Tài liệu Thiết kế hệ thống đèn trang trí hiển thị dòng chữ “ma quang chung” pptx

Bài làm

Thiết kế hệ thống đèn trang tríhiển thị dòng chữ

“ma quang chung”

1 V ai trò, ý nghĩa của hệ thống và yêu cầu đối với hệ thốngđèn trang trí.

Trong thực tế chúng ta thờng hay gặp các hệ thống đènnhấp nháy rất đẹp mắt trang trí cho các biểu tợng hay các kýtự khác nhau Nhất là các biển quảng cáo hay các trung tâm vuichơi giải trí, các nơi giải trí công cộng hay những biển panô,áp phích cổ động Nhằm tập trung sự chú ý về ban đêm

Để thực hiện đợc nh vậy ngời ta phải ghép nhiều bóng vớinhau , sau đó điều khiển sự sáng của chúng, để chúng nháytắt theo một quy luật nhất định.

Một hệ thống nh vậy gồm 2 phần chính phần là phần hiểnthị và điều khiển thị Phần hiển thị chính là các bóng đèn đ-ợc ghép lại thành các biểu tợng hoặc ký tự, còn phần điều khiểnlà phần tạo ra các quy luật đóng cắt nguồn cung cấp cho bóngđèn.

Dòng chữ “ma quang chung” đợc ghép lại từ 12 ký tự là: m,a, q, u, a, n, g, c, h, u, n, g Hệ thống đèn trang trí cho dòngchữ này phải thoả mãn hai điều kiện:

- Thứ nhất: Từng ký tự đợc sáng và giữ nguyên trạng tháicho tới ký tự cuối cùng đợc sáng.

- Thứ hai: Khi tất cả các ký tự sáng hết, tiếp theo cùng tắtrồi lại cùng sáng và lại tắt hết, sau đó tiếp tục theo yêu cầu thứnhất.

2 Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống đèn trang trí.

Từ các yêu cầu trên ta có bảng trạng thái của các ký tự nhsau:

0 Sán

1 Sáng

2 Sáng

3 Sáng

4 Sáng

5 Sáng

6 Sáng

7 Sáng

8 Sáng

9 Sáng

1 Sáng

Sáng

Bảng 1: Trạng thái các ký tự của dòng chữ “ma quang

chung” trong một chu kỳ.

Nhìn vào bảng trên ta thấy có 15 trạng thái khác nhau củadòng chữ “ma quang chung” trong một chu kỳ, chúng đợc tạo rabởi hai trạng thái sáng, tắt của 12 ký tự Trạng thái sáng của mộtký tự khi nó nhận mức logic 1, còn trạng thái tắt của ký tự nónhận mức logic 0 tơng ứng ta có bảng 2.

stt

910 011 1 1 1111111001

14

2 6

C1R1

Việc đảm bảo phần hiển thị làm việc đúng quy luật đợc phầnđiều khiển đảm nhiệm Để có thể hiểu rõ đợc hoạt động củahệ thống ta đi thiết kế cho từng khối.

3.Khối phát xung chủ đạo dùng vi mạch IC 555.

Khối phát xung chủ đạo có nhiệm vụ phát ra một dẫy xung liêntục cung cấp cho khối đếm Yêu cầu đặt ra đối với khối này làxung ra phải thay đổi đợc chu kỳ để từ đó có thể thay đổiđợc thời gian tồn tại trạng thái các ký tự Hình 2 là sơ đồ nguyênlý của một mạch phát xung chủ đạo đáp ứng đợc các yêu cầutrên.

Vi mạch 555 làmột vi mạch đợcdùng để phát xungvuông chuyên dụng.Để tạo ra đợc dẫyxung liên tục ngời tatiến hành ghép vimạch này với tụ C1và điện trở R1 nhhình vẽ Để hiểu rõnguyên lý hoạtđộng của phátxung của vi mạch555 ta quan sát sơ

XUNG RA

Trigơ R-

Ura

đồ trải của vi mạch555 hình 3

Hình 3: Sơ đồ trải của 555 trong mạchphát xung chủ đạo.

Phần đợc đóng khung bằng nét đứt là vi mạch 555, nó cócấu tạo từ hai phần tử khuyếch đại thuật toán OA1, OA2 và mộtTrigơ R-S Hai khuyếch đại thuật toán OA1, OA2 đợc mắc theokiểu mạch so sánh có đầu vào không đảo nối với cầu phân ápdùng 3 điện trở R Do đó điện áp đặt tới đầu vào không đảocủa OA1 là và điện áp đặt tới đầu vào không đảo củaOA2 là

Đây là hai điện áp ngỡng của hai mạch so sánh Hai đầu vàođảo của OA1 và OA2 đợc đa ra ngoài qua hai chân 6 và 2 củavi mạch Chúng đợc nối với nhau và nối với tụ C Nh vậy điện áptrên tụ C đợc đa tới hai khuyếch đại thuật toán để so sánh vớihai điện áp ngỡng lấy trên cầu phân áp Đầu ra của hai KĐTT đợcđa tới hai đầu vào R và S của trigơ, xung ra của mạch đợc lấytrên đầu ra  của trigơ R-S thông qua cổng NAND.

* Nguyên lý hoạt động của mạch phát xung:

ttt1 t2 t3 t4 t5 t6

tn tpT

Hình 4: Giản đồ thời gian của điện áp trên mạch phát xung.* Giả sử tại thời điểm đầu (t = 0) điện áp trên tụ C là

thì đầu ra OA1 có mức logic1 còn đầu ra OA2 có mức logic 0 Đầu vào R của trigơ R-S có mức logic 1, còn đầu vào S có mức logic 0 dẫn đến đầu ra  có mức logic 1 làm cho

tranzitor T thông Tụ C phóng điện qua RB, qua T về mát làm cho điện áp trên nó giảm đến giá trị Ubh Điện áp ra của mạch phát xung bằng không, hay không có xung ra: Ura = 0

+Khi điện áp trên tụ giảm xuống thì đầu ra của OA1 và OA2 đều có mức logic 0 Điều này làm hai đầu vào R, S của trigơ đều có mức logic 0 nên trigơ vẫn giữ nguyên trạng thái, Tvẫn mở, tụ C tiếp tục phóng điện và Ura = 0.

+ Đến thời điểm t1 điện áp nên đầu ra OA2 có mứclogic 1, còn đầu ra OA1 vẫn có mức logic 0 Lúc này đầu vào Scủa trigơ có mức logic 1 nên đầu ra của trigơ chuyển trạng tháivà  có mức logic 0 Qua cổng NAND ta có xung điện áp ra: Ura= 1 Khi đó tranzitor T khoá tụ C đợc nạp từ +UCC  RA  RB  C mát Trong qua trình nạp thì điện áp trên tụ tăng dần theobiểu thức sau :

.

Trong đó UC là điện áp trên tụ C, tn thời gian nạp của tụ C.+ Khi điện áp trên tụ tăng đến giá trị thì đầu racủa OA2 chuyển trạng thái từ mức logic 1 về mức logic 0 làmđầu vào S của trigơ có mức logic 0 Đầu ra của OA1 lúc này vẫngiữ nguyên trạng thái ở mức logic 0 nên đầu vào R của trigơcũng ở mức logic 0 Hai đầu vào của trigơ R-S đều có mứclogic 0 nên trigơ vẫn giữ nguyên trạng thái, điện áp Ura =1, tụ Ctiếp tục đợc nạp

+ Cho đến thời điểm t2 điện áp trên tụ tăng đến giá trịUC  2UCC/3 thì đầu ra của OA1 chuyển trạng thái lên mứclogic1 Lúc này đầu vào R của trigơ mang mức logic 1, đầu vàoS vẫn giữ nguyên trạng thái ở mức logic 0 làm cho Trigơ lật trạngthái Đầu ra  của trigơ chuyển từ mức logic 0 nên mức logic 1làm T thông bão hoà, quá trình nạp điện của tụ C kết thúc và tụC lại phóng điện Qua cổng NAND ta có điện áp Ura = 0, kếtthúc một chu kỳ của xung ra

+ Từ thời điểm t2 t3 tụ C lại phóng điện, hoạt động củamạch lặp lại quá trình từ 0 t1 Kết quả là ta thu đợc một dẫyxung vuông ở đầu ra trên chân 7 của vi mạch 555.

Trong một chu kỳ phóng nạp của tụ thì ta lấy ra đợc mộtxung vuông ở đầu ra Để thay đổi tần số xung ra và độ rộngxung thì thay đổi thời gian phóng nạp cho tụ bằng cách thayđổi giá trị các điện trở RA và RB.

Thời gian để điện áp trên tụ đạt đến giá trị UC = 2UCC /3ta tính đợc theo công thức sau:

T = tn + tp = 0,69(RA + RB).C + 0,69RB.C = 0,69(RA +2RB).C.

Giả sử ta mắc thêm điôt D song song với điện trở RB nhhình vẽ thì tụ C sẽ nạp điện theo đờng +Ucc  RA  D  C mát Nếu ta bỏ qua nội trở không đáng kể của điốt D thì thờigian nạp của tụ C sẽ đợc tính: tn = 0,69.C.RA, và chu kỳ của xungra sẽ đợc tính: T = tn + tp = 0,69.RA.C + 0,69.RB.C = 0,69.(RA +

RB).C Nếu ta chọn RA = RB thì hằng số thời gian nạp của tụ bằnghằng số thời gian phóng và:

T = 2.tn = 2.tp = 0,69.2.RA.C = 1,38.RA.C.

Nhìn vào biểu thức ta thấy khi muốn thay đổi chu kỳ của xung ra ta có thể thực hiện bằng 2 cách là thay đổi dung l-ợng của tụ C hoặc thay đổi giá trị của điện trở RA, và RB Trênhình 1 để có thể thay đổi đợc  ta điều chỉnh hai biến trởWR1 và WR2, đây là hai biến trở đồng trục mà khi ta tăng thìchúng cùng tăng còn khi ta giảm thì chúng cùng giảm nên WR1 =WR2 = WR Với mạch nh hình 1 ta có công thức tính chu kỳ củaxung ra nh sau: T = 0,69.2.WR.R1.C1. = 1,38.WR.R1.C1

4 Khối đếm

Khối đếm có chứcnăng tạo ra 15 trạng tháikhác nhau của tổ hợpbiến Q3, Q2, Q1, Q0 tơngứng với 15 trạng tháikhác nhau của dòngchữ “ma quang chung”trạng thái khác nhau tadùng bộ đếm 4 bitmôđun 15 Bộ đếmnày nhận xung từ mạchphát xung chủ đạo,thực hiện đếm và cho

Xung vào

Q1Q0

ra 4 đầu ra Với bộđếm môđul 15 ta cógiản đồ thời gian nhhình bên:

Hình 5: Giản đồ điện áp củabộ đếm.

Hình 6: Đồ hình chuyển đổi trạng thái của bộ đếm môđun 15.

0 0 0 0

Q3 Q1

0 1 1 1

Q3 Q1

1 0 0 0

Q3 Q1

1 1 1 1

Q2 Q0

0 0 0 1

Q2 Q0

0 1 1 0

1 0 0 1

1 1 1 0

Q2 Q0

0 0 1 0

Q3 Q0

0 1 0 1

Q2 Q0

1 0 1 0

Q2 Q0

1 1 0 1

Q2 Q0

0 0 1 1

Q2 Q0

0 1 0 0

Q3 Q1

1 0 1 1

1 1 0 0

Q2 Q0

Từ giản đồ thời gian của điện áp trên bộ đếm ta đa rađồ hình biểu diễn sự thay đổi của điện áp trên bộ đếm nhhình 6.

Ngời ta thờng xây dựng bộ đếm từ các phần tử cơ bản làcác trigơ, có thể từ trigơ đếm T, trigơ D, trigơ R-S hoặc từ cáctrigơ J-K ở đây ta chọn phơng án bộ đếm xây dựng từ cáctrigơ T Nó có 2cửa vào là C, T, trong đó C là cửa vào đồng bộ,T, là cửa vào điều khiển Và nó thoả mãn

T = "0” Trạng thái trigơ giữ nguyên  Qn+1 = Qn.

Bảng trạng thái

01x011x0Bảng chuyển tiếp 00 01 11 10

01 Qn+1

QnQn+1RnRn+1001011010110-Bảng

00-đầu vào kích

lai, (-) là trạng thái tuỳ chọn có thể là mức logic 0 cũng có thể làmức logic 1, (x) là trạng thái cấm Để xây dựng bộ đếm 4 bit tacần 4 trigơ T nh trên, nếu ta coi các đầu ra Q của các trigơ làbiến còn đầu vào T là hàm, thì với môđun 15 ta có bảng trạngthái sau:

Trạng thái các Trigơ đếm

Trạng thái các hàmđầu vào kíchHiện tại Tiếp theo

1100 01 11 10

00 01 11 10

00 01 11 10

00 01 11 10

T3 = Q3Q2 + Q2Q1Q0

Hình12

III- Khối giải mã

Khối giải mã nhận các biến vào là các đầu ra của bộ đếm, tuỳtheo yêu cầu đặt ra của đề bài mà cho ra các hàm với quy luật phù hợp,các hàm đó tơng ứng với các kí tự thuộc dòng chữ ta cần trang trí.Khối giải mã có thể đợc xây dựng từ các cổng lôgic cơ bản, điôt bándẫn hoặc từ bộ nhớ chỉ đọc (ROM) Ta thiết kế mạch giải mã sử dụngcác điôt bán dẫn.

Ta cần trang trí cho dòng chữ “Ma Quang Chung” theo yêu cầusau:

Thứ 1 : Từng kí tự đợc sáng và giữ nguyên trạng thái cho tới kí tựcuối cùng đợc sáng

Thứ hai: khi tất cả các kí tự sáng hết thì sau đó cùng tắt rồi lạicùng sáng và lại tắt hết để sang một chu kì mới bắt đầu từ yeeu cầuthứ nhất

Xuất phát từ yêu cầu trên ta có bảng trạng thái của các kí tựtrong một chu kì làm việc của bộ đếm nh sau:

Sán

3 S¸ng

4 S¸ng

5 S¸ng

6 S¸ng

7 S¸ng

8 S¸ng

9 S¸ng

S¸ng

0011111110x1111100 01 11 10A1

A1 =Q3/Q2+Q3/Q0+/Q3 Q2+ Q1

0111111110x1111100 01 11 10M

M =Q3/Q2+Q3/Q0+/Q3 Q2+ Q0/Q3

0000111110x1111100 01 11 10U1

U1 = Q3/Q2 +Q3/Q0 +/Q3 Q2

0010111110x1111100 01 11 10Q

Q = Q3/Q2 +Q3/Q0+/Q3 Q2+ Q1Q0

0000001110x11111N1= Q3/Q0+

Q2Q1+Q3/Q2+ Q3Q100 01 11 10Q3Q2

00 01 11 10

A2 = Q3/Q2 +Q3/Q0 +Q2 Q1+ /Q3 Q2Q0

0000000010x1111100 01 11 10C

C = Q3/Q2 +Q3/Q0 0000001010x11111

00 01 11 10G1

G1 = Q3/Q2 +Q3/Q0 +Q2 Q1Q0

0000000010x1001100 01 11 10U2

U2 = Q3/Q2/Q0 +Q3Q10000000010x10111

00 01 11 10H

H =Q3Q2/Q0 + Q3Q1+ Q3/Q2 Q0

Thực hiện tối giản dùng bìa Cacnô ta nhân đợc kết quả sau:M = Q3/Q2+Q3/Q0+/Q3 Q2+ Q0/Q3

A1 = Q3/Q2+Q3/Q0+/Q3 Q2+ Q1 q = Q3/Q2 +Q3/Q0+/Q3 Q2+ Q1Q0U1 = Q3/Q2 +Q3/Q0 +/Q3 Q2

A2 = Q3/Q2 +Q3/Q0 +Q2 Q1 + /Q3 Q2Q0 N1= Q3/Q2 +Q3/Q0 +Q2 Q1

Từ kết quả trên ta xây dựng đợc mạch giải mã nhờ ma trận điốt nh sau:

0000000010x1000000 01 11 10G2

G2 = Q3Q2/Q00000000010x10010

00 01 11 10N2

N2 =Q3Q2/Q0 + Q3Q1Q0

G1 = Q3/Q2 +Q3/Q0 +Q2 Q1Q0

C = Q3/Q2 +Q3/Q0

H =Q3Q2/Q0 + Q3Q1+ Q3/Q2 Q0

U2 = Q3/Q2/Q0 +Q3Q1N2 =Q3Q2/Q0 + Q3Q1Q0 G 2= Q3Q2/Q0

Trên sơ đồ ta thấy các cột tơng ứng là nguồn dơng (+E) và các đầura Q, /Q của bộ đếm, các điện trở có trị số bằng nhau Ta nhận thấyđể thực hiện phép toán nhân các điôt có Anôt nối chung (số điôtbằng số thừa số), còn phép toán cộng có Katôt nối chung (số điôt bằngsố số hạng) các điôt sử dụng trong mạch giải mã là các điôt chỉnh luthông thờng có công suất nhỏ Ta có thể chọn loại IN 4007 có rất sẵntrên thị trờng

IV- Khối khuếch đại – hiển thị

Để thực hiện hiển thị ngời ta có thể sử dụng các đèn LED côngsuất nhỏ hoặc cũng có thể là các đèn sợi đốt công suất lớn Tín hiệu từmạch giải mã sau khi đợc khuếch đại sẽ cấp cho các bóng đèn trongmạch hiển thị do đó sự sáng tắt của ccác bóng đèn tuân theo quyluật của tín hiệu mạch giải mã đa ra mặt khác ta biết tín hiệu từmạch giải mã đa ra là tín hiệu lôgic, nó chỉ tồn tại một trong hai trạngthái có hoạc không (1 hoặc 0), do đó các bóng đèn trong mạch hiển thịcũng chỉ ở một trong hai trạng thái sáng hoặc tắt

Ta muốn trang trí với quy mô lớn thì cần phải có mạch hiểnthị có công suất lớn đó là mạch khuếch đại dùng Thiristor Giả sử ta cầnhiển thị kí tự “N” ở quy mô nhỏ ngời ta dùng các đèn LED ghép lại, dođó mạch có công suất vừa và nhỏ Việc điều khiển kí tự (N) sáng tắttrở nên hết sức đơn giản, ta có thể sử dụng Tranzitor để thực hiệnviệc này Nhng nếu ta cần hiển thị ở quy mô lớn hơn htì ta không thểdùng các đèn LED ghép lại đợc vì làm nh vậy sẽ phải tốn rất nhiềuLED.Cho nên ta sẽ sử dụng nhiều đèn sợi đốt có công suất lớn để ghéplại thành kí tự (N) Khi đó mạch hiển thị của chúng ta cũng có côngsuất rất lớn để cấp nguồn cho mạch này ta vấn có thể dùng Tranzitorcông suất lớn Song ở công suất lớn các Tranzitor thờng có giá thành khácao, mặt khác vấn đề tản nhiệt cho Tranzitor cũng rất phức tạp Lhắcphục các nhợc điểm trên của Tranzitor ta thay thế chung bằng cácTiristor có giá thành rẻ hơn mà công suất lại lớn hơn.

Nh đã biết Tiristor mở khi đợc đặt điện áp phân cực thuận(UAK>0) đồng thời cấp xung điều khiển (xung dơng) đến hai cực G và

K khi Tiristor đã mở thì nó sẽ giữ nguyên trạng thái cho dù ta đã ngừngcấp xung điều khiển, trạng thái này chỉ mất (Tiristorchỉ khoá) khiđiện áp đặt lên A và K của nó bằng 0 hoặc phân cực ngợc (UAK =< 0).Dựa vào các phân tích trên ta đa ra mạch khuyếch đại công suất dùngTiristor nh sau (ta trình bày cho kí tự ”N” và “H”, các kí tự khác có cấutạo hoàn toàn tơng tự chỉ khác ở cách sắp xếp vị trí, số lợng các đènsợi đốt ):

Hình 15: Sơ đồ nguyên lí mạch hiển thị kí tự “N” và

00ITi

Hình 16: Giản đồ thời gian mô tả hoạt động của mạch hiển thị kí tự“N ”

*Chức năng các phần tử trong sơ đồ

+ D1, D2, D3, D4, tạo thành mạch chỉnh lu điện áp ra Ud của mạchchỉnhlu do không có phần tử lọc nên có dạng đập mạch nh giản đồ thờigian

+ Trên sơ đồ kí tự “N” và “H” đợc ghép thành từ 22 và 20 bóngđèn sợi đốt song song với nhau và chúng đợc nắc nối tiếp với Tiristor Ti.khi Ti mở thì các bóng đèn sáng còn khi Ti khoá thì các bóng đèn tắt.

+ Tiristor Ti là phần tử khuyếch đại với tải là các bóng đèn trongkí tự “N” và “H”, thực chất nó hoạt động nh một khoá điện tử dùng đểđóng hoặc cắt nguồn cung cấp cho các bóng đèn thuộc các kí tự

+ T1, T2: Hai Tranzitor khuyếch đại công suất

+ BAX: biến áp xung có chức năng truyền xung tới Ti, thựchiện cách li mạch điều khiển voéi mạch lực Ngoài ra nó còn cókhả năng sửa lại độ rộng xung cho phù hợp khi xung đa tới cực gốccủa Tranzitor có đọ rộng quá lớn.

+ Diôt D5nối tiếp R3 có nhiệm vụ dập sứ điện động tự cảmsinh ra trên cuộn thứ cấp biến áp xung, D6 có chức năng dập sứcđiện động tự cảm trên cuộn thứ cấp biến áp xung.

+ Xung “N” và”H” đợc lấy từ đầu ra của mạch giải mã, thựcchất nó là các dãy xung có quy luật biến thiên theo quy luật của kítự N, H trong dòng chữ “ma quang chung” Độ rộng của xung nàysẽ quyết định thời gian sáng của kí tự hay nói cách khác là quyếtđịnh thời gian mở vcủa Tiristor Ti Do xung “N, H” thờng có độrộng trất lớn, nếu ta đa xung này tới mở Tiristor thì rất có thể tiếpgiáp điều khiển Tiristor sẽ bị đánh thủng, đồng thời gây tổn hao

công suất để an toàn cho Tiristor mà vẫn giữ nguyên đợc thờigian mở của Tiristor ta thực hiện băm xung “N, H” ra thành một dãyxung có chiều dài bằng độ rộng của xung “N, H” Tuy nhiên dãyxung băm phải thoả mãn là mỗi xung đơn có độ rộng đủ mởTiristor, thông thờng độ rộng này thờng vào khoảng 200s 600s tuỳ thuộc vào loại Tiristor cần điều khiển Khi ngừng cấpxung, Tiristor sẽ khoá vào thời điểm điện áp đặt lên hai điện cựcbằng 0 và giữ nguyên trạng thái này

+ Phần tử AND đóng vai trì là mạch sửa xung, băm xung“N, H” thành một dãy xung có giản đồ nh hình vẽ.

* Nguyên lý

hoạt động.

Điện áp sauchỉnh lu Ud códạng đập mạchđặt lên các bóngđèn sợi đốt vàTiristor Ti.

+ Từ thờiđiểm t=0 đếnt=1cha có xungđiều khiển nênTiristor Ti khoá.Dòng điện quaTi:ITi = 0, các bóngđèn tắt (kí tựkhông đợc thểhiện)

+ Đến thời điểm t1 Tiristor Ti đợc cấp xung điều khiển nênTimở dẫn dòng, các bóng đèn sáng (hiển thị kí tự) Vì là các bóngđèn sợi đốt nên tải mang tính thuần trở, do đó dòng điện qua

Hình 17: Sơ đồ nguyên lí mạch phát

xung băm