Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng DFF

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ  KĨ THUẬT XUNG SỐ Đề tài Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng D FF Giáo viên hướng dẫn Sinh vi.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ -  -

KĨ THUẬT XUNG SỐ

Đề tài Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với

chiều dài L = 10 sử dụng D-FF

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

LỜI NÓI ĐẦU 5

LỜI CẢM ƠN 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 7

1.1 Mạch ghi dịch 7

1.2 Cơ sở lựa chọn đề tài 8

1.3 Ứng dụng trong thực tiễn 9

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 10

2.1 Tính toán hệ thống 10

2.2 Lựa chọn thiết kế mô hình hệ thống 10

2.3 Lựa chọn linh kiện điện tử 11

CHƯƠNG 3 THỰC HÀNH 15

3.1 Mô phỏng mạch 15

3.2 Chế tạo mạch 19

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 22

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 – Sơ đồ mạch ghi dịch 4 bit 7

Hình 2.1 – Sơ đồ khối của IC 74LS164 11

Hình 2.2 – Trạng thái IC 74LS164 11

Hình 2.3 – IC NE555 12

Hình 2.4 – IC hạ áp 5V 12

Hình 2.5 – Đèn LED 13

Hình 2.6 - Domino 14

Hình 2.7 – Điện trở 14

Hình 3.1 – Mạch nguồn 15

Hình 3.2 – Mạch tạo xung điều khiển 15

Hình 3.3 – Sơ đồ tổng thể của hệ thống 16

Hình 3.4 - Trạng thái đèn LED sáng dần 17

Hình 3.5 – Trạng thái đèn LED tắt dần 17

Hình 3.6 – Mô phỏng mạch 2D 18

Hình 3.7 - Mô phỏng mạch 3D 18

Hình 3.8 – Cắt mạch 19

Hình 3.9 – In mạch 19

Hình 3.10 – Tiến hành ăn mòn mạch 20

Hình 3.11 – Mạch sau khi ăn mòn 20

Hình 3.12 – Mạch hoàn thiện 21

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 – Bảng trạng thái thanh ghi dịch 4 bit 8Bảng 2.1 – Trạng thái thang ghi dịch 10 bit 10

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay chúng ta đã rất quen thuộc với máy vi tính, đó là 1 hệ thống vi xử

lí hoàn hảo Trong cấu trúc của VXL có 1 thành phần rất quan trọng là ALU(Arithmetic logic unit : bộ logic và số học) Nó có thể tính toán hàng ngàn, triệuphép tính trong 1s Cấu tạo nên VXL lại gồm các mạch đếm, thanh ghi, cổnglogic và cả các mạch so sánh cộng trừ nhân chia số học gọi là các mạch làm toán.Không những thế các mạch làm toán còn được sử dụng trong điện tử nói chung

kể cả điều khiển tự động, truyển dữ liệu chẳng hạn như khi thu nhận dữ liệu từbên ngoài thì cần phải có mạch tính toán, so sánh để cho tín hiệu phản hồi

Phần này sẽ tìm hiểu về các mạch làm toán cơ bản và giới thiệu qua vềALU Đây không chỉ là kiến thức cần biết khi học mạch số mà còn là nền tảng để

có thể tiếp cận lĩnh vực máy tính và VXL mà ta sẽ gặp khi học hay tìm hiểu cácmôn VXL, vi điều khiển, cấu trúc máy tính, truyền số liệu

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, chúng em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất cô Nguyễn Thị Thu Hà – người đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hướng dẫn, động viên chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án môn học này Chúng

em xin trân trọng cảm ơn đến tất cả các quý thầy cô khoa Cơ Khí trường Đại Học Công Nghiệp hà Nội, những người đã trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản, cũng như đã nhiệt tình quân tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để chúng

em được học tập, nghiên cứu hoàn thành đồ án Kỹ thuật xung số này Chúng em xincảm ơn

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 TỔNG

QU AN VỀ HỆ TH ỐN G

1.1 Mạch ghi dịch

1.1.1 Nguyên lý chung

Thanh ghi còn gọi là bộ ghi dịch là các phần tử không thể

thiếu được trong CPU, trong các hệ vi xử lý,…Nó có khả năng ghi giữ và dịch

thông tin (sang phải hoặc sang trái) Bộ ghi dịch cấu tạo từ một dãy phần tử nhớ đơn

bit (trigơ) được mắc liên tiếp với nhau và một số cửa logic cơ bản hỗ trợ Muốn ghi

và truyền một từ nhị phân n bit ta cần n phần tử nhớ (n trigơ) Trong các bộ ghi dịch

thường dùng các trigơ đồng bộ như trigơ RST, trigơ JK, trigơ D Thông thường

người ta hay dùng các trigơ D hoặc các trigơ khác nhưng mắc theo kiểu trigơ D để

tạo thành các bộ ghi

1.1.2 Phân loại

- Ghi song song: Các bit của từ nhị phân được ghi đồng thời cùng một

lúc vào bộ ghi

- Ghi nối tiếp: Các bit của từ nhị phân được đưa vào bộ ghi một cách tuần

tự theo thứ tự của từ nhị phân

Trong đề tài này sẽ đề cập đến mạch ghi vào nối tiếp, ra song song

1.1.3 Mạch ghi vào nối tiếp ra song song dịch phải

Bộ ghi nối tiếp có thể dịch phải, dịch trái và cho ra song song hoặc ra nối

Hình 1.1 – Sơ đồ mạch ghi dịch 4 bitĐây là sơ đồ chỉ có lối vào nối tiếp, còn lối cả ra song song và ra nối tiếp Khi cho một xung kim âm tác động vào lối vào xoá, các lối ra Q của cả 4 trigơ trong

bộ ghi đều ở trạng thái 0 Muốn ghi ta phải đưa các bit thông tin nối tiếp về thời gian truyền lần lượt vào lối vào nối tiếp theo sự điều khiển đồng bộ của các xung nhịp Cứ sau mỗi xung nhịp trạng thái của trigơ lại được xác lập theo thông tin lối vào D của nó Trong sơ đồ hình 3.16 lối ra của trigơ trước lại được nối với vào lối vào D của trigơ sau nên sau mỗi lần có xung nhịp tác động trigơ sau lại nhận giá trị của trigơ đứng trước nó Giả sử ta có 4 bit số liệu D1D2D3D4 được truyền liên tiếp tới lối vào của bộ ghi trong đó bit D4 đến trước nhất Quá trình ghi thông tin diễn ra như sau:

Bảng 1.1 – Bảng trạng thái thanh ghi dịch 4 bitXung nhịp Q1 Q2 Q3 Q4

01234

D 4

D 3

D 2

000

D 4

D 3

0000

D 4

Sau 4 xung nhịp thì thông tin được nạp xong, muốn đưa dữ liệu ra ở các lối

ra song song ta đặt mức 1 ở lối ‘Điều khiển ra”, lối ra của các cửa AND ở lối ra song song sẽ được xác lập theo trạng thái Q1, Q2, Q3, Q4 của các trigơ trong bộ ghi Trong cách điều khiển dữ liệu ra song song này thông tin trong bộ ghi vẫn được duytrì Để điều khiển dữ liệu ra nối tiếp, ta phải tác động một nhóm 4 xung nhịp ở lối vào CLK (điều khiển ghi) Sau 4 xung nhịp tác động 4 bit dữ liệu lần lượt được đưa

ra khỏi bộ ghi Như vậy, quá trình điều khiển ghi nối tiếp 4 bit mới cũng là quá trìnhđưa 4 bit dữ liệu cũ ra khỏi bộ ghi qua lối ra nối tiếp

1.2 Cơ sở lựa chọn đề tài

Chúng ta đã được biết đến các loại FF Chúng đều có thể lưu trữ (nhớ 1 bit)

và chỉ khi có xung đồng bộ thì bit đó mới truyền tới ngõ ra (đảo hay không đảo) Bây giờ nếu ta mắc nhiều FF nối tiếp lại với nhau thì sẽ nhớ được nhiều bit Các ngõ ra sẽ phần hoạt động theo xung nhịp ck Có thể lấy ngõ ra ở từng tầng FF (gọi

là các ngõ ra song song) hay ở tầng cuối (ngõ ra nối tiếp) Như vậy mạch có thể ghi lại dữ liệu (nhớ) và dịch chuyển nó (truyền) nên mạch được gọi là ghi dịch Ghi dịch cũng có rất nhiều ứng dụng đặc biệt trong máy tính, như chính cái tên của nó: lưu trữ dữ liệu và dịch chuyển dữ liệu chỉ là ứng dụng nổi bật nhất

1.3 Ứng dụng trong thực tiễn

Thanh ghi dịch đóng vai trò cực kì quan trọng trong việc lưu trữ, tính toán sốhọc và logic Chẳng hạn trong các bộ vi xử lí, máy tính đều có cấu tạo các thanh ghidịch, trong vi điều khiển (8051) cũng có các ghi dịch làm nhiều chức năng hay như trong nhân chia

Một số ứng dụng của mạch ghi dịch:

‒ Lưu trữ và dịch chuyển dữ liệu

‒ Tạo kí tự hay tạo dạng song điều khiển

‒ Chuyển đổi dữ liệu nối tiếp sang song song và ngược lại

‒ Bus truyền dữ liệu

1.3.1 Phạm vi nghiên cứu

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

CHƯƠNG 2 TÍNH

TO ÁN, TH IẾT KẾ MÔ HÌ NH HỆ TH ỐN G

2.1 Tính toán hệ thống

‒ Đầu vào: xung đồng bộ CK

‒ Đầu ra: 10 đèn LED

Mạch không có đầu vào nào ngoài xung đồng bộ và có đầu ra là 10 đèn LED

Như vậy, ta chọn mạch ghi dịch có đầu vào nối tiếp và đầu ra song song và có chiều

dài là 10 bit

2.2 Lựa chọn thiết kế mô hình hệ thống

Bộ ghi nối tiếp có thể dịch phải, dịch trái và cho ra song song hoặc ra nối

tiếp.Đây là sơ đồ chỉ có lối vào nối tiếp, còn lối cả ra song song và ra nối tiếp Khi

cho một xung kim âm tác động vào lối vào xoá, các lối ra Q của cả 10 trigơ trong bộ

ghi đều ở trạng thái 0 Muốn ghi ta phải đưa các bit thông tin nối tiếp về thời gian

truyền lần lượt vào lối vào nối tiếp theo sự điều khiển đồng bộ của các xung nhịp

Cứ sau mỗi xung nhịp trạng thái của trigơ lại được xác lập theo thông tin lối vào D

của nó Lối ra của trigơ trước lại được nối với vào lối vào D của trigơ sau nên sau

mỗi lần có xung nhịp tác động trigơ sau lại nhận giá trị của trigơ đứng trước nó.

Bảng 2.2 – Trạng thái thang ghi dịch 10 bit

Sau 10 xung nhịp thì thông tin được nạp xong, muốn đưa dữ liệu ra ở các lối

ra song song ta đặt mức 1 ở lối ‘Điều khiển ra”, lối ra của các cửa AND ở lối ra song song sẽ được xác lập theo trạng thái của các trigơ trong bộ ghi Trong cách điều khiển dữ liệu ra song song này thông tin trong bộ ghi vẫn được duy trì Sau 10 xung nhịp tác động (đèn sáng dần), ta đảo trạng thái lối vào của mạch ghi dịch (đèn tắt dần)

2.3 Lựa chọn linh kiện điện tử

2.3.1 IC thanh ghi dịch 74LS164

Sơ đồ logic của IC thanh ghi dịch 74LS164 gồm 8 flip flops , một

cổng AND và hai cổng NOT

Hình 2.2 – Sơ đồ khối của IC 74LS164

Hình 2.3 – Trạng thái IC 74LS164

2.3.2 IC tạo xung NE555

Hình 2.4 – IC NE555

Thông số kỹ thuật:

‒ Điện áp đầu vào: 4.5-16V

‒ Dòng điện cung cấp : 10mA - 15mA

‒ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

Dùng làm đầu cấp nguồn cho bo mạch.

Đầu domino có vít đấu tháo dây giúp cho việc gắn dây đễ dàng hơn bao giờ hết

Hình 2.7 - Domino

2.3.6 Điện trở

‒ Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp

‒ Mắc điện trở thành cầu phân áp

‒ Phân cực cho bóng bán dẫn

‒ Tham gia vào các mạch tạo dao động RC

Hình 2.8 – Điện trở

CHƯƠNG 3 THỰC

HÀ NH

Hình 3.10 – Mạch tạo xung điều khiển

3.1.3 Sơ đồ tổng thể

Hình 3.11 – Sơ đồ tổng thể của hệ thống

3.1.4 Chạy thử nghiệm

Trạng thái đèn LED sáng dần

Hình 3.12 - Trạng thái đèn LED sáng dầnTrạng thái đèn LED tắt dần

Hình 3.13 – Trạng thái đèn LED tắt dần

Từ kết quả mô phỏng có thể thấy mạch đã thực hiện đúng

Hình 3.14 – Mô phỏng mạch 2D

Hình 3.15 - Mô phỏng mạch 3D

3.2 Chế tạo mạch

Bước 1: In file mạch nguyên lí và cắt tấm phíp đồng

Hình 3.16 – Cắt mạchBước 2: Dùng bàn là là mạch để mực in bám vào tầm phíp đồng

Hình 3.17 – In mạchBước 3: Ngâm mạch trong dung dịch FeCl3, sau khi mạch đã bị ăn mòn hết, thả mạch vào nước, dung giấy giáp chà sạch lớp mực in trên mạch Phủ 1 lớp keo thônglỏng lên mạch để tránh oxy hoá lớp đồng

Hình 3.18 – Tiến hành ăn mòn mạch

Hình 3.19 – Mạch sau khi ăn mònBước 4: Dùng máy khoan, khoan lỗ chân linh kiện trên mạch Bước 5: Dùng máy hàn hàn các chân linh kiện vào mạch

Mạch hoàn thiện:

Hình 3.20 – Mạch hoàn thiệnĐánh giá:

‒ Mạch chạy đúng theo thiết kế

‒ Nhỏ gọn, đẹp

‒ Có thể tăng giảm thời gian bằng biến trở

CHƯƠNG 4 KẾT

LU ẬN

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, nhóm chúng em đã tiếp thu

được thêm nhiều kiến thức, tìm kiếm thêm các nguồn tài liệu để bổ sung thêm kiến

thức để hoàn thành đồ án Nhóm em đã biết cách thiết kế, lựa chọn các linh kiện

phù hợp với đề tài và chế tạo sản phẩm mạch hoạt động trong thực tế Việc hoàn

thành tốt đồ án kỹ thuật xung số này là cơ sở để nhóm em thực hiện những đồ án

quan trọng sau này như đồ án cơ điện tử và đồ án tốt nghiệp

Nhóm chúng em rất mong nhận được những góp ý để hoàn thành hệ thống

tốt hơn Xin chân thành cảm ơn!