b. Các linh kiện khác:
3.1.2. Thiết kế chi tiết từng khối:
a. Khối phát:
Yêu cầu của khối cần thiết kế:
Mạch điều khiển 7 kênh nên cần thiết kế khối phát phát đi mã của 7 kênh tương ứng.
Tính toán thiết kế:
Sử dụng IC phát tín hiệu hồng ngoại chuyên dụng PT2248 và led phát hồng ngoại.
Chọn mã bit: Vì IC PT2249 mặc định C1 = ‘1’ nên cần phải nối T1 với CODE thông qua diode. Ở đây em chọn mã bit là C1 = C2 = ‘1’ và C3 = ‘0’ nên cần nối thêm diode giữa T2 và CODE. Trong mạch này, em sử dụng diode 1N4007.
Vì PT2249 chỉ giải mã được 10 kênh (HP1-HP5 và SP1-SP5) nên PT2248 chỉ có thể kết nối ma trận phím giữa K1-K5 và T1, T2.
Khi điều khiển quạt, yêu cầu trường hợp nhấn 2 phím cùng lúc thì chỉ được một phím tác động. Vì vậy em chọn phím tạo xung không liên tục (gọi là phím không giữ) để điều khiển tốc độ của quạt.
Các phím còn lại có thể chọn phím tạo xung liên tục (gọi là phím giữ) hoặc không liên tục đều được. Ở đây em chọn phím lựa chọn chế độ cho bộ hẹn giờ là phím không giữ và hai phím còn lại là phím giữ vì đã dùng hết 5 phím không giữ. Vì vậy ma trận phím sẽ có 5 phím kết nối với T2 và 2 phím kết nối với T1.
Khối phát có thể cầm di động nên ta dùng nguồn pin 3V. Khi dùng nguồn 3V, dòng ngõ ra Txout là 1mA không đủ để kéo led phát hồng ngoại, ngõ ra Txout tích cực mức thấp nên em dùng transistor loại pnp (A1015) để kéo dòng cho led. Để led hồng ngoại phát mạnh hơn và kéo thêm một led báo tín hiệu em kết nối thêm một transistor loại npn (C1815) theo kiểu cặp hồi tiếp để kéo dòng. Điện trở RB theo khuyến nghị của nhà sản xuất là 200Ω - 3.9KΩ, em chọn RB = 1KΩ.
Các giá trị điện trở, tụ điện phần dao động cho PT2248, em sử dụng theo datasheet của nhà sản xuất.
Hình 3.1 Mạch nguyên lý của khối phát
b. Khối thu và giải mã:
Yêu cầu của khối cần thiết kế:
Thu, giải mã được 7 kênh của khối phát và đưa ra tín hiệu điều khiển ở các ngõ ra.
Tính toán, thiết kế:
Sử dụng IC giải mã chuyên dụng PT2249 và module thu hồng ngoại 3 chân.
Chọn mã bit: mặc định trên PT2249 C1= ‘1’, theo mã bit đã lựa chọn là C1=C2= ‘ 1’ và C3= ‘0’. Cần đặt C2= ‘1’ bằng cách
để hở chân C2, đặt C3= ‘0’ bằng cách nối C3 với VSS (GND). Như vậy mã bit là C1=C2= ‘1’ và C3= ‘0’ khớp với mã bit bên khối phát.
Các ngõ ra tương ứng với thiết lập bên khối phát là SP1-SP5 và HP1, HP2.
Mạch tạo dao động cho PT2249 em chọn R=39K và tụ pi 102 theo datasheet của nhà sản xuất.
Ngõ vào tín hiệu Rxin được lấy từ chân số 1 (ngõ ra) của module thu hồng ngoại. Nhưng bình thường ngõ ra module thu hồng ngoại ở mức cao, khi nhận được tín hiệu thì ngõ ra mudule sẽ xuống mức thấp nên ngõ ra của module hồng ngoại cần phải kết nối với Rxin qua cổng NOT. Để tiết kiệm IC cổng NOT, em dùng transistor hoạt động ở chế độ ngắt và dẫn bão hoà, ở đây em chọn C1815 và lấy ngõ ra ở cực C của transistor. Điện trở RB của transistor em chọn 4.7K để transistor làm việc ở chế độ dẫn bão hoà.
Dùng một led báo khi nhận tín hiệu, để không ảnh hưởng đến độ nhạy của ngõ vào PT2249, em lấy ngõ ra ở cực C của transistor trên và thông qua một transistor khác cũng được phân cực ở chế độ dẫn bão hoà để kéo dòng cho led. Chọn RB=4.7K.
Module Rxin Led
Bình thường (“1”) Không có tín hiệu (mức “0”) Tắt Nhận tín hiệu hồng ngoại (“0”) Có tín hiệu vào (mức “1”) Led sáng
Hình 3.2. Mạch nguyên lý khối thu và giải mã.
c. Khối xử lý trung tâm:
Yêu cầu:
Vì tín hiệu ngõ ra của khối thu là một xung nên để điều khiển được thì cần phải chốt dữ liệu.
Điều khiển ba số của quạt cần xử lý tránh 3 số cùng tác động sẽ hỏng động cơ.
Đồng bộ giữa tín hiệu giải mã được từ bộ phát và các phím điều khiển trên quạt để tạo thuận lợi cho người sử dụng trong trường hợp khối phát hết pin.
Xử lý khi bộ hẹn giờ đếm xong tác động để tắt quạt. Ở đây em thiết kế khi tắt quạt bằng tay sẽ đồng thời tắt bộ hẹn giờ.
Tính toán, thiết kế:
Để tiện cho việc điều khiển tốc độ của quạt (phòng trường hợp bộ phát hết pin,..) em sử dụng 4 nút nhấn gắn trên quạt.
Ngõ vào nút nhấn Tín hiệu giải mã từ khối phát Ngõ ra 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
Từ bảng trên ta có Ngõ ra = Ngõ vào nút nhấn + Tín hiệu giải mã từ khối phát. Vậy ở đây sẽ dùng cổng OR để liên kết hai loại tín hiệu điều khiển này.
Hình 3.3. Liên kết nút nhấn cố định và tín hiệu điều khiển từ bộ phát.
Để kiểm soát ngõ ra các IC chốt luôn ở mức thấp khi bật điện, ta thiết kế một mạch reset khi bật điện cho các IC chốt dữ liệu (4013).
Hình 3.4. Mạch reset khi bật điện.
Khi nhấn số 0 của quạt sẽ tắt toàn bộ quạt và bộ hẹn giờ nên em kết hợp chân reset và tín hiệu trả về khi bộ đếm đếm như sau:
Tín hiệu số 0 Reset Tín hiệu Timer
trả về Số 0
↑ x x ↑
x ↑ x ↑
x x ↑ ↑
Số 0 = Tín hiệu số 0 + Reset + Tín hiệu Timer trả về. Vậy ở đây cần dùng cổng OR.
Hình 3.5. Kết hợp tín hiệu số 0 với tín hiệu reset và timer trả về
Yêu cầu điều khiển tốc độ quạt là tại một thời điểm, quạt chỉ chạy với một tốc độ, khi chọn tốc độ khác thì sẽ tắt tốc độ hiện tại để không làm hỏng động cơ.
Bảng trạng thái quan hệ vào ra điều khiển tốc độ quạt:
Ngõ vào Ngõ ra reset tốc độ Trạng thái quạt
Số 0 Số 1 Số 2 Số 3 Tắt số 1 Tắt số 2 Tắt số 3 Số 1 Số 2 Số 3 ↑ 0 0 0 ↑ ↑ ↑ 0 0 0 0 ↑ 0 0 0 ↑ ↑ 1 0 0 0 0 ↑ 0 ↑ 0 ↑ 0 1 0 0 0 0 ↑ ↑ ↑ 0 0 0 1 Từ bảng trên ta có: Tắt số 1 = số 0 + số 2 + số 3 Tắt số 2 = số 0 + số 1 + số 3 Tắt số 3 = số 0 + số 1 + số 2
Vì vậy ở đây em sử dụng IC4075 là IC cổng OR 3 ngõ vào.
Các ngõ ra tín hiệu đã được chốt dùng để điều khiển tốc độ quạt, đèn được lấy ra ở chân Q của flip-flop D.
Hình 3.6. Nguyên lý phần chốt dữ liệu và xử lý lựa chọn tốc độ.
d. Khối giao tiếp công suất:
Yêu cầu của khối:
Cách ly điều khiển và công suất bằng cách ly quang và Relay.
Giao tiếp với quạt, điều khiển tốc độ động cơ và điều khiển đèn trên quạt với điện áp xoay chiều 220V.
Tính toán, thiết kế:
Sử dụng MOC3020 điều khiển Triac ngắt dẫn để điều khiển tốc độ quạt. Sử dụng Relay 5 chân có một cuộn dây và một bộ tiếp điểm thường đóng và thường hở.
Theo datasheet của nhà sản xuất thì điện áp phân cực thuận và dòng phân cực thuận lớn nhất cho LED của MOC3020 là 1.5V và 30mA. Vậy điện trở hạn dòng cho LED được tính như sau:
5 1.5 116 30 V V R mA Em chọn R=220Ω.
Vì điều khiển quạt là điều khiển tải cảm nên em thêm 1 tụ điện cao áp (0.1uF) giữa MOC3020 và triac nhằm thu các xung điện áp trả ngược lại từ cuộn dây của động cơ để bảo vệ MOC3020. Các giá trị điện trở và mạch kết nối theo datasheet của nhà sản xuất.
Điều khiển Relay dùng transistor loại npn ở chế độ ngắt dẫn. Theo datasheet của Relay, điện trở cuộn dây là 70Ω. Ở đây dùng nguồn cung cấp 5VDC nên dòng cung cấp cho Relay khoảng 70mA. Em dùng transistor C1815 có dòng Icmax=150mA.
(5 0.7) x100 6143 0.07 B R Em chọn RB = 4.7k.
Trong quá trình đóng mở tiếp điểm cuộn dây của Relay sẽ có một điện áp ngược rất lớn có thể gây hại phần điều khiển nên em mắc một diode từ cực C của transitor về nguồn để thu điện áp ngược này trả về nguồn khi relay đóng mở tiếp điểm. Em dùng diode 1N4007 có thể chịu được điện áp ngược lên đến 1000V. Điều khiển đèn bằng tiếp điểm thường hở của Relay.
Hình 3.7. Mạch nguyên lý khối giao tiếp công suất.
e. Khối dao động:
Yêu cầu của khối:
Tạo xung có tần số 1Hz cho khối hẹn giờ. Tính toán, thiết kế:
Mạch sử dụng IC đếm nhị phân 14 bit 4060 để chia tần số từ thạch anh 32.768kHz xuống còn 2Hz ở chân số 3 của IC. Ngõ ra tần số 2Hz cho đi qua Flip-Flip D để giảm xuống 1Hz ở ngõ ra Q của Flip-Flop.
Theo datasheet, thạch anh 32.768kHz cần CL=12.5pF. 1 2 1 2 . L L L s L L C C C C C C
Trong đó Cs là điện dung của mối hàn trên board PCB khoảng 2-3pF. Em chọn CL1CL2 22pF và tính toán CL: 22 22 2 13( ) 22 22 L x C pF .
Vậy CL1CL2 22pF thỏa mãn cho mạch dao động. Điện trở RF cho thạch anh 32.768kHz là từ 10-25MΩ, em chọn 10MΩ. Điện trở RExt được tính theo tần số thạch anh và tụ CL2:
12 2 1 1 220 2 2 32768 22 10 Ext L R k fC x x x
Mạch nguyên lý khối dao động:
Yêu cầu của khối:
Đặt trước thời gian và đếm ngược tắt quạt theo giờ, phút. Hiển thị bằng 3 led 7 đoạn.
Cho phép đặt giá trị cho giờ, phút. Nhấp nháy Led được chọn. Hiển thị theo chuẩn giờ phút. Thời gian hẹn giờ lên đến 10 tiếng.
Sử dụng 2 phím để bật/tắt, điều chỉnh giá trị hẹn giờ. Tắt trực tiếp bộ hẹn giờ và quạt bằng phím số 0.
Tính toán, thiết kế:
Dùng IC đếm thập phân 4017 để dịch dữ liệu chọn chế độ cho Timer với 5 chế độ. Bình thường Timer tắt, dùng ngõ ra Q0 để khống chế. Khi nhấn phím Timer_mode lần thứ nhất thì chọn điều chỉnh giờ sử dụng Q1 để điều khiển. Tương tự, nhấn tiếp lần thứ 2, 3 chọn điều chỉnh phút hàng chục và phút hàng đơn vị bằng Q2, Q3. Nhấn lần thứ 4, thoát chế độ đặt thời gian và cho phép timer đếm ngược bằng Q4. Cuối cùng khi nhấn tiếp thì sẽ quay lại Q0 để ngừng đếm và tắt Timer. Em thiết kế khi nhấn số 0 tắt quạt thì cũng sẽ tắt Timer nên cần kết hợp số 0 và Q5 tác động vào chân Reset để set 4017 về Q0.
Input Output
Số 0 Q5 (4017) RST (4017)
↑ 0 ↑
0 ↑ ↑
RST = Số 0 + Q5. Vậy ở đây cần dùng cổng OR.
Vì 4017 sử dụng xung CLK cạnh lên (High-low-high) mà ngõ ra PT2249 điều khiển ban đầu ở mức thấp nên cần qua một cổng đảo trước khi kết nối CLK của 4017. Mạch như sau:
Hình 3.9. Mạch lựa chọn chế độ hoạt động của Timer.
Khi ở chế độ tắt timer, để tiết kiệm điện, cần tắt tất cả các Led của bộ hẹn giờ vì vậy bộ hiển thị em dùng IC giải mã 7 đoạn 74LS247 có hỗ trợ tắt Led. Vì ngõ ra 4017 là mức cao mà chân BI/RBO của 74LS247 là tác động mức thấp nên Q0 (T_OFF) cần qua cổng NOT. Khi Timer đang ở chế độ đặt giờ, yêu cầu khi điều chỉnh ở Led nào thì cho Led đó nhấp nháy nên em cho Led nhấp nháy theo xung 1hz của bộ tạo xung cho mạch.
Input Output 1Hz Timer_set (gio, phut_chuc, phut_donvi) Y( 1hz, Timer_set) ↑ 0 0 ↑ 1 ↑
Y= 1hz and Timer_set. Vậy ở đây em dùng cổng AND 74HC08.
Input Output
Y( 1hz, Timer_set) Timer_off (Not
T_OFF) Led đang chọn điều chỉnh
0 0 0 (tắt)
0 1 1 (sáng)
↑ 0 ↑ (nhấp nháy)
↑ 1 ↓ (nhấp nháy)
Output ở mức cao khi hai ngõ vào khác mức logic với nhau (1,0; 0,1). Và Output ở mức thấp khi hai ngõ vào cùng mức với nhau (0,0; 1,1). Vậy dùng cổng logic XOR 74HC86.
Hình 3.10. Mạch logic on/off và nhấp nháy LED hiển thị.
Mạch đếm sử dụng IC đếm BCD 74HC192 có chức năng đếm lên/xuống, đặt trước số đếm, Reset.
Vì 74HC192 nhận xung đếm cạnh lên (high-low-high) mà ngõ ra tín hiệu điều khiển đặt số đếm là low-high-low nên cần phải đảo trạng thái. Chế độ đặt thời gian là đặt cho từng vị trí giờ, phút hàng chục, phút hàng đơn vị nên cần chọn vị trí trước.
Input Output
Change_value Timer_set (giờ, phút_c, phút_dv)
Tăng (giờ, phút_c, phút_dv)
↑ 0 1
↑ 1 ↓
Tăng = NOT (change_value AND Timer_set). Vậy sử dụng cổng NAND 74HC00.
Hình 3.11. Mạch logic đặt giá trị cho bộ đếm.
Vì hiển thị theo định dạng “h:mm” nên ở vị trí phút hàng chục cần reset về 0 khi tăng lên 6 và đặt lại về 5 khi đếm ngược xuống 9.
Input Output
QD QC QB QA Xóa về 0 Đặt lại 5
0 1 1 0 1 0
1 0 0 1 0 1
Các giá trị khác 0 0
Xóa về 0 = QC x QB nên em dùng cổng AND.
Đặt về 5 = QD x QA nên em dùng cổng AND. Nhưng vì chân LOAD của 74192 tích cực mức thấp nên cần đảo tín hiệu đặt về 5. Vậy ở đây dùng cổng NAND. Khi bộ đếm đếm ngược về 0:00 sau đó đếm thêm 1 xung xuống 9:99, cần tắt timer và reset timer về giá trị 0:00 để thuận tiện cho
thấp, mặc định ở mức cao nên cần đi qua cổng NOT để đảo trạng thái. Vì ở vị trí phút hàng chục đã có một tín hiệu Reset nên khi bộ đếm đếm xong, tác động reset toàn bộ thì cần phải qua cổng OR để reset IC đếm phút hàng chục.
Hình 3.12. Mạch kết nối các IC đếm, reset và set các IC theo ý muốn
Để tạo xung đếm 1 phút cho các cho khối em sử dụng IC đếm 4040 để đếm xung 1hz đến giá trị 60 thì được reset về 0 tương đương với 60 giây. Khi IC đếm đến giá trị 60 thì Q6, Q5, Q4, Q3 của
IC4040 đồng thời ở mức cao mà chân Reset của 4040 tác động mức cao nên ta sử dụng 3 cổng AND 2 ngõ vào (74HC08) để kết hợp Q6,Q5,Q4,Q3 tạo mức ‘1’ tác động reset IC và đây cũng là xung 1 phút cho mạch đếm. Nhưng vì ngõ vào Clock của 74192 là high-low- high nên tín hiệu này cần được đảo trạng thái cho phù hợp với ngõ vào của 74192.
Khi Timer được mở thì mới bắt đầu đếm nên cần khống chế không cho tạo xung 1 phút chỉ hoạt động khi Timer được mở.
Input Output
Timer_on Ck 1hz CLK (4040)
0 ↑ 0
1 ↑ ↑
CLK (4040) = (Timer_on AND Ck1hz) nên em dùng cổng AND 2 ngõ vào.
Hình 3.13. Tạo xung tần số 1 phút cho mạch đếm.
Khi Timer hoạt động, em sử dụng 2 Led đơn để nhấp nháy theo giây nên em sử dụng tín hiệu xung 1hz cấp cho 4040 để điều khiển 2 led nhấp nháy ở khối hiển thị.
g. Khối hiển thị:
Yêu cầu:
Hiển thị tốc độ của quạt hiện tại (0, 1, 2, 3) trên Led 7 đoạn. Hiển thị thời gian đếm ngược của Timer trên 3 Led 7 đoạn. Hiển thị 2 led đơn nhấp nháy theo giây.
Tính toán thiết kế:
Mỗi Led trong Led 7 đoạn có dòng chịu đựng từ 10mA-20mA, Em chọn khoảng 15mA mỗi led, điện áp phân cực của Led khoảng 2V. Tính điện trở hạn dòng: 5 2 200 0.015 R Em chọn R=220Ω.
Hiển thị tốc độ quạt chỉ cần hiển thị từ 0-3 nên chỉ cần sử dụng 2 ngõ vào D0 và D1 của 74LS247, 2 ngõ còn lại nối GND.
Input Output Số 1 Số 2 Số 3 DA DB 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 Vậy D0=số 1+ số 3; D1=số 2+số 3.
Hình 3.14. Hiển thị tốc độ của quạt.
Hiển thị thời gian đếm của Timer, các ngõ vào tương ứng với các ngõ ra của các IC đếm 74HC192 và các chân kết nối tắt led đã nêu ở khối Timer.
Hai led đơn đại diện cho giây được nhấp nháy theo xung 1hz