Đồ Án 2 Mạch Đếm Sản Phẩm

Với mong muốn ứng dụng các kiến thức đã được học về điện tử số và các nội dung kiến thức khác, em đã lựa chọn đề tài “Thiết Kế Chế Tạo Mạch Đếm Sản Phẩm Bằng Thu Phát Hồng Ngoại” nhằm nắ

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, đã làm cho cuộc sống của chúng ta ngày càng được nâng cao về mọi mặt cả trong sinh hoạt hàng ngày cũng như trong sản xuất Với xu hướng tự động hoá và mục tiêu tăng năng suất lao động nhiều thiết bị máy móc và các mạch điện tử đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế sản xuất Với sự ra đời của các mạch điện tử đã làm tăng đáng kể năng suất lao động và làm giảm sức lao động của con người trong quá trình sản xuất Trong đồ án này em xin giới thiệu một mạch điện tử đã được ứng dụng nhiều trong thực tế đó là mạch đếm sản phẩm Mạch điện tử này

có độ chính xác cao và dễ sử dụng, nó đã thay thế cho các công nhân đứng máy nâng cao năng suất lao động tăng hiệu suất làm việc của máy móc

Với mong muốn ứng dụng các kiến thức đã được học về điện tử số và các

nội dung kiến thức khác, em đã lựa chọn đề tài “Thiết Kế Chế Tạo Mạch Đếm Sản Phẩm Bằng Thu Phát Hồng Ngoại” nhằm nắm bắt rõ hơn về hệ thống này,

cũng như kiểm chứng các kiến thức lý thuyết đã được học Mạch đếm là hệ thống đếm đơn giản, sử dụng tia hồng ngoại nhưng có thể đếm ở tốc độ cao, khả

năng tin cậy chấp nhận được

Mặc dù đã cố gắng để hoàn thành đồ án, nhưng chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy, cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về mạch đếm sản phẩm bằng thu phát hồng ngoại

Mạch đếm sản phẩm bằng thu phát hồng ngoại là mạch điện tử dựa trên phương pháp nghiên cứu và phân tích đặc tính chức năng của các linh kiện điện

tử, nguyên lý làm việc của các IC và áp dụng những kiến thức đã học cùng với

sự hướng dẫn của giáo viên phụ trách để nghiên cứu xây dựng nên một mạch có chức năng đếm sản phẩm hoạt động tốt ổn định và đúng với yêu cầu đề tài, thay thế cho các công nhân đứng máy nâng cao năng suất lao động tăng hiệu suất làm việc của máy móc

Mạch đếm sản phẩm bằng thu phát hồng ngoại còn được phát triển để ứng dụng vào các lĩnh vực khác như: đếm số lượng người ra vào một siêu thị, khách sạn, nhà hàng …

1.2 Sơ đồ khối mạch đếm sản phẩm bằng thu phát hồng ngoại

Khối tạo

xung Khối đếm

Khối giải mã

Khối hiển thị

Trong đó:

- Khối tạo xung: phát và thu tín hiệu hồng ngoại tạo xung clock cho khối đếm

- Khối đếm: Nhận xung clock từ khối tạo xung và tiến hành quá trình đếm, đồng thời xuất ra giá trị mã BCD chuyển đến khối giải mã

- Khối giải mã: Nhận giá trị BCD từ khối đếm và chuyển đổi thành giá trị LED 7 đoạn chuyển đến khối hiển thị

- Khổi hiển thị: Nhận giá trị đã chuyển đổi từ khối giải mã và hiển thị

Trong đồ án thiết kế hệ thống mạch này, bài toán đặt ra là phải thiết kế một mạch ứng dụng của đếm sản phẩm bằng thu phát hồng ngoại chạy một cách chính xác, mạch chạy ổn định, gọn nhẹ, dễ lắp đặt, dễ sữa chữa khi có hỏng hóc

và giá thành rẻ.

Mạch được thiết kế, mô phỏng và vẽ mạch in trên phần mềm ISIS (PROTEUS )

Các linh kiện được sử dụng trong mạch bao gồm: 2 IC 74LS192, 2 IC 74LS47, 1 IC NE555, 2 led 7 đoạn Anode chung, 2 led hồng ngoại, nút bấm, transistor, điện trở, dây nối và giắc cắm

1.3 Các linh kiện sử dụng trong mạch

1.3.1 IC đếm BCD 74LS192

a cấu tạo bên trong

Hình 1.1 Cấu tạo bên trong IC 74LS192

b sơ đồ chân và chức năng

Hình 1.2 Sơ đồ chân IC

P0, P1, P2, P3 (15, 1, 10, 9): Các đầu vào đặt trước dữ liệu

Q0, Q1, Q2, Q3 (3, 2, 6, 7): Các đầu ra nhị phân của bộ đếm BCD

PL (11): Đầu vào cho phép đặt dữ liệu ở mức tích cực thấp

MR (14): Đầu vào xóa dữ liệu ở đầu ra về 0000, hoạt động ở mức tích cực

cao

CPU, CPD (4, 5): Đầu vào cho phép đếm thuận,đếm nghịch

TCU,TCD (12, 13): Tín hiệu ra của bộ đếm khi đếm thuận, đếm nghịch

GND (8): Nối mass.

VCC (16): Nối nguồn cấp dòng và áp

1.3.2 IC giải mã 74LS47

Mạch giải mã được sử dụng phổ biến nhất là dùng để hiển thị kết quả ở dạng chữ số Do có nhiều loại đèn hiển thị và nhiều loại mã số khác nhau nên có nhiều mạch giải mã khác nhau

IC 74LS47 là loại IC giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn là mạch giải mã phức tạp vì mạch phải cho nhiều ngõ ra lên cao hoặc xuống thấp (tùy vào loại đèn led là anode chung hoặc catot chung) để làm các đèn sáng lên các số hoặc ký tự IC 74LS47 là loại IC tác động ở mức thấp có ngõ ra cực thu để hở và khả năng nhận dòng đủ cao để thúc trực tiếp vào các đèn led 7 đoạn loại anode chung

Hình 1.3 Hình dạng, sơ đồ chân IC 74LS47

Đây là IC giải mã từ BCD sang LED 7 đoạn với 4 chân đầu vào và 7 chân đầu ra với chức năng của các chân như sau:

- Chân 1,2,6,7: Chân dữ liệu BCD vào dữ liệu này được lấy từ IC đếm.

- Chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15: Các chân ra tác động ở mức thấp 0 và được

nối với LED 7 thanh

- Chân 8 :là chân nối đất GND.

- Chân 16: Chân nối nguồn 5V.

- Chân 4: Chân này được nối lên Vcc.

- Chân 5: Ngõ vào xóa gợn sóng RBI được để không hay nối lên cao khi

không được dùng để xóa số 0 (số 0 trước số có nghĩa hay số 0 thừa bên trái dấu chấm thập phân)

- Chân 3: Chân này cũng được nối lên nguồn Vcc.

Bảng 1.1 Bảng tóm tắt hoạt động 74LS47

thấy chú 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

X X X X X X X X X X

0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

0 0 0 0 1 1 1 1 0 0

0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0 1 0 0 1 0 1 0 0 0

0 0 0 0 0 1 1 0 0 0

0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

0 1 0 0 1 0 0 1 0 1

0 1 0 1 1 1 0 1 0 1

0 1 1 1 0 0 0 1 0 0

1 1 0 0 0 0 0 1 0 0

1

10

11

12

13

14

15

1

1

1

1

1

1

X X X X X X

1 1 1 1 1 1

0 0 1 1 1 1

1 1 0 0 1 1

0 1 0 1 0 1

1 1 1 1 1 1

1 1 1 0 1 1

1 1 0 1 1 1

1 0 1 1 1 1

0 0 1 0 0 1

0 1 1 1 0 1

1 1 0 0 0 1

0 0 0 0 0 1

2

BI

RBI

LT

X

1

0

X 0 X

X 0 X

X 0 X

X 0 X

X 0 X

0 0 1

1 1 0

1 1 0

1 1 0

1 1 0

1 1 0

1 1 0

1 1 0

3 4 5

Nhận thấy các ngõ ra mạch giải mã tác động ở mức thấp (0) thì led tương

ứng sáng Ngoài 10 số từ 0 đến 9 được giải mã, mạch cũng còn giải mã được 6 trạng thái khác, ở đây không dùng đến (ghi chú 2) Để hoạt động giải mã xảy ra bình thường thì chân LT và BI/RBO phải ở mức cao Muốn thử đèn led để các led đều sáng hết thì kéo chân LT xuống thấp (ghi chú 5) Muốn xoá các số (tắt

hết led) thì kéo chân BI xuống thấp (ghi chú 3)

Khi cần giải mã nhiều led 7 đoạn ta cũng có thể ghép nhiều tầng IC, muốn xoá số 0 vô nghĩa ở trước thì nối chân RBI của tầng đầu xuống thấp, khi này chân ra RBO cũng xuống thấp và được nối tới tầng sau nếu muốn xoá tiếp số 0

vô nghĩa của tầng đó (ghi chú 4) Riêng tầng cuối cũng thì RBI để trống hay để mức cao để vẫn hiển thị số 0 cuối cùng

1.3.3 IC LM555

a hình dạng, cấu tạo và sơ đồ chân của IC 555

- Hình dạng:

Hình 1.4 Hình dạng IC555

- Cấu tạo và sơ đồ chân của IC 555:

Hình 1.5 Cấu tạo và sơ đồ chân IC 555

+ Chân số 1 (GND) : Cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung, cho qua một điện trở R nhằm hạn chế dòng về đất

+ Chân số 2 (Trigger) : Ngõ vào của tầng so áp 2 Mức áp chuẩn là 1/3 Vcc, lấy trên cầu chia áp tạo bởi 3 điện trở 5K Khi mức áp trên chân 2 xuống đến mức 1/3Vcc thì chân 3 sẽ chuyển lên mức áp cao, lúc này khóa điện (transistor) trên chân số 7 ở trạng thái hở

+ Chân số 3 (Output): Ngõ ra Tín hiệu ở ngõ ra có dạng xung (mức áp không thấp thì cao) Khi chân 2 xuống thấp hơn mức áp chuẩn 1/3Vcc thì chân 3 lên mức áp cao và khi chân 6 lên cao hơn mức áp chuẩn 2/3Vcc thì chân 3 xuống mức áp thấp

+ Chân số 4 (Reset) : Xác lập trạng thái ngõ ra Khi chân số 4 nối mass thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra mới

có thể lúc lên cao lúc xuống thấp, tạo ra tín hiệu dạng xung

+ Chân số 5 (Control Voltage): Dùng làm thay đổi 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

+ Chân số 6 (Threshold) : Ngõ vào của tầng so áp 1 Có mức điện áp chuẩn bằng 2/3Vcc, lấy trên cầu chia áp tạo bởi 3 điện trở 5K Khi mức điện áp trên chân 6 lên đến mức 2/3Vcc thì chân 3 chuyển xuống mức áp thấp, lúc này khóa điện (transistor) trên chân số 7 ở trạng thái đóng

+ Chân số 7 (Discharge) : Chân xả điện, là ngõ ra của một khóa điện (transistor) đóng mở theo điện áp, khóa điện này đóng mở theo mức điện áp trên chân số 3 Khi chân 3 ở mức áp cao thì khóa điện đóng lại và cho dòng chảy ra, khi chân số 3 ở mức áp thấp thì khóa điện hở và cắt dòng chảy ra trên chân số 7 + Chân số 8 (Vcc) : Chân nguồn, nối với nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC555 Nguồn nuôi cấp cho IC 555 trong khoảng từ +3V đến +18v

b nguyên lý hoạt động

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động IC 555

Trong quá trình hoạt động bình thường của IC 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3

- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp

ở thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3 Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C

- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3 Xả điện với thời hằng là Rb.C

- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện

1.3.4 LED 7 đoạn

Gồm 7 led xếp lại với nhau theo hình mẫu Một chân của con LED được nối chung lại với nhau Ở mạch đếm sản phẩm ta sử dụng LED có Anot nối chung

Hình 1.7 Sơ đồ chân của LED 7 đoạn Anot chung

+ Vcc là các chân cấp nguồn chung

+ Các chân a, b, c, d, e, f, g, dp là các chân cấp nguồn cho các thanh tương ứng a, b, c, d, e, f, g, dp

- Trong đề tài ta sử dụng Led Anot chung:

+ Chân 3 và 8 là 2 chân Vcc nối ngắn mạch lại với nhau, sau đó nối chung với chân Anode của 8 led đơn, vậy muốn led nào đó sáng thì chỉ việc nối chân Katot xuống mass

+ Điện áp giữa Vcc và mass phải lớn hơn 1.3V mới cung cấp đủ led sáng, tuy nhiên không được cao quá 3V

Led Anot chung:

Hình 1.8 Biểu diễn các led trong led 7 đoạn

Để có tín hiệu vào Led 7 đoạn thì ta phải có mạch giải mã từ mã BCD sang led 7 đoạn

Tín hiệu đầu vào a, b, c, d, e, f, g để kích thích cho Led sáng tương ứng hiển thị 7 đoạn Với Led Anot chung thì tín hiệu đầu vào phải ở mức logic thấp thì Led mới sáng

Bảng 1.3.4 Bảng chức năng của led 7 đoạn

thị

CHƯƠNG II THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO

MẠCH

2.1 Yêu cầu thiết kế mạch

- Số đếm phải chính xác và reset về ban đầu 1 cách chính xác, mạch đếm

sản phẩm chỉ từ 00 đến 99 nên khi có tràn thì mạch sẽ đếm vòng tiếp theo

- Bộ phận hiển thị rõ ràng

- Mạch ổn định

- Gọn nhẹ, dễ lắp đặt, dễ sửa chữa khi có hỏng hóc

- Chi phí thấp

2.2 Thiết kế và tính toán

2.2.1 Sơ đồ khối

Khối tạo

xung Khối đếm

Khối giải mã

Khối hiển thị

- Khối tạo xung: phát và thu tín hiệu hồng ngoại tạo xung clock cho khối

đếm

- Khối đếm: Nhận xung clock từ khối tạo xung và tiến hành quá trình

đếm, đồng thời xuất ra giá trị mã BCD chuyển đến khối giải mã

- Khối giải mã: Nhận giá trị BCD từ khối đếm và chuyển đổi thành giá trị

LED 7 đoạn chuyển đến khối hiển thị

- Khổi hiển thị: Nhận giá trị đã chuyển đổi từ khối giải mã và hiển thị.

2.2.2 Thiết kế khối tạo xung (thu phát hồng ngoại)

Hình 2.1 Khối tạo xung (thu phát hồng ngoại)

- Tính toán lựa chọn linh kiện

Led phát - thu ta sử dụng led hồng ngoại Led phát màu trắng, led thu màu đen

Dòng qua led phát dao động trong khoảng 10mA, sụt áp là khoảng 2V

Dùng trở R=220Ω để hạn dòng giúp cho led hoạt động tốt

Để cho Triger RS bên trong 555 hoạt động thì điện áp vào chân 2 phải thấp hơn Vcc/3 (1.67V) ta cần mắc thêm 1 trở R20 = 10K vào trong mạch

Các tụ C3=102F và C6=104F có chức năng lọc nhiễu và giữ điện áp chuẩn được ổn định

Để thay đổi độ nhạy cho tín hiệu ra, ta cần thay đổi độ rộng xung ra:

Nên em chọn C4=10uF và RV2=10K để có thể thay đổi 1 cách chính xác Vì điện áp ra tại chân 3 của 555 không đủ lớn để cấp cho khối đếm hoạt động nên mắc thêm Transistor loại npn, mắc E chung nhằm khuếch đại điện áp lên, vậy transistor em chọn là C1815

2.2.3 Thiết kế khối đếm

Hình 2.2 Khối đếm

Khối đếm làm nhiệm vụ nhận dữ liệu từ Khối tạo xung và đếm, trong mạch

sử dụng 2 IC 74LS192, khi IC thứ nhất đếm hết chu trình thì chuyển sang IC tiếp theo Giá trị ở mỗi IC 74LS192 được mã hóa BCD ở các chân đầu ra đến khối hiển thị

=> Vậy nên em lựa chọn IC đếm đồng bộ 74192 là bộ đếm nhị phân chia 10

mã hóa ra BCD

2.2.4 Thiết kế khối giải mã và hiển thị

Hình 2.3 Khối giải mã và hiển thị

Hoạt động: nhiệm vụ của khối giải mã và hiển thị là hiển thị thông số lên Led 7 đoạn nhờ IC giải mã BCD từ khối đếm sau đó đưa ra mã Gray ở đầu ra chuyển về Led 7 đoạn (Anot chung) để hiển thị

- Khối giải mã:

+ Chúng ta sử dụng IC 74LS47: Nó nhận tín hiệu từ ngõ vào QA, QB, QC, QD của IC 74192 để giải mã ra led 7 thanh

- Khối hiển thị:

+ Chúng ta sử dụng loại led 7 thanh Anode chung vì đầu ra của IC 74LS47 ở mức thấp

+ Dòng để led 7 đoạn hoạt động tốt là 20mA

Vậy ta lựa chọn trở hạn dòng cho led R=220Ω

Hình 2.4 Sơ đồ mắc trở và Led 7 đoạn Nguyên lý toàn mạch:

Khi có một sản phẩm đi qua giữa led thu và led phát thì led thu nhận được một xung và cấp vào chân số 2 của IC 555 lúc này mạch IC 555 ở phần thu nhận được một xung âm hẹp (do tín hiệu phát ra ở led phát ở mức cao) tác động tức thời ở ngõ vào làm mạch thay đổi trạng thái và tại ngõ ra chân 3 sẽ có xung dương ra Độ rộng xung ra có thời gian dài hay ngắn tùy thuộc mạch định thì RC ( ta dùng biến trở để điểu chỉnh), lúc này chân 5 của IC74192 nhận được một xung từ chân 3 của phần thu, tức là có xung kích cạnh lên lúc đó IC74192 nhận được một xung thì tín hiệu ngõ ra A=1, B=0, C=O, D=O Các tín hiệu dạng số này qua IC giải mã 7447 thì hiển thị thành số 1, như vậy khi có một xung kích hay một sản phẩm đi qua thì led sẽ hiển thị tăng dần lên

Khi hàng đơn vị đếm được số 9 nếu có thêm một xung nữa thì cờ báo tràn

ở chân 14 ở mức cao đồng thời reset led ở hàng đơn vị từ số 9 về số 0 lúc này nếu có thêm một xung nữa thì led hàng chục tăng lên một cứ thế nếu hàng đơn

vị tăng đến 9 thi hàng chục lại tăng thêm 1 do chân 14 của hàng đơn vị nối với chân 11 của hàng chục

2.3 Chế tạo mạch

Quá trình vẽ mạch nguyên lý trên phần mềm Proteus

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của mạch

Hình 2.6 Mạch in

Hình 2.7 Hình ảnh 3D của mạch

Hình 2.8 Mạch thật

2.4 Kết quả thu được

Sau khi thi công và khảo sát mạch đếm sản phẩm bằng thu phát hồng ngoại, mạch đã đạt được những yêu cầu đặt ra từ trước như:

 Biết cách chế tạo một mạch đếm số sử dụng các IC số đơn giản

 Thiết kế và mô phỏng hoạt động của mạch đếm sản phẩm bằng phần mềm Proteus

 Mạch thiết kế đơn giản, chi phí thấp

 Mạch hoạt động ổn định

 Đảm bảo tính thẩm mỹ

Trong quá trình thiết kế vẫn có những khuyết điểm:

 Tín hiệu hồng ngoại từ Led phát không đủ mạnh để truyền đi xa trong không gian nên để Led thu hoạt động một cách mạnh và ổn định nhất thì khoảng cách Led thu và Led phát phải không quá xa

 Vì mạch hoạt động theo nguyên lý nhận tín hiệu hồng ngoại tạo xung clock để đếm nên khi hai người đứng quá gần nhau thì tín hiệu hồng ngoại vẫn bị che khuất

Nghệ An, ngày tháng năm

Sinh viên thực hiện