Bài tập lớn môn học kỹ thuật xung số chủ đề thiết kế mạch điều khiển đèn led sáng lan tắt dần với chiều dài l = 10 sử dụng jk ff

Các ứng dụng của mạch số như đèn giao thông, đo tốc độ động cơ, đồng hồ số, mạch đếm sản phẩm… Mục đích của tập đồ án này là thiết kế được mạch điều khiển LED sáng lan tắt dần với chiều

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

- -

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

KỸ THUẬT XUNG SỐ

Giáo viên hướng dẫn: Ths Đặng Cẩm Thạch

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nhật 2019606608 Phạm Bá Trung 2019606156 Nguyễn Văn Long 2019606023

Hà Nội- 2022

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN

I Thông tin chung

1 Tên lớp: 20212FE6021001 Khóa:14

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Nhật 2019606608

2 Hoạt động của sinh viên:

- Hoạt động/Nội dung l: Lập kế hoạch làm việc

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2

- Hoạt động/Nội dung 2: Phân tích lựa chọn ý tưởng tốt nhất và khả thi

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

- Hoạt động/Nội dung 3: Tính toán thiết kế, xây dựng và phân tích mô hình

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

- Hoạt động/Nội dung 4: Vẽ mạch và mô phỏng

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

- Hoạt động/Nội dung 5: Chế tạo và lắp ráp

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

- Hoạt động/Nội dung 6: Thử nghiệm và hiệu chỉnh

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

- Hoạt động/Nội dung 7: Viết thuyết minh và chuẩn bị báo cáo

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

- Hoạt động/Nội dung 8: Báo cáo

Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

3 Sản phẩm nghiên cứu: Bản thuyết minh, sản phẩm thực tế

Đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 18/05/2022 đến ngày15/06 /2022)

4 Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước giảng viên và những sinh viên khác

(BM01)

II Học liệu thực hiện Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án

1 Tài liệu học tập: Giáo trình Kỹ thuật điện tử, giáo trình Kỹ thuật xung, giáo trình Điện

tử số…

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án (nếu có): Điện thoại, máy tính, zalo, facebook, email…

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN TIỂU LUẬN, BÀI TẬP LỚN, ĐỒ ÁN/DỰ ÁN

Tên lớp: 20212FE6021001 Khóa: 14

Họ và tên: Nguyễn Văn Nhật 2019606608

Phạm Bá Trung 2019606156

Nguyễn Văn Long 2019606023

Tên đề tài: Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng JK-FF

hiện

Ghi chú

18/05/2022 Lập kế hoạch làm việc: Xây dựng được tiến

độ Định hướng nghiên cứu

Phát vấn, hỏi đáp, truyền đạt

25/05/2022 Vẽ mạch và mô phỏng Vẽ, mô phỏng

01/06/2022 Chế tạo và lắp ráp: Mua linh kiện, làm

mạch in và hàn mạch

Chuẩn bị dụng cụ, linh kiện, ngâm mạch, hàn mạch 08/06/2022 Thử nghiệm và hiệu chỉnh Đo và chạy mạch

15/06/2022 Viết thuyết minh và chuẩn bị báo cáo Viết, soạn thảo

Ngày …… tháng … năm …

XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN

(Ký, ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

CHƯƠNG1 TỔNG QUAN BỘ ĐẾM 6

1.1 Khái niệm và phân loại 6

1.1.1 Khái niệm 6

1.1.2 Đồ hình trạng thái: 6

1.1.3 Phân loại: 7

1.2 Lý do chọn đề tài 9

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 9

1.3.1 Mục tiêu: 9

1.3.2 Nhiệm vụ: 9

1.4 Đối tượng nghiên cứu 9

1.5 Phạm vi nghiên cứu 9

1.6 Ý nghĩa nghiên cứu 10

1.7 Phương pháp nghiên cứu 10

CHƯƠNG2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH 11

2.1 Thiết kế bộ đếm 11

2.2 Tính toán 12

2.3 Mô phỏng 20

2.4 Thiết kế mạch 20

CHƯƠNG3 LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM 23

3.1 Các linh kiện chính trong mạch 23

3.1.1 Khối tạo xung – IC 555 24

3.1.2 Khối Trigger JK – IC 74LS73 25

3.2 Lắp ráp 26

3.3 Thử nghiệm và hiệu chỉnh 27

CHƯƠNG4 ĐÁNH GIÁ 28

4.1 Đánh giá sản phẩm 28

4.2 Tính thực thế của sản phẩm 28 4.3 Đề xuất cải tiến và hướng phát triển 28

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Bộ Đếm 6

Hình 2: Đồ Hình Mô Tả Hoạt Động Của Bộ Đếm 7

Hình 3: Sơ Đồ Mạch Đếm 11

Hình 4: Đồ Hình Trạng Thái 12

Hình 5: Sơ Đồ Logic 12

Hình 6: Đồ Hình Trạng Thái Và Mã Hóa Mạch 10bit 12

Hình 7: Đồ Hình Trạng Thái Và Mã Hóa Mạch 4bit 13

Hình 8: Sơ Đồ Logic 4 Bit 16

Hình 9: Sơ Đồ Logic 10 Bit 19

Hình 10: Mạch Mô Phỏng Trên Proteus 20

Hình 11: Mạch Nguyên Lý 21

Hình 12: Mạch In 2d 21

Hình 13: Mạch In 3d 22

Hình 14: Khối Tạo Xung 24

Hình 15: Sơ Đồ Chân Ic 74ls73 25

Hình 16: Mạch In Hoàn Thiện 26

Hình 17: Mạch In Sau Khi Hiệu Chỉnh 27

Hình 18: Mạch Chạy Đáp Ứng Yêu Cầu Đề Tài 27

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Chuyển Đổi Trạng Thái Và Các Đầu Vào Kích 4 Bit 14

Bảng 2: Karnough J1 14

Bảng 3: Karnough K1 14

Bảng 4: Karnough J2 14

Bảng 5: Karnough K2 15

Bảng 6: Karnough J3 15

Bảng 7: Karnough K3 15

Bảng 8: Karnough J4 15

Bảng 9: Karnough K4 16

Bảng 10: Bảng Chuyển Đổi Trạng Thái 10 Bit 17

Bảng 11: Bảng Giá Trị Các Đầu Vào Kích 10bit 18

Bảng 12: Bảng Liệt Kê Linh Kiện, Giá Trị Linh Kiện Và Chức Năng 23

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, công nghệ điện tử đã đang và

sẽ phát triển ngày càng rộng rãi, đặc biệt là trong kĩ thuật số Mạch số được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật cũng như đời sống của xã hội Các ứng dụng của mạch số như đèn giao thông, đo tốc độ động cơ, đồng hồ số, mạch đếm sản phẩm… Mục đích của tập đồ án này

là thiết kế được mạch điều khiển LED sáng lan tắt dần với chiều dài L=10 sử dụng JK-FF

Đồ án hoàn thành giúp em có được nhiều kiến thức hơn về môn học và giúp em được tiếp xúc với một phương pháp làm việc mới chủ động hơn, linh hoạt hơn đặc biệt là làm việc nhóm Quá trình thực hiện đồ án này thật sự bổ ích cho bản thân em về nhiều mặt Vì kiến thức và khả năng còn hạn chế, kinh nghiệm còn yếu nên không tránh khỏi những sai sót, rất mong sự đóng góp của thầy cô và các bạn

CHƯƠNG1 TỔNG QUAN BỘ ĐẾM 1.1 Khái niệm và phân loại

Mạch đếm là một mạch dãy đơn giản được xây dựng từ các phần tử nhớ và các phần

tử tổ hợp Mạch đếm là thành phần cơ bản của các hệ thống số, chúng được sử dụng để đếm thời gian, chia tần số, điều khiển các loại mạch khác

Bộ đếm thực hiện việc đếm các dãy xung khi có xung điều khiển và nó chỉ có một đầu vào Do đó, nếu xung đồng bộ CLK xuất hiện khác thời điểm xung đếm Xđ xuất hiện thì việc đếm xung không thực hiện được nên mạch đếm phải có xung đếm đưa vào chính là dãy xung đồng bộ hay mạch đếm chỉ có một đầu vào

Hình 1: Bộ đếm

1.1.2 Đồ hình trạng thái:

Đồ hình là mô hình mô tả sự chuyển đổi các trạng thái trong hay chính là mô tả hoạt động của bộ đếm

Hình 2: Đồ hình mô tả hoạt động của bộ đếm

Khi không có tín hiệu vào đếm (Xđ) mạch giữ nguyên trạng thái ban đầu (i i) khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp(i i+1)

Khi bộ đếm ở trạng thái SKđ-1 nếu tác động một tín hiệu vào đếm thì bộ đếm sẽ trở về trạng thái ban đầu S0 và khi đó đồng thời xuất hiện tín hiệu ra một lần duy nhất

Trong trường hợp cần hiển thị trạng thái của bộ đếm thì phải dùng thêm mạch giải

mã

1.1.3 Phân loại:

Có nhiều cách phân loại bộ đếm:

- Phân loại theo cách làm việc:

+ Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counter): là bộ đếm mà sự chuyển đổi trạng thái trong các FF diễn ra đồng thời khi có tác động của xung đếm Mọi sự chuyển đổi trạng thái (từ Si sang trạng thái mới Sj) đều không thông qua trạng thái trung gian

Xung đồng bộ tác động đồng thời tới các phần tử nhớ

+ Bộ đếm không đồng bộ (Asynchronous counter): là bộ đếm tồn tại ít nhất một cặp chuyển biến trạng thái Si Sj mà trong đó các FF không thay đổi trạng thái đồng thời

Xung đồng bộ tác động không đồng thời tới các FF

- Phân loại theo hệ số đếm

+ Bộ đếm có hệ số đếm Kđ=2n: Bộ đếm có hệ số đếm cực đại, khi sử dụng n FF

để mã hoá các trạng thái trong cho bộ đếm thì khả năng mã hoá tối đa

(Kđ = 2, 4, 8, 16 )

+ Bộ đếm có hệ số đếm Kđ≠2n: Sử dụng n FF để mã hoá các trạng thái trong cho

bộ đếm, sẽ có (2n- Kđ) trạng thái không được sử dụng đến Do vậy khi thiết kế

bộ đếm cần phải lưu ý đến các trạng thái không sử dụng tức là cần phải có biện pháp làm cho bộ đếm thoát khỏi các trạng thái đó một cách hợp lý để trở về chu trình đúng mà vẫn phải đảm bảo bộ đếm được thiết kế là đơn giản

(Kđ = 3, 5, 6, 7, 10 )

- Phân loại theo mã:

+ Quá trình đếm của bộ đếm là quá trình thay đổi từ trạng thái trong này đến trạng thái trong khác và mỗi trạng thái trong của bộ đếm được mã hoá bởi một mã cụ thể Cùng một bộ đếm có thể có nhiều cách mã hoá trạng thái trong khác nhau, các cách mã hoá khác nhau sẽ tương ứng với các mạch thực hiện khác nhau

 Mã nhị phân, Mã Gray

 Mã BCD, Mã Johnson

 Mã vòng

- Phân loại theo hướng đếm:

+ Bộ đếm thuận (Up counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) thì trạng thái trong của bộ đếm tăng lên 1 (Si Si+1)

+ Bộ đếm nghịch (Down counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) thì trạng thái trong của bộ đếm giảm đi 1 (Si Si-1)

Chú ý: Khái niệm thuận nghịch chỉ là tương đối chủ yếu là do vấn đề mã hoá các trạng thái trong của bộ đếm

+ Bộ đếm thuận nghịch: là bộ đếm vừa có khả năng đếm thuận vừa có khả năng đếm nghịch

- Phân loại theo khả năng lập trình:

+ Bộ đếm có khả năng lập trình: Kđ có thể thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển

+ Bộ đếm không có khả năng lập trình: Kđ cố định, không thay đổi được

Nền công nghiệp đã đạt được nhũng thành tựu nhờ ứng dụng của khoa học kỹ thuật

và công nghệ Máy móc đã thay thế con người trong nhiều công việc đặc biệt là công việc nặng nhọc

Ngày nay công nghệ vi điện tử phát triển mạnh mẽ với sự ra đời của hàng loạt các vi mạch Sự phát triển của kĩ thuật điện tử như ngày nay khiến cho nhu cầu tiếp xúc với lĩnh vực điện tử số không thể thiếu được

Để xây dựng một thiết bị hoàn chỉnh bao giờ cũng phải có mạch đếm, thanh ghi, bộ nhớ, … trong đó mạch đếm là thông số cơ bản của hệ thống Và để hiểu rõ hơn về mạch

đếm chúng tôi đã chọn đề tài: “Thiết kế được mạch điều khiển LED sáng lan tắt dần với chiều dài L=10 sử dụng JK-FF”

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

1.3.1 Mục tiêu:

+ Tìm hiểu về mạch đếm và một số vẫn đề liên quan

+ Hoàn thành thiết kế-mạch hoạt động ổn định với độ bền cao

+ Mạch đếm dùng IC

1.6 Ý nghĩa nghiên cứu

+ Nắm vững, hiểu biết về mạch đếm

+ Nâng cao kĩ năng về thực hành lắp ráp, đo đạc và thiết kế mạch đếm

1.7 Phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp nghiên cứu đề tài đồ án:

+ Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết

+ Phương pháp tham khảo tài liệu

+ Phương pháp thực nghiệm

+ Phương pháp phân tích đánh giá kết quả

CHƯƠNG2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH

2.1 Thiết kế bộ đếm

Để thiết kế bộ đếm ta tiến hành theo các bước sau:

Bước 1:

+ Xác định các yêu cầu của bài toán

+ Phân tích yêu cầu đầu bài tìm ra số trạng thái trong

Số phần tử nhớ được xác định như sau:

- Mã nhị phân và mã Gray n ≥ log2 Kđ

+ Vẽ sơ đồ mạch thực hiện

Từ các phương trình đầu vào kích các FF và phương trình hàm ra đưa ra sơ đồ mạch thực hiện

Khối nguồn Khối tạo

xung

Khối led hiển thị Khối đếm

Hình 3: Sơ đồ mạch đếm

+ Flip-flop sử dụng

Là JK-FF là phần tử có hai đầu vào điều khiển và hai đầu ra đầu vào J đóng vai trò thiết lập, đầu K đóng vai trò xóa

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

Mạch đếm vòng có thể lập số flip-flop không hạn chế và để thuận tiện tính toán thì

ta xét với 4bit với 8 trạng thái sáng tắt của LED Ở trường hợp này cần dùng 4 FF

Hình 7: Đồ hình trạng thái và mã hóa mạch 4bit

+ Lập bảng chuyển đổi trạng thái và giá trị các đầu vào kích 4bit xếp theo mã gray

1 0 0 1 X X X X XX XX XX XX

Bảng 1: Chuyển đổi trạng thái và các đầu vào kích 4 bit

Dùng bảng Karnough để rút gọn và xác định phương trình đầu vào kích

Sau khi tìm kiếm được mạch vòng sử dụng JK-FF với số bit rút gọn là 4 và vẽ được sơ

đồ logic ta có thể tìm kiếm được sơ đồ logic của mạch vòng dùng JK-FF với số bit là 10

Hình 8: Sơ đồ logic 4 bit

+ Lập bảng chuyển đổi trạng thái và giá trị các đầu vào kích 10bit xếp theo mã

johnson

S Q10 Q9 Q8 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q’10 Q’9 Q’8 Q’7 Q’6 Q’5 Q’4 Q’3 Q’2 Q’1 S0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 S1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 S2 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 S3 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 S4 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 S5 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 S6 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 S7 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 S8 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 S9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 S10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 S11 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 S12 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 S13 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 S14 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 S15 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 S16 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 S17 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 S18 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 S19 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Bảng 10: Bảng chuyển đổi trạng thái 10 bit

+ Xác định phương trình đầu vào kích:

Từ bảng chuyển đổi trạng thái, tối thiểu hóa cho các đầu vào kích ta có hệ phương trình kích:

2.3 Mô phỏng

CHƯƠNG3

Hình 10: Mạch mô phỏng trên proteus

3.1 Thiết kế mạch

Nhóm chúng em thiết kế mạch trên phần mềm Altium Designer

Hình 11: Mạch nguyên lý

Hình 12: Mạch in 2D

Hình 13: Mạch in 3D

CHƯƠNG4 LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM 4.1 Các linh kiện chính trong mạch

Bảng 12: Bảng liệt kê linh kiện, giá trị linh kiện và chức năng

STT Tên linh

Số lượng

1 IC 555

Nguồn điện áp đầu vào 2 – 18V Dòng điện tiêu thụ: 6 – 15mA Điện áp logic đầu ra ở mức cao: 0.5 – 15V Điện áp logic đầu ra ở mức thấp: 0.03 –0.06V

Tạo xung cho mạch điều khiển

1

2 IC74LS73

IC gói JK Flip Flop kép Điện áp hoạt động: 5V Điện áp đầu vào mức cao: 2 V Điện áp đầu vào mức thấp: 0,8 V

Điều khiển các led 5

3 LED

Điện áp đầu vào 3V Màu sắc: xanh Đường kính: 5mm

Hiển thị 11

4 Biến trở

Sai số: 10%

Công suất: 2W Giá trị 500K

Điều chỉnh tốc độ nháy của led

1

5 Điện trở

Loại 4 vòng màu Sai số 5%

Giá trị 10K

Thiết kế mạch tạo xung

1

5 Tụ điện

Điện dung: 10uF Điện áp: 50V Nhiệt độ hoạt động: -55°C — 125°C

Thiết kế mạch tạo xung

1

6 Nút nhấn Số chấn của nút nhấn 4 chân

Kích thước: 6x6x4.3MM

Reset mạch 1

4.1.1 Khối tạo xung – IC 555

IC 555 là một Ic tạo xung rất đa năng, Tạo xung vuông rất đơn giản

Hình 14: Khối tạo xung

+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung

+ Chân số 2 (TRIGGER): đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như một chân chốt hay ngõ vào của một tần so áp Mạch so sánh ở đây dùng các transistor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3 Vcc

+ Chân số 3 (OUTPUT): chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 Mức 1 ở đây là mức cao, nó tương đương với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này không được 0V mà nó trong khoảng 0.35-0.75V

+ Chân 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối mass thì ngõ ra

ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức điện áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức điện áp trên chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên Vcc

+ Chân 5(CONTROL VOLTAGE) Dùng làm thay đồi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số

5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định