Bài tập lớn vi mạch đo tốc độ bằng encoder hiển thị LED 7 thanh

MẠCH SỐ 1.Khái niệm Mạch số mạch Digital xử lý các tín hiệu số là tín hiệu có biên độ biến thiên không liên tục theo thời gian hay rời rạc thời gian, nó được biểu diễn dưới dạng sóng xu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

- -BÀI TẬP LỚN

VI MẠCH TƯƠNG TỰ & VI MẠCH SỐ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ HIỂN THỊ TỐC ĐỘ

GV: Đào Thị Mai Phương

Họ và tên: Lê Thế Hưng

Mã sinh viên: 1141240139Lớp: Tự động hóa 3_K11

MỤC LỤC

Lời mở đầu

Trong thời đại ngày nay, việc tự động hóa trong quá trình sản xuất và ứng

dụng mang một ý nghĩa hết sức to lớn, có thể nói ngành kỹ thuật điện điện tử là

ngành đánh giá sự phát triển công nghiệp của thế giới nói chung và một quốc gia nói riêng Sự tự động hóa trong sản xuất làm tăng năng suất, giảm giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm và tiếp cận thâu tóm thị trường Những chỉ số đó là

những mục tiêu mà các doanh nghiệp muốn hướng đến và cải thiện

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, đặc biệt là ngành điện, điện tử, sự phát minh ra các linh kiện điện tử đã và đang ngày càng đáp ứng được yêu cầu của các hệ thống Ưu điểm của việc sử dụng các linh kiện điện tử làm cho các hệ thốnglinh hoạt và đa dạng hơn, giá thành thấp hơn và độ chính xác cao hơn

Động cơ là một thiết bị phổ biến, được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực, chính vì thế việc đo tốc độ động cơ là vô cùng quan trọng để tính toán sử dụng động cơ

Sau thời gian học tập và tìm hiểu, em đã được làm quen với môn học: “Vi mạch tương tự và vi mạch số” Để áp dụng lý thuyết với thực tế của môn học này

em nhận bài tập lớn: “Thiết kế mạch đo và hiển thị tốc độ động cơ” Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế, tài liệu tham khảo có giới hạn nên còn có những sai sót Emrất mong thầy, cô giáo thông cảm và giúp đỡ em hoàn thiện bài tập lớn này

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 Tìm hiểu chung về mạch số, Bộ đếm BCD, bộ giải mã cho LED 7

thanh có Ca-tot chung và led 7 thanh

I MẠCH SỐ

1.Khái niệm

Mạch số (mạch Digital) xử lý các tín hiệu số ( là tín hiệu có biên độ biến thiên không liên tục theo thời gian hay rời rạc thời gian), nó được biểu diễn dưới dạng sóng xung với 2 mức điện thế cao và thấp mà tương ứng với 2 mức hiệu điện thế này là 2 mức logic của mạch số Việc xử lý bao gồm các vấn đề: lọc số, điều chế

số, gain điều chế số, mã hóa , giải mã,…

+ Ưu điểm so với mạch tương tự:

• Đơn giản dễ hiểu

• Dễ phân tích thiết kế

• Độ chính xác cao, ít ảnh hưởng bởi nhiễu

• Khả năng lưu trữ, truyền tải

- Hệ đếm thập phân sử dụng 10 chữ số từ 0 đến 9 thường sử dụng trong toán học và đời sống , ký hiệu là hệ đếm D(decimal)

- Hệ đếm nhị phân sử dụng 2 chữ số là 0 và 1 ,thể hiện không có và có còn trong mạch điện tương ứng với có điện áp mức thấp (L) hay mức cao (H), hệ này thường dùng trong máy tính số , ký hiệu là B(binary)

- Hệ đếm thập lục phân sử dụng 10 chữ số từ 0-9 của hệ 10 và các chữ cái A đến H để mô tả vậy tổng cộng có 16 chữ số

3 Cách chuyển đổi số giữa các hệ đếm

Quy tắc cộng các số 2i có hệ số bằng 1 với nhau

- Đổi số thập phân sang hệ nhị phân (hệ 10 sang hệ 2)

Quy tắc lấy số hệ đếm 10 chia cho 2 đến khi thấy thương là số 0

- Đổi số hệ nhị phân sang hệ thập lục phân (hệ 2 sang hệ 16)

Quy tắc nhóm số hệ 2 thành nhóm 4 bit bắt đầu từ bit có trọng số thấp nhất (bênphải)

- Đổi số hệ thập lục phân sang hệ nhị phân (hệ đếm 16 sang hệ 2)

Quy tắc mỗi hệ 16 là 1 nhóm 4 bit cua hệ số 2 , chuyển số hệ 16 sang số hệ 10, chuyển số hệ 10 thành 1 nhóm 4 bít của hệ 2

- Đổi số hệ thập phân sang hệ thập lục phân (hệ 10 sang hệ 16)

Quy tắc lấy số hệ 10 chia liên tục cho 16, các số dư của mỗi lần chia (từ 0-FH)

là các chữ số của số hệ 16 tương ứng số dư cuối cùng là chữ số có trọng số cao nhất

- Đổi số hệ thập lục phân sang hệ thập phân (hệ 16 sang hệ 10)

Quy tắc cộng các số n.16i với nhau , trong đó n là các chữ số từ 0 đến Fh

II Bộ đếm BCD

1 Bộ mã hóa BCD

- Người ta dùng số nhị phân để mã hóa (mô tả) 10 chữ số thập phân (từ 0 đến 9) trong đó mỗi chữ số thập phân được biểu diễn bởi một số cố định các bit, thường là

BCD( Binary Code Decimal)

hoặccphân loại theo hệ số đếm của mạch làm: bộ đếm nhị phần, bộ đếm thập phần

và bộ đếm N phần Còn bộ đếm tăng số đếm khi số lượng xung đồng bộ tăng gọi là

bộ đếm thuận, ngược lại số lượng đếm lại giảm khi số lượng xung đồng bộ tăng gọi

là bộ đếm nghịch

- Bộ đếm BCD là bộ đếm thập phân mà các trạng thái trong bộ đếm tương ứng từ

0000 đến 1001 Vậy mạch tạo bởi 4 mạch lật và các mạch cổng logic

- Một trong số các bộ đếm thập phân đồng bộ theo mã BCD

Mã nhị phân

Bộ mã hóaBCD

Mạch có 4 mạch lật kiểu JK, được kí hiệu từ F0 đến F3 và sử dụng 5 mạch AND Xung CP cấp đến đồng thời cả 4 mạch lật Cửa vào JK của F0 đều có mức “1” Q0 đến Q3 là các ngõ ra của bộ đếm C là đầu ra nhớ lên hàng thập phân cao hơn của

Được kích thích với sườn âm xung CP

Sau tính toán ta được bảng sau:

Mạch đếm kiểu Reset có khuyết điểm như:

- Có một trạng thái trung gian trước khi đạt số đếm cuối cùng

- Ngã vào Cl không được dùng cho chức năng xóa ban đầu

- Phân tích số đếm N = 2n.N’ (N’<N) rồi kết hợp hai mạch đếm n bit và N’ Việcthiết kế rất đơn giản khi số N' << N

- Quan sát bảng trạng thái và kết hợp với phương pháp thiết kế mạch đếm đồng bộ(MARCUS hay hàm chuyển) để xác định JK của các FF

III Bộ giải mã nhị - thập phân ( bộ giải mã BCD) cho led 7 thanh có ca-tot chung:

1. Nội dung

- Mạch có 4 ngã vào cho số BCD và 7 ngã ra thích ứng với các ngã vào a, b, c, d, e,

f, g của led 7 đọan, sao cho các đoạn này sáng tạo được số thập phân đúng với mã BCD ở ngã vào

- Bảng chân lý giải mã led 7 thanh có Ca- tốt chung:

- Từ bảng trên dùng Bảng Karnaugh hoặc có thể đơn giản trực tiếp với các hàm

chứa ít tổ hợp, ta có kết quả:

- Từ các kết quả ta có thể vẽ mạch giải mã 7 đoạn dùng các

cổng logic Hai IC thông dụng dùng để giải mã BCD sang 7

Đây là một IC giải mã , nó làm nhiệm vụ giải mã từ mã nhị phân logíc (dạng 0,1) sang mã của led 7 vạch để xuất ra led 7 vạch về cấu tạo nó là một tập hợp các mạch tổ hợp gồm cách linh kiện số logic như các cổng and , or ,…

- Chúng ta tìm hiểu sơ đồ chân của nó như sau :

-Chú ý là loại này dùng cho led 7 vạch loại ca-tôt chung có nghĩa là tất cả ca-tôt của led nốí chung với nhau và nối với đất ,như vậy dữ liệu đẩy vào led sẽtích cực ở mức cao tức là mức 1 thì mới làm led sang

- 4511 Có 16 chân

- Chân 16 luôn là chân nối với nguồn dương (5 v ), chân số 8 nối với đất

- Chân 1,2,7,6 là chân đưa dữ liệu đầu vào ,chúng ta có thể chọn dữ liệu loại này là dữ liệu logic tức là dạng 1,0,1,0…

- 7 chân đầu ra là chân 9 ,10,11,12,13,14,15.sẽ xuất ra dữ liệu của dạng 7 vạch

- Chân số 5 là chân dùng để điều khiên tế bào nhớ ,chân này = 0 thì IC hoạt động bình thường , còn = 1 thì dữ nguyên trạng thái ở các đầu ra ,và dữ cho đếnkhi nó trở về chân này được chuyển về 0 thì đầu ra lại tiếp tục hoạt động (nếu hiểu sâu sa thì chúng ta hiểu khi IC hoạt động thì dữ liệu tại đầu ra sẽ luân phiên nhau được nhớ trong tế bào 4 bít ,vậy khi chân số 5 này ở mức 0 giả sự gọi là đóng cửa thì IC hoạt động bình thường không vấn đề gì ,nhưng khi nó = 1tức là mở cửa thì dữ liệu trong tế bào nhớ trào ra và đẩy liên tục vào cửa ra nên giữ tại đầu ra một mức dữ liệu cố định )

- Trong sơ đồ mạch chúng ta nối nó với đất

- Chân số 3 nếu =0 thì tất cả đầu ra sẽ là mức logic 1

- Chân số 4 thì có tác dụng ngược lại chân số 3

- Ta có bảng hoạt động của 4511 :

- Ứng dụng chính là hiển thị trong các bộ đếm, đồng hồ DVM…, hiển thị tính

toán máy tính,hiển thị giải mã các bộ định thời, đòng hồ khác nhau

- Đây là giải mã loại CMOS có khả năng chốt dữ liệu lại bằng chân LE nếu kích

để báo trạnh thái hoạt động của thiết bị đó cho người sử dụng với thông số chỉ

là 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 cần hiển thị nhiệt độ phòng , trong các đồng hồ treo tường bằng điện tử , hiển thị số lượng sản phẩm được kiểm tra sau một công đoạn nào đó

Trong LED 7 thanh bao gồm ít nhất là 7 con LED mắc lại với nhau có dạng thanh xếp hình vì vậy mà có tên là LED 7 đoạn là vậy , 7 LED đơn được mắc sao cho nó có thể hiển thị được các số từ o đến 9 và 1 vài chữ cái thông dụng , để phân cách thì người ta còn dùng thêm 1 LED đơn hình tròn nhỏ thể hiệ n dấu chấm tròn ở góc dưới , bên phải của led 7 đoạn để hiển thị dấu chấm (dot)

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

Như vậy nếu như muốn hiển thị ký tự nào thì ta chỉ cần cấp nguồn vào chân đó

là led sẽ sáng như mong muốn

2 Thông số

LED 7 thanh dù có nhiều biến thế nhưng tựu chung thì cũng chỉ vẫn có 2 loại

đó là :

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

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

và đưa các chân nối với nhau vào 1 điểm , được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng , cũng được đưa ra ngoài để kết nối với mạch điện 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 khi tín 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

- Bảng mã hiển thị led 7 đoạn dành cho led 7 đoạn có Ca-tốt chung (các led

Ch ươ ng 2 Thi t k m ch đo t c đ đ ng c ế ế ạ ố ộ ộ ơ

GiảimãLed

Hiể

n Thị

Hiể

n Thị

EncoderCổng

Khối tạoxung mởcổng

Bộ đếm BCD

Bộ đếm BCD

Bộ đếm BCD

Bộ

đếm

BCD

GiảimãLed

GiảimãLed

- Gồm:

+Bộ tạo xung: là 1 IC 555 để tạo xung vuông với tần số phù hợp

+ Bộ chia tần: IC 4017 chia thành 10 tín hiệu tần số

- Nhiêm vụ tạo ra 1 xung để mở cổng cho tín hiệu xung từ encoder đi vào bộđếm trong thời gian được đặt trước

-Bộ đếm BCD : Gồm các IC 74LS190 được ghép nối với nhau đếm xung vào từ

encoder qua cổng để tạo các bit BCD 8421

- Bộ giải mã led: Gồm các IC 74HC4511 để giải mã BCD để đưa ra khối hiển

II.Cấu tạo của từng khối

1.Khối tạo xung

Bao gồm 1 IC555 dùng để tạo xung,1 IC 4017 để chia tần,1 cổng NOT, 1 cổng

AND,1 cổng OR Và một số linh kiện khác

1.1 IC 555

Thứ tự các chân của IC 555

 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

dùng làm mức áp ngưỡng cho tầng so áp khác, tín hiệu vào trên chân số 6 Chân số 5 có thể chịu tác động ngoài để làm thay đổi mức áp ngưỡng Chân

số 7 là một khóa điện đóng/mở (transistor bão hòa/ngưng dẫn) theo mức áp trên chân số 3 Chân số 3 là ngả ra và là ngả ra một tầng Flip Flop, nên tín hiệu trên chân 3 có dạng xung (mức áp chỉ xác lập ở trạng thái cao hay thấp) Chân 4 là chân Reset, khi chân 4 ở mức áp thấp nó ghim chân 3 luôn

ở mức áp thấp, chỉ khi chân 4 ở mức áp cao, lúc đó trạng thái mức áp trên chân số 3 sẽ theo tác động của tầng Flip Flop

- Chú ý trong mạch này, chân số 2 cho nối vào chân số 6 IC 555 đã được ráp thành mạch dao động (A-Stable) Tần số xung ra trên chân 3 sẽ tùy thuộc vào trị số các điện trở RA, RB và tụ C Trên chân 5 có thể mắc thêm tụ lọc 0.01uF để ổn định điện áp của các mức áp ngưỡng Trạng thái ra trên chân

số 3 sẽ tùy thuộc vào mức áp cao trên chân 4 cho dao động và mức áp thấp trên chân 4 (bị ghim ở mức thấp)

1.2 IC 4017

tần từ 2 tới 10

- 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

2 Bộ khởi động

- Gồm 3 công tắc

+ công tắt 1: nối giữa xung IC 555 và IC 4017 để bật tắt bộ đo tốc độ

+ công tắc 2: nối chân MR của IC 4017 vào mức cao để reset IC về Q0

+ công tắc 3: nối chân PL của IC 74LS190 vào mức thấp để đặt bộ đếm về 0

3 Động cơ và encoder:

Một trong những thành phần không thể thiếu trong mạch đo tốc độ chính là động cơ, với những yêu cầu đo thực tế ta có những loại động cơ khác nhau

 Tìm hiểu qua về cấu tạo của Encoder:

* Cấu tạo của encoder

Nhìn trên hình ta thấy encoder gồm: 1 tấm tròn có khắc lỗ, 1 Hệ thông LED phát

và thu

Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và các tín hiệu xung vuôngnày được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của tấm tròn đó Đối với encoder đang dùng thì nó có 3 tín hiệu ra

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa

có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗkhông có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led

sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đượcđèn led có chiếu qua lỗ hay không Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt!

Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng

Đây là nguyên lý rất cơ bản của encoder

4 Khối cổng:

Nhiệm vụ: Cho tín hiệu đi qua trong 1 thời gian nào đó, tín hiệu mở được lấy ra từ khối xung mở cổng

Chọn linh kiện :AND

Khi tín hiệu ở 2 chân của hàm AND ở mức 1 sẽ cho tín hiệu đi qua vào bộ đếm

5 Bộ đếm BCD (IC 74LSl90)

IC 74LS190 là một IC tạo mã BCD rất thông dụng trong các mạch điện tử:

+ Các chân 16 (VCC) nối với dương nguồn, GND(8) nối mass

+Các chân P0, P1 , P2, P3 quy định mã BCD ban đầu được load vào mạch, và các chân: Q0 ,Q1 ,Q2 ,Q3 nối với bộ giải mã BCD

+ Chân 4 (CE): Tích cực ở mức thấp, khi chân ở mức thấp IC hoạt động, khi ở mứccao các chân ra nối với cao trở

+ Chân 5 (U/D): Chọn cách đếm lên (kích mức thấp ) hoặc đếm xuống ( kích mức cao).

+ Chân 11( PL): Là chân điều khiển Khi ở mức thấp, IC thực hiện load giá trị vào

ở các chân (Q0 ,Q1 ,Q2 ,Q3) khi kích lên mức cao IC mới thực hiện đếm

+ Chân 13 (RC): Chân dữ liệu nối tiếp, một xung sẽ được tạo ra khi IC đếm tiến đến 9 hoặc khi IC đếm lùi đến 0

+ Chân 14( CP): Chân nhận xung clock vào, mỗi lần có một xung kích vào tại sườn dương (từ mức thấp lên cao) mã BCD lại thay đổi tăng hoặc giảm một giá trị.+ Chân 12( TC): Khi CE ở mức thấp, chân TC có nhiệm vụ cấp xung Khi RC ở mức thấp, TC lên mức cao và ngược lại Khi CE lên mức cao, RC được kéo lên mức cao

6.Bộ giải mã LED 7 thanh (IC 74HC4511)

IC 74HC4511 là loại IC có chức năng ngược lại với mạch mã hóa Mục đích sử dụng phổ biến nhất của 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 số khác nhau nên có nhiều mạch giải mã khác nhau

,Qc ,Qd ,Qe ,Qf ,Qg): Chân xuất dữ lieu

vào led 7 thanh Sử dụng cho led 7

thanh Catot chung

7 Khối hiển thị:

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