Thiết kế mạch báo chuông trường Đại Học Vinh

BẢNG THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ và tên: Nguyễn Thế Sơn Lớp : 48K-ĐTVT MSSV : 0751080465 Tên đồ án: Thiết kế mạch báo chuông trường Đại Học Vinh Lần Ngày Nội dung Nhận xét Chữ kí GVHD 1 2 3 4 5 Nhận xét chung: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Ghi chú: - Điều kiện để sinh viên được phép bảo vệ đồ án: Phải thông qua đầy đủ và có chữ kí GVHD xác nhận. - Bảng này phải được kẹp vào đầu quyển thuyết minh đồ án. Vinh, ngày 17 tháng 3 năm 2010 Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Thị Quỳnh Hoa 1 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠCH SỐ Mục lục I. Lời mở đầu II. Giới thiệu chức năng của hệ thống III. Phân tích bài toán IV. Sơ đồ khối V. Thiết kế cụ thể cho từng khối : 1. Thiết kế khối nguồn 2. Thiết kế khối tạo xung chuẩn 1 Hz 3. Thiết kế khối đồng hồ số 4. Thiết kế khối khối hiển thị 5. Thiết kế khối giải mã đổ chuông 6. Thiết kế khối chuông VI. Một số linh kiện thông dụng được dùng trong hệ thống : 1. IC giải mã 7 đoạn 74LS47 2. IC đếm mode 10 74HC192 3. IC giải mã BCD sang mã 10 74HC4028 4. IC tích hợp phần tử OR 74LS32P 5. IC tích hợp phần tử AND 74LS08 6. Led 7 đoạn chung Anot VII. Sơ đồ mạch của hệ thống VIII. Lời kết Giáo viên hướng dẫn: TS: Nguyễn Thị Quỳnh Hoa Sinh viên thực hiện: 2 Nguyễn Thế Sơn I. Lời mở đầu : Các hệ thống điện tử ngày nay đã và đang thay thế các công việc hàng ngày của con người từ những công việc từ đơn giản đến phức tạp như điều khiển tín hiệu đèn giao thông, đo tốc độ động cơ hay tạo chuông báo giờ vào học, ra chơi tại các trường học. các hệ thống này có thể thiết kế theo hệ thống tương tự hoặc hệ thống số. Tuy nhiên trong các hệ thống điện tử thông minh hiện nay người ta thường sử dụng hệ thống số hơn là các hệ thống tương tự bởi một số các ưu điểm vượt trội mà hệ thống số mang lại đó là: độ tin cậy cao, giá thành thấp, dễ dàng thiết kế, lắp đặt và vận hành… Để làm được tốt đồ án này chúng ta phải có kiến thức về môn điện tử số, hiểu được cấu trúc và chức năng của một số IC đếm, mạch giải mã, các cổng logic và một số kiến thức về các linh kiện điện tử như tụ điện, transistor, diode… Trong đồ án môn học này chúng em chọn đề tài thiết kế mạch đồng hồ báo giờ các tiết học của trường đại học Vinh, với mục đích là cũng cố và vận dụng một số kiếm thức đã học từ môn điên tử số, mạch tương tự…Và cuối cùng là mong muốn ứng dụng mạch vào trong thực tế… II. Giới thiệu chức năng : Đồng hồ số báo chuông hoàn toàn tự động, có khả năng báo giờ vào học, ra chơi, ra về của trường, có khả năng hiển thị thời gian hiện tại, có khả năng chỉnh giờ, hoặt động với độ tin cậy cao sử dụng nguồn Pin, Ắc quy và điện lưới 220v với một lần khởi động hệ thống và chỉnh thời gian duy nhất. III. Phân tích bài toán : Qua tìm hiểu thời gian ra chơi, vào học của trường em thấy: Trường đại học vinh tổ chức 3 buổi học, mỗi buổi học kéo dài 5 tiết, xen kẽ giữa các tiết học là thời gian ra chơi, thời gian ra chơi sau tiết 1,2,4 là 5 phút, sau tiết 3 là 10 phút. thời gian đổ chuông báo ra chơi là 10s, thời gian đổ chuông báo vào học là 5s. thời gian vào học ca sáng là 7h, ca chiều là 13h, ca tối 19h ứng với giờ mùa đông. Còn vào mùa hè thời gian vào học ca sáng là 6h30’, ca chiều 13h30’, ca tối 18h30’ . Với thời gian phức tạp như thế ta phải thiết kế được một đồng hồ số hoàn chỉnh, trên cơ sở đó thiết kế thêm module giải mã thời gian, để nhận biết từng thời điểm đổ chuông đúng giờ và hợp lý. Khi thiết kế đồng hồ số ta lại phải thiết kế bộ đếm 24 cho khối giờ, bộ đếm 60 cho khối phút và khối giây. Xây dụng bộ giải mã để giải mã tín hiệu BCD từ các IC đếm để hiển thị trên led 7 đoạn, ngoài ra còn phải có một khối chỉnh thời gian, khối nguồn và khối tạo xung. 3 Khối tạo xung 1Hz Khối đồng hồ Khối giải mã đổ chuông Khối chuông Khối chỉnh thời gian Khối nguồn 5v Khối hiển thị IV. Sơ đồ khối : V. Thiết kế cụ thể cho từng khối 1. Khối nguồn Trong hầu hết các mạch logic số nguồi nuôi thường duy trì ổn định ở mức +5V. Do yêu cầu cao của hệ thống các nguồn nuôi thường được chế tạo một cách đặc biệt nhằm đem lại hiệu quả, và tính ổn định cao. Thông thường có 2 kiều nguồn chính: + Dùng pin hoặc ắc quy cho điện áp tương đối ổn định, mặc dù trên thị trường không có loại pin hoặc ắc quy chuẩn 5v cho nên nếu dùng nó thì phải qua một bộ biến đổi điện áp để đưa điện áp về dạng chuẩn hơn nữa trong quá trình sử dụng, năng lượng trong pin, ắc quy hết đi hệ thống sẽ bị gián đoạn. - Sơ đồ đưa điện áp 6V từ pin về điện áp chuẩn như sau: 4 + Trên thực tế để có nguồn điện đáng tin cậy người ta hay dùng phương pháp ổn áp dòng điện một chiều từ cuộn sơ cấp của biến áp sau khi đã chỉnh lưu bằng cách sử dụng một IC loại 7805. - Sơ đồ mắc mạch ổn áp dùng IC 7805 như sau: 2. Khối tại xung chuẩn 1Hz Có nhiều cách để tạo ra xung chuẩn 1Hz như dùng dao động đa hài, dùng mạch khuyếch đại có hồi tiếp dương, dùng thạch anh, và IC tạo dao động chuyên dụng 555. Trong các cách đó nếu dùng thạch anh là chính xác hơn cả bởi sai số của nó rất nhỏ, tuy nhiên khi dùng thạch anh ta lại phải tạo ra một mạch tương đối phức tạp đó là khuyếch đại dao động nội từ thạch anh sau đó lại phải tiến hành chia tần nhiều lần rất phức tạp. Để có một mạch dao động tạo xung chuẩn tương đối chính xác người ta hay dùng IC555 bởi giá thành rẻ, lắp ráp và vận hành tương đối đơn giản. trong đồ án này em đã sử dụng loại IC này để tạo dao động. - Sơ đồ của chân của IC này như sau: 5 - Cách mắc IC để tạo ra xung chuẩn: Trong đó tần số của xung ra được tính theo công thức: Hay t=ln2.C.(R1+2R2) Trong qua trình thiết kế mạch ta chọn C=100uf, R1=10K, R2=2,2K. vậy ta có xung ra là: t=ln2.100.10-6(10.10-3+2,2.2.10-3)≈ 1s - Dạng xung ra ở chân số 3: - Sơ đồ mạch trong thực tế như sau: 6 3. Khối đồng hồ Trong khi thiết kế đông hồ chúng ta thấy: Đồng hồ sử dụng 6 bộ đếm trong đó có 3 bộ đếm mod 10, 2 bộ đếm mod 6 và 1 bộ đếm mod 3. Các bộ đếm này được thiết kế dựa trên các triger như JK, RS, D…và được hiết kế theo kiểu đếm đồng bộ hay không đồng bộ. Để thiết kế bộ đếm 24 cho khối đếm giờ ta ghép nối 2 bộ đếm mod 3 và bộ đếm mod 10 sau đó sử dụng mạch logic để khử trạng thái thừa. Để thiết kế bộ đếm 60 ta nghép 2 bộ đếm 6 và bộ đếm 10. - Thiết kế bộ đếm mod 3: Bộ đếm mod 3 có 3 trạng thái là: (0, 1, 2) do đó cần số triger N>Log23 hay N=2, dùng 2 triger ta lại có thể mã hoá đến 22 trạng thái do đó ta thiết kế bộ đếm mod 4 sau đó loại bỏ đi một trạng thái thừa. - Sơ đồ bộ đếm mod 3: Kiểu không đồng bộ: -Kiểu đồng bộ: 7 Clock Clock - Bảng trạng thái của bộ đếm: Đếm TP B A Trạng thái trong bộ đếm 0 0 0 00 1 0 1 01 2 1 0 10 3 1 1 11 0 0 0 00 - Nguyên lý hoặt động: Có thể biểu diễn thông qua giản đồ sóng sau: Qa - Thiết kế bộ đếm mod 6: Tương tự như bộ đếm mod 3, để thiết kế bộ đếm mod 6(đếm từ 0 đếm 5) ta phải dùng n triger sao cho n thoả mãn n>=log26, do đó chon n=3, và số trạng thái có thể có là: 23 = 8 như vậy là thừa 2 trạng thái. - Bảng đếm: Đếm TP Đếm nhị phân Trạng thái trong của bộ đếm A B C 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 2 0 1 0 0 1 0 3 1 1 0 0 1 1 4 0 0 1 1 0 0 5 1 0 1 1 0 1 6 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 8 Q b Ck - Từ bảng trạng thái ta có sơ đồ nguyên lý: Bộ đếm hoặt động bình thường cho đến xung thứ 6(đếm từ 0 đến 5). Vì triger JK này hoạt động tích cực ở xườn âm của xung nhịp nên đến sườn sau xung thứ sáu cả hai đầu B, C đều có mức tích cực cao qua cổng AND để đưa vào kích hoặt reset làm trở lại trạng thái ban đầu. -Nguyên lý hoạt động có thể mô tả băng giản đồ sóng: - Thiết kế bộ đếm mod 10: Để đếm từ 0 đên 9 tức là có 10 trạng thái ta phải dùng số triger n>=log210, do đó ta chon n=4. 4 triger có thể mã hoá được 24=16 trạng thái trong khi đó ta chỉ dùng 10 trạng thái đầu tiên. 9 Clock 1 2 5 643 Ck 7 A B C - Ta có bảng đếm: Đếm TP Đếm nhị phân Trạng thái trong của bộ đếmA B C D 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 2 0 1 0 0 0 0 1 0 3 1 1 0 0 0 0 1 1 4 0 0 1 0 0 1 0 0 5 1 0 1 0 0 1 0 1 6 0 1 1 0 0 1 1 0 7 1 1 1 0 0 1 1 1 8 0 0 0 1 1 0 0 0 9 1 0 0 1 1 0 0 1 10 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 - Sơ đồ nguyên lý của bộ đếm thập phân: - Nguyên lý hoạt động: Đây là bộ đếm không đồng bộ, bộ đếm hoạt động bình thường cho đếm xung thứ 10, tại sườn âm của xung thứ 10 thông qua cổng AND hệ thống bị reset về trạng thái ban đầu. 10 - Giản đồ sóng : Clock A B C D Trên thực tế ta không thiết kế từng bộ đếm bằng các triger mà dùng các IC đếm mod 10 để thiết kế bộ đếm mod 3, mod 6, mod 10 Cụ thể là khi thiết kế bộ đếm 60 cho khối giây và khối đếm phút ta dùng IC74HC192 với sơ đồ sau: - Để thiết kế bộ đếm 24 giờ ta ghép nối như sau: 11 - Nguyên tắc hoạt động: Khi có xung clock đặt vào lối vào xung đếm thuận của IC đếm hàng đơn vị của khối đếm giây, IC này sẽ đếm từ 0 đếm 9 cho ra mã BCD ở đầu ra của nó. Khi IC này đếm lên đên 9 thì chân tín hiệu TC U sẽ chuyển về mức thấp, ta dùng chân này để nối với lối vào xung clock của IC đếm hàng chục giây. Khi 2 IC đếm giây đếm đến 60 thì lập tức tạo ra 1 xung thông qua cổng AND đưa vào chân reset của 2 IC đếm giây, 2 IC này bị reset về 0 đồng thời tạo xung kích vào lối vào xung clock của IC đếm hàng đơn vị phút. Các IC đếm phút vào đếm giờ hoạt động tương tự như IC đếm giây. 4. Khối giải mã hiển thị Để hiển thị được kết quả của bộ đếm ta dùng 6 con led 7 đoạn có chung anot và 6 IC giải mã 7 đoạn 74LS47, các chân đầu ra của bộ giải mã 7 đoạn được nối với các chân của led 7 đoạn với thứ tự tương ứng, các chân đầu vào của bộ giải mã được nối với các đầu ra của bộ đếm thời gian theo thứ tự chân tương ứng. 5. Khối điều chỉnh thời gian Khối điều chỉnh thời gian đơn giản là các phím bấm chỉnh phút và chỉnh giờ. Các phím bấn này kết hợp với công OR để tạo xung đưa vào các lối vào clock của khối đếm phút và khối đếm giờ. Trong mạch không dùng đến nút chỉnh giây bởi đơn vị thời gian của nó nhỏ. Còn nếu muốn chỉnh chính xác đếm đơn vị giây ta chỉ cần khởi động mạch vào thời điểm có số giây là 00. - Sơ đồ bộ chỉnh thời gian: 12 6. Khối giải mã đổ chuông Khối giải mã đổ chuông là khối tương đối phức tạp trong đề tài này, bởi dữ liệu cần giải mã là 24bit – là tổng số bit đầu ra của các IC đếm, với số bit lớn như vậy trong thực tế người ta hay dùng Vi điều khiển họ 8051, hoặc PIC để giải mã tuy nhiên do yêu cầu của môn học là “Đồ án thiết kế mạch số” nên yêu cầu được đặt ra là thiết kế mạch dùng các phần tử logic và các IC số cơ bản. Do đó mạch không tránh khỏi sự cồng kềnh. Qua tìm hiểu chúng em thấy trường Đại Học Vinh tổ chức 3 buổi học là: buổi sáng, buổi chiều và buổi tối, mỗi buổi học có 5 tiết học, ở giữa các tiết học có 5 phút ra chơi, riêng giờ ra chơi sau tiết thứ 3 là 10 phút đã được trình bày ở mục Phân tích bài toán. Do các ca học là giống nhau và cũng do mức độ phức tạp của đề tài nên chúng em chỉ thiết kế mạch giải mã đổ chuông cho một buổi học. Giả sử ta thiết kế bộ giải mã đổ chuông cho ca học buổi sáng: Thời gian đổ chuông của ca học này như sau: Tiết học Bắt đầu kết thúc Nghỉ 1 7h00 7h45 5' 2 7h50 8h35 5' 3 8h40 9h25 10' 4 9h35 10h20 5' 5 10h25 11h10 5' Để thiết kế mạch giải mã này ta cần phải lập một hàm y = f(x0, x2,…x23) Khi đó tại các thời điểm có đổ chuông y sẽ có giá trị 1. Chúng ta xây dựng mạch giải mã dựa trên phần tử logic AND để nhận biết các mốc thời gian tức là nhận biết các số thập phân từ 0 đến 9. giải sử tại thời điểm là 07 giờ 00 phút 00 giây ta dùng mạch AND để nhận biết các số 0 và 7 như sau: Mạch giải mã 0: 13 Mạch giải mã 7: Sau khi nhận biết được các giá trị thập phân của bộ đếm thời gian ta tiến hành kết hợp các giá trị ở đầu ra các mạch AND để được mạch giải mã tại thời điểm 7 giờ, các thời điểm khác cũng tiến hành tương tự như trên. Sau khi đã giải mã hết các thời điểm để đổ chuông ta tiến hành xây dựng mạch phân biệt đâu là thời điểm đổ chuông ra chơi, đâu là thời điểm đổ chuông vào học bằng mạch OR như sau: Ta thấy để thực hiện mạch này ta phải sử dụng rất nhiều mạch AND có 4, 6 cổng vào, bên cạnh đó phải phối hợp với các cổng NOT rất cồng kềnh và khó thực hiện. Trên thực tế để thiết kế mạch này ta dùng phương pháp đơn giản hơn đó là: Ta tiến hành giải mã từ mã BCD của bộ đếm sang mã thập phân sử dụng IC 74HC4028 sau đó tiến hành chọn các thời điểm đổ chuông bằng mạch AND 6 cổng vào. Do thời gian báo chuông vào học là 5s, báo chuông ra chơi là 10s cho nên ta sử dụng mạch OR 5 cổng để tổng hợp các tín hiệu ra của các mạch AND thành 2 tín hiệu đổ chuông ứng với chuông vào học và chuông ra chơi. 14 U1A U2D U2C U2B U2A Bộ giải mã khi thiết kế: 7. Khối chuông : - Khối chuông bao gồn hệ thông kích chuông và chuông, chuông có thể là chuông điện tử hoặc chuông cơ học, nếu là chuông điện tử công suất nhỏ chỉ cần nối trực tiếp với đầu ra của FET. - Hệ thông kích chuông bao gồm 1 transistor trường làm việc như một khoá điện tử đế đóng mở dòng điện điều khiển chuông. Khi có xung dương kích thích từ bộ giải mã đến đầu vào của bộ kích chuông, một tụ điện được nối song song với cực Source và Gate của Transistor trường được nạp điện để duy trì điện áp giữa cực S và D của FET. Thời gian mở của FET phụ thuộc vào giá trị của tụ điện và điện trở mắc song song với nó. - Thời gian mở của FET được tính gần bằng: t = 0.8xCxR - Đối với mạch trẽ 5s ta có: t=0,8x47x106x120x103 =5a - Đối với mạch trễ 10s ta có: t=0,8x100x106x120x103 =10s Do thời gian đổ chuông lúc ra chơi và vào học là khác nhau nên ta sử dụng 2 mạch khoá kiểu này và nối vào các đầu ra của bộ giải mã đổ chuông. -Sơ đồ khối kích chuông: 15 Nếu dùng các loại chuông cơ học có công suất lớn, khi đó đầu ra của FET sẽ được nối với môt rơle để điều khiển loại chuông đó như hình sau: VI. Sơ đồ mạch của hệ thống Dùng phần mềm vẽ mạch và chạy mô phỏng Protues trên máy tính sẽ cho ta sơ dồ mạch của hệ thống và được trình bày cụ thể trên giấy khổ A1. VII. Một số linh kiện được dùng trong hệ thống 1. IC giải mã 7 đoạn 74LS47 Vi mạch giải mã 7 đoạn 74LS47 là loại IC có 16 chân dùng để giải mã từ mã BCD sang mã 7 đoạn để hiển thị được trên led 7 đoạn. - Hình dạng và sơ đồ chân trong thực tế: 16 - Chức năng của các chân IC 74LS47 như sau: + Chân số 8 là chân nối đất (0V) + Chân số 16 là chân nguồn cung cấp + Chân 1,2,6,7 là các chân tín hiệu vào BCD + Chân 9,10,11,12,13,14,15 là các chân đầu ra. + Chân 3,4,5 là các chân kiểm tra IC - Bảng chân lý của IC 74LS47: - Sơ đồ logic: 17 2. IC đếm mode 10 74HC192 74HC192 là vi mạch đếm mod 10 thông dụng được sử dụng rất nhiều trong thực tế, bới nó được chế tạo trên công nghệ tiết kiệm điện năng, nó có thể đếm tiến, đếm lùi, đếm có dữ liệu vào và có chức năng reset… - Hình dạng và sơ đồ chân trong thực tế: - Mô tả các chân của IC 74HC192: Thứ tự chân Kí hiệu Tên và chức năng 3, 2, 6, 7 4 5 8 11 12 13 14 15, 1, 10, 9 16 Q0 đến Q3 CPD CPU GND PL TC U TC D MR D0 đến D4 VCC Đầu ra BCD của bộ đếm Lối vào của xung đến lùi Lối vào của xung đến tiến Nối đất (0V) Tải dữ liệu song song (Active LOW) Lối ra cờ mang (Active LOW) Lối ra cờ muợn (Active LOW) Reset (Active HIGH) Dữ liệu vào bộ đếm Nguồn cung cấp - Bảng chế độ hoặt động: 18 Sơ đồ logic : 3. IC giải mã BCD sang mã 10 74HC4028 Vi mạch 74HC4028 là loại vi mạch giải mã thông dụng 16 chân chuyên dùng để giải mã tín hiệu BCD sang mã 10, loại IC này sử dụng công nghệ CMOS để chế tạo nên tốc độ hoạt động rất cao tiết kiệm điện năng. -Sơ đồ chân trong thực tế: - Chức năng của các chân vi mạch 74HC4028 như sau: 19 + Chân số 1,2,3,4,5,6,7,9,14,15 là các chân đâu ra dữ liệu thập phân tương ứng với các chân Y4,Y2,Y0,Y7,Y9,Y5,Y6,Y8,Y1,Y3. + Chân số 10,11,12,13 là các chân dữ liệu đầu vào BCD tương ứng với các chân A, D, C, B + Chân số 8 là chân nối đất (0v) + Chân sô 16 là chân cấp nguồn. - Bảng chân lý của IC 74HC4028 - Sơ đồ logic: 4. IC tích hợp phần tử OR 74LS32P 20 IC 74LS32P là loại IC tích hợp phần tử OR, trong 1 IC chứa 4 phần tử OR, các chân của nó được trình bày như hình vẽ, chân số 7 nối đất, chân 14 là chân nguồn. 5. IC tích hợp phần tử AND 74LS08 IC 74LS08 là loại IC tích hợp phần tử AND, trong 1 IC chứa 4 phần tử AND, các chân của nó được trình bày như hình vẽ, chân số 7 nối đất, chân 14 là chân nguồn. 6. Led 7 đoạn Led 7 đoạn là một linh kiện hiển thị mã 7 đoạn chuyên dụng, nó hiển thị 16 giá trị tương ứng với mã BCD Led 7 đoạn có 2 loại: loại chung anot và loại chung catot. Led 7 đoạn cũng có rất nhiều màu sắc khác nhau. Trong đề tài này có sử dụng 6 led 7 đoạn chung anot để hiển thị thời gian. Hình dạng và sơ đồ của led 7 đoạn trong thực tế: 21 VIII. Lời kết : Qua quá trình làm đồ án em thấy đề tài này rất thú vị, tuy đây cũng không phải là đề tài mới mẻ xong đề tài là sự kết hợp khéo léo các kiến thức về môn điện tử số, điện tử tương tự…Muốn làm được đề tài này sinh viên phải có một lượng kiến thức tương đối và vận dụng một cách sáng tạo vào thực tiễn để đạt được kết quả cao. Trong đồ án này em đã nghiên cứu, tính toán và thiết kế các khối của đồng hồ báo chuông trường học sao cho có thể xây dựng được trên mô hình thực tế. Tuy nhiên trong quá trình sưu tầm linh kiện số để xây dựng mạch thật em đã gặp khó khăn trong việc tìm kiếm một số linh kiện nên đồ án chỉ dừng lại ở khâu thiết kế đồng hồ số, còn khối giải mã đổ chuông chưa thể thực hiện được mong thầy cô thông cảm. Lời cuối cùng em xin cám ơn chân thành tới các thầy, các cô và nhất là cô Hoa người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Vinh, ngày 17 tháng 3 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Thế Sơn 22