Đồ án tốt nghiệp: Mạch đồng hồ thể thao

Trong lĩnh vực điều khiển, từ khi cơng nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹthuật điều khiển hiện đại cĩ nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạchđiều khi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

Giới hạn đề tài.

Phần II Cơ sở lý thuyết……… 6

Giới thiệu các IC sử dụng trong mạch

Phần III: Thiết kế và thi cơng……… 15

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN.

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển khơng ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngànhđiện tử đã ứng dụng rất nhiều trong cơng nghiệp Trong lĩnh vực điều khiển,

từ khi cơng nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹthuật điều khiển hiện đại cĩ nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạchđiều khiển lắp ráp bằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độlàm việc tin cậy, cơng suất tiêu thụ nhỏ

Ngày nay, trong lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trongcác thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của con ngườinhư máy giặt, đồng hồ báo giờ… đã giúp cho đời sống cuả chúng ta ngàycàng hiện đại và tiện nghi hơn

Đề tài “Mạch đồng hồ thể thao” rất đa dạng và phong phú, cĩ nhiềuloại hình khác nhau dựa vào cơng dụng và độ phức tạp Do tài liệu tham khảobằng Tiếng Việt cịn hạn chế, trình độ cĩ hạn và kinh nghiệm trong thực tếcịn non kém, nên đề tài chắc chắn cịn nhiều thiếu sĩt Vì vậy rất mong nhậnđược những ý kiến đĩng gĩp, giúp đỡ chân thành của các thầy cơ cũng như

PHAÀN I Dẫn Nhập

Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện

tử đã, đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệuquả trong hầu hết các lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như trong đời sống xãhội

Việc gia công, xử lý các tín hiệu điện tử hiện đại đều dựa trên cơ sởnguyên lý số Vì các thiết bị làm việc dựa trên cơ sở nguyên lý số có ưu điểmhơn hẳn so với các thiết bị làm việc dưạ trên cơ sở nguyên lý tương tự, đặcbiệt là trong kỹ thuật tính toán

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử đã cho ra đời nhiều vimạch số cỡ lớn với giá thành rẻ và khả năng lập trình cao đã mang lại nhữngthay đổi lớn trong ngành điện tử Mạch số ở những mức độ khác nhau đã đangthâm nhập trong các lĩnh vực điện tử thông dụng và chuyên nghiệp một cáchnhanh chóng Các trường kỹ thuật là nơi mạch số thâm nhập mạnh mẽ vàđược học sinh, sinh viên ưa chuộng do lợi ích và tính khả thi của nó Vì thế sựhiểu biết sâu sắc về kỹ thuật số là không thể thiếu đối với sinh viên ngành điện

tử hiện nay Nhu cầu hiểu biết về kỹ thuật số không chỉ riêng đối với những

người theo chuyên ngành điện tử mà cịn đối với những cán bộ kỹ thuật khác

cĩ sử dụng thiết bị điện tử

II.Mục đích yêu cấu.

Sự cần thiết,quan trọng cũng như tính khả thi và lợi ích của mạchsố cũng chính là lý do để chọn và thực hiện đề án “thiết kế mạch đồng hồthể thao” nhằm ứng dụng kiến thức đã học về kĩ thuật số vào thực tế

III.Giới hạn đề tài.

Trong phạm vi tập đề án này, người thực hiện chỉ thiết kế và thi công

mạch đồng hồ thể thao gọn, đơn giản

Chân 2, 6, 11, 14( Q0, Q1, Q2, Q3):ngõ ra để đưa đến mạch giải mã.Chân 3, 4, 12, 13: các giá trị nạp A0, A1, A2, A3.

Chân 5(CE): cho phép đếm

Mức 0 : đếm

Mức 1 : bị khóa

Chân 7(CT): chân báo kết thúc đếm

Khi đếm từ 0 đến 9 thì CT = 0

Khi đếm từ 9 về 0 thì CT = 1

Chân 8: nối mass

Chân 9: chân reset

Chân 10: cho phép đếm lên hoặc đếm xuống Trong mạch ta sử dụng đếm lên nên chân U/D nối nguồn

Chân 15(CLK): ngõ vào xung

Chân 16: nối VCC

Hình 2:Bảng trạng thái của IC4510.

I.2 IC 4013.

Hình dưới đây làcấu tạo bên trong của IC

Theo hình thì IC chứa 2 FF hoạt động riêng biệt Ngõ vào xung Clock là chân số 3 và chân 11 tích cực cạnh lên.

FF hoạt động như sau:

I.3 IC giải mã 74LS47.

Mạch giải là mạch cĩ chức năng ngược lại với mạch mã hố Mụcđích sử dụng phổ biến nhất cũa mạch giải mã là làm sáng tỏ các đèn để hiển

thị kết quả ở dạng chữ số Do có nhiều loại đèn hiển thị và có nhiều loại mã sốkhác nhau nên có nhiều mạch giải mã khác nhau, ví dụ: giải mã 4 đường sang

10 đường, giải mã BCD sang thập phân…IC74LS47 là loại IC giải mã BCDsang led 7 đoạn Mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn là mạch giải mã phứctạp vì mạch phải cho nhiều ngõ ra lên cao hoặc xuống thấp( tuỳ vào loại đènled là anod chung hay catod chung) để làm các đèn cần thiết sáng nên các sốhoặc 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 các đèn led 7 đoạn loại anodchung

b) Hình dáng và sơ đồ chân.

Hinh 5:Hình dáng và sơ đồ chân của IC 74LS47

Chân 1, 2, 6, 7: Chân dử liệu BCD vào

Chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15: Các chân ra tác động mức thấp

Chân 8: Chân nối mass

Chân 16: Chân nối nguồn

Chân 4: Gồm ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên cao chohoạt động giải mã bình thường Khi nối BI ở mức thấp, các ngõ ra đều tắt bấtchấp trạng thái của các ngõ vào

Chân 5: Ngõ vào xoá dợn sóng RBI được để không hay nối lên caokhi không được dùng để xoá số 0( số 0 ở trước số có nghĩa hay số 0 thừa bêntrái dấu chấm thập phân).

Chân 3: Ngõ vào thử đèn LT ở cao các ngõ ra đều tắt và ngõ ra xoádợn sóng RBO thấp Khi ngõ vào BI/RBO để không hay nối lên cao và ngõvào LT giữ ở mức thấp các ngõ ra đều sáng

c) Sơ đồ logic và bảng trạng thái

Hình 6: Sơ đồ logic của IC 74LS47

Sơ đồ cấu trúc của IC74LS47, nó giúp cho những ai muốn tìm hiểusâu về IC giải mã 74LS47 hoạt động và giải mã BCD sang led 7 đoạn như thếnào

Sự hoạt động của mạch được thể hiện ở bảng sự thật, trong đó đốivới các ngõ ra H là tắt và L là sáng, nghĩa là nếu 74LS47 thúc đèn led 7 đoạnthì các đoạn a, b, c, d, e, f, g của đèn sẽ sáng hay tắt tuỳ vào ngõ ra tương ứngcủa 74LS47 là L hay H

7 4 L S 0 8

1

Hình 7: Bảng trạng thái của IC74LS47

Kết quả là khi mã số nhị phân 4 bit vào có giá trị thập phân từ 0 đến

15 đèn led hiển thị lên các số như ở hình bên dưới Chú ý là khi mã số nhị

Hình 8: Các hiển thị của IC giải mã 74LS47

A

0 1

X

1 0

B 0

0 1 0 0

Vi mạch định thì LM555 là mạch tích hợp Analog- digital Do cóngõ vào là tín hiệu tương tự và ngõ ra là tín hiệu số Vi mạch định thì LM555được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển, vìnếu kết hợp với các linh kiện R, C thì nó có thể thực hiện nhiều chức năngnhư: định thì, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiển các linh kiệnbán dẫn công suất như Transistor, SCR, Triac…

b) Hình dáng và sơ đồ chân.

Hình 9: Hình dáng và sơ đồ chân của IC LM555

Chân 1: Nối mass

Chân 2: Trigger Input ( ngõ vào xung nảy)

Chân 3: Output ( ngõ ra)

Chân 4: Reset (đặt lại)

Chân 5: Control Voltage (điện áp điều khiển)

Chân 6: Threshold (thềm- ngưỡng)

Chân 7: Discharge ( xả điện)

Chân 8: Nối Vcc

c) Cấu trúc và nguyên lý.

Hình 10: Sơ đồ cấu trúc của IC 555

Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở thựchiện các chức năng như hình 2.2 gồm có:

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

6 so với điện áp chuẩn 2/3Vcc Op-Amp(1) có điện áp ra ở mức High( cao) hay mức Low( thấp) để làm tín hiệu R (Reset), điều khiển Flip-Flop.

2 so với điện áp chẩn 1/3Vcc Op-Amp(2) có điện áp ra ở mức High hay mứcLow để làm tín hiệu S (Set), điều khiển Flip-Flop

Mạch Flip – Flop là loại mạch lưỡng ổn kích một bên Khi chân Set

có điện áp cao thi điện áp này kích đổi trạng thái của Flip-Flop ở ngõ Q lên

mức thấp thì mạch Flip-Flop không đổi trạng thái Khi chân Reset có điện áp

và ngõ Q xuống mức thấp Khi ngõ Reset mức cao xuống thấp thì mạch Flop không đổi trạng thái

Mạch Output là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng

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

transistor NPN Khi cực B nối ra ngoài bởi chân 4 có điện áp cao hơn 1,4V,

dẫn bão hoà và ngõ ra mức thấp Chân 4 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 kếtthúc xung ra sớm khi cần thiết Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân

4 lên Vcc để tránh bị Reset do nhiễu

có thể làm ngõ ra phụ thuộc có mức điện áp giống như mức điện áp của ngõ rachân 4

d) Giao tiếp với tải.

IC 555 có thể giao tiếp với nhiều loại tải khác nhau và tuỳ trườnghợp mỗi loại tải có thể mắc theo hai cách

nhận dòng điện tải theo chiều từ nguồn qua tải rồi vào IC Dòng điện tải

 Tải được cấp điện khi ngõ ra cĩ điện ấp cao Lúc đĩ, IC 555 sẽ cấpdịng điện cho tải theo chiều từ nguồn qua IC rồi ra tải Dịng điện trong

PHẦN III

Chương I THIẾT KẾ MẠCH

I SƠ ĐỒ KHỒI.

Mạch đồng hồ thể thao được xây dựng trên mơ hình như sau:

Khối tạoxung dùng

IC555

Mạch FFdùng điều

khiểnStart/Stop

Mạch đếmphần trămgiây

Mạch đếmgiây

Mạchgiải mãBCD

Mạchgiải mãBCD

Mạch

Led 7đoạnloạiaondchung

Led 7đoạnloạianodchungLed 7đoạn

II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC KHỐI.

II.1 Khối tạo xung.

Bộ tạo xung là thành phần quan trọng nhất của hệ thống Đặc biệt làđối với bộ đếm, nĩ quyết định các trạng thái ngõ ra của bộ đếm

Cĩ rất nhiều mạch tạo dao động, nhưng do sự thơng dụng ta chỉquan tâm đến mạch tạo dao động dùng IC 555

Đây là vi mạch định thời chuyên dùng, cĩ thể mắc thành mạch đơn

ổn hay phi ổn

Chân 1: Nối mass

Chân 2: Nhận tín hiệu kích

Chân 3: Ngõ ra của tín hiệu

Chân 4: Đặt lại trạng thái ban đầu.Chân 5: Điện áp điều khiển

Chân 6: Điện áp ngưỡng

Chân 7: Xả điện

Chân 8: Cấp nguồn

II.2 Khối Đếm( IC 4510).

Mạch đếmphút

L M 5 5 5

3

4

8 1

Chân 1: Nạp giá trị.

Chân 2, 6, 11, 14: ngõ ra mạch giải mã

Chân 3, 4, 12, 13:chân nạp giá trị

Chân 5: cho phép đếm

Chân 7: báo kết thúc đếm

Chân 8: nối Mass

Chân 16: nối nguồn

Chân 9: reset

Chân 10: đếm lên hoặc đếm xuống

Chân 15: ngõ vào xung clock

thông số đã khai báo trên các chân mà ta có thể cho IC đếm từ bất

kì số cho sẵn nào

II.3 KHỐI GIẢI MÃ ( IC74LS47).

Mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn là mạch thúc nên cũng thườngđược gọi là mạch giải mã/thúc Giải mã BCD sang led 7 đoạn phức tạp hơngiải mã BCD sang thập phân vì mạch phải cĩ tổ hợp nhiều ngõ ra lên cao hoặcxuống thấp( tuỳ từng loại led anod chung hay catod chung)

Mạch giải mã thơng dụng nhất là sử dụng IC 74LS47 Vì cĩ ngõ ra

để hở và khả năng nhận dịng cao để thúc trực tiếp các đèn led 7 đoạn loạianod chung

IC 74LS47 thúc đèn led 7 đoạn thì các đoạn a, b, c, d, e, f, g của đèn

sẽ sang hay tắt tuỳ từng ngõ ra tương ứng của IC la H hay L

Chân 1, 2, 6, 7: Tín hiệu vào

F G

16 8

5

9

3

10 1

VCC GND

CE

RST

A3

U/D PE

A2

A1

A0

Chân 3: Ngõ vào thử đèn.

Chân 4: Ngõ vào xoá (BI) và ngõ ra dợn sóng Chân 5: Ngõ vào xoá dợn sóng

Chân 8: Nối mass

Chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15: Tín hiêu ra.Chân 16: Nối nguồn

IC 74LS47 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt vàmức 0 là sáng tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạnanod chung trạng thái ngõ ra tương ứng với các số thập phân(các số từ 10đến 15 không dùng tới)

Ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên mức 1 cho hoạt độnggiải mã bình thường Nếu nối lên mức 0 thì các ngõ ra đều tắt bất chấptrạng thái các ngõ ra

Ngõ vào xoá dợn sóng RBI được để không hay nối lên mức 1 dùng

để xoá số 0 ( số 0 thừa phía sau dấu thập phân hay số 0 trước số có nghĩa).Khi RBI và các ngõ vào D, C, B, A ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1thì các ngõ ra đểu tắt và ngõ vào xóa dợn sóng RBO xuống mức thấp

Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đềusáng

Một trong các chỉ báo thơng dụng để hiển thị các số thập phân là led 7 đoạn.

đếm.

104 10

VCC VCC

4013

U4A

4013

9 11

III.2.Sơ đồ mạch giải mã và hiển thị.

III.3 Nguyên lý hoạt động.

BI/RBO RBI LT

A B C D E F G

VCC GND

BI/RBO RBI LT

A B C D E F G

VCC GND

BI/RBO RBI LT

A B C D E F G

VCC GND

Về phần tạo xung ta dùng IC 555 mắc theo kiểu phi ổn 2 Diode1N4148 giúp cho xung ra được đối xứng.

Chu kì xung ra được tính theo công thức:

Theo yêu cầu của mạch thì T= 0.01s, chọn T= 1uF từ đó ta tính được

Khi tụ nạp ngõ ra chân số 3 của IC 555 ở mức 1

Khi tụ xả ngõ ra chân số 3 của IC ở mức 0

Xung kích được đưa vào chân số 15 của IC 4510 Chân số 10 được đưa lên mức 1 vì trong mạch ta sử dụng kiểu đếm lên Ngõ ra xung (Q0, Q1, Q2, Q3) được đưa đến ngõ vào của IC giải mã 74LS47 Chân số 9 (IC 4510) bình thường ở mức 0, khi ta bật lên mức 1 thì mọi hoạt động của IC trở về trạng thái ban đầu gọi là chân Reset Chân số 1 là chân nạp giá trị, ở mức 0

IC 4015 sẽ đếm từ 0 đến 9, ở mức 1 IC sẽ nạp giá trị (A0, A1, A2, A3) để đếm tiếp Chân số 5 là chân cho phép IC đếm hay không đếm

Ở mức 0 : cho phép IC đếm

Khi đếm từ 9 về 0 chân số 7 được bật lên mức 1 tọa xung cho IC thứ

2 họa động Tương tự như vậy IC2 tọa xung cho IC3 và IC3 tạo xung cho IC4 hoạt động

Khi IC4 nhận xung kích từ chân số 7 của IC3 thì nó bắt đầu đếm từ 0 đến 6 (vì ngõ ra mạch giải mã Q1, Q2 được đấu vào cổng AND, khi vừa nhảy lên số 6 thì ngõ ra cổng AND bật lên mức 1 làm cho chân PE( chân nạp giá trị ) nạp giá trị 0000 ở ngõ nạp(A0, A1, A2, A3 )cứ như thế mà IC4 đếm từ 0 đến 6 một cách tuần hoàn

Khi IC4 đếm đến 6, chân 1(PE) bật lên mức 1 tạo xung cho IC5 Tương tự như IC1, IC2, IC3 khi đếm từ 9 về 0 chân 7 tạo xung kích cho IC6 Ngõ ra mạch giải mã Q1, Q2 được đấu vào cổng AND kế tiếp Khi vừa đến số 6 thì ngõ ra cổng AND ở mức 1, chân 1(PE) của IC 6 nạp giá trị

0000 từ ngõ nạp(A0,A1,A2,A3) để đếm tiếp từ 0 về 6 Cứ như thế các IC (4510) lần lượt kích xung cho nhau tạo thành vòng đếm lặp lại tuần hoàn.

II Qúa trình thi công.

II HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay với sự phát triển của vi xử lý và vi điều khiểnthì mạch “Đồng hồ thể thao” dùng IC rời đã lạc hậu và cónhiều hạn chế Ví dụ như khi thay đổi theo một yêu cầu nào đócủa mạch thì phải lắp đặt lại, vì vậy gây ra tốn kém về kinh tếkhi không đáp ứng được yêu cầu

Chính vì vậy người thực hiện hy vọng rằng sau này vớikiến thức được nâng cao hơn thì sẽ thay thế IC rời bằng vi điềukhiển để khắc phục các hạn chế của mạch, đáp ứng yêu cầuthời đại

TÀI LIỆU THAM KHẢO.

1 Kỹ thuật xung_Nguyễn Tấn Phước_NXB Thanh Hố

2 Linh kiện quang điện tử_Dương Minh Trí_NXB KHKT

3 Kỹ thuật số_Nguynễn Hữu Phương_NXB Thống Kê

4 Vi mạch và tạo sĩng_Tống Văn On_NXB Giáo Dục