Thiết kế bộ đếm nhị phân, thuận nghịch, đồng bộ Kđ=16, sử dụng JKFF hiển thị số đếm trên LED 7 thanh

1 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT XUNG SỐ Tên đề tài Thiết kế bộ đếm nhị phân, thuận nghịch, đồng bộ Kđ=16, sử dụng JK FF hiển thị số đếm trên LED 7 thanh Hà Nội 2021 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Thị Thu Hà Sinh viên thực hiện Đoàn Quang Hinh – 2018606181 Nguyễn Ngọc Đức – 2018606388 Nguyễn Xuân Tuấn Anh – 2018606146 2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ Cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam Độc Lập Tự Do Hạnh Phúc PHIẾU GIAO ĐỒ ÁN MÔN HỌC KỸ THUẬT XUNG SỐ.

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà Sinh viên thực hiện:

Đoàn Quang Hinh – 2018606181 Nguyễn Ngọc Đức – 2018606388 Nguyễn Xuân Tuấn Anh – 2018606146

Nguyễn Ngọc Đức Mã sinh viên: 2018606388

Nguyễn Xuân Tuấn Anh Mã sinh viên: 2018606164 Lớp: 20202FE6021001 Khoá: 13

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà Tên đề tài: Thiết kế bộ đếm nhị phân, thuận nghịch, đồng bộ Kđ=16, sử dụng JK-FF hiển thị số đếm trên LED 7 thanh

NỘI DUNG THỰC HIỆN

2 Phân tích lựa chọn ý tưởng tốt nhất và khả thi L1.2; L1.3

3 Tính toán thiết kế, xây dựng và phân tích mô

3

I Yêu cầu thực hiện:

1 Phần thuyết minh:

* Trình bày đầy đủ các nội dung đồ án, bao gồm:

Chương 1 Tổng quan (Nêu cơ sở lựa chọn đề tài đồ án, ứng dụng trong thực tiễn …);

Chương 2 Tính toán, thiết kế mô phỏng;

Chương 3 Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh;

- Đề tài thuộc lĩnh vực điện tử trong phạm vi kỹ thuật xung số

- Vật tư, trang thiết bị: dụng cụ cầm tay, vật liệu (theo đề tài của các nhóm), linh kiện điện tử cơ bản…

- Đảm bảo an toàn lao động

Ngày giao: 13/04/2021 Ngày hoàn thành: 15/05/2021

Trưởng bộ môn Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Thị Thu Hà

4

MỤC LỤC

Phần 1 Tổng quan 7

1.1 Mục đích nghiên cứu 8

1.2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 8

1.3 Phạm vi nghiên cứu 8

1.4 Ứng dụng 8

1.5 Ý nghĩa đồ án 9

Phần 2 Tính toán, thiết kế, mô phỏng 10

2.1 Tính toán 10

2.2 Thiết kế 13

2.2.1 Khối tạo xung 13

2.2.2 Khối đếm 16

2.2.3 Khối giải mã 18

2.2.4 Khối hiển thị 20

2.3 Mô phỏng 21

Phần 3 Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm, hiệu chỉnh 21

3.1 Chế tạo 21

3.1.1 Vẽ mạch in 21

3.1.2 Chuẩn bị linh kiện 22

3.2 Lắp ráp 23

3.3 Thử nghiệm, hiệu chỉnh 23

5

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Đồ hình trạng thái 10

Hình 2 Sơ đồ khối 13

Hình 3 Sơ đồ chân IC555 14

Hình 4 Mạch nguyên lý IC555 14

Hình 5 Sơ đồ chân IC7476 16

Hình 6 Mạch nguyên lý IC7476 17

Hình 7 Sơ đồ chân IC7447 18

Hình 8 Sơ đồ chân led 7 thanh 20

Hình 9 Cấu tạo led 7 thanh anode chung 20

Hình 10 Mô phỏng mạch trên proteus 21

Hình 11 Mạch in vẽ trên Altium Design 22

Hình 12 Mạch đếm thuận nghịch, đồng bộ kđ =16 23

6

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Bảng kích JK-FF 10

Bảng 2 Bảng chuyển đổi trạng thái 13

Bảng 3 Giải mã NBCD sang 7 mã vạch sử dụng cho LED 7 thanh 19

Bảng 4 Danh sách linh kiện 22

Bảng 5 Thử nghiệm và hiệu chỉnh 23

7

Phần 1 Tổng quan

Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ các thiết bị điện tử đang và

sẽ được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội, việc xử lý tín hiệu trong các thiết bị điện tử hiện đại đều dựa trên nguyên lý số số Bởi vậy việc hiểu sâu sắc về điện tử số là điều không thể thiếu đối với kỹ sư cơ điện tử Hiện nay nhu cầu hiểu biết về kỹ thuật số số không phải chỉ riêng đối với các kỹ sư điện tử mà còn đối với tất cả ai yêu thích môn học này

Bởi vậy thông qua việc làm đồ án sẽ giúp cho mỗi sinh viên có cái nhìn sâu hơn về môn kỹ thuật xung số này và qua đây giúp học sinh sinh viên đánh giá được khả năng tích lũy kiến thức về môn này ngày đồng thời biết cách vận dụng môn học vào thực tế

Từ những điều đã được thấy đó và khả năng của chúng em, chúng em muốn làm một điều gì nhỏ để góp phần vào giúp người lao động bớt phần mệt nhọc chân tay mà cho phép tăng hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời đảm bảo được độ chính xác cao Nên chúng em quyết định lựa chọn đề tài: “Thiết kế bộ đếm nhị phân, thuận nghịch, đồng bộ Kđ=16, sử dụng JK-FF hiển thị số đếm trên LED 7 thanh”

Qua bài thiết kế mạch chúng em đạt được trang bị thêm kiến thức về chuyên môn cũng như về thực tế thế để tích lũy thêm kinh nghiệm cho sau này

8

1.1 Mục đích nghiên cứu

 Nắm chắc được nguyên lý làm việc của các thành phần điện tử cơ bản

 Biết cách kết hợp các thành phần điện tử khác nhau tạo ra một mạch đếm đạt được các yêu cầu của đồ án

 Biết cách sử dụng một số phần mềm mô phỏng mạch phổ biến để mô phỏng được bộ đếm sản phẩm trước khi đi vào chế tạo

 Nắm được quy trình chế tạo mô hình thực một mạch đếm sản phẩm

 Hiểu được cấu tạo, cách thức hoạt động của bộ đếm sản phẩm

1.2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

 Bộ đếm sản phẩm sử dụng trong công nghiệp và cách chế tạo một bộ đếm sản phẩm đơn giản

 Các phần tử logic và phần tử nhớ cơ bản (JK-FF), bộ IC giải mã hiển thị số trên LED 7 thanh

 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp thu thập dữ liệu; Phương pháp phân tích; Phương pháp thử nghiệm và chọn lọc

1.3 Phạm vi nghiên cứu

 Nội dung lý thuyết: Kiến thức được áp dụng trong suốt bài tập lớn thuộc phạm vi học phần Kỹ thuật xung số, khoa điện tử trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

 Sản phẩm bài tập lớn sử dụng phần mềm Proteus 8 Professional và Altium Design để phục vụ mô phỏng và chế tạo

 Đồ án cùng với sản phẩm được nghiên cứu và hoàn thiện để phục vụ việc đánh giá chất lượng sinh viên và cho mục đích tham khảo trong phạm vi trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

 Các thiết bị được sử dụng trong quá tình làm đồ án: Máy tính và một số dụng cụ điện khác

1.4 Ứng dụng

Sản phẩm bộ đếm sản phẩm có thể được sử dụng trong các dây

chuyền sản xuất tự động và bán tự động để đếm sản phẩm trên băng

chuyền, làm thiết bị hỗ trợ việc đóng gói Ngoài ra bộ đếm sản phẩm còn được sử dụng trong đời sống như việc đếm xe ra vào trong bãi đỗ xe, đếm

số lượng hành khách qua cửa,… Bộ đếm sản phẩm giúp việc kiếm kê số lượng sản phẩm chính xác và nhanh chóng hơn, thay thế sức lao động con người, nâng cao năng suất trong sản xuất

9

1.5 Ý nghĩa đồ án

Đồ án giúp sinh viên bước đầu hiểu rõ hơn về mô hình bộ đếm được

sử dụng trong thực tế Biết được cách thức hoạt động của những linh kiện điện tử trong hệ thống đếm Bên cạnh đó bài tập lớn cũng tạo điều kiện cho sinh viên tự tìm tòi, nghiên cứu và hoàn thiện một sản phẩm, rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm, sử dụng các phần mềm mô phỏng thành thạo Đây là

cơ sở nền tảng để phát triển các sản phẩm lớn hơn trong tương lai

Tn+1 Q4Q3Q2Q1 J4K4 J3K3 J2K2 J1K1

13

Bảng 2 Bảng chuyển đổi trạng thái

Các phương trình đầu vào kích:

Khối đếm

Khối giải mã

Khối hiển thị

b Nguyên lý hoạt động

Hình 4 Mạch nguyên lý IC555

15

Ở trên mạch H đang ở mức 1 và gần bằng Vcc; L là mức 0 Sử dụng FF – RS

 Khi S = [1] thì Q = [1] và = 𝑄̅ = [ 0]

 Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = 𝑄̅ = [0]

 Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0]

 Khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì 𝑄̅ = [1], lúc này Transistor

sẽ mở dẫn, cực C sẽ được nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp

ở chân 6 không vượt quá ngưỡng 𝑉2 Do lối ra của OP – AMP 2 lúc này đang ở mức 0, FF sẽ không được reset

 Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua 𝑅𝑎, 𝑅𝑏,, với thời hằng (𝑅𝑎 +𝑅𝑏)×C

 𝑄̅ = 0 → Transistor hồi tiếp lúc này không dẫn

(OA viết tắt: OP – AMP)

Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp ⅓ Vcc → ⅔ Vcc:

 Lúc này, V+1 < V-1 Do đó 𝑂𝐴1= 0

 V+2 < V-2 Do đó 𝑂𝐴2= 0

 R = 0, S = 0 –> Q, 𝑄̅ sẽ giữ trạng thái trước đó (Q=1, 𝑄̅=0)

 Transistor lúc này vẫn không dẫn

Tụ C nạp qua ngưỡng ⅔ Vcc:

 Lúc này, V+1 < V-1 Do đó 𝑂𝐴1= 0

 V+2 > V-2 Do đó 𝑂𝐴2= 1

 R = 1, S = 0 → Q=0, 𝑄̅= 1

 𝑄̅= 1 → Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !

 Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C

 Điện áp trên tụ C giảm xuống do do lúc này tụ C đang trong quá trình xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống dưới ⅔ Vcc

- Linh kiện cần dùng: IC7476

Hình 5 Sơ đồ chân IC7476

17

a Chức năng

Mạch đếm là loại mạch điện sử dụng các FF ghép lại với nhau để thực hiện các thao tác đến khi có tín hiệu xung đầu vào như vậy mạch đến lần thực hiện thao tác nghiệp tín hiệu xung ở đầu vào sau mỗi xung đầu vào thì đầu ra có bộ đếm có thể tăng lên hoặc giảm 1 đơn vị hoặc thay đổi theo một trình tự logic nhất định

b Nguyên lý hoạt động

Hình 6 Mạch nguyên lý IC7476

JK-FF là một loại của Flip Flop có hai đầu vào chức năng J,K và hai đầu ra Đầu vào J đóng vai trò thiết lập, đầu vào K đóng vai trò xóa theo quy tắc:

- JK = 00 : FF Giữ nguyên trạng thái cũ

- JK = 01 : FF luôn chuyển đến trạng thái 0

- JK = 10 : FF luôn chuyển đến trạng thái 1

- JK = 11 : FF đảo trạng thái hiện tại

18

2.2.3 Khối giải mã

- Linh kiện cần dùng: IC7447

Hình 7 Sơ đồ chân IC7447

a Chức năng

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

là nếu có một mã số tác động vào ngõ vào thì tương ứng sẽ có một ngõ ra được tác động ,mã ngõ vào thường ít hơn mã ngõ ra

Mạch giải mã được ứng dụng chính trong ghép kênh dữ liệu, hiển thị LED 7 đoạn, giải mã địa chỉ bộ nhớ

b Nguyên lý hoạt động

Bảng 3 Giải mã NBCD sang 7 mã vạch sử dụng cho LED 7 thanh

- Nhìn bảng chân lý trên ta thấy với 4 đầu vào sau khi giải mã nó cho ra

15 giá trị của LED 7 đoạn và hiển thị lên được LED 7 đoạn

- Sự hoạt động của mạch được thể hiện ở bảng chân lý, trong đó đối với các ngõ ra 0 là tắt và 1 là sáng Nghĩa là nếu 74LS47 thúc đèn led 7 đoạn thì các đoạn a,b,c,d,e,f,g của đèn sẽ sáng hay tắt tùy vào ngõ ra tương ứng của 74LS47 là 1 hay 0

- Ngõ vào xóa RBI được để 0 hay nối lên mức 1 dùng để xóa số 0 (số 0 thừa phía sau số thập phân hay số 0 trước số có nghĩa) Khi RBI và các ngõ vào A,B,C,D ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xóa dạng sóng RBO xuống mức thấp

- Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng

- Kết quả là khi mã số nhị phân 4 bit vào có giá trị thập phân từ 0-15 đèn led hiển thị các số như ở hình bên dưới

20

2.2.4 Khối hiển thị

- Linh kiện sử dụng: Led 7 thanh anode chung

Hình 8 Sơ đồ chân led 7 thanh

a Chức năng

Hệ thống hiển thị là một hệ thống điều khiển logic nhằm làm hiển thị các ký

tự hoặc hình ảnh mong muốn (chữ cái ,chữ số ) 1 hệ thống hiển thị bao gồm các phần tử hiển thị và vi mạch điều khiển chúng

Trong các thiết bị để báo trạng thái hoạt động của thiết bị đó người ta sử dụng với thông số chỉ ra các dãy số đơn thuần theo yêu cầu của đề bài hiển thị ra LED

7 thanh

b Nguyên lý hoạt động

Tất cả các chân anode được nối với nhau với logic là 1 Mỗi phân đoạn được chiếu sáng bằng cách sử dụng điện trở tín hiệu logic 0 (hay low) vào các cực cathode (từ a đến g)

Hình 9 Cấu tạo led 7 thanh anode chung

lý, mô phỏng hoạt động mạch ngoài thực tế, thiết kế PCB và đưa ra hình ảnh trực

quan của mạch thành phẩm dưới dạng 3D phục vụ cho việc chế tạo

Hình 10 Mô phỏng mạch trên proteus

Phần 3 Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm, hiệu chỉnh

3.1 Chế tạo

3.1.1 Vẽ mạch in

- Sử dụng phần mềm Altium Design để thiết kế mạch in

- Altium Design là một trong những công cụ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện

nay Được phát triển bởi hãng Altium Limited Altium designer là một phần

22

mềm chuyên nghành được sử dụng trong thiết kế mạch điện tử Nó là một phần mềm mạnh với nhiều tính năng thú vị, tuy nhiên phần mềm này còn được ít người biết đến so với các phần mềm thiết kế mạch khác như orcad hay proteus

Hình 11 Mạch in vẽ trên Altium Design

3.1.2 Chuẩn bị linh kiện

- Các linh kiện sử dụng trong mạch gồm:

1 Mạch không hoạt động Nối lại 1 số chỗ mạch in bị đứt

2 Mạch hoạt động sai Hàn chập 1 chân linh kiện

Bảng 5 Thử nghiệm và hiệu chỉnh

24

Kết luận

Qua quá trình học tập chúng em đã được cô “Nguyễn Thị Thu Hà” truyền lại các kiến thức về môn “Điện tử số” Chúng em cũng đã tiếp nhận được kiến thức và đã quyết định lựa chọn đồ án đề tài: “Thiết kế bộ đếm nhị phân, thuận nghịch, đồng bộ Kđ=16, sử dụng JK-FF hiển thị số đếm trên LED 7 thanh”

Do thời gian có hạn và kinh nghiệm của mỗi thành viên trong nhóm chưa

có cũng như tình hình dịch bệnh hiện tại là một trở ngại lớn đối với chúng em, với

sự giúp đỡ và chỉ bảo của giáo viên hướng dẫn đã giúp nhóm em hoàn thành nhiệm

vụ của mình Nhóm em sẽ cố gắng tiếp thu những kiến thức và không ngừng học hỏi để áp dụng vào những công việc thực tế sau này

Nhóm em chân thành cảm ơn!