Bài tập lớn vi mạch tương tự và vi mạch số đề tài thiết kế bãi đỗ xe tự động

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Trong lĩnh vực điều khiển, từ khi công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹ thuật điều khiển hiện đại có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạch điều khiển lắp ráp bằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy, công suất tiêu thụ nhỏ.Ngày nay, trong lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ bấm giây, đồng hồ báo giờ ... đã giúp cho đời sống cuả chúng ta ngày càng hiện đại và tiện nghi hơn.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN oOo

BÀI TẬP LỚN

BỘ MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN THỊ HẠNH

Hà nội - 2017

Lời nói đầu

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử

đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp Trong lĩnh vực điều khiển, từ khi côngnghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹ thuật điều khiểnhiện đại có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạch điều khiển lắp rápbằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy, côngsuất tiêu thụ nhỏ

Ngày nay, trong lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết

bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của con người như máygiặt, đồng hồ bấm giây, đồng hồ báo giờ đã giúp cho đời sống cuả chúng ta ngàycàng hiện đại và tiện nghi hơn

Với những kiến thức được học trên lớp và tìm hiểu thực tế Trong thời gian yêu

cầu nhóm em đã hoàn thành bài tập lớn môn học với nội dung “THIẾT KẾ HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG” Do kiến thức chuyên ngành

còn thiếu nhiều thực tế nên đồ án không tránh khỏi những sai sót, mong các thầy

cô góp ý kiến để bài làm của chúng em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn cô: Nguyễn Thị Hạnh đã giúp nhóm em hoàn thành

bài tập lớn môn này

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠCH LOGIC, MẠCH DAO

ĐỘNG, MẠCH ĐẾM 1

1.1 Mạch logic tổng hợp 1

1.1.1 Đặc điểm cơ bản và phương pháp thiết kế mạch logic tổ hợp 1

1.1.2 Bộ mã hóa và bộ giải mã 2

1.1.3 Bộ so sánh 3

1.1.4 Mạch lật 3

1.2 Mạch dãy 5

1.2.1 Bộ đếm 6

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG 7

2.1 Yêu cầu và sơ đồ khối hệ thống 7

2.1.1 Yêu cầu 7

2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 7

2.2 Liệt kê các thiết bị có trong hệ thống 8

2.2.1 Nút bấm (thay thế cho cảm biến xe ra vào) 8

2.2.2 Mạch lật (74ls112) 9

2.2.3 Bộ tích logic AND (74ls08) 10

2.2.4 Cổng NOT – Bộ đảo 10

2.2.5 Bộ cộng logic (74ls32) 11

2.2.6 Bộ cộng đảo (NOR-4) 11

2.2.7 Ic đếm (74ls190) 12

2.2.8 Ic so sánh (74ls85) 14

2.2.9 Led 7 thanh 17

2.3 Mô hình hệ thống 18

2.3.1 Mô hình cửa vào, ra 18

2.3.2 Mô hình bộ xử lý trung tâm và bộ hiển thị 19

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG 20

3.1 Sơ đồ mạch 20

3.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống 20

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 21

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠCH LOGIC, MẠCH DAO

ĐỘNG, MẠCH ĐẾM 1.1 Mạch logic tổng hợp

1.1.1 Đặc điểm cơ bản và phương pháp thiết kế mạch logic tổ hợp

a Đặc điểm cơ bản

- Mạch logic tổ hợp là mạch logic, ở đó giá trị logic của các tín hiệu rakhông phụ thuộc vào trạng thái cũ của mạch, mà hoàn toàn xác địnhbởi giá trị logic của các cửa vào của mạch ở thời điểm đó

Hình 1 1: Sơ đồ biến đổi mạch logic

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

 Lập bảng chân lý, bảng giá trị các biến ra tương ứng vớitừng tổ hợp các biến vào

 Từ bảng trạng thái xác định biểu thức hàm logic hoặc bảngcác –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

b Phương pháp thiết kế mạch logic tổ hợp

Hình 1 2: Sơ đồ bộ mã hóa

Xác định các biến vào ra và quan hệ

giữa chúng

Phân tích yêu cầu

Đơn giản hóa biểu thức logic dùngbìa Các – nô hoặc biến đổi

Mô tả biểu thức tối giản bằng các

cổng logic

Dùng mã 0, 1 để mô tả giá trị biến

đầu ra theo biến vào

Tối thiểu hóa hàm logic

Lập bảng chân lý

Vẽ sơ đồ logic

b Bộ giải mã

 Bộ giải mã nhị - thập phân

 Bộ giải mã BCD có 4 cửa vào là 4 bit nhị phân, ký hiệu chúng theotrọng số giảm dần là D, C, B, A Có các cửa ra là 10 số hệ thậpphân (số 0 đến số 9), ký hiệu chúng là y0, y1, y2, y3, y4, y5, y6, y7, y8

và y9 Ứng với mỗi tổ hợp biến vào chỉ có một biến ra xuất hiện.Quy định mức thấp (mức 0) là mức tích cực của biến ra

Hình 1 3: Sơ đồ hiện thị led 7 thanh dùng 4511

1.1.3 Bộ so sánh

- Là mạch điện để so sánh 2 số hệ nhị phân đã được chuyển hóa thànhdãy tín hiệu xung điện áp với các mức tương ứng Kết quả sau khi sosánh phải xác định được, hai số có bằng nhau không, hay số nào lớn hơn,

 Có nhiều loại flip flop khác nhau, chúng được sử dụng rộng rãitrong nhiều ứng dụng Các mạch FF thường được kí hiệu như sau

1.2 Mạch dãy

 Các phương pháp để mô tả chức năng của mạch dãy

 Phương pháp sử dụng phương trình logic:dùng để mô tả quan hệ

phụ thuộc của các biến ra theo các biến vào và trạng thái nội tạiđang có trong mạch

 Phương pháp sử dụng bảng trạng thái:dùng bảng liệt kê mối quan

hệ theo giá trị logic giữa các tập biến

 Phương pháp sử dụng đồ hình trạng thái:dùng hình vẽ phản ánh quyluật chuyển đổi trạng thái và tình hình giá trị đầu vào,đầu ra tươngứng của mạch

 Phương pháp sử dụng đồ thị thời gian:là dạng sóng công tác mô tảquan hệ tương ứng các giá trị đầu vào,đầu ra,trạng thái mạch điện

về thời gian

1.2.1 Bộ đếm

 Bộ đếm là thiết bị đếm được số xung đến cửa vào, đầu ra của bộ đếm

là số lượng xung đếm được

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG

2.1 Yêu cầu và sơ đồ khối hệ thống

2.1.1 Yêu cầu

 Thiết kế mạch điều điều khiển bãi đỗ xe tự động gồm hệ thống cảmbiến phát hiện xe + Barrie cửa vào và cửa ra

 Yêu cầu:

- Hiển thị số xe hiện có trong bãi (<99), số lượng xe vào ,ra

- Khi số xe đã đầy có đèn báo hết chỗ, không cho phép mở Barrie

- Nhập giá trị đặt số xe trong bãi từ Keypad

- Giám sát số lượng xe trong bãi từ xa

 Nhìn vào bộ phận hiển thị ta biết đựợc khi nào có xe ra , vào, số xetrong bãi, còn hay hết chỗ đỗ xe

2.2 Liệt kê các thiết bị có trong hệ thống

Tên thiết bị Số lượngNút ấn (Cảm biến xe ra vào) 4

Mạch lật (74ls112) 4

Transitor (2N1711) 6Led cảnh báo còn chỗ hay không 2

Số xe trong bãi

Bộ phận hiển thị

Xử lý tín hiệu

Đầy xe Tín hiệu ra

Bộ logic đảo (74ls14) 8

IC đếm (74ls190) 6

IC so sánh (74ls85) 4

Led 7 thanh (7SEG-BCD-GRN) 8

2.2.1 Nút bấm (thay thế cho cảm biến xe ra vào)

 Vì lý do khó có thể thực hiện mô phỏng với cảm biến xe ra vào trongproteus, nên nhóm chúng em thực hiện thay thế cảm biến xe ra vàobằng nút ấn (Button)

 Nút ấn có tác dụng thay cảm biến để nhận biết xe ra vào, tác động đếnmạch lật để đóng mở barie

 Hình a không có tín hiệu, hình b có tín hiệu

 Khi có xe vào hoặc ra khỏi bãi cảm biến sẽ nhận biết và phát tín hiệu:tương ứng với việc đóng và mở 2 nút ấn để đưa tín hiệu vào hệ thống

2.2.2 Mạch lật (74ls112)

Hình b Hình a

 IC 74ls112 là mạch lật loại J-K (đã được trình bày ở phần trên) có tácdụng để đổi trạng thái logic của các chân ra khi nhận được tín hiệuvào chân CLK từ các cảm biến (nút ấn)

 Bên dưới là bảng tín hiệu vào ra của IC

Phương trình Bảng chân lý Ký hiệu và sơ đồ chân

Hình 2 1: Hình ảnh thực tế và mô phỏng IC 74LS112

 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 cómột ngõ ra Một cổng NOT cũng có thể được gọi là bộ đảo

Phương trình Bảng chân lý Ký hiệu và sơ đồ chân

Y=´A

Bảng 3: Nguyên lý hoạt động bộ logic NOT

 Đối với hàm NOT giá trị của hàm sẽ là đảo của giá trị biến Khi biến

có giá trị bằng 0 thì hàm bằng 1 ngược lại khi biến bằng 1 thì hàm cógiá trị bằng 0

2.2.5 Bộ cộng logic (74ls32)

 Phép cộng logic còn được gọi là phép OR

 Dấu của phép cộng logic là “+” hay dấu “v”

 Tổng logic bằng 1 khi có một hay một số toán hạng bằng 1

Phương trình Bảng chân lý Ký hiệu và sơ đồ chân

 Thông số kỹ thuật:

 Điện áp hoạt động: 4.5 ~ 5.5V

 Dòng điện ngõ ra: IOH = -0.4mA, IOL = 8mA

 IC 74LS190 là IC dòng TTL dùng để đếm lên và đếm xuống chia 10

hay gọi là vi mạch thuận nghịch thập phân (MOD10)

 Khi có xung vào chân đếm của 74LS190 thì tùy vào điều kiện mà

chúng ta cấu hình đếm lên hay đếm xuống thì IC này cứ mỗi sườn lêncủa xung đầu vào thì nó giải mã ra mã BCD

 Nếu mà đếm xuống thì nó sẽ đếm và giải mã kiểu này : Xung vào thứ

1 nó giải mã BCD ra (0001) tức là số 9, tương tự như vậy thì xung thứ

2 nó giải mã BCD ra (1000) tức là số 8 cứ thế cho đến xung thứ 9 vàBCD là số 0 Còn đếm lên thì ngược lại

Hình 2 2: Hình ảnh IC trong mô phỏng

+ CLK là ngõ vào cấp xung Clock cho mạch đếm

+ CE là ngõ cho vào tích cực luôn đặt ở mức logic 0

+ U/D : Chân cấu hình cho đếm lên hay đếm xuống Nếu đếm lên thì mức 0 và đếm lùi là 1

+ PL là ngõ đầu vào thiết lập trạng thái đầu cho mạch đếm : PL= 0;

Qi = Ai ( i=0,1,2,3)

+ A0 đến A3 là các đầu vào dữ liệu

+ TC và RC là hai ngõ ra dùng để kết nối liên tầng giữa hai con 74LS190

2.2.8 Ic so sánh (74ls85)

Hình 2 4: Hình ảnh IC trong mô phỏng

 Thông số kỹ thuật:

 Điện áp cung cấp: 4.75V ~ 5.25V

 Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC

 Dòng điện ngõ ra: IOH = -0.4mA, IOL: 8mA

Hình 2 5: Sơ đồ chân IC 74LS85

Hình 2 6: Bảng chân lý

 Ở 8 trường hợp đầu mạch so sánh bình thường, lần lượt so sánh từ bítcao trước Khi tất cả các bit của 2 ngõ vào đều bằng nhau thì phải xétđến logic của các ngõ vào nối chồng (được dùng khi ghép chồng nhiều

IC để có số bit so sánh lớn hơn) Logic ở các ngõ vào này thực ra làcủa các ngõ ra tầng so sánh các bit thấp (nếu có) Trường hợp ngõ vào

nối chồng nào lên cao thì ngõ ra tương ứng cũng lên cao.Trường hợp

các bít trước không so sánh được thì các ngõ ra sau cùng đều thấp.Trường hợp không có tín hiệu ngõ vào nối chồng thì tức là dữ liệu ngõ

vào A và B khác nhau nên ngõ ra A < B và A> B đểu ở mức cao Vậy

để mạch so sánh đúng 4 bit thì nên nối ngõ nối chống A = B ở mức

Hình 2 7: Sơ đồ led 7 thanh

 Anode chung (cực + chung): đầu (+) chung này được nối với+Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt củacác led đơn Led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mứcthấp.

 Cathode chung (cực – chung): đầu (-) chung được nối xuốngGround (hay mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng tháisáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chânnày ở mức cao

 LED phát sáng với dòng thuận khoảng 520mA, khi đó điện áprơi trên LED khoảng 1,5  3V và có thể điều khiển LED theo mứclogic cao ( Katốt chung) hoặc mức logic thấp (Anốt chung)

 Led 7 thanh dùng để hiện thị số xe có trong bãi, số xe hiện có, số xecòn trống và thời gian barie đóng mở

2.3 Mô hình hệ thống

2.3.1 Mô hình cửa vào, ra

Hình 2 8: Mô hình cửa vào

 Phần cửa ra vào được thiết kế gồm có hai cảm biến đặt tại đằng trước

và sau barie (động cơ), có tác dụng phát hiện xe và gửi tín hiệu đến bộđiều khiển.Ngoài ra còn có các khối điều khiển barie và xử lý tín hiệu

2.3.2 Mô hình bộ xử lý trung tâm và bộ hiển thị

Hình 2 9: Sơ đồ khối xử lý trung tâm

 Khối xử lý trung tâm gồm có các mạch xử lý tín hiệu để tính toán và đưa tín hiệu đến bộ hiển thị

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG 3.1 Sơ đồ mạch

Hình 3 1: Sơ đồ mạch điều khiển tổng hợp

3.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống

Các biến logicstate ở các bộ đếm và bộ so sánh để ta nhập các giá trị như số xehiện có, số lượng xe tối đa (tín hiệu vào ở dạng nhị phân) mà bãi có thể chứa đựơc.Khi bắt đầu khởi động hệ thống các bộ xử lý (ic đếm 74ls190) sẽ nhận các giátrị đã đặt trước từ các logicstate và hiển thị trên bộ hiển thị (led 7 thanh)

Khi có xe đầu tiên vào, cảm biến vào thứ nhất (sensor 1) phát tín hiệu tươngứng với nút ấn đóng xuống Cấp tín hiệu vào chân CLK của ic 74ls112, làm chotín hiệu ra của ic bị thay đổi từ đó barie (động cơ) được mở lên Bộ đếm timer cótác dụng đếm và dừng mở barie Khi xe đi qua cảm biến thứ 2 (sensor 2 – nút ấnđược ấn xuống), tín hiệu cũng được cấp vào chân CKL của ic 74ls112 từ đó làmcho barie đóng lại và đồng thời tín hiệu được cấp vào chân của bộ đếm làm tăngbiến đếm lên 1, sau đó bộ phận hiển thị sẽ hiển thị trên led 7 thanh

Khi có xe thứ 2 vào, hệ thống hoạt động tương tự và bộ đếm tăng lên 1 đơn vị.Tương tự với xe ra, cảm biến cửa ra thứ nhất (sensor 3) phát tín hiệu từ đó bariecửa ra được mở lên và sau khi xe đi qua cảm biến thứ 2 (sensor 4) thì barie đượcđóng xuống và đồng thời tín hiệu được cấp vào chân của bộ đếm làm giảm biếnđếm đi 1 đơn vị, sau đó bộ phận hiển thị sẽ hiển thị ra led 7 thanh

Khi số xe hiện có bằng số xe tối đa thì bộ so sánh (ic 74ls85) sẽ so sánh và cấptín hiệu để tắt barie làm cho barie không thể mở lên khi có xe mới vào

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

Qua việc làm bài tập lớn về thiết kế bãi đỗ xe,chúng em đã biết thêm được một

số kiến thức về nguyên lý làm việc của hệ thống bãi đỗ xe tự động thực tế, cũngnhư biết được cách sử dụng và chức năng của một số ic, từ đó cũng đã thiết kếđược một mạch đơn giản ,nhưng do kiến thức còn hạn chế cộng mới thời gian làmbài ngắn ,chúng em khó có thể tránh được những thiếu xót , mong thầy cô nhận xét,đánh giá để bài làm của em hoàn thiện hơn Chúng em xin trân thành cảm ơn