Thiết kế mạch đếm 0023, 0059 sử dụng IC đếm tích hợp, hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh. 1. Tên đề tài: Thiết kế mạch đếm 0023, 0059 sử dụng IC đếm tích hợp, hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh. 2. Hoạt động của sinh viên (xác định các hoạt động chính của sinh viên trong quá trình thực hiện Đồ án để hình thành tri thức, kỹ năng đáp ứng mục tiêuchuẩn đầu ra nào của học phản). 3. Sản phẩm nghiên cứu (xác định cụ thể sản phẩm của chủ đề nghiên cứu cần đạt được) Nội dung mô tả xác định yêu cầu bài toán Nội dung thể hiện việc xây dựng sơ đồ khối chức năng và nhiệm vụ các khối Nội dung thiết kế sơ đồ nguyên lý và mô phỏng mạch điện Mạch in đã thiết kế, lắp ráp, hiệu chỉnh và hoàn thiện Báo cáo Đồ án theo mẫu BM03 của quyết định số 815QĐĐHCN ngày 18 tháng 8 năm 2019 của trường ĐH Công nghiệp Hà nội (Phụ lục 3), bao gồm các nội dung sau:
TỔNG QUAN
Mạch đếm
Mạch đếm là một mạch dãy đơn giảm 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
Bộ đếm là một mạch dãy tuần hoàn có một đầu vào đếm và một đầu ra, mạch có số trạng thái trong chính hệ số đếm (Kđ)
Dưới tác động của tín hiệu vào đếm mạch sẽ chuyển từ trạng thái trong này đến một trạng thái trong khác thoe một thứ tự nhất định Cứ sau Kđ lần tín hiệu vào đếm, mạch sẽ trở về trạng thái xuất phát ban đầu
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 1-1: Sơ đồ khối của bộ đếm
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 (SiSj)
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
6 cặp chuyển biến trạng thái Si Sj mà trong đó các FF không thay đổi trạng thái đồng thời (Si Si’ Si’’ Sj)
Xung đồng bộ tác động không đồng thời tới các FF
- Phân loại theo hệ số đếm
+ Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = 2 𝑛 : 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 là 2 𝑛 (Kđ 2, 4, 8, 16
+ Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = 2 𝑛 : Sử dụng n FF để mã hoá các trạng thái trong cho bộ đếm, sẽ có (2 𝑛 - 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 )
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
- 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
- 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.
Cơ sở lựa chọn đề tài
Với sự phát triển của kỹ thuật số, chúng ta có thể thấy được sự phổ biến của mạch đếm như trong máy giặt, đồng hồ kỹ thuật số, mạch đếm sản phẩm,… và có nhiều ưu điểm như hoạt động ổn định, lâu dài, chính xác, … Vì vậy, nhóm em quyết định chọn đề tài này vì những ứng dụng thực tiễn của nó và sự thuận tiện mà nó đem lại cho cuộc sống.
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.
Phương pháp nghiên cứu
- Dựa vào kiến thức đã được học, tìm hiểu qua internet, sách vở và tham khảo ý kiến bạn bè, thầy cô
- Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính toán để xây dựng mô hình phù hợp với đề tài
- Sử dụng các phần mền lập trình, thiết kế đồ họa để hỗ trợ như: Proteus, Altium Designer
Ứng dụng thực tiễn
Mạch đếm 00- 23, 00-59 được ứng dụng phổ biến như: Đồng hồ số, đồng hồ bấm giờ, đếm số lượng người tối đa 23 hoặc 59 người ra vào, đếm 23 hoặc 59 sản phẩm,…
Hình 1.3: Bộ đếm số lượng người ra vào
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống
‒ Mạch đếm 00 đến 59 và 00 đến 23
‒ Đầu vào: tín hiệu xung đồng bộ
‒ Đầu ra: hiển thị số đếm trên LED 7 thanh
Hình 2-1 Sơ đồ khối hệ thống
Chọn linh kiện từng khối
Sử dụng trực tiếp nguồn 5v từ sạc dự phòng hoặc máy tính
IC NE555 là một mạch tích hợp của hãng CMOS sản xuất, là một linh kiện khá phổ biến để tạo được xung PWM và có thể thay đổi tần số NE555 làm việc với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng xung Vì vậy, NE555 được sử dụng trong một loạt các bộ đếm thời gian, thế hệ xung, dao động và các ứng dụng NE555 có thể được sử dụng để cung cấp cho sự chậm trễ thời gian, như một dao động, và như là một yếu tố flip-flop Các dẫn xuất cung cấp lên đến bốn mạch thời gian trong một gói
Hình 2.2 IC tạo xung NE555
Hình 2.3 Sơ đồ chân IC NE555
+ Dòng điện cung cấp : 10mA – 15mA
+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 – 15V
+ Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 – 0.06V
+ Công suất lớn nhất là : 600mW
- Đèn led: dùng làm tín hiệu báo đầu ra cho mạch tạo xung
2.2.3 IC đếm tích hợp 74LS90
74LS90 là bộ đếm thập phân không có chức năng reset tự động Có nhiều loại bộ đếm có thể sử dụng trong các thiết bị để đếm chữ số nhị phân hoặc thập phân IC chứa hai bộ đếm MOD Một là MOD 2 và hai là bộ đếm MOD 5 Bộ đếm bắt đầu đếm từ 0000 đến 1001 và sau đó nó reset lại giá trị
Việc reset tự động làm cho bộ đếm bắt đầu đếm từ 0 và kết thúc ở số 9 trong hệ thập phân Trong IC có bốn chân reset, những chân này giúp IC đếm bằng cách kích hoạt hai chân trong 4 chân IC giao tiếp TTL có thể kết hợp với các bộ đếm và IC có giao tiếp TTL khác
Hình 2.5 Hình dạng thực tế IC7490
Hình 2.6 Sơ đồ chân IC7490
- Đặc tính thông số kỹ thuật 7490:
+ Dãy nguồn đầu vào cho IC là 4,75V đến 5,25V
+ Dãy nhiệt độ hoạt động cho IC là 0 đến 70 độ
+ Dãy điện áp đầu vào IC ở trạng thái mức CAO nhỏ nhất 2,0V và trạng thái THẤP là tối đa 0,7V
+ IC cho dòng điện đầu ra ở trạng thái mức CAO là -0,4mA và ở trạng thái THẤP là 8,0mA
+ Dãy bảo vệ diode kẹp bên trong là -1,5V
Bảng 2.1 Chức năng các chân IC7490
CLKB Đầu vào xung clock của MOD 5
R1, R2 Sử dụng như chân reset ( giá trị Max đầu ra)
NC Không ảnh hưởng đến mạch
VCC Cấp đầu vào nguồn
R3, R4 Xóa tất cả các đầu ra khi kết hợp với nhau
+ C được đóng gói với 16 chân trong 1 dòng kép DIP
+ Bộ chuyển đổi BCD sang led 7 đoạn, hiển thị giá trị từ 0 đến 9
+ Nguồn cấp hoạt động tốt nhất trong khoảng điện áp 5V (có thể giao động từ 4.75V – 5.25V)
+ Chân 1, chân 2, chân 6, chân 7 là những đầu vào ứng lần lượt với B, C, D,
+ Chân 9, chân 10, chân 11, chân 12, chân 13, chân 14, chân 15 là những chân đầu ra, chúng sẽ được nối với led 7 thanh
+ Chân 8: chân nối đất GND
+ Chân 16: chân cấp nguồn Vcc 5V (không cấp quá nguồn 5V để IC có thể hoạt động bình thường)
+ Chân 3 LT (Lamp Test) sử dụng để kiểm tra led 7 đoạn Nếu chân 3 nối mass thì led sẽ sáng cùng lúc 7 đoạn Chân này chỉ sử dụng để kiểm tra xem led 7 thanh có bị hỏng tại đoạn nào hay không
+ Chân 4 BI/RB0 được nối với mức cao (khi bị nối với mức thấp thì toàn bộ đèn sẽ không sáng được)
+ Chân 5 RBI được nối với mức cao
LED 7 thanh hay còn được gọi là LED 7 đoạn, bao gồm 7 đoạn đèn LED được xếp lại với nhau thành hình chữ nhật Khi các đoạn lập trình để chiếu sáng thì sẽ hiển thị chữ số của hệ thập phân hoặc thập lục phân Đôi khi LED số 8 được hiển thị dấu thập phân khi có nhiều LED 7 thanh được nối với nhau để có thể hiển thị được các số lớn hơn 2 chữ số Đối với LED 7 thanh để hiển thị chính xác các con số từ 0 – 9 như mong muốn thì chúng ta cần phải tạo ra một bảng chân lý để giúp chúng ta nắm bắt và hiển thị những con số, ký tự một cách nhanh chóng và dễ dàng hơn
Hình 2.8 Cấu tạo bên trong LED 7 thanh
Bảng 2.2 Bảng chân lý LED 7 thanh
Trong đề tài này sẽ sử dụng LED 7 thanh Anot chung
+ 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
Thiết kế và tính toán
Mạch đếm gồm các khối nguồn, khối tạo xung, khối đếm, khối giải mã, khối hiển thị
Xung này được cấp vào chân CLKA của IC hàng đơn vị
Khối đếm thực hiện chức năng đếm lên từ 00 – 23 hoặc 00 – 59
Khối giải mãi IC 7447 giải mã BCD của khối đếm chuyển sang khối hiển thị Led
Hình 2.10 Khối tạo xung bằng IC NE555
Khối đếm và giải mã:
Khối đếm nhận xung đếm từ bộ NE555 cấp vào chân CLKA của IC 7490 Chân dùng để reset , khi ở trạng thái bình thường ta nối xuống GND
Ta sử dụng 2 IC 7490 để đếm hàng chục và hàng đơn vị Cấp xung đếm vào IC hàng đơn vị Nối chân Qd của hàng đơn vị với đầu vào CLKA của hàng chục Khi hàng đơn vị đếm được 10 xung thì hàng chục đếm được 1 xung
Các đầu ra của IC 7490 nối với đầu vào của IC 7447 , sau đó khối giải mã sẽ chuyển mã BCD sang mã led 7 đoạn để hiển thị số 2 chữ số
Hình 2.11 Khối đếm và giải mã
Các đầu ra a,b,c,d,e,f,g của IC 7447nối lần lượt lới led 7 thanh
Cài đặt giới hạn đếm 00-23 hay 00-59 ta sử dụng cổng AND 7408
Muốn bộ đếm đếm từ 00 – 23 hoặc 00 – 59 và reset về 00, ta lấy tín hiệu đầu ra từ 2 bộ đếm theo mã nhị phân, nếu đạt mức logic 1 thông qua các cổng AND nó sẽ tác động lên khối reset qua chân R1, R2 làm mạch reset về 0
Mạch đếm từ 00 đến 23 thì:
- Số bắt đầu đếm là 00 nên cài đặt các chân D0,D1,D2,D3 của số hàng chục và hàng đơn vị là 0000 (số 0)
- Số đếm cuối là 23 nên lấy số 24 về điều khiển chân Reset của cả 2 IC nên biểu thức của RS là:
Q 3C Q 2C Q 1C Q 0C Q 3ĐV Q 2ĐV Q 1ĐV Q 0ĐV RS
Mạch đếm từ 00 đến 59 thì:
- Số bắt đầu đếm là 00 nên cài đặt các chân D0,D1,D2,D3 của số hàng chục và hàng đơn vị là 0000 (số 0)
- Số đếm cuối là 59 nên lấy số 60 về điều khiển chân RS của cả 2 IC nên biểu thức của RS là:
Q 3C Q 2C Q 1C Q 0C Q 3ĐV Q 2ĐV Q 1ĐV Q 0ĐV RS
Ta sử dụng IC 7408 làm cổng AND để điều khiển chân RS, khi RS lên mức 1 thì mạch sẽ reset về 00
Bảng trạng thái của mạch đếm là:
Bảng 2.3: Bảng trạng thái mạch đếm 00-23
Số đếm Q 3C Q 2C Q 1C Q 0C Q 3ĐV Q 2ĐV Q 1ĐV Q 0ĐV RS
Bảng trạng thái của mạch đếm là:
Bảng 2.4: Bảng trạng thái mạch đếm 00-59
Số đếm Q 3C Q 2C Q 1C Q 0C Q 3ĐV Q 2ĐV Q 1ĐV Q 0ĐV RS
MÔ PHỎNG, LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM
Mô phỏng
Mô phỏng hoạt động của mạch trên Proteus trước khi thực hiện làm mạch thật
Hình 3-1 Sơ đồ nguyên lý
‒ Mạch mô phỏng hoạt động đúng
‒ Có nút để reset trạng thái đếm
‒ Dùng công tắc gạt để chuyển trạng thái đếm
3.2 Vẽ mạch in trên Altium
3.3 Chế tạo và lắp ráp
Mạch in sau khi thiết kế trên Proteus và được xuất ra sẽ đem đi in và được ăn mòn phần đồng dư bằng dung dịch sắt, sau khi ăn mòn mạch sẽ được tẩy sạch mực bằng dung dịch Axeton và tiến hành gia công Quá trình gia công sẽ khoan chân linh kiện và tạo lỗ via cho mạch Các linh kiện sau khi đo kiểm sẽ được hàn vào mạch và các IC sẽ được cắm vào đế
Hình 3.5 Sản phẩm mặt trước
Hình 3.6 Sản phẩm mặt sau
+ Mạch chạy đúng theo thiết kế
+ Có thể tăng giảm tốc độ đếm bằng biến trở
+ Có dừng đếm và reset trạng thái đếm
Chế tạo và lắp ráp
Mạch in sau khi thiết kế trên Proteus và được xuất ra sẽ đem đi in và được ăn mòn phần đồng dư bằng dung dịch sắt, sau khi ăn mòn mạch sẽ được tẩy sạch mực bằng dung dịch Axeton và tiến hành gia công Quá trình gia công sẽ khoan chân linh kiện và tạo lỗ via cho mạch Các linh kiện sau khi đo kiểm sẽ được hàn vào mạch và các IC sẽ được cắm vào đế
Hình 3.5 Sản phẩm mặt trước
Hình 3.6 Sản phẩm mặt sau
Chạy thử nghiệm
+ Mạch chạy đúng theo thiết kế
+ Có thể tăng giảm tốc độ đếm bằng biến trở
+ Có dừng đếm và reset trạng thái đếm
