Thiết kế bộ báo chuông giờ học trường đại học bách khoa Hà Nội

Tr­êng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi Khoa §iÖn Tö _ViÔn Th«ng ThiÕt kÕ m¹ch ThiÕt kÕ bé b¸o chu«ng giê häc tr­êng §¹i Häc B¸ch Khoa Hµ Néi 0 Gݸo viªn h­íng dÉn: PTS NguyÔn TiÕn Kh¶i Nhãm sinh viªn thùc hiÖn: NguyÔn §øc ChÝnh TrÇn Xu©n Dòng Phan ThÕ Hïng §ç ViÖt Hïng Lêi nãi ®Çu Nh­ chóng ta ®· biÕt Kü ThuËt Sè lµ mét m«n khoa häc míi so víi c¸c m«n khoa häc kh¸c nh­ng nã ®· cã ®­îc nh÷ng b­íc tiÕn thÇn kú , ®­îc øng dông vµo tÊt c¶ c¸c ngµnh khoa häc còng nh­ trong ®êi sèng cña con ng­êi vµ ®Æc biÖt lµ trong c¸c ngµnh ®ßi hái ®é tin cËy, chÝnh x¸c cao nh­ tin häc , ®o l­êng ®iÒu khiÓn , viÔn th«ng ... V× nh÷ng lý do trªn mµ viÖc m«n Kü ThuËt Sè vµo d¹y trong c¸c tr­êng ®¹i häc chuyªn vÒ kü thuËt lµ mét ®iÒu tÊt yÕu , ®Æc biÖt lµ tr­êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi. Víi c¸c sinh viªn ®­îc häc m«n ThiÕt KÕ M¹ch ph¶i ¸p dông tèi ®a kiÕn thøc ®· ®­îc häc ®Ó hoµn thµnh mét ®Ò tµi cña m×nh. Qua bµi thiÕt kÕ m¹ch chóng em ®· ®­îc trang bÞ thªm mét sè kiÕn thøc vÒ chuyªn m«n còng nh­ vÒ thùc tÕ ®Ó tÝch luü thªm kinh nghiÖm cho sau nµy . Chóng em xin ch©n thµnh c¶m ¬n ThÇy PTS NguyÔn TiÕn Kh¶i ®· tËn t×nh h­íng dÉn chóng em hoµn thµnh bµi thiÕt kÕ nµy. Nhãm sinh viªn thiÕt kÕ. C¸c B­íc tiÕn hµnh thiÕt kÕ Bµi to¸n thiÕt kÕ m¹ch l«gic th­êng ®­îc tiÕn hµnh theo 8 b­íc sau: 1/Ph©n tÝch. 2/X©y dùng c¸c ph­¬ng ¸n gi¶i quyÕt. 3/Lùa chän ph­¬ng ¸n tèi ­u. 4/S¬ ®å khèi toµn m¹ch. 5/Nguyªn lý ho¹t ®éng cña m¹ch. 6/ThiÕt kÕ chi tiÕt tõng khèi. 7/S¬ ®å nguyªn lý cña toµn bé hÖ thèng. 8/S¬ ®å l¾p r¸p, thö nghiÖm vµ ®iÒu chØnh. I/Ph©n tÝch Tr­íc tiªn chóng ta ph¶i x¸c ®Þnh râ môc ®Ých vµ yªu cÇu cña bµi to¸n Môc ®Ých: -HÖ thèng b¸o chu«ng t¹i c¸c thêi ®iÓm vµo, ra cña tiÕt häc cña tr­êng. -HÖ thèng cã kh¶ n¨ng chØnh l¹i giê. -Thêi gian kÐo dµi chu«ng vµo tiÕt vµ nghØ gi¶i lao lµ kh¸c nhau. -HÖ thèng chu«ng ®­îc dïng ®i d©y ®iÖn ®ång bé 220V Yªu cÇu: -HÖ thèng lµm viÖc æn ®Þnh. -Cã kh¶ n¨ng ®­a vµo øng dông trong thùc tÕ. Víi thùc tÕ bµi to¸n nµy chóng ta ph¶i thiÕt kÕ 2 thµnh phÇn c¬ b¶n: -HÖ thèng ®ång hå sè -M¹ch gi¶i m· thêi gian II/X©y dùng c¸c ph­¬ng ¸n gi¶i quyÕt. Sau khi nghiªn cøu thùc tÕ c¸c thêi ®iÓm vµo ra cña c¸c tiÕt häc tr­êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ néi, chóng ta cã nh÷ng nhËn xÐt sau. 1. Mçi ngµy cã 2 buæi häc mçi buæi kÐo dµi 6 tiÕt. Thêi gian cña mçi tiÕt lµ 45 phót. Thêi gian nghØ gi¶i lao sau mçi sè lÎ tiÕt häc lµ 5 phót, sè ch½n tiÕt häc lµ 10 phót. Cø sau mét chu kú 105 phót (2´45+5+10) th× ho¹t ®éng cña hÖ thèng ®­îc lÆp l¹i. Thêi ®iÓm b¾t ®Çu cña ca s¸ng lµ 6h45 vµ chiÒu lµ 12h15. Dùa trªn nhËn xÐt nµy ta cã ph­¬ng ¸n gi¶i quyÕt nh­ sau: X©y dùng hÖ thèng lµm viÖc víi chu kú 105 phót t0 t1 t2 t3 t4 45’ 5’ 45’ 10’ C¸c thêi ®iÓm t0,t1,t2,t3,t4 lµ c¸c thêi ®iÓm cÇn gi¶i m· ®Ó b¸o chu«ng. Mçi ca häc lÆp l¹i 3 chu kú nh­ trªn. Víi hÖ thèng nµy ta cÇn gi¶i m· 2 thêi ®iÓm b¾t ®Çu cña c¸c ca häc. §Ó thùc hiÖn ph­¬ng ¸n nµy ta cã thÓ sö dông kü thuËt lËp tr×nh PLC ®Ó t¹o ra mét con IC tÝch hîp cã kh¶ n¨ng ®¸p øng ®­îc nh÷ng yªu cÇu trªn. 2. X©y dùng hÖ thèng cã thÓ nhËn biÕt tÊt c¶ c¸c thêi ®iÓm cÇn b¸o chu«ng trong ngµy b»ng m¹ch gi¶i m· sö dông c¸c cæng logic tÝch hîp cã s½n. Sö dông c¸c IC ®Õm ®Ó t¹o ®ång hå thêi gian thùc. III. Lùa chän ph­¬ng ¸n tèi ­u. Sau khi x©y dùng 2 ph­¬ng ¸n gi¶i quyÕt nh­ trªn ta nhËn thÊy chóng cã ­u nh­îc ®iÓm nh­ sau: - Ph­¬ng ¸n 1: ®ßi hái yªu cÇu cao vÒ thiÕt bÞ vµ kü n¨ng lËp tr×nh PLC nh­ng ­u ®iÓm m¹ch gän ho¹t ®éng víi ®é tin cËy cao. Víi ®iÒu kiÖn cña ta hiÖn nay ph­¬ng ¸n nµy khã thùc hiÖn. - Ph­¬ng ¸n 2: m¹ch cã sè l­îng linh kiÖn lín nh­ng bï l¹i nguyªn lý ho¹t ®éng cña hÖ thèng ®­îc x©y dùng trªn c¬ së nh÷ng kiÕn thøc cña m«n kü thuËt sè .C¸c linh kiÖn phæ biÕn trªn thÞ tr­êng kh¶ n¨ng l¾p r¸p , m« pháng vµ thö nghiÖm ®¬n gi¶n. Cã thÓ thiÕt kÕ tõng khèi riªng rÏ ®Æc biÖt cã thÓ thay ®æi linh ho¹t thêi ®iÓm vµo ra nhê thay ®æi khèi gi¶i m·. Qua ph©n tÝch trªn chóng ta nhËn thÊy viÖc lùa chän ph­¬ng ¸n hai lµ phï hîp.S¬ ®å khèi cho ph­¬ng ¸n 2 nh­ sau: III/ S¬ ®å khèi cña hÖ thèng: I. Khèi nguån. Trong bµi thiÕt kÕ nµy chóng em sö dông IC hä TTL, ®Ó ®¶m b¶o yªu cÇu kü thuËt chóng ta thiÕt kÕ nguån ®iÖn ¸p 5V-3A. Sö dông IC 7805. II. Khèi t¹o xung chuÈn: S¬ ®å d­íi lµ m¹ch t¹o dao ®éng dïng th¹ch anh 1MHz ®Ó ®¶m b¶o ®é æn ®Þnh cao v× th¹ch anh 1MHz cã : Chóng ta còng cã thÓ t¹o ra xung clock 1Hz b»ng m¹ch dao ®éng dïng RC nh­ng ®é æn ®Þnh kh«ng cao. Sau khi cã ®­îc dao ®éng tÇn sè 1MHz ®Ó cã ®­îc xung clock 1Hz chóng ta cÇn ph¶i ®­a tÝn hiÖu nµy qua bé chia tÇn cã s¬ ®å nh­ sau: III. Khèi ®ång hå vµ hiÓn thÞ §Ó t¹o ra ®­îc ®ång hå vµ bé hiÓn thÞ chóng em ®· sö dông IC 7490 lµ IC ®Õm10 vµ IC 7493 lµ IC 4bit counter. - Khèi gi©y gåm 2 IC : 1 IC ®Õm10 m¾c nèi tiÕp víi 1 IC ®Õm 6 ®Ó chóng ta cã thÓ ®Õm ®­îc ®Õn 60. Sau khi khèi gi©y ®Õm ®Õn 60 th× sÏ cã 1 xung ®­a sang khèi ®Õm phót. - Khèi phót còng t­¬ng tù khèi gi©y. - Khèi giê gåm 2IC m¾c nèi tiÕp: 1IC ®Õm 10 vµ 1IC ®Õm 3 ®Ó chóng ta cã thÓ ®Õm ®­îc ®Õn 24. - Khèi ngµy gåm 1IC 7493 lµ IC 4bit counter ®Ó chóng ta t¹o ra bé ®Õm 7. Bé hiÓn thÞ bao gåm c¸c bé gi¶i m· BCD vµ ®Ìn LED 7 thanh. ë ®©y riªng khèi ngµy chóng ta quy ­íc 0-Sun, 1-Mon, 2-Tue,.....,6-Sat. VI. Khèi chØnh thêi gian hÖ thèng Khèi lÊy l¹i thêi gian gåm cã 1 nót ®Ó chän khèi ®Ó chØnh vµ mét nót ®Ó thiÕt lËp thêi gian. - M¹ch chän chÕ ®é chØnh phót hoÆc giê hoÆc ngµy bao gåm mét bé t¹o xung bÊm, mét IC ®Õm 4 qua mét IC gi¶i m· 7442 lµ IC BCD decoder to Decimal ta lÊy ra 4 tr¹ng th¸i 0-Normal, 1-Phót, 2-Giê, 3- Ngµy. - S¬ ®å cña m¹ch t¹o xung bÊm: V. Khèi gi¶i m· thêi gian b¸o chu«ng. M¹ch gi¶i m· thêi gian sö dông IC 7442(4 ®Çu vµo 10 ®Çu ra) ®Ó lÊy ra c¸c thêi ®iÓm cña tõng khèi ngµy, giê, phót. IC gi¶i m· ngµy lÊy 4 ®Çu vµo tõ 4 ®Çu ra cña IC ®Õm ngµy cho 7 ®Çu ra øng víi 7 ngµy trong tuÇn.Quy ­íc 0 t­¬ng øng víi ngµy chñ nhËt. Gi¶i m· giê gåm 2 IC: IC thø nhÊt gi¶i m· hµng chôc giê: lÊy 4 ®Çu ra cña IC 7490 ®Õm hµng chôc giê cho 3 ®Çu ra tõ 0 ®Õn 2. IC thø hai gi¶i m· hµng ®¬n vÞ giê: lÊy 4 ®Çu ra tõ IC 7490 ®Õm hµng ®¬n vÞ giê cho 10 ®Çu ra tõ 0 ®Õn 9. Gi¶i m· phót gåm 2 IC: IC thø nhÊt gi¶i m· hµng chôc phót: lÊy 4 ®Çu ra cña IC 7490 ®Õm hµng chôc phót cho 6 ®Çu ra tõ 0 ®Õn 5. IC thø hai gi¶i m· hµng ®¬n vÞ phót: lÊy 4 ®Çu ra tõ IC 7490 ®Õm hµng ®¬n vÞ phót cho 10 ®Çu ra tõ 0 ®Õn 9. §Ó t¹o ra tÝn hiÖu xung 10s vµ 20s ta sö dông mét IC gi¶i m· 7442 víi 4 ®Çu vµo lÊy tõ IC 7490 ®Õm hµng chôc gi©y(III-IC 2). VI. Kho¸ ®ãng ng¾t chu«ng §Ó ®ãng ng¾t ®iÖn l­íi 220V cung cÊp cho hÖ thèng chu«ng chóng ta dïng 1Thiristor ®­îc ®iÒu khiÓn bëi 1 kho¸ ®iÖn tö ®­îc m¾c nh­ s¬ ®å sau: VII. Phô lôc: B¶ng ch©n lý vµ s¬ ®å ch©n cña c¸c IC ®­îc sö dông trong bµi: 1/ IC 7490 (Decade Counter) Counter truth table: Reset in | Output -------------------------------------------- R0(1) R0(2) R9(1) R9(2) | Qd Qc Qb Qa -------------------------------------------- 1 1 0 X | 0 0 0 0 1 1 X 0 | 0 0 0 0 X X 1 1 | 1 0 0 1 X 0 X 0 | COUNT 0 X 0 X | COUNT 0 X X 0 | COUNT X 0 0 X | COUNT The 7490 counts from 0 to 9 in binary. 2/ IC 7493 (4bit counter) Reset in | Output -------------------------- RO1 RO2 | Qd Qc Qb Qa -------------------------- 1 1 | 0 0 0 0 0 X | Count X 0 | Count The 7493 counts from 0 to 15 in binary. 3/ IC 7442 (BCD-to-DEC Decoder) 4-Line To 10-Line Decimal Decoder: | BCD Inputs | Decimal Outputs No. | D C B A | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -------|------------|----------------------- 0 | 0 0 0 0 | 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 | 0 0 0 1 | 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 2 | 0 0 1 0 | 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 3 | 0 0 1 1 | 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 4 | 0 1 0 0 | 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 -------|------------|------------------------ 5 | 0 1 0 1 | 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 6 | 0 1 1 0 | 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 7 | 0 1 1 1 | 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 8 | 1 0 0 0 | 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 9 | 1 0 0 1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 -------|------------|------------------------ I | 1 0 1 0 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 N | 1 0 1 1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 V | 1 1 0 0 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 A | 1 1 0 1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 L | 1 1 1 0 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I | 1 1 1 1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 D |