THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KIỂN ĐÈN GIAO THÔNG VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ

I_Phân tích yêu cầu công nghệ: 1_Nội dung: Thiết kế mạch điều khiển đèn và giám sát nhiệt độ tại một ngã tư giao thông. Hệ thống gồm 2 cột, trên mỗi cột gắn 3 đèn Xanh, Vàng, Đỏ và 2 LED 7 thanh dùng để hiển thị thời gian sáng của mỗi đèn. Giám sát nhiệt độ môi trường bằng nhiệt điện trở kim loại ( dải đo từ 00C đến 550C). Hai nút Startbằng Stop để khởi động và dừng hệ thống. 2_Mô tả: khi ấn nút khởi động đèn xanh 1 sẽ sáng trong 20 giây,đồng thời đèn đỏ 2 sáng trong 25 giây.sau 20 giây đèn xanh 1 tắt đồng thời vàng 1 sáng trong thời gian 5 giây.tiếp theo xanh 2 sáng 20 giây ,sau đó vàng 2 sáng 5 giây trong thời gian đó đỏ 1 sáng 25 giây .(thỏa mãn thời gian đỏ=xanh+vàng). Cảm biến nhiệt độ cũng cho thông tin đo ngay khi ấn Start, nếu nhiệt độ đạg 410C thì cảnh báo bằng còi. Khi ấn Stop thì hệt thống dừng. Sử dụng các thiết bị đo để giám sát khi cần thiết.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Lời Mở Đầu: 2

CHƯƠNG I: MẠCH CHỨC NĂNG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 3

I_Phân tích yêu cầu công nghệ: 3

1_Nội dung: 3

2_Mô tả: 3

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KIỂN ĐÈN GIAO THÔNG VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ 4

I.Sơ đồ nguyên lý mạch đèn giao thông: 4

1/Sơ đồ khối 4

2/ Chức năng các khối 4

2.1/ Bộ nguồn: 4

2.2 / Bộ tạo xung: 4

2.3 /Bộ đếm: 8

2.4/Bộ giải mã: 10

2.5/Bộ hiển thị: 10

II Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của mạch dùng IC số điều khiển đèn giao thông ở ngã tư: 18 III MẠCH GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ 19

1.sơ đồ nguyên lí: 19

2,chức năng của các khối trong mạch đo: 19

3, các thiết bị chính dùng trong mạch: 19

4,nguyên lý hoạt động: 21

CHƯƠNG III Kết Luận: 21

Lời Mở Đầu:

Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số đã trở thành quen thuộc với nhiều người,bởi vì sự phát triển của ngành kỹ thuật số này đã có ảnh hưởng rất lớn đến ngànhkinh tế toàn cầu.Có người đã nêu lên ý tưởng gọi nền kinh tế của thời đại chúng

ta là “ nền kinh tế kỹ thuật số “, “số hóa” đã gần như vượt khỏi ranh giới củamột thuật ngữ kỹ thuật Nhờ có ưu điểm của xử lý số như độ tin cậy trongtruyền dẫn, tín đa thích nghi và kinh tế của nhiều phần mềm khác nhau, tín tiệnlợi trong điều khiển và khai thác mạng

Số hóa đang là xu hướng phát triển tất yếu của nhiều lĩnh vực kỹ thuật vàkinh tế khác nhau.Không chỉ trong lĩnh vục thông tin liên lạc và tin học.Ngàynay, kỹ thật số đã và đang thâm nhập mạnh mẽ vào Kỹ thuật điện tử, Điều khiển

tự động, phát thang truyền hình, y tế, nông nghiệp…và ngay cả trong các dụng

cụ sinh hoạt gia đình

Ngay từ những ngày đầu khai sinh, kỹ thuật số nói riêng và ngành điện tửnói chung đã tạo ra nhiều bước đột phá mới mẽ cho các ngàng kinh tế khác vàcòn đảm bảo được yêu cầu của người dùng cả về chất lượng và dịch vụ.Đồngthời kiến thức về kỹ thuật số là không thể thiếu đối với mỗi sinh viên, nhất làsinh viên điện tử

Và như mội người nhận thấy rằng, ngày nay trật tự giao thông nước ta đang rốiren.Vì vậy việc sử dụng đèn giao thông tại những giao lộ là rất cần thiết và đểhiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và muốn phát triển thêm về mô hình này,

em đã chọn đề tài cho đồ án 1 là nghiên cứu về Đèn Giao Thông Thực hiệnbằng các IC 555, IC 4017 kết hợp một số đèn led để hiển thị và một số tụ cũngnhư điện trở để tạo xung nhịp Với việc sử dụng các bộ IC trên ta có thể thựchiện đèn giao thông với các bộ đếm bất kỳ

CHƯƠNG I: MẠCH CHỨC NĂNG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG

I_Phân tích yêu cầu công nghệ:

1_Nội dung:

Thiết kế mạch điều khiển đèn và giám sát nhiệt độ tại một ngã tư giao thông Hệ thống gồm 2 cột, trên mỗi cột gắn 3 đèn Xanh, Vàng, Đỏ và 2 LED 7 thanh dùng để hiển thị thời gian sáng của mỗi đèn Giám sát nhiệt độ môi trườngbằng nhiệt điện trở kim loại ( dải đo từ 00C đến 550C) Hai nút Startbằng Stop

để khởi động và dừng hệ thống

2_Mô tả:

khi ấn nút khởi động đèn xanh 1 sẽ sáng trong 20 giây,đồng thời đèn đỏ 2 sángtrong 25 giây.sau 20 giây đèn xanh 1 tắt đồng thời vàng 1 sáng trong thời gian 5 giây.tiếp theo xanh 2 sáng 20 giây ,sau đó vàng 2 sáng 5 giây trong thời gian đó

đỏ 1 sáng 25 giây (thỏa mãn thời gian đỏ=xanh+vàng)

Cảm biến nhiệt độ cũng cho thông tin đo ngay khi ấn Start, nếu nhiệt độ đạg

410C thì cảnh báo bằng còi

Khi ấn Stop thì hệt thống dừng Sử dụng các thiết bị đo để giám sát khi cần thiết

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KIỂN ĐÈN GIAO

THÔNG VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ.

I.Sơ đồ nguyên lý mạch đèn giao thông:

*Sơ đồ tạo xung nhịp:

*Chu kỳ tạo xung:

Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian

ngưng dẫn của transistor là :

rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển, vì nếu kết hợp với các linh kiện R, C thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như: định thì, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất như Transistor, SCR, Triac…

Chân số 5:(Control Voltage) Chân điều khiển ,chân này làm thay đổi các mức điện áp chuẩn trên trên cầu chia volt

Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào của một tầng so với áp 1.Có mức áp chuẩn bằng 2/3 Vcc

Chân số 7: (Dirchange) Chân xả điện, chân này là ngõ ra của một khóa điên (tranistor) khóa điện này đóng mở theo mức áp chân số 3.Khi chân 3 ở mức áp cao thì khóa điện đóng lại và cho dòng chay qua, ngược lại thì khóa điện hở và cắt dòng

Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC

555

Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở thực hiện các chức năng như hình 2 gồm có:

a) Cầu phân áp gồm ba điện trở 5kΩ nối từ nguồn +Vcc xuống mass cho

ra hai điện áp chuẩn là 1/3 Vcc và 2/3 Vcc

b) OP-AMP (1) Là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In- nhận điện áp chuẩn 2/3 Vcc, còn ngõ In+ thì nối ra ngoài chân 6 Tùy thuộc điện áp của chân 6

so với điện áp chuẩn 2/3 Vcc mà OP-AMP (1) có điện áp ra mức cao hay thấp

để làm tín hiệu R (reset), điều khiển Flip- Flop (F/F)

c) OP-AMP (2) Là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In+ nhận điện áp chuẩn 1/3 Vcc, còn ngõ In- thì nối ra ngoài chân 2 Tùy thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 Vcc mà OP-AMP (2) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu S (set), điều khiển Flip – Flop (F/F)

d) Mạch Flip-Flop(F/F) là loại mạch lưỡng ổn kích một bên Khi chân set (S) có điện áp cao thì thiện áp này kích đổi trạng thái của F/F ở ngõ Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp Khi ngõ set đang ở mức cao xướng mức thấp thì mạch F/F không đổi trang thái.Khi chân Reset(R) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F làm ngõ Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp Khi ngõ Reset đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không đổi trạng thái

hình 2 : Cấu trúc bên trong của LM 555

e) Mạch Output là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải Đây là mạch khuếch đại đảo, có ngõ vào là chân Q của F/F, nên khi

Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp (≈ 0V), và ngược lại, khi Q ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao (≈ Vcc)

f) Transistor T1 có chân E nối vào điện áp chuẩn khoảng 1.4 V, là loại Transistor PNP.Khi cực B nối ra ngoài bởi chân 4, có điện áp cao hơn 1.4V, thì

T1 ngưng dẫn, nên T1 không ảnh hưởng đếm hoạt động của mạch.Khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối mass thì T1 dẫn bão hòa, đồng thời cũng làm mạch OUTPUT dẫn bão hòa, và ngõ ra xuống thấp Chân 4 được gọi là chân Reset có nghĩa là nó Reset IC 555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác Do

đó, chân Reset dùng để kết thúc xung ra sớm khi cần Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên Vcc để tránh mạch bị Reset do nhiễu

g) Transistor T2 là transistor có cực C để hở nối ra chân 7 (Discharge = xả) Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra Q của F/F, nên khi Q ở mức cao thì T2 bão hòa và cực C của T2 coi như nối mass.Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp Khi Q ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn cực C của T2 bị hở, lúc đó, ngõ rachân 3 có điện áp cao.Theo nguyên lý trên, cực C của T2 ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ có mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân 4

transisitor mở dẫn, cực C nối đất.Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ởchân 6 không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset.

Giai đoạn ngõ ra ở mức 1:

Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0

Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1 (V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S

= [1], Q = [1] và = [0].Ngõ ra của IC ở mức 1

Khi = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng Khi nhấncông tắc lần nữa Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 0, S = [0], Q và vẫn không đổi.Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó

:

Chân MR là Master Clear, để lên High là reset, Low là chạy bình thường

Chân PL là chân Preset (là chân đặt trước giá trị), khi lên High thì ko làm gì, Low thì nhận dữ liệu từ P0 đến P3 làm giá trị đếm đầu tiên (giá trị đặt trước).Bình thường, 2 chân CPU và CPD đặt lên High, nếu có xung cạnh lên ở CPU thìđếm tiến, nếu xung cạnh lên ở CPD thì đếm lùi (chi tiết cách đếm trong

datasheet)

Các chân TCU và TCD là các chân carry, dùng để nối tiếp các IC khác.Các chânQ0 đến Q3 là chân ngõ ra

*Sơ Lược Về Các Linh Kiện Chính Trong Mạch.

a) Máy biến áp

Máy biến thế hay máy biến áp là thiết bị điện gồm

hai hoặc nhiều cuộn dây, hay 1 cuộn dây có đầu vào

và đầu ra trong cùng 1 từ trường.Cấu tạo cơ bản của

máy biến thế thường là 2 hay nhiều cuộn dây đồng

cách điện được quấn trên cùng 1 lõi sắt hay sắt từ

ferit

Máy biến thế có thể thay đổi hiệu điện thế xoay chiều,

tăng thế hoặc hạ thế, đầu ra cho 1 hiệu điện thế tương

ứng với nhu cầu sử dụng.Máy biến thế đóng vai trò rất

quan trọng trong truyền tải điện năng

Máy biến thế hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lí:

• dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từ trường)

• sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (cảmứng điện)

Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp, và

1 từ trường biến thiên trong lõi sắt.Từ trường biến thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp.Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường.Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt

Khi N P , U P , I P, ΦP và N S , U S , I S, ΦS là số vòng quấn, hiệu điện thế, dòng điện và

từ thông trong mạch điện sơ cấp và thứ cấp (primary và secondary) thì theo

b) Tụ điện:

• Tụ điện một chiều, hay tụ phân cực (Electrolytic Capacitor): Khi đấu nối phải đúng cực âm - dương Thường trên tụ quy ước cực âm bằng cách sơnmột vạch màu sáng dọc theo thân tụ, hoặc khi tụ chưa cắt thì chân dài hơn

là cực dương

• Tụ điện xoay chiều: hay tụ không phân cực

Tụ điện là một linh kiện thụ động cấu tạo của tụ điện là hai bản cực bằng kim loại ghép cách nhau một khoảng d ở giữa hai bản tụ là dung dịch hay chất điện môi cách điện có điện dung C Đặc điểm của tụ là cho dòng điện xoay chiều đi qua, ngăn cản dòng điện một chiều

Công thức tính điện dung của tụ: C = ε.S/d

ε là hằng số điện môi

S là điện tích bề mặt tụ m2

d là bề giày chất điện môi

Tụ điện phẳng gồm hai bàn phẳng kim loại diện tích đặt song song và

ε = 8.86.10-12 C2/ N.m2 là hằng số điện môi của chân không

ε là hằng số điện môi tương đối của môi trường; đối với chân không ε = 1,giấy tẩm dầu = 3,6, gốm = 5,5; mica = 4 ÷5

c) Điện trở:

Điện trở là linh kiện thụ động có tác dụng cản trở cả dòng và áp

Điện trở đựơc sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử

R =ρℓ/S hoặc R=U/ITrong đó ρ là điện trở suất của vật liệu

S là thiết diện của dây

ℓ là chiều dài của dây

Cách đọc điện trở : vì điện trở rất đa dạng nên để đọc chính xác điên trở ta cần xác định đúng trị số các vòng màu.

+vòng số 4 là vòng ở cuối luôn luôn có màu nhũ vàng hay nhũ bạc,đây là vòng chỉ sai số của điện trở,khi đọc trị số ta bỏ qua vòng này

+đối diện với vòng cuối là vòng 1,tiếp theo đến vòng số 2,số 3

+vòng số 1 và vòng số 2 là hàng chục và hàng đơn vị

+vòng số 3 là bội số của cơ số 10

Sau khi thiết kế mạch chúng ta sẽ phải lựa chọn loại điện trở phù hợp cho mạch đo,thì đầu ra có thể chính xác

d) Diode:

gồm hai lớp bán dẫn p-n được ghép với nhau Diode chỉ hoạt động dẫn dòng điện từ cực anot sang catot khi áp trên hai chân được phân cực thuận (VP>VN) vàlớn hơn điện áp ngưỡng Khi phân cực ngược (VP<VN) thì Diode không dẫn điện

e) IC ổn áp (LM 78xx)

ổn áp trên xe ô tô

Họ IC 78xx chân 1 là ngõ vào , chân 2 là ngõ ra, điện áp ngõ ra ở chân 2 có giátrị là xx vnhu7 được ghi trên IC (ví dụ như IC 7805,7812, thì điện áp ngõ ra cógiá trị là 5v, 12v, ) Tùy vào dòng điện ngõ ra người ta thêm vào để chỉ như là:

Ta thấy họ 78 có 3 chân 2 chân vào và 1 chân ra (có chung cực âm) Khi đặt hiệu điện thế nhất định vào chân 1 (hiệu điện thế chân vào phải lớn hơn chân ra).Khi đó tại chân ra sẽ cho ta hiệu điện thế chúng ta cần theo từng loại chức năng mà của họ 78.

f) Phần tử đảo (NOT)

Chức năng:

Thực hiện phép toán logic ĐẢO (NOT)

Cổng ĐẢO chỉ có 1 đầu vào:

1 0

out A

g) Phần tư AND

Chức năng thực hiện phép nhân logic

Cổng AND gồm hai đầu vào và một hàm ra

*Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Nguồn Và Mạch Tạo Xung:

Nguồn Ac hoặc Dc 15V đuợc lấy từ con 3 (máy biến áp) dẫn qua cầu diode nén điện dẫn qua tụ lọc gợn sóng qua IC ổn áp 78xx qua tụ chống nhiễu 104 qua

IC 741 tạo xung vuông đơn cực

-Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Nguồn:

Nguồn và xung được lấy từ mạch nguồn và mạch xung, xung được cung cấp cho

IC 74190 đếm chạy đuổi sau mỗi chu kì xung từ Q0-Q9 Nhiệm vụ của diode từD1-D9 chống dòng điện quay ngược trở về IC 4017.Khi Q0-Q3 lần lược tích cựcmức cao và đưa vào cực b của U2, điện trở Rb phân cực cho C1815 bây giờ BJTdẫn đèn Xanh_1 sáng đồng thời kích cho U3 dẫn đèn đỏ 2 sáng.Nhiệm vụ của cácđiện trở cực E của BJT là hạ áp cho Led Đến lúc Q4 tích cục mức cao kích cho U4dẫn làm cho đèn Vàng 1 và đèn Đỏ 2 sáng.Tương tự cho chu kì tích cực mức caocủa IC4017.Đèn giao Thông này hoạt động theo nguyên lý đèn Đỏ = Đèn Vàng +Đèn Xanh Để đèn sáng nhanh hay chậm ta chỉnh

chu kì xung ở mạch tạo xung

Mạch này có hai trụ riêng biệt,để 4 trụ ta

gắn các led song song với nhau

-Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Tạo Xung:

Mạch dùng IC 555 được lắp theo sơ đồ nguyên lý

như hình vẽ

*Thiết kế bộ hiển thị đèn giao thông:

Nguyên lý: các trạng thái chuyển tiếp theo thứ tự lặp tuần hoàn

-chân 3 nối vào chân RESET để đếm được lặp lại.

II Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của mạch dùng IC số điều khiển đèn giao thông ở ngã tư:

*nguyên lý hoạt động:

khi ấn nút khởi động đèn xanh 1 sẽ sáng trong 20 giây,đồng thời đèn đỏ 2 sáng trong 25 giây.sau 20 giây đèn xanh 1 tắt đồng thời vàng 1 sáng trong thời gian 5 giây.tiếp theo xanh 2 sáng 20 giây ,sau đó vàng 2 sáng 5 giây trong thời gian đó

đỏ 1 sáng 25 giây (thỏa mãn thời gian đỏ=xanh+vàng)

III MẠCH GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ

-Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo

2,chức năng của các khối trong mạch đo:

a,khói cảm biến : khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện tương ứng.ở đây ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp

b, khối khuếch đại : có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới,vì tín hiệu do cảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào các mạch điện khác

c, mạch so sánh : có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa

ra khối cảnh báo khi có sự quá nhiệt độ

3, các thiết bị chính dùng trong mạch:

Để xác định được các thiết bị mà mình sẽ sử dụng trong quá trình tính toán thiết

kế mạch đo ta đi dựa vào các khối cơ bản trong mạch đo để xác định các linh kiện mà mình sẽ dùng,sau đây ta sẽ liệt kê các linh kiện sử dụng :

1, cảm biến : nhiệt độ là một đại lượng vật lý mà ta có thể đo gián tiếp qua các loại cảm biến nhiệt độ dựa trên sự chuyển động của các hạt điện tích hình thành nên dòng điện trong kim loại.

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng hiện nay mà ta thường dùng : _ cặp nhiệt ngẫu

- nhiệt điện trở kim loại

- IC cảm biến nhiệt độ

Trong bài này ta sẽ sử dụng cảm biến là nhiệt điện trở kim loại, loại này có 2 loại thông dụng là nhiệt điện trơ platin và nhiệt điện trở nikel Cụ thể ta sử dụng nhiệt điện trở platin loại có độ tuyến tính theo nhiệt độ cao, điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo dài

2, bộ khuếch đại thuật toán µA 741 : bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ thuật điện trở có các dụng khuếch đại các tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, công suất trong phạm vi bài này ta sẽ sử dụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa ra từ cảm biến và dùng trong bộ so sánh để đưa ra khối cảnh báocho mạch đo

Hình ảnh thực tế của bộ khuếch đại thuật toán :