Bài tập lớn Vi mạch tương tự Vi mạch số

I : phân tích yêu cầu công nghệ Đề tài yêu cầu hai nhiệm vụ rõ ràng:Thiết kế bãi đỗ xe tự động Giám sát nhiệt độ cho hệ thốngNhư vậy trong bài chúng em sẽ thiết kế 2 khối mạch chính dùng cho 2 nhiệm vụ trên một khối dùng để điều khiển hệ thống và 1 khối dùng để giám sát nhiệt độ. Để hiện thị các số xe và thời gian dừng của cá động cơ, ta cần Led 7 thanh để hiển thị. Ngoài ra ta cần chuông cảnh báo khi nhiệt độ quá nóng.Đối với mạch đo nhiệt độ theo yêu cầu chúng em sử dung con ic LM35 với giả đo từ ( 0 > 50+n)oC và cảnh báo khi nhiệt độ quá mức ( 40 + n)oC : Với n là số dư của phép chia ((9+2+5+9+5)10) = 3,0 nên =>> n = 0. Ngoài ra Yêu cầu dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số để thiết kế. Hệ thống gồm hai nút Start và Stop để khởi động và dừng hệ thống, 6 Led 7 thanh để hiển thị giá trị số xe và hiển thị thời gian.Khi ấn nút Start, hệ thống thực hiện nhiệm vụ , cảm biến nhiệt độ cũng cho giá trị đầu ra sau mạch chuẩn hóa, nếu nhiệt độ đạt 40+n)°C thì cảnh báo bằng còi. Khi ấn Stop, hệ thống dừng . Sử dụng các thiết bị đo để kiểm tra khi cần thiết.

CHƯƠNG I: TRÌNH BÀY VỀ CÁC MẠCH CHỨC NĂNG SỬ DỤNG

TRONG HỆ THỐNG

I : phân tích yêu cầu công nghệ

Đề tài yêu cầu hai nhiệm vụ rõ ràng:

- Thiết kế bãi đỗ xe tự động

- Giám sát nhiệt độ cho hệ thống

Như vậy trong bài chúng em sẽ thiết kế 2 khối mạch chính dùng cho 2 nhiệm

vụ trên một khối dùng để điều khiển hệ thống và 1 khối dùng để giám sát nhiệt

độ Để hiện thị các số xe và thời gian dừng của cá động cơ, ta cần Led 7 thanh

để hiển thị Ngoài ra ta cần chuông cảnh báo khi nhiệt độ quá nóng

Đối với mạch đo nhiệt độ theo yêu cầu chúng em sử dung con ic LM35 với giả

đo từ ( 0 -> 50+n)oC và cảnh báo khi nhiệt độ quá mức ( 40 + n)oC :

Với n là số dư của phép chia ((9+2+5+9+5)/10) = 3,0 nên =>> n = 0

Ngoài ra Yêu cầu dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số để thiết kế Hệ thống gồm hai nút Start và Stop để khởi động và dừng hệ thống, 6 Led 7 thanh để hiển thị giá trị số xe và hiển thị thời gian

Khi ấn nút Start, hệ thống thực hiện nhiệm vụ , cảm biến nhiệt độ cũng cho giá trị đầu ra sau mạch chuẩn hóa, nếu nhiệt độ đạt 40+n)°C thì cảnh báo bằng còi Khi ấn Stop, hệ thống dừng Sử dụng các thiết bị đo để kiểm tra khi cần thiết

1.1 : Tìm hiểu chung về mạch chức năng sử dụng trong hệ thống

1.1.1 : Mạch logic tổng hợp

1.1.1.1 : Đặc điểm

- Mạch logic tổ hợp có đặc điểm cơ bản là giá trị ( 0 or 1 ) tín hiệu đàu ra tạithời điểm bất kỳ chỉ phụ thuộc vào tổ hợp giá trị tín hiệu vào tại thời điểm đó.Nói cách khác, mạch logic tổ hợp là mạch không có các phần tử nhớ

- Mạch logic tổ hợp được xây dựng từ các mạch điện cổng logic

- Đồ thị dạng song theo thời gian

1.1.1.3 : Phương pháp thiết kế mạch logic tổ hợp

1.1.2.1 : Bộ giải mã nhị- thập phân ( bộ giải mã BCD )

Bộ giải mã BCD sang hệ thập phân là một mạch tổ hợp có 4 đầu vào nhị phân và 10 đầu ra thập phân Đầu vào là mã BCD và sẽ kích hoạt đầu ra tương ứngvới đầu vào

1.1.2.2 : Bộ giải mã BCD sang Led 7 vạch.

Đèn led 7 đoạn được sử dụng để hiển thị dữ liệu được xử lý bởi thiết bị điện tử số Chúng có thể hiện thị các số từ 0 đến 9 và các chữ cái từ A đến F và một vài ký tự khác

Thiết bị hiển thị này có thể được điều khiển bởi bộ giải mã mà sẽ chiếu sáng các vạch (đoạn - segment) của đèn phụ thuộc vào số BCD tại đầu vào Các bộ giải mã này cũng chứa các bộ đệm công suất để cấp dòng cho đèn, do vậy, nó còn được gọi

là bộ điều khiển - giải mã (Decoder - Driver)

Bộ mã hoá này có 4 đầu vào tương ứng với 4 bit mã BCD và 7 đầu ra, mỗi đầu sẽ điều khiển một vạch của đèn 7 vạch Đèn hiển thị 7 vạch bao gồm các vạch (đoạn sáng – segment) nhỏ Chúng có thể biểu diễn tới 16 ký tự trong đó có 10 số và 6 chữ cái

Hình 1.2 Led 7 thanh và dạng kí tự hiển thị

Các mã đầu vào từ 0 -9 hiển thị các chữ số của hệ thập phân.Các mã đầu vào từ 9 -

14 ứng với các ký hiệu đặc biệt như đã nêu, còn mã 15 sẽ tắt tất cả các vạch.Đoạn

sáng thứ 8 của đèn hiển thị là dấu chấm thập phân (dp) Các thiết bị hiển thị loại này có nhiều kiểu với màu sắc, kích thước khác nhau và có đặc tính phát sáng rất tốt.

Về mặt điện, các LED hoạt động như diode chuẩn, chỉ khác là khi phân cực thuận đòi hỏi điện áp giữa Anode và Cathode cao hơn.Để có cường độ sáng không đổi, thiết bị hiển thị phải được cấp đủ dòng

Các thiết bị hiển thị 7 vạch có thể có cực tính:

+ Với kiểu Cathode chung, điều khiển bởi mức logic dương

+ Với kiểu Anode chung, điều khiển bởi mức logic âm

1.1.3 : Mạch dãy

Mạch dãy là mạch mà tín hiệu ra phụ thuộc không những vào tín hiệu vào mà còn phụ thuộc vào trạng thái trong của mạch nghĩa là có mạch lưu trữ, nhớ các trạng thái

Thanh ghi và thanh ghi dịch

Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lưu giữ dữ liệu hoặc bến đổi dữ liệu số

từ nối tiếp sang song song và ngược lại Mỗi mạch lật chỉ lưu giữ được 1 bit, vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit thì phải tạo từ bấy nhiêu mạch lật

Điều kiện cơ bản để một mạch được gọi là mạch đếm là nó có các trạng thái đầu rakhác nhau,tối đa đầu ra của mạch cũng bị giới hạn Số xung đếm tối

đa được gọi là dung lượng của mạch đếm

Hình 2.3: Sơ đồ chung mạch đếmNếu cứ tiếp tục kích thích khi đã tới hạn mạch sẽ trở về trạng thái khởi đầu, tức làmạch có tính chất tuần hoàn

Có nhiều phương pháp kết hợp các Flip-Flop cho nên có rất nhiều loại mạch đếm.Tuy nhiên, chúng ta có thể sắp chúng vào ba loại chính là: mạch đếm nhị phân,mạch đếm BCD, và mạch đếm modul M

Phân loại :

- Mạch đếm nhị phân:

Là loại mạch đếm trong đó có trạng thái của mạch được trình bày dưới dạng số nhịphân Một mạch đếm nhị phân sử dụng n Flip-Flop sẽ có dung lượng là 2n

Mạch đếm modul M thường dùng cổng logic với Flip-Flop và các kiểu hồi tiếp đặcbiệt để có thể trình bày kết quả dưới dạng số hệ hai tự nhiên hay dưới dạng mã nàođó.

Về chức năng của mạch đếm, người ta phân biệt:

+ Các mạch đếm lên (up counters): hay còn gọi là mạch đếm cộng, mạch đếmthuận

+ Các mạch đếm xuống (down counters): hay còn gọi là mạch đếm trừ, mạch đếmnghịch

+ Các mạch đếm lên - xuống (up - down counters): hay còn gọi là mạch đếm hỗnhợp, mạch đếm thuận nghịch

Về phương pháp đưa xung clock vào mạch đếm, người ta phân ra:

+ Phương pháp đồng bộ:

Phương pháp này xung clock được đưa đến một FF, rồi các FF còn lại kích thíchlẫn nhau.

Tốc độ tác động của mạch đếm là tham số quan trọng và được xác định bởi haitham số khác là:

+ Tần số cực đại của dãy xung mà bộ đếm có thể đếm được

+ Khoảng thời gian thiết lập của mạch đếm: tức là khoảng thời gian từ khi đưaxung đếm vào mạch cho tới khi thiết lập song trạng thái trong bộ đếm tương ứngvới khung đầu vào

Các Flip-Flop thường dùng trong mạch đếm là loại RST và JK dưới dạng rời haytích hợp

Một số mạch điển hình dùng bộ đếm

Trong thực tế bộ đếm được sử dụng rộng rãi như:dùng làm đồng hồ số,bãi đỗ xe

tự động hay đèn báo giao thông ,…

1.1.5 : Mạch tạo dao động

1.1.5.1 : Khái niệm về mạch dao động.

Mạch dao động được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện tử, như mạch

dao động nội trong khối RF Radio, trong bộ kênh Tivi mầu, Mạch dao động tạoxung dòng , xung mành trong Tivi, tạo sóng hình sin cho IC Vi xử lý hoạt động

v v

• Mạch dao động hình Sin

• Mạch dao động đa hài

• Mạch dao động nghẹt

• Mạch dao động dùng IC

Mạch dao động bằng IC

IC tạo dao động XX555 ; XX có thể là TA hoặc LA v v

Mạch tạo dao động băng IC555

IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được

xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy

thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế

được độ rộng xung Nó được ứng dụng

hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt

hay là những mạch dao động khác Đây

là linh kiện của hãng CMOS sản xuất

1.1.6 : Mạch khuếch đại vi sai

Khuếch đại vi sai là bộ khuếch đại hiệu 2 điện áp vào Hiện nay, thường sử dụngkhuếch đại thuật toán với sơ đồ đảo và không đảo để xây dựng mạch và dùng phản

- Mạch khuếch đại vi sai đơn giản.

- Mạch khuếch đại vi sai cải tiến

1.1.7 : Mạch so sánh tương tự

Mạch so sánh tương tự có nhiệm vụ so sánh 1 điện áp vào (U1) với một điện

áp chuẩn (Uch) Trong mạch so sánh tín hiệu ra(Uo)chỉ có hai mức, mức điện

áp cao(mức H-tương ứng mức logic 1 của số 1 hệ nhị phân) và mức điện ápthấp(mức L-tương ứng mức logic 0,số 0 hệ nhị phân)

II : Các linh kiện cần dùng trong bài-Mục đích sử dụng

SW-SPDT-MOM

dùng để điều chỉnh việc đóng mở động

cơ và cấp tín hiệu ở mức tích cực cao hoặc thấp vào con ic 4017

AND , AND_3 , AND_4 , OR , NOT

Dùng để đưa tín hiệu ở mức tích cực caohoặc thấp đến các IC

Dùng để căn chỉnh giá trị dòng điện điện

áp trong các mạch khuếch đạiRELAY

Dung để điều chỉnh việc cấp nguồn vào động cơ để dừng hoặc quay đảo chiều động cơ

phép

không cấp điện áp vào các tải như chônghay led

7SEG-BCD Dùng để hiển thị xe trong bãi và thời

gian dừng động cơ

2.1.2 : Khối hồng ngoại

Dùng để tạo ra xung clock có tần số với độ ổn định cấp cho khối điều khiển

Hình 3.3 Khối hồng ngoại

2.1.3 : Khối điều khiển:

Nhận xung clock từ khối hồng ngoại để điều khiển cho khối đếm

Hình3.4 Khối điều khiển

tạo dao động 1Hz.

• IC 555 có nhiệm vụ tạo ra tần số 1Hz tại đầu ra (chân 3) để cấp cho khốigiây của đồng hồ thời gian thực Xung đầu ra có dạng xung vuông ổn định

và cứ mỗi chu kì xung thì tương ứng với 1 giây

Hình3.5: cấu tạo của IC555

Chân 1 (GND): Chân cho nối masse để lấy dòng.

Chân 2 (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn là 1/3 mức nguồn nuôi

Chân 3 (Output): Chân ngả ra, tín hiệu trên chân 3 c1 dạng xung, không ở mức áp thấp thì ở mức áp cao

Chân 4 (Reset): Chân xác lập trạng thái nghĩ với mức áp trên chân 3 ở mức thấp, hay hoạt động

Chân 5 (Control Voltage): Chân làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555

Chân 6 (Threshold): Chân so áp với mức áp chuẩn là 2/3 mức nguồn nuôi

Chân 7 (Discharge): Chân có khóa điện đóng masse, thường dùng cho tụ xả điện.Chân 8 (VCC): Chân nối vào đường nguồn V+ IC 555 làm việc với mức nguồn từ

3 đến 15V

*Thiết kế và tính toán mạch tạo dao động 1Hz.

Hình3.5: Mạch tạo dao động

Hình 3.6: Dạng xung ra

Công thức tính:

Tm = ln(2) ( R1 + R2 ) C1 : thời gian điện áp mức cao

Ts = ln(2) R2 C1 : thời gian điện áp mức thấp

T = Tm + Ts : chu kỳ toàn phần

Hình 3.8 : Mạch đếm giây từ “00” đến “15”

- IC đếm 74192 : Là loại IC tích hợp bộ nhị phân không đồng bộ,song song nó

có chức năng đếm thuận nghịch Đặc biệt có thể đặt trước giá trị đếm với chân điềukhiển nạp giá trị

Chức năng các chân của IC 74192

D0 -> D3 là dữ liệu đầu vào

Q0 -> Q3 là kết quả đưa ra.

TCU đếm lên

TCD đếm ngược

UP đồng hồ đếm đầu vào

DN đồng hồ đếm ngược đầu vào

PL tải song song

MR thiết lập lại đầu vào

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý của IC 74192

Hình 3.10 Sơ đồ mạch xung

2.1.6 Khối hiển thị :

Trong các thiết bị để báo trạng thái hoạt động của các thiết bị cho ra các thong số chỉ là các dãy số đơn thuần , thường người ta sử dụng “ Led 7 đoạn “ Led

7 đoạn được sử dụng khi các dãy số không đòi hỏi quá phức tạp chỉ hiện thị số là

đủ chẳng hạn led 7 đoạn được dung để hiển thị nhiệt độ phòng , đồng hồ treo tườngbằng điện tử , hiển thị số lượng sản phẩm trong 1 công đoạn nào đó…

Led 7 đoạn có cấu tạo gồm 7 led đơn xếp ngang và có thêm 1 led đơn hình tròn nhỏ bên phải của led 7 thanh

8 led đơn của led 7 thanh có Anode (+) hoặc cathode (-) được nối chung với nhau vào 1 điểm và đượ đưa chân ra ngoài để nối vào mạch điện.7 cự còn lại trên mỗi led đơn của led 7 đoạn và 1 cực trên led đơn ỏ góc bên dưới , bên phải của led

7 đoạn được đưa thành 8 chân riêng để điều khiển cho led sáng tắt theo ý muốn

- Nếu led 7 đoạn có Anode (cực +) chung, đầu chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khitín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0.

- Nếu led 7 đoạn có Cathode (cực -) chung, đầu chung này được nối xuống Ground(hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn,led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1

Hình 3.13: Led 7 đoạn

Hình 3.14: Dạng chữ của Led 7 đoạn

Hình 3.13 Bảng giải mã Led 7 đoạn Anode

- Mã LED 7 đoạn Cathode chung, muốn thanh nào sáng ta xuất ra chân Anode của LED đơn đó mức 1 Từ đó ta có bảng giãi mã LED 7 đoạn Cathode chung như sau:

Hình 3.14 Bảng giải mã Led 7 đoạn Cathode

Vì Led 7 đoạn bên trong nó chứa các led đơn do đó khi kết nối cần đảm bảo quamỗi led đơn trong khoảng 10mA- 20mA để bảo vệ led

2.1.7 : khối cảnh báo nhiệt độ

- nhận tín hiệu điện áp từ đầu ra của lm35 đi qua mạch chuẩn hóa nếu giá trị dòng

điện và điện áp vượt mức đặt trước sẽ tác động tín hiệu đến chuông và lam chuông kêu… báo quá nhiệt

2.2 Các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế

- Đèn Led D2: Báo hết chỗ

- Led 7 thanh:

+ Hiển thị số xe có trong bãi đỗ

+ Hiển thị thời gian đếm

- Diode: Đóng vai trò như 1 cái van

2.3 Xây dựng mạch chuẩn hóa nhiệt độ

*Thiết kế và tính toán mạch tạo dao động 1Hz.

Hình3.5: Mạch tạo dao động

Hình 3.6: Dạng xung ra Công thức tính:

2.4 xây dựng mạch chuẩn háo cho cảm biến nhiệt độ

Để tín hiệu đầu ra được chuẩn hóa ta dùng sở đồ khuếch đại đảo với sơ đồ hình dưới đây :

Với giá trị điện áp Uv= (0 - > 0.502 v ) và giá trị điện áp ra là (0 - > 10V)

Vậy chon hệ số khuếch đại k = (Ur : UV) = 19,92( LẦN)

Chọn R2=R7=R4=R6=1k

Ta có biểu thức điện áp Ur = Uv*((R1+R5)/R3 + 1)*(R7/R4)

Chuẩ hóa đầu ra từ ( 0 -> 10 ) V

Với Ung= Uv=0.502V, Ur= 10V

2.5 Sơ đồ chân, bảng chân lí và ứng dụng các vi mạch sử dụng

Là IC tạo dao động tần số cấp xung nhịp

Sơ đồ khối 555

- Chân 1 (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân còn

gọi là chân chung

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

>0.75V)

- Chân 4 (RESET) : dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nốimasse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạngthái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6 Nhưng mà trongmạch để tạo được dao động thường nối chân này lên Vcc

- Chân 5 ( CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC

555 theo các mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF->0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

- Chân 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện ápkhác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu

- Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khóa này đóng lại , ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch R_C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

- Chân 8 (VCC): đây là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động không

có ,chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2->18V

• IC 4017

IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân

- Sơ đồ chân:

Hoạt động :

- Chân 14( CLK) nhận xung

- Chân (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 10, 9) (Q0-Q9) đưa dữ liệu ra ngoài, mỗi

lần kích một xung vào, một chân sé được đưa lên mức cao một cách

tuần tự, các chân còn lại ở mức thấp

- Chân 13(E): Tích cực mức thấp

- Chân 15(MR): Chân reset, mỗi khi kích lên mức cao, IC được reset

- Chân 12 (CO): Trong 5 xung đầu ( từ Q0 - Q4 lần lượt lên mức cao)

CO ở mức cao, 5 xung tiếp theo (từ Q5 – Q9 lần lượt lên mức cao)

CO ở mức thấp

Led 7 thanh: là 7 con led xếp với nhau thành một hình, nhằm thể hiện các con

số Một chân của các con led được nối với nhau ( Katot chung hoặc Anot

chung), các chân còn lại được đưa ra nhằm phân cực các con led

Sau khi tín hiệu đã được xử lý.

Tín hiệu được đưa vào bộ phận hiển thị

Đưa tín hiệu ra của bộ đếm lần lượt vào 4 chân của đèn LED 7 thanh

Tín hiệu sẽ được hiển thị thành số trên đèn

74LS85

Ngõ ra Q ở mức cao nếu ngõ vào A "AND" ngõ vào B đều ở mức cao (giống như nhân A với B): Q= A AND B Một cổng AND có thể có hai hoặc nhiều ngõvào Ngõ ra của nó ở mức cao nếu tất cả các ngõ vào ở mức cao

Cổng NOT (inverter - bộ đảo)

Ngõ ra Q ở mức cao khi ngõ vào A là đảo (Not) của mức cao, ngõ ra là đảo (ngược lại ) của ngõ vào : Q = NOT A Cổng NOT chỉ có thể có một ngõ ra Một cổng NOT cũng có thể được gọi là bộ đảo