Kỹ thuật xung số - Điều khiển hệ thống đèn giao thông

Đi n CLC K8ện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hàng Đ i h c Công Nghi p Hàại học Công Nghiệp Hà ọc Công Nghiệp Hà ện CLC K8N iội Lời mở đầu Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số đã trở thành

ĐỖ QUANG NGHĨA

TRẦN THẾ TRUNG

Đi n CLC K8ện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hàng Đ i h c Công Nghi p Hàại học Công Nghiệp Hà ọc Công Nghiệp Hà ện CLC K8

N iội

M c l c ục lục ục lục

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG

I Mạch tổ hợp ………5

II Mạch dãy 6

III Mạch tổ hợp 8

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG 11

1 Sơ đồ nguyên lý mạch……… 11

2 Các linh kiện sử dụng trong mạch thiết kế 11

a) Phần tử đảo (NOT): 11

b) Phần tử OR: 11

c) Phần tử logic AND: 12

d) LED 7 thanh: 13

e) Nút ấn (button): 16

f) Công tắc 2 chiều: 17

g) IC 47LS190: 17

h) IC 74LS47: 19

i) IC 4017: 21

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MẠCH ĐÈN GIAO THÔNG 21

Nhận xét đánh giá của giáo viên hướng dẫn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Đi n CLC K8ện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hàng Đ i h c Công Nghi p Hàại học Công Nghiệp Hà ọc Công Nghiệp Hà ện CLC K8

N iội

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 ngành kinh 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 của một thuật ngữ kỹ thuật Nhờ có ưu

điểm của xử lý số như độ tin cậy trong truyền dẫn, tín đa thích nghi và

kinh tế của nhiều phần mềm khác nhau, tín tiện lợi trong điều khiển và

khai thác mạng

Số hóa đang là xu hướng phát triển tất yếu của nhiều lĩnh vực kỹ

thuật và kinh tế khác nhau Không chỉ trong lĩnh vục thông tin liên lạc vàtin học Ngày nay, 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 tử nói chung đã tạo ra nhiều bước đột phá mới mẽ cho các ngàng

kinh tế khác và còn đảm bảo được yêu cầu của người dùng cả về chất

lượng và dịch vụ Đồng thời kiến thức về kỹ thuật số là không thể thiếu đối với mỗi sinh viên, nhất là sinh viên điện tử

Và như mội người nhận thấy rằng, ngày nay trật tự giao thông nước ta

đang rối ren Vì vậy việc sử dụng đèn giao thông tại những giao lộ là rất

cần thiết và để hiểu 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 hiện bằng các IC 555 hoặc bộ tạo xung PULSE, 4017

kết hợp một số đèn led để hiển thị và một số tụ cũng như điện trở để tạo

xung nhịp Với việc sử dụng các bộ IC trên ta có thể thực hiện đèn giao

Khi tổng hợp mạch logic tổ hợp ta cần phải tuân thủ các bước dưới đây:

- Lập bảng chức năng logic của mạch Đó là bảng chân lí hay bảng trạng thái, là bảng giá trị các biến ra tương ứng với tổng tổ hợp của các biến vào.

- Từ bảng trạng thái xác định biểu thức hàm logic hoặc bảng Các nô.

- Tiến hành tối thiểu hóa hàm logic và đưa về dạng thuận lợi để triển khai hàm

thông qua các mạch logic cơ bản.

1.1Các phương pháp tối thiểu hóa logic

- Tối thiểu hóa hàm logic bằng cách sử dụng các định luật cơ bản của đại số logic

- Tối thiểu hóa hàm logic bằng biểu đồ Các nô.

1.2Tổng hợp hàm logic ràng buộc

Khái niệm về hàm logic ràng buộc

Hàm số n biến số 2 n tổ hợp biến,tương ứng với mỗi tổ hợp biến số có giá trị 1 hoặc 0 Nhưng cũng có những trường hợp với một số tổ hợp biến số hàm số của các biến số đó không xác định được giá trị thoe một điều kiện nào đó.

Phần tử ràng buộc hay số hạng ràng buộc là tổ hợp biến tương ứng với trường hợp hàm số không xác định, số hạng ràng buộc luôn bằng 0.

Điều kiện ràng buộc là biểu thức logic tạo bởi tổng các phần tử ràng buộc.

Vậy điều kiện rang buộc cũng luôn bằng 0.

Hàm logic rành buộc là hàm số logic xác định với điều kiện ràng buộc.

Tối thiểu hóa hàm logic ràng buộc có 2 cách: tối thiểu hoa bằng công thức hoặc bằng bảng các nô.

Đi n CLC K8ện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hàng Đ i h c Công Nghi p Hàại học Công Nghiệp Hà ọc Công Nghiệp Hà ện CLC K8

N iội

2 Bộ mã hóa và giải mã

2.1 Bộ mã hóa nhị phân – thập phân ( bộ mã BCD )

Bộ mã hóa nhị phân là bộ mã hóa có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số thập phân thành mã hệ nhị phân Dạng này còn được gọi là BCD( Binary Code Decimal).

Bảng chân lý mã hóa BCD theo mã 8421

Sơ đồ nguyên lý bộ mã nhị phân

2.2 Bộ giải mã nhị phân – thập phân ( bộ giải mã BCD )

Bộ giải mã BCD có 4 của vào là 4 bit nhị phân, ký hiệu chúng theo trọng số giảm dần là D,C,B,A có các cửa ra là 10 số hệ thập phân( số 0 đến 9 ) Ký hiệu chúng là y0, y1, y2, y3, y4, y5, y6, y7, y8, y9 Ứng với mỗi tổ hợp biến vòa chỉ cóc 1 biến ra xuất hiện Quy ước mức thấp nhất ( mức 0) là mức tính cực của biến ra

Bảng chân lý bộ giải mã BCD theo mã 8421

Sơ đồ nguyên lý bộ giải mã BCD

II Mạch dãy

1 Khái niệm mạch dãy.

- Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ được tạo bởi các mạch lật, các

mạch cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biến vào mà còn phụ thuộc cả vào trnag thái hiện tại của mạch

- Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lưu dữ liệu hoặc biến đổi dữ liệu số

từ nối tiếp sang song song và ngược lại mỗi mạch lật chỉ lưu giữ được một bit Vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit thì phải được tạo từ bấy nhiêu mạch lật.

Thanh ghi nhận dữ liệu song song

_ Thanh ghi nhận dữ liệu song song dài 4 bit có 4 mạch lật kiểu D kí hiệu theo thứ tự F0-F3 4 bit dữ liệu ngõ vào D của 4 mạch lật D0- D3, D0-D3 là ngõ ra của 4 mạch lật cũng là ngõ ra của thanh ghi Q3Q2Q1Q0 = D3D2D1D0

Bộ ghi dịch

2 Bộ đếm

Là thiết bị đếm được số xung đến cửa vào, đầu ra của bộ đếm là số lượng dung đếm được Bộ đếm rất đa dang, ở đây ta xét 2 loại là bộ đếm nhị phân đồng bộ và bộ đếm thập phân đông bộ

- Bộ đếm nhị phân đồng bộ

Số xung đếm được là N=2^n Gồm 4 mạch lật kiểu JK kí hiệu từ F0-F3 , sử dụng 4 mạch NAND tạo mạch logic tổ hợp điều khiển Xung đồng bộ đồng thời cấp đến cả 4 mạch lật, của vào là J,K mạch lật thứ nhất ( F0) đều có mức” 1” Q0- Q3 là các ngõ ra của 4 mạch lật cũng là ngõ ra dữ liệu của bộ đếm.

Giản đồ thời gian

- Bộ đếm thập phân đồng bộ

Bộ đếm thập phân đồng bộ là bộ đếm 4 bit chỉ đến 10 xung CP Nội dung bộ đếm là mã nhị phân của 10 chữ số thập phân 0-9 , gọi là mã BCD Vậy mạch tạo bởi 4 mạch lật và các mạch cổng logic Một trong

số các bộ đếm thập phân đồng bộ thoe mã BCD 8421 có sơ đồ như hình

Mạch có 4 mạch lật kiểu JK được ký hiệu từ F0=F3 và sử dụng 5 mạch AND xung đồng thời cấp cả đến 4 mạch lật cửa vào J,K của mạch thứ nhất ( mạch F0) đều có mức “ 1” Q0 - Q3 là các ngõ ra của 4 mạch lật cũng là ngõ dữ liệu của bộ đếm C là đầu ra nhớ hàng thậy phân cao hơn của bộ đếm

Ta thực hiện việc phân tích bộ đếm theo các bước sau đây:

Đi n CLC K8ện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hàng Đ i h c Công Nghi p Hàại học Công Nghiệp Hà ọc Công Nghiệp Hà ện CLC K8

N iội

B1: Xác định các loại phương trình( phương trình định thời, phương trình đầu ra, phương tình kích)

B2: Xác định phương trình trạng thái B3: Xây dựng bảng tính toán.

B4: Lập bảng trạng thái, vẽ sơ đồ hình trạng thái

Đồ thị dạng sóng của bộ đếm thuận thập phân đồng bộ với mã BCD 8421

III Mạch dao động

1 Khái niệm

Mạch dao động là mạch điện tử tạo tín hiệu đổi theo chu kì Dựa vào dạng tín hiệu do mạch dao động tạo ra, người ta chia mạch dao động ra làm: mạch dao động hình sin( dao động điều hòa) và mạch dao động tạo xung Mạch dao động tạo được tín hiệu có tần số từ vài Hz đến hàng nghìn MHz.

Các mạch dao động sử dụng các phần tử tích cực là: Tranzotor ( loại lưỡng cực hoặc FET), điốt- tuynen, mạch tích hợp KĐTT hoặc các mạch tích hợp với các chức năng khác.

Các tham số cơ bản của mạch dao động gồm: tần số tín hiệu ra, công suất ra và hiệu suất của mạch.

Ta thường gặp các nguyên tắc dao động như: tạo dao động bằng hồi tiếp dương và tạo dao động bằng các phương pháp tổng hợp mạch

2 Điều kiện tạo dao động

Ta xét sơ đồ khối mạch dao động mô tả như trên hình 1.1 Trong đó, ta

ký hiệu và gọi X ’

1 - tín hiệu ra dạng phức và X ’

F – tín hiệu phản hồi dạng phức.

Khối 1: khối khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức:

F

= X ’

I khi đó 2 điểm a và a ’ cso thể nối được với nhau mà tín hiệu ra X ’

0 không thay đổi vậy mạch tọa dao động được tín hiệu ra mà không cần có kích thích cửa vào.

Ta suy ra điều để duy tì dao động là tích các hệ số khuếch đại dạng phức vòng kín bằng 1.

Hay có thể viết:

K ’ K ’

F = KK F e jα(α

K+αF)

Có thể tách điều kiện trên ra làm 2 biểu thức:

Điều kiện cân bằng biên độ: KK F =1

Điều kiện cân bằng góc pha: α K +α F =2πn với n= 0, +1, -1, …

Đi n CLC K8ện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hàng Đ i h c Công Nghi p Hàại học Công Nghiệp Hà ọc Công Nghiệp Hà ện CLC K8

N iội

3 Kết luận

Mạch dao động là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng phản hổi dương ra quay lại đầu vào Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn một chiều được cung cấp mạch phải đảm bảo cân bằng biên độ và cân bằng pha Mạch dao động chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng một chiều thành xoay chiều mạch dao động chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để bảo đảm cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN

GIAO THÔNG.

I Sơ đồ nguyên lý mạch

1 Sơ đồ khối

Bộ hiển thị

Bộ giải mã

Bộ đếm

Bộ tạo

xung

Nguồn

* Khối 1 : là 1 bộ tạo xung PULSE có nhiệm vụ tạo xung đi vào khối 2

* Khối 2: là 2 IC 74LS190 mắc nối tiếp, tiếp nhận xung từ khối 1 , thựchiện function đếm thập phân , và truyền tín hiệu đến khối 3 để giải mã

* Khối 3: là 2 IC 74LS47, IC 74LS47 có chức năng giải mã từ BCD sangled 7 đoạn Mỗi IC sẽ giải mã một nhóm tín hiệu song song xuất ra từmột IC 74LS190 ở khối 2

* Khối 4: khối hiển thị, hiển thị số từ bộ giải mã 74LS47

* Khối 5: khối nguồn, ta dùng nguồn nuôi 5V

1 Các linh kiện sử dụng trong mạch thiết kế

a) Phần tử đảo (NOT)

Chức năng:

Thực hiện phép toán logic ĐẢO (NOT)

Cổng ĐẢO chỉ có 1 đầu vào:

ký hiệu:

Bảng thật:

out A

Đi n CLC K8ện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hàng Đ i h c Công Nghi p Hàại học Công Nghiệp Hà ọc Công Nghiệp Hà ện CLC K8

- Dùng thực hiện hàm AND 2 hay nhiều biến

- Cổng AND có số ngã vào tùy thuộc số biến và một ngã ra Ngã ra của cổng là hàm AND của các biến ngã vào

- Ký hiệu cổng AND 2 ngã vào cho 2 biến

0 1

Ký hiệu toán học của hàm VÀ là Y=A.B

- Nhận xét:

- Ngã ra cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả ngã vào lên cao

- Khi có một ngã vào = 0, ngã ra = 0 bất chấp các ngã vào còn lại

- Khi có một ngã vào =1, ngã ra = AND của các ngã vào còn lại

Vậy với cổng AND 2 ngã vào ta có thể dùng 1 ngã vào làm ngã kiểm

soát (H 3.3b), khi ngã kiểm soát = 1, cổng mở cho phép tín hiệu logic ở ngã vào còn lại qua cổng và khi ngã kiểm soát = 0, cổng đóng , ngã ra

luôn bằng 0, bất chấp ngã vào còn lại

Đi n CLC K8ện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hàng Đ i h c Công Nghi p Hàại học Công Nghiệp Hà ọc Công Nghiệp Hà ện CLC K8

N iội

Với cổng AND có nhiều ngã vào hơn, khi có một ngã vào được đưa lênmức cao thì ngã ra bằng AND của các biến ở các ngã vào còn lại

Hình (H 3.4) là giản đồ thời gian của cổng AND hai ngã vào Trên giản

đồ, ngã ra Y chỉ lên mức 1 khi cả A và B đều ở mức 1

led Các led đơn lần lượt được gọi tên theo chữ cái A- B -C-D-E-F-G, vàdấu chấm dot

Như vậy nếu như muốn hiển thị ký tự nào thì ta chỉ cần cấp nguồn vàochân đó là led sẽ sáng như mong muốn

Led comon

Thông số :

LED 7 thanh dù có nhiều biến thể nhưng tựu chung thì cũng chỉ vẫn có 2loại đó là :

+ Chân Anode chung (chân + các led mắc chung lại với nhau )

+ Chân Catode chung (Chân - các led được mắc chung với nhau )

* Đối với loại Anode chung :

+ Chân 3 và 8 là 2 chân Vcc(nối ngắn mạch lại với nhau , sau đó nốichung với chân anode của 8 led đơn ), vậy muốn led nào đó sáng thì chỉviệc nối chân catot xuống mass

Điện áp giữa Vcc và mass phải lớn hơn 1.3 V mới cung cấp đủ led sáng

Cathode chung :

Đi n CLC K8ện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hàng Đ i h c Công Nghi p Hàại học Công Nghiệp Hà ọc Công Nghiệp Hà ện CLC K8

N iội

e) Nút ấn (button)

Hình a Hình b

 Trạng thái mở : Không có tín hiệu ( hình a )

 Trạng thái đóng : có tín hiệu (hình b )

Ở trạng thái bình thường nút ấn ở trạng thái mở(hình a), khi chúng tanhấn nút thì nút ấn chuyển trạng thái sang đóng(hình b)tức là có tín hiệu

đi qua và làm thay đổi trang thái của đèn,

Nút ấn có chức năng chỉnh sự sai lệch của đèn báo Ví dụ: đèn chuyểnmàu theo thứ tự Xanh => Vàng => Đỏ rồi lại quay lại chu trình này liêntục, nhưng khi có sự sai lệch về thời gian bắt đầu của 2 cột đèn thì dẫn

đến tình trạng các đèn báo sai, như cột đèn bên đường A báo đèn Xanhthì cột bên đường B phải báo đèn Đỏ nhưng Cột đèn B do quá trình vậnhành đã chạy sai và báo tín hiệu đèn Xanh giống Cột đèn đường A Do

đó chúng ta phải cho chương trình chạy theo đúng quy luật Khi nhấn nút thì đèn báo sẽ reset lại từ thời điểm ban đầu của đèn kếtiếp

f) Công tắc 2 chiều

Hình a Hình b

 Trạng thái nối đất

 Trạng thái nối nguồn

Trong mạch giao thông, sử dụng công tắc 2 chiều này để đóng

và ngắt mạch.

- Ở trạng thái nối nguồn thì đèn ngừng hoạt động

- Ở trạng thái nối đất thì đèn hoạt động bình thương

g) IC 74LS190

Đây là IC đếm thập giai đồng bộ,có khả năng đếm lên hoặc xuống, cómột ngõ vào ENABLE tác động ở mức thấp Có một chân D/U´ NgõRCO bình thường ở cao và xuống thấp khi số đếm đạt đến giá trị Maxhay Min

Đi n CLC K8ện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hàng Đ i h c Công Nghi p Hàại học Công Nghiệp Hà ọc Công Nghiệp Hà ện CLC K8

N iội

Ngoài ra, IC này còn có 4 chân để load dữ liệu trước khi đếm và 4 chânđưa dữ liệu ra ngoài

Dưới đây là sơ đồ của 74LS190:

Bảng chi tiết từng chân:

13 RCO Nơi phát ra xung khi kết thúc 1 chu kỳ

14 CLK Nơi tiếp nhận tín hiệu vào

15, 1, 10, 9 D 0 đến D 3 Dữ liệu vào

Ở đây, do yêu cầu của chúng ta là cần phải cho mạch đếm trongkhoảng 0 đến 99, nhưng mỗi IC 74190 chỉ có thể đếm trongkhoảng 0- 9 nên ta phải ghép chồng 2 IC 74190 lại với nhau

Một IC sẽ đảm nhận vai trò đếm hàng đơn vị, một sẽ đếm hàngchục.

Để đảm bảo yêu cầu này, ta lợi dung ngõ ra RCO của IC đếmhàng đơn vị nối đến ngõ CLK của IC đếm hàng chục Mỗi ICđếm đồng bộ, nhưng cả khối 2 IC đếm không đồng bộ vì xungdợn sóng từ IC này qua IC khác

h) IC 74LS47

Đây là IC giải mã BCD sang Led 7 đoạn, có mức tác động thấp, cựcthu để hở Nó có cùng tính chất với 74247 nhưng điểm khác là 74247

Đi n CLC K8ện CLC K8 Trường Đại học Công Nghiệp Hàng Đ i h c Công Nghi p Hàại học Công Nghiệp Hà ọc Công Nghiệp Hà ện CLC K8

BI/ RBO Ngõ vào xoá/ ngõ ra xoá dợn sóng ( tđ thấp)

QA đến QG Điều khiển các thanh led ( tđ thấp)

 Ngõ vào xoá BI (blanking input) được để không hay nối lên cao

cho hoạt động giải mã bình thường Ngõ vào xoá dợn sóng RBI

(Ripple blanking input) được để không hay nối lên caokhi không

được dùng để xoá số 0 [ở trước số có nghĩa hay số không thừa ở

bên sau dấu chấm thập phân]

 Khi nối BI ở mức thấp, các ngõ ra đều tắt, bất chấp các trạng thái ở các ngõ vào khác