mạch ải mã 13

1.2.6 Kh i hi n thối và chức năng của các khối mạch ể cho từng khối ị 15

II.THI T K , CH T O VÀ KH O SÁT M CHẾT ẾT ẾT ẠO VÀ KHẢO SÁT MẠCH ẢO SÁT MẠCH ẠO VÀ KHẢO SÁT MẠCH 17

2.1 S đ nguyên lýơ đồ khối và chức năng của các khối mạch ồ khối và chức năng của các khối mạch 17

2.2 M ch inạch 17

2.3 Ch t o m chết kế cụ thể cho từng khối ạch ạch 19

2.4 Kh o sát m chải mã ạch 21

K T LU NẾT ẬN 22

TÀI LI U THAM KH OỆU THAM KHẢO ẢO SÁT MẠCH 23

PHẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đã làm chocuộc sống của chúng ta ngày càng được nâng cao về mọi mặt, cả trong sinh hoạthàng ngày cũng như trong sản xuất Với sự ra đời của các mạch điện tử, xuhướng số hóa đã làm tăng đáng kể năng suất lao động và làm giảm sức lao độngcủa con người trong quá trình sản xuất và sinh hoạt hàng ngày Bởi vì mạch kỹthuật số có những ưu điểm như: dễ thiết kế, dễ lưu trữ, truyền tải, độ chính xáccao, ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu, có thể lập trình được, có thể dễ dàng tạo mạchtích 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 ravào cho ô tô, xe đạp hay các phương tiện khác, ở đây chúng tôi chỉ thiết kế mạchđếm trong phạm vi hẹp là ra và vào cùng một cổng, nghiên cứu đếm tiến từ 000đến 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 hoạtđộng của mạch trước sau đó đưa vào chế tạo mạch thật

Nhóm sinh viên thực hiện:Nguyễn Thị Lĩnh

Lê Xuân Tiến

Vũ Ngọc Sơn

Khối nguồn

Khối tạo

xung

Khối đếm

Khối giải mã

Khối hiển thị

1.1 Sơ đồ khối và chức năng của các khối mạch

Để thiết kế được bộ đếm thuận chúng tôi đề xuất sơ đồ khối của mạch nhưhình 1 Sơ đồ khối của mạch gồm có các khối là khối nguồn, khối tạo xung, khốiđếm, khối giải mã, khối hiển thị Ở phần tiếp theo chúng tôi sẽ trình bày chứcnăng của từng khối

Hình 1 Sơ đồ khối mạch đếm ra vào cổng trường

Chức năng của từng 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 ra

Khối giải mã: giải mã BCD sang led 7 đoạn

Khối hiển thị: hiển thị các số từ 0 đến 9

1.2.Cấu tạo và thiết kế cụ thể cho từng khối chức năng của hệ thống

Qua sơ đồ khối tìm hiểu về những linh kiện có thể và nên sử dụng trongmạch Dưới đây là cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chức năng của những khốimạch được sử dụng

1.2.1 Khối nguồn

Trong một mạch điện tử thì bộ nguồn là một trong những mạch quan trọngnhất, nó quyết định đến sự hoạt động ổn định hay không ổn định thậm chí là

Bé läc

M¹ch chØnh

U0 1

ngưng hoạt động của mạch Một bộ nguồn không tốt sẽ làm cho mạch hoạt độngkhông ổn định và sẽ làm hỏng linh kiện một cách nhanh chóng Vì vậy một bộnguồn ổn áp tốt rất cần cho các mạch điện tử

Mạch điện gồm những phần sau : Hạ áp, chỉnh lưu, lọc, biến đổi (78xx).Nguồn điện xoạy chiều 220VAC-50Hz qua biến áp là hạ áp xuống còn 24VAC -1A vàđược qua bộ chỉnh lưu nhằm biến đổi xoay chiều thành 1 chiều Thànhphần 1chiều này có độ gợn nên phải qua bộ lọc C để san phẳng điện áp gợn đócho ra điện áp 1 chiều Sau đó điện áp 1 chiều này qua bộ ổn áp 78xx cho ra điện

áp ổn áp mà mình cần Ở đây điện áp ra cần là 5VDC nên sử dụng bộ ổn áp7805

Để tạo được một bộ nguồn hoàn chỉnh ta có sơ đồ khối hình 2.1.

Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch nguồn.

Dưới đây là các linh kiện được sử dụng và chức năng của chúng:

- Biến áp : Để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều U2

phù hợp với tải, trong mạch này ta sử dụng hạ áp

- Mạch chỉnh lưu : Có nhiệm vụ biến đổi điện áp điện áp xoay chiều thànhđiện áp một chiều nhấp nhô Ut (điện áp một chiều có độ lớn thay đổi theo thờigian) Sơ đồ mạch chỉnh lưu được thể hiện như hình 2.2

12VAC AC

Hình 2.2 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu

-Bộ lọc : San phẳng điện áp một chiều nhấp nhô thành điện áp một chiềubằng phẳng U01

Để thiết kế mạch ổn áp thì có nhiều phương pháp khác nhau như sử dụngdiode zener, sử dụng IC ổn áp Hiện nay IC ổn áp được sủ dụng phổ biến do giáthành rẻ, dễ sử dụng và dộ ổn định cao Một số loại IC ổn áp phổ biến như dòng

IC 78xx với xx là giá trị điện áp ổn định Vì vậy, trong đồ án này chúng tôi lựachọn sử dụng IC ổn áp 7805 để thiết kế mạch nguồn IC ổn áp 7805 có thể ổn ápvới giá trị đầu vào từ dải điện áp từ 4.8-5.2(V), dòng tải chịu đựng được tối đa là1A

Do đó ta có thể thiết kế sơ đồ nguyên lý của mạch nguồn như hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của mạch nguồn

Tác dụng của các linh kiện trong sơ đồ nguyên lý mạch nguồn như sau:

Máy biến áp biến đổi điện áp xoay chiều 220VAC50Hz xuống còn24VAC 1A

-D1, D2, D3, D4 : cầu diode có tác dụng chỉnh lưu điện áp xoay chiều thànhđiện áp một chiều.

Tụ C1,C2: Tụ lọc, có tác dụng giảm bớt sự nhấp nhô của điện áp ra và tạo rađiện bằng phẳng hơn Ngoài ra tụ C còn có tác dụng để lọc nhiễu (các sóng hàibậc cao)

IC 7805 là IC cho điện áp ra ổn định 5V, có cực tính dương

Tụ C3,C4 : Tụ dùng để cảc thiện quá trình quá độ và giữ cho điện trở ra củamạch đủ nhỏ ở tần số cao

1.2.2 Khối tạo xung

Mạch tạo xung có vai trò rất quan trọng trong các hệ thống mạch điện tử.Xung là những dòng điện hay điện áp có thời gian tồn tại rất ngắn ví như quátrình quá độ của mạch điện đầu ra của mạch tạo xung khống chế mạch logichoạt động theo tần số dao động, theo cạnh lên, xuống của xung tác động để điềuchỉnh thời gian hoạt động và thời gian xử lý của hệ thống.ở đây chúng tôi chọn

đề tài là mạch đếm ô tô ra vào cổng trường nên trước hết, khi ô tô qua cổng cần

có cảm biến để quét, vì kích thước ô tô lớn so với các phương tiện khác hay conngười , mô phỏng trên mạch ta sử dụng 2 cặp led hồng ngoại gồm 2 led phát và

2 led thu để nhận biết được ô tô đi qua nên khoảng cách giữa 2 cặp led là 3m.Sau khi ô tô đi qua sẽ cản 2 cặp led thu phát này cùng lúc thì lúc đó khối tạoxung sẽ phát ra một xung đếm một lượt ô tô đi qua và hiển thị số lần đếm ở led 7đoạn

Có nhiều mạch tạo xung với các dạng xung ra khác nhau có thể dùng TZT,

sử dụng transistor, mạch khuếch đại thuật toán hay IC 741 hoặc IC 555 ,nhưng ở đây chúng tôi dùng IC 555 bởi mạch tạo xung dùng IC 555 có nhiều ưuđiểm hơn như:

+ Chu trình làm việc có thể thay đổi được

+ Khả năng cho dòng ra lớn, có khả năng cung cấp dòng ra lớn đến 200 mA

+ Điện thế nguồn nuôi cho phép biến đổi rộng từ 3V - 15V

+ Đầu ra tương thích TTL

+ Độ ổn định nhiệt độ làm việc cao

Dạng thực của IC 555 được biểu diễn như hình 2.4

Hình 2.4 Dạng thực của IC 555

a) Cấu trúc IC 555

Cấu trúc của IC 555 được thể hiện như hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ chân IC 555.

Công dụng của chân linh kiệnIC 555 như sau:

Chân 1 (GND): Chân cho nối masse để lấy dòng

Chân 2 (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn là 1/3 mức nguồn nuôi.Chân 3 (Output): Chân ngả ra, tín hiệu trên chân 3 dạng xung, không ở mức

Chân 6 (Threshold): Chân so áp với mức áp chuẩn là 2/3 mức nguồn nuôi.Chân 7 (Discharge): Chân có khóa điện đóng masse, thường dùng cho tụ xảđiện.

Chân 8 (VCC): Chân nối vào đường nguồn V+ IC 555 làm việc với mứcnguồn từ 3 đến 15V

b) Cấu tạo của IC 555

Cấu tạo của NE555 gồm OP-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor để

xả điện Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt Bên trong gồm 3 điện trởmắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn.Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vàochân âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và

FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FFđược reset

Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, cóchu kỳ ổn định

Sơ đồ cấu trúc bên trong của ic 555 đục thể hiện như hình vẽ 2.6

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc bên trong

Bảng đồ hình trạng thái sự dao động của IC555:

Sơ đồ mạch tạo xung dùng IC 555 được thể hiện như hình 2.8

Hình 2.8 Sơ đồ mạch tạo xung dùng IC 555

Linh kiện và tác dụng :

- C9: Tụ chống nhiễu cho IC

- C10: Tụ phóng nạp tạo dao động

- R6: Hạ điện áp

- RV2: Điều chỉnh độ nhạy của Led thu

- D4, D5: Led phát, Led thu dùng để thay đổi trạng thái logic

1.2.3 Cổng AND IC 7408

Hình 2.9 Bảng chân lý và 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 hiện quan hệ logic AND được gọi là cổng AND

b) Cổng AND

Định nghĩa: Là mạch có từ hai đầu vào trở lên và một đầu ra bằng tổ hợp ANDcác biến đầu vào

Giản đồ thời gian:

Hình 2.10 Giản đồ thời gian hàm AND

Ký hiệu logic của cổng AND thể hiện như hình 2.11

có 2 trạng thái rõ rệt là 0 hoặc 1, cho nên đầu ra Q hoặc Q đảo tương ứng với 1bit của số nhị phân Nếu gộp nhiều Flip-Flop lại thì kết quả sẽ được số nhị phân

có nhiều bit, số bit bằng số Flip-Flop

Điều kiện cơ bản để hình thành một mạch đếm là phải hình thành được cáctrạng thái khác nhau mỗi khi có xung đếm đi vào

a) Flip-Flop JK

Flip – Flop JK là mạch điện có chức năng thiết lập trạng thái 0, trạng thái 1,chuyển đổi trạng thái và duy trì trạng thái căn cứ vào các tín hiệu đầu vào J, K và

xung nhịp CP Trong kỹ thuật số thường yêu cầu FF có 4 chức năng nói trên của

FF JK, nghĩa là FF rất vạn năng, rất linh hoạt Mạch FF JK được xem là mạch FF

đa năng, có các đặc tính của tất cả

Ký hiệu logic của Flip – Flop JK được trình bày như sau:

Hình 2.13 Ký hiệu Flip – Flop J-K

Trong đó: Lối vào J và K là lối vào dữ liệu, còn lối vào CLK là lối vào xungnhịp Clock Lối ra Q và Q là lối ra bình thường và lối ra phủ định của Flip –

Flop

Phương trình trạng thái: Qn+1= J Qn+ K Qn

Bảng chức năng của đầu vào kích:

Mạch đếm sử dụng chip 74LS90 đây là chip đếm thông dụng với 2 bộ đếm 5

và 2 tích hợp sẵn trong chip Từ 2 bộ đếm này kết hợp với bảng trạng thái chúng

ta có thể reset bộ đếm trong khoảng từ 0 đến 10 Kết hợp nhiều chip lại chúng ta

có thể đếm đến các số lớn hơn

IC7490 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5

+ bộ chia 2 do input A điều khiển đầu ra QA

+ bộ chia 5 do input B điều khiển đầu ra QB,QC,QD (trong đó QD có trọng

số lớn nhất)

Đầu vào bộ đếm lấy xung từ IC 555 hoặc từ cảm biến nếu là ứng dụng đếmsản phẩm

Đầu A,B tích cực ở sườn âm

Để tạo bộ đếm 10 ta nối đầu ra QA vào chân B để tạo xung kích cho bộ đếm5

QA, QB, QC, QD : là các đầu ra.

Bảng trạng thái của IC 74LS90 :

Hình 2.15 Sơ đồ đầu ra QA, QB , QC , QD.

1.2.5 Khối giải mã

Mạch giải mã là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hóa Mục đích

sử dụng phổ biến nhất của mạch giải mã là làm sáng các đèn để hiển thị kết quả

ở dạng chữ số, do có nhiều loại đèn hiển thị và nhiều loại mã số khác nhau nên

có nhiều mạch giải mã khác nhau

Các IC giải mã có chức năng giải mã từ mã số BCD sang mã số 7 đoạn đểđiều khiển hiển thị các con số thập phân trên Led 7 đoạn

Trong thực tế Led 7 đoạn có 2 loại đó là loại chung Anốt và loại chung Ktốtchính vì thế IC giải mã trong thực tế cũng có 2 loại: loại đầu ra tích cực mức

thấp (dùng cho loại Led chung Anốt) và loại đầu ra tích cực mức cao (dùng choloại Led chung Ktốt)

Một số IC giải mã 7 đoạn đầu ra tích cực mức thấp: SN74LS47, SN74LS247.Một số IC giải mã 7 đoạn đầu ra tích cực mức cao SN74LS48, SN 74LS248,

Hình 2.16 Sơ đồ chân IC 74LS247

IC 74LS247 có16 chân và công dụng của các chân theo tên như 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 là 7 chân đầu ra tích cực mức thấp tương ứng vớicác thanh a,b,c,d,e,f,g của Led 7 đoạn

Chân 3 LT_L ( Lamp Test input): Kiểm tra Led.

Chân 4 BI/R O_L (Blanking Input or Ripple-Blanking Output): Xóa ngã vào.Chân 5 RBI_L (Ripple-Blanking Input): Xóa gợn sóng ngã vào

1.2.6 Khối hiển thị

Khối hiển thị ta có thể sử dụng LED 7 đoạn.LED 7 đoạn (hay 7 thanh, 7segment) là một loại đèn hiển thị Trong thực tế, LED 7 thanh dùng làm cơ cấuquan sát hiển thị các con số trong hệ thập phân Trong một số trường hợp đặcbiệt có thể dùng để hiển thị các hệ HEX và các kí tự Cấu tạo của LED 7 thanhbao gồm 8 LED phát quang được gọi là các thanh, lần lượt là a, b, c, d, e, f, g, dp( dấu chấm) Trong thực tế có 2 loại chung A (Common Anode) và chungK(CommonCathode) với cấu trúc như sau:

- Cấu trúc loại K chung:

Hình 2.17 Cấu trúc Loại K chung

Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy khi cathode nối mức thấp và cứ khi nào các chântương ứng a, b, , dp có mức cao đưa đến thì thanh đó sẽ sáng

- Cấu trúc loại A chung:

Hình 2.18: Cấu trúc loại A chung

Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy khi Anode nối mức cao và cứ khi nào các chântương ứng a, b, , dp có mức thấp đưa đến thì thanh đó sẽ sáng

Ký hiệu và hình dạng Led 7 đoạn:

Hình 2.19 Ký hiệu và hình dạng của LED 7 đoạn

Trong mạch thiết kế chúng tôi sử dụng Led 7 đoạn Anode chung

II THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MẠCH

Từ việc tìm hiểu, xây dựng sơ đồ khối và chọn linh kiện phù hợp trong mạchthiết kế Chúng em đã cùng nhau thảo luận để vẽ ra mạch nguyên lý cho chạythành công trên phần mềm mô phỏng mạch điện Proteus

2.1 Sơ đồ nguyên lý

Dưới đây là mạch nguyên lý sau khi vẽ và chạy mô phỏng:

Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý mạch đếm ô tô ra vào cổng trường

2.2 Mạch in

Sau khi có được mạch nguyên lý chạy ổn định, chúng tôi lắp ráp mạch trên

bo test cho chạy thử và kiểm tra mạch chạy ổn định, linh kiện hoạt động tốt vàtiến hành vẽ mạch in

Dưới đây là hình vẽ mạch in:

Hình 2.21 Mạch in

Hình 2.23 Mặt trên và mặt dưới của mạch

+ Khối tạo xung: Quan sát sự sáng tắt của đèn báo xung khi cho một vật cản

đi qua hai cặp led hồng ngoại và dùng đồng hồ vạn năng đo điện áp trên lối racủa bộ tạo xung Chúng em nhận thấy rằng khối tạo xung hoạt động ổn định vàtạo ra dao động đúng với ý tưởng và lý thuyết đặt ra

+ Khối đếm và khối giải mã: Để biết được chúng hoạt động có ổn định haykhông,quan sát chữ số thay đổi được hiển thị trên led 7 đoạn Kết quả khối đếm

và khối giải mã hoạt động ổn định đúng với lý thuyết

+ Khối hiển thị: Trong quá trình kiểm tra khối điếm và khối giải mã nhậnthấy Led 7 đoạn hiển thị tốt và các chữ số được hiển thị đúng