đồ án điện tử đề tài mạch led nháy theo nhạc sử dụng lm3914

ĐỒ ÁN MÔN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN MẠCH LED NHÁY THEO NHẠC SỬ DỤNG IC LM3914 đề tài: “ MẠCH LED NHÁY THEO NHẠC”. Mục tiêu của đề tài là sử dụng IC lm3914 tạo thành hệ thống led nháy theo nhạc với nguồn nhạc lấy từ hệ thống bên ngoài.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐỒ ÁN MÔN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

MẠCH LED NHÁY THEO NHẠC SỬ DỤNG IC LM3914

CBHD:

Sinh viên :

Mã số sinh viên:

Hà Nội – Năm 2021

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 8

1 Phạm vi nghiên cứu 8

2 Yêu cầu của mạch điện 8

3 Một số linh kiện liên quan tới đề tài 8

3.1 IC LM3914 8

3.2 IC LM 7805 12

3.3 Các linh kiện khác 14

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 15 1 Cấu trúc sơ đồ khối 15

2 Nguyên lý hoạt động 15

3 Khối nguồn 15

3.1 Lựa chọn phương án tối ưu 15

3.2 Nguyên lý hoạt động 16

3.3 Công dụng 17

4 Khối nhận tín hiệu audio vào 17

5 Khối điều khiển 17

5.1 Điện áp chuẩn bên trong của lm3914 18

5.2 Điều khiển dòng 19

5.3 Chân mode 20

6 Khối hiển thị 21

7 Mô phỏng mạch trên protues 21

8 Mô phỏng trên breadboard 22

8.1 Linh kiện 22

8.2 Quy trình kiểm tra trên breadboard 23

8.3 Mô phỏng trên breadboard 24

9 Thiết kế mạch in 24

CHƯƠNG 3 Chế tạo mạch 26

1 Hàn mạch 26

2 Quy trình kiểm tra mạch in 26

2.1 Kiểm tra mạch in trước khi hàn 26

2.2 Kiểm tra sau khi hàn linh kiện 26

CHƯƠNG 4 Kết quả 29

1 Kết quả đạt được: 29

1.1 Cơ sở lý thuyết: 29

1.2 Cấu trúc, nguyên lý và thiết kế mạch: 29

CHƯƠNG 5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 IC LM 3914 9

Hình 1.2 S ơ đồ chân LM3914 9

Hình 1.3 Sơ đồ khối lm3914 11

Hình 1.4 IC LM7805 12

Hình 1.5Sơ đồ chân IC LM7805 13

Hình 1.6 Sơ đồ khối IC LM7805 14

Hình 1.7 Một số linh kiện khác 14

Hình 2.1 Sơ đồ khối 15

Hình 2.2 Lựa chọn nguồn cho sản phẩm 16

Hình 2.3 Sơ đồ khối nguồn 16

Hình 2.4 Sơ đồ chi tiết khối nguồn 16

Hình 2.5 Nguồn vào tín hiệu 17

Hình 2.6 Khối điều khiển 18

Hình 2.7 Dòng ra của lm3914 19

Hình 2.8 Sơ đồ khối chân MODE 20

Hình 2.9 Khối hiển thị 21

Hình 2.10 Mô phỏng trên protues 21

Hình 2.11 Quy trình kiểm tra trên breadboard 23

Hình 2.12 Mạch in 24

Hình 2.13 Mạch in 3D 25

Hình 3.1 Quy trình kiểm tra mạch in 27

Hình 3.2 Mạch in thực tế 28

Hình 3.3 Mạch hoàn thiện 28

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sánh nguồn từ laptop và nguồn adapter 17Bảng 2.2 Linh kiện sử dụng 21Bảng 3.1Mạch hoàn thiện 26

LỜI MỞ ĐẦU

Trong đời sống công nghệ hiện đại ngày nay ngành kỹ thuật điện tử là một ngành mũi nhọn, hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh của sản xuất và đời sống và là đòn bảy giúp các ngành khoa học kỹ thuật khác phát triển Việc hiện đại hóa năng suấtlao động bằng các thiết bị điện tự động là như cầu cấp thiết Do đó yêu cầu máy móc cần phải gọn nhẹ hơn, linh động hơn, uyển chuyển hơn, thông minh hơn và tiết kiệm hơn Vì vậy ngành công nghệ kỹ thuật điện tử ngày càng đóng vai trò quan trọng trongsản xuất và đời sống

Là một sinh viên ngành điện tử viễn thông, để nâng cao thực hành và vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế thì việc tìm tòi, tự nghiên cứu, thiết kế những mạch điện tử cơ bản là thiết yếu đối với mỗi sinh viên Để giúp cho việc tìm hiểu và đưa sinh viên đến gần hơn với công nghệ điện tử Bộ môn đồ án điện tử căn bản đã ra đời và giúp chúng em làm quen dễ dàng hơn và tạo động lực cho học tập

Với vốn kiến thức căn bản đã được học và sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Ngọc Anh cộng thêm sự tìm hiểu kiến thức qua mạng em xin thực hiện đề tài:

“ MẠCH LED NHÁY THEO NHẠC”.

Mục tiêu của đề tài là sử dụng IC lm3914 tạo thành hệ thống led nháy theo nhạcvới nguồn nhạc lấy từ hệ thống bên ngoài

Trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những sai sót nhất định, rất mong được sự đánh giá và phê bình của thầy đề đề tài được hoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm hơn thầy Nguyễn Ngọc Anh đã hướng dẫn em tận tình trong quá trình thực hiện đề tài này

 Tìm hiểu về một số thiết linh kiện khác.

 Tìm hiểu về phần mềm mô phỏng Proteus và phần mềm Altium Designer

 Tìm hiểu cách chế tạo mạch in trong thực tiễn

2 Yêu cầu của mạch điện

- Mạch phải đơn giản, phù hợp với những kiến thức đã học

LM3914 là một khối tích hợp với những mức điện áp cảm ứng, ta có thể dùng IC này

để điều khiển 10 LED, LCD hoặc đèn huỳnh quang chân không Nó có thể cung cấp được mỗi bậc analog là 3 dB Dòng trong mỗi LED qua IC có thể điều chỉnh và lập trình được, điều tất nhiên là vẫn phải tính đến sự có mặt của điện trở hạn dòng Những

hệ thống hiển thị có thể được sử dụng từ việc cung cấp điện áp từ 3V đến 25V và với dòng điện ra rất nhỏ chỉ từ 1mA đến 30mA và có thể được điều chỉnh LM3914 chứa những chuẩn điện áp có thể điều chỉnh được và có 10 bước điện áp được chia một cáchchính xác nhờ bô chia điện áp Trở kháng đầu vào của LM3914 chấp nhận mức điện

áp tín hiệu dao động từ 0V đến 1,5V của mức điện áp dương được cung cấp Ngoài ra trở kháng này cũng không có nhu cầu bảo vệ đối với mức điện áp là +/- 35V Mỗi bật hiển thị trên LM3914 thì thích hợp với tín hiệu dải động, dải động ở đây có thể là các mức của âm thanh, các cấp độ của ánh sáng hoặc các loại hình dao động Những ứng

dụng âm thanh bao gồm mức thấp nhất hoặc cao nhất của bộ báohiệu, có thể là bộ đếmxung hoặc những tín hiệu có tần số cao Việc thay thế những bộ đếm thông thường bằng một biểu đồ dạng cột với những LED sẽ được đáp ứng nhanh hơn Một số tín hiệu phức tạp khi qua IC LM3914 sẽ được giữ lại một cách có trật tự và dễ chịu trên những tín hiệu tương tự Về nhiệt độ sử dụng, LM3914 hoạt động ở nhiệt độ dao động

từ 0˚C đến 70˚C Với nhiệt độ này LM3914 rất dễ được bảo quản tốt

Hình 1.1 IC LM 3914

3.1.2 Sơ đồ chân:

Hình 1.2 S ơ đồ chân LM3914

Sau đây là nguyên lý hoạt động từng chân trong LM3914.

 Chân 1: Hiển thị đèn LED thứ nhất

 Chân 2 : V- nối với điện áp âm

 Chân 3: V+ nối với điện áp dương

 Chân 4: Bộ chia mức thấp- Divider (Low end)

 Chân 5: Tín hiệu ngõ vào- Signal Input

 Chân 6 : Bộ chia mức cao- Divider (High end)

 Chân 7: Chuẩn ngõ ra- Reference output

 Chân 8: Chuẩn hiệu chỉnh- Reference adjust

 Chân 9: Kết nối, điều kiến với những khối mạch dùng IC khác- Mode select

 Chân 10 đến chân 18: Hiển thị LED thứ 10 đến LED thứ 2

3.1.3 Sơ đồ khối

Hình dưới đây là sơ đồ khối của LM3914, nó có các chân được mô tả khá chi tiết bên trong IC, những bộ so sánh (Opamp), những điện trở hạn dòng được sắp đặt một các

có chủ định, những điện trở nối với bộ so sánh một cách đối xứng(điện trở dây)

Sơ đồ khối của LM3914cho chúng ta biết cách sử dụng khái quát của IC này Tổng trởvào được sử dụng với tín hiệu từ 0V đến 12V, nhờ có các điện trở này mà có thể ngăn ngừa mức điện áp đảo hoặc quá áp từ tín hiệu Tín hiệu vào được cung cấp cho 10 bộ

so sánh (như hình 3) Mỗi bộ so sánh có một mức điện áp khác nhau và được định tuyến bởi các điện trở dây, thay đổi từ 1K đến 6.63K (như hình 3) Trong một ví dụ minh họa, điện trở dây được nối kết với mức điện áp chuẩn 1,25V Trong từng trường hợp cứ mỗi 3dB và tín hiệu vào ở chân số 5 cứ tăng dần, bộ so sánh sẽ bật LED lên ở những mức tín hiệu tương ứng Bộ chia điện trở có tác dụng kết nối giữa hai mức điện

áp và được cung cấp mức điện áp ít nhất 1,5V dưới mức V+ và không thấp hơn mức V-

 Dòng điện đầu ra là 1,5 Ampe.

Thay thế và tương đương:

LM340, LM340A và LM1084-5.0 có thể sử dụng tương đương với LM7805, nếu không có bạn cũng có thể sử dụng IC LM317 để có được đầu ra 5V cố định

Hình 1.4 IC LM7805

3.2.2 Sơ đồ chân

Hình 1.5Sơ đồ chân IC LM7805

PIN 1 INPUT :

Chân này là cung cấp điện áp đầu vào Nó phải nằm trong khoảng từ 7V-35V Chúng

ta áp dụng một điện áp không được kiểm soát cho chân này để điều chỉnh Đối với đầuvào 7.2V, IC đạt được hiệu suất tối đa

Hình 1.6 Sơ đồ khối IC LM7805

3.3 Các linh kiện khác

Hình 1.7 Một số linh kiện khác

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ SƠ ĐỒ

NGUYÊN LÝ

1 Cấu trúc sơ đồ khối

Hình 2.8 Sơ đồ khối

 Khối nguồn: cấp điện áp cho toàn mạch

 Khối nhận tín hiệu audio vào: nhận tín hiệu âm thanh vào rồi đưa vào khối điều khiển

 Khối điều khiển: xử lý tín hiệu khi nhận được rồi xuất tín hiệu điều khiển led ở khối hiển thị

 Khối hiển thị: hiển thị tín hiêu điều khiển thông qua nháy led

2 Nguyên lý hoạt động

Khi cấp điện áp 15V cho mạch sẽ được IC lm7805 hạ xuống còn 5V và cấp cho IC lm3914 Đưa tín hiệu âm tần vào IC sẽ xử lýthì led sẽ bắt đầu sáng tùy theo biên độ của âm thanh lớn hay nhỏ

3 Khối nguồn

3.1 Lựa chọn phương án tối ưu

Lựa chọn nguồn adapter và nguồn từ laptop:

Nguồn cấp cho mạch vô cùng quan trọng, nó quyết định tính cơ động và thời gian làm việc của mạch Tôi đưa ra hai phương án là nguồn adapter và nguồn từ laptop

Khối nhận tín hiệu

audio vào Khối điều khiển

Khối nguồn

Khối hiển thị

a) Nguồn laptop b) Nguồn adapter

Hình 2.9 Lựa chọn nguồn cho sản phẩm

Điện

Bảng 2.1 So sánh nguồn từ laptop và nguồn adapter

Để bảo đảm an toàn và tránh thiệt hại không đáng có tôi quyết định sử dụng lấy nguồn adapter

3.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.10 Sơ đồ khối nguồn

Hình 2.11 Sơ đồ chi tiết khối nguồn

Nguồn 220V AC Bộ chuyển đổi

AC-DC(Adapter)

Bộ xử lý điện áp,dòng cho mạch

Tụ C2 dùng để làm biến đổi chậm điện áp ra từ bộ điều chỉnh về dạng ổn định Khi giátrị của tụ này tăng lên sự ổn định sẽ được mở rộng Nhưng những tụ điện này không thể lọc những thay đổi rất nhỏ trong điện áp đầu ra.

3.3 Công dụng

- Cung cấp điện áp cho các khối còn lại

- Sử dụng adapter để lấy dòng DC từ nguồn 220V AC

- Nguồn vào là nguồn 1 chiều 12V

- Dùng IC lm7805 để tạo ra nguồn 5V, 1.5A cấp cho mạch

- Dùng tụ hóa để làm biến đổi chậm điện áp cho nguồn ra của IC lm7805

4 Khối nhận tín hiệu audio vào

Hình 2.12 Nguồn vào tín hiệu

Tín hiệu audio vào từ jack 3.5 cái P1, đường 1 là đường tín hiệu đường 2 để đồng bộ

âm nguồn của audio vào với nguồn adapter

5 Khối điều khiển

Khối điều khiển sử dụng IC lm3914 là một mạch tích hợp đơn khối có thể cảm nhận được các mức điện áp tương tự và điều khiển hiện thị trên 10LED

Hình 2.13 Khối điều khiển

- Tín hiệu được đưa vào chân 5 của IC lm 3914 để xử lý

- Tụ điện C1 giúp lọc nhiễu nguồn vào chân 4 IC lm 3914

- Tín hiệu xử lý xong được đưa ra bằng các chân LED của IC tới khối hiển thị

- Điện trở R1 và R2 giúp hạn chế dòng để bảo vệ IC lm 3914

5.1 Điện áp chuẩn bên trong của lm3914

Chuẩn điện áp này được thiết kế để điều chỉnh và duy trì mức điện áp danh định 1,25Vgiữa chân 7(REF OUT) và chân 8(REF ADJ) Điện áp rơi trên điện trở R1 có 1 giá trị không đổi gọi là VREF, trong lúc này cũng có một dòng trị số không đổi đi từ chân 8 của IC xuống điện trở R2 Và công thức tính điện áp ngõ ra được cho bởi công thức dưới đây

VOUT= VREF (1 +

R 2

R 1

) + IADJR2

Với dòng lớn nhất khoảng 120µA, do đó sẽ xuất hiện những sai số khác không cần thiết Chân số 7 được thiết kế để hạn chế một cách thấp nhất dòng với điện áp V+ và tải thay đổi Nếu chúng ta sử dụng đúng thì dòng qua tải sẽ dao động từ 80µA đến 50mA Điện dung tải cần thiết ít nhất chỉ cần 0.05µF.

5.2 Điều khiển dòng

Sơ đồ khối của IC lm3914 không hoàn toàn minh họa hết được việc điều khiển độ sáng của LED Dòng trên chân 7 quyết định độ sáng của dòng qua LED, khi có tín hiệu vào dòng này lần lượt chạy qua 10LED, dòng này sẽ là một hằng số tương đối mặc dù điện áp và nhiệt độ có thể thay đổi Dòng xuất hiện ngay trên các nội trở, ngay khi có dòng và điện áp bên ngoài, dòng và áp này sẽ thiết lập cho các bộ chia và tính toán dòng đi qua mỗi LED Khả năng điều khiển độ sáng của LED theo thời gian và tỷ

lệ với điện áp đầu vào, ngoài ra còn một số tín hiệu khác sẽ điều khiển một số hướng hiển thị hoặc báo hiệu quá áp hay báo độn,…

Ngõ ra của LM3914 được giới hạn dòng bởi transistor NPN, và có một mạch hồi tiếp bên trong điều khiển transistor này Dòng ra được điều chỉnh 10 tải chuẩn, tức là 10 LED có trị số kỹ thuật không đổi, và điện áp ngõ ra có thể biến đổi, trong lúc đó

transistor không ở chế độ bão hòa Sau đây là sơ đồ minh họa dòng ra của LM3914

Hình 2.14Dòng ra của lm3914

Ngõ ra có thể chạy trong chế độ bão hòa và không có một hiệu ứng gây cản trở nào cả.Điên trở ở cực E của transistor cân bằng với điện trở ở cực E cộng với RE, tổng cộng khoảng 50ohm Điều này cũng có khả năng thực hiện được với chỉnh lưu AC mà không có bộ lọc Để tránh sự dao động, nhiễu không cần thiết trên mỗi LED ta nên rẽ mạch đến tụ 2.2µF tantalum.

5.3 Chân mode

Chân MODE có hai chức năng Ta quan sát sơ đồ khối dưới đây của chân MODE

Hình 2.15 Sơ đồ khối chân MODE

Điện áp trên chân số 9 được nhận biết bởi tụ C1, điện áp chuẩn trên danh nghĩa từ V+ đến khoảng 100mV LM3914 kết hợp với các IC khác hiển thị dạng thanh nếu điện áp đưa vào chân số 9 trên mức này, nói cách khác nó không kết hợp với các IC khác hiển thị điểm Nhưng bộ so sánh cũng được thiết kế để có thể điều khiển hiển thị dạng điểm

Đứa vào bộ so sánh đến khuếch đại và mức điện áp biến đổi trong 100mV Chân số 9 nên để mức điện áp từ 20mV đến V+ đối với hiển thị dạng thanh từ 200mV đến V+ đối với hiển thị dạng điểm Ta để ý, trong một số ứng dụng chân số 9 có thể được mở hoặc nối với chân số 3 Trong kết hợp để hiển thị dạng thanh chân số 9 được nối trực tiếp với chấn số 3

6 Khối hiển thị

Hình 2.16 Khối hiển thị

Khối hiển thị gồm 10 LED nhận tín hiệu từ khối điều khiển Các LED bố trí thành mộtdải, và nhấp nháy khi nhận tín hiệu tùy thuộc vào biên độ của âm thanh lớn hay nhỏ Những con trở có tác dụng hạn chế dòng bảo vệ LED

LED đỏ sử dụng nguồn từ 2V-3V sau khi tính toán sẽ sử dụng điện trở 220R để LED

có thế sáng tốt nhất

7 Mô phỏng mạch trên protues

Hình 2.17 Mô phỏng trên protues

Sau khi hoàn thành việc thiết kế chi tiết từng khối thì chúng tôi sẽ mô phỏng mạch trênphần mềm protues Đây là công việc giúp chúng tôi nhận ra được những sai lầm trong thiết kế và chỉnh sửa lại.

8 Mô phỏng trên breadboard

8.1 Linh kiện

Trước khi mô phỏng trên board mạch thì ta phải chuẩn bị đầy đủ linh kiện cần sử dụngtrong mạch Tốt nhất là nên mua thừa linh kiện để phòng trường hợp xấu nhất có thểxảy ra

Bảng 2.2 Linh kiện sử dụng

Sau khi đã mô phỏng thành công và chuẩn bị đầy đủ linh kiện ta sẽ tiến hành mô phỏng trên breadboard

8.2 Quy trình kiểm tra trên breadboard

Trong qua trình lắp ráp linh kiện theo sơ đồ nguyên lý đảm bảo không có sai sót và tiến hành theo các bước sau:

sai

Không chạy

Mạch chạy

Hình 2.18 Quy trình kiểm tra trên breadboard

Mua linh kiện

Kiểm tra giá trị linh kiện

Kết nối nguồnHiệu chỉnh

Đo nóng(Kiểm tra mạch ởtrạng thái hoạt động)

Lắp ráp linh kiện theo

sơ đồ nguyên lý

Đo nguội(kiểm tra lại

8.3 Mô phỏng trên breadboard

Mô phỏng trên breadboard

9 Thiết kế mạch in

Hình 2.19 Mạch in

Hình 2.20 Mạch in 3D

CHƯƠNG 3 Chế tạo mạch

1 Hàn mạch

Sau khi có đầy đủ linh kiện ta sẽ hàn mạch Trong quá trình hàn mạch phải tuân thủ một số quy tắc sau:

- Dùng nhựa thông trong quá trình hàn

- Không để thiếc hàn rơi trên mạch in, có thể gây chập và cháy

- Không để mỏ hàn quá gần linh kiện

- Hạn chế tối đa việc hàn đi hàn lại một mối hàn, có thể làm cho hỏng mạch in

2 Quy trình kiểm tra mạch in

2.1 Kiểm tra mạch in trước khi hàn

Trước khi hàn linh kiện lên mạch in ta phải kiểm tra mạch in trước Quy trình kiểm tra mạch in như sau:

- Trước tiên, kiểm tra bằng mắt thường nhìn xem có đúng như mạch in chúng ta thiết kế không

- Kiểm tra bằng mắt xem có chân linh kiện nào bị nối chung với GND thông qua lớp đồ đồng không(trường hợp này rất dễ xảy ra vì chúng ta để khoảng cách lớp

đổ đồng với dây nối quá bé hoặc do kỹ thuật làm mạch in không tốt)

- Kiểm tra bằng đồng hồ xem mạch có bị đứt không ( bằng các đo thông mạch rồiđặt 2 đầu que đo của đồng hồ vào 2 đầu dây nối)

- Kiểm tra dây GND và VCC xem chúng có bị nối tắt không bằng đồng hồ, tránh tình trạng nối tắt dẫn đền đường tải quá lớn

- Sửa các lỗi gặp phải trong quá trình kiểm tra trên

2.2 Kiểm tra sau khi hàn linh kiện

Sau khi hàn linh kiện chúng ta phải kiểm tra nguội trước khi cấp nguồn cho mạch để tránh cháy chập Kiểm tra mạch ssau khi hàn gồm các bước:

- Quan sát bằng mắt thường xem có mối hàn nào bị chờm sang dây khác không, đặc biệt là các mối hàn ở chân ic lm3914