Đồ án môn học: Mô hình điều khiển đèn giao thông ngã tư

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn KTS chúng em sau một thời gian học tập được các thầy cô giáo trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên nghành

Mô hình điều khiển đèn

giao thông ngã tư

Trường ĐHSPKT Hưng Yên

Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học MỤC LỤC Lời nói đầu 1

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 2

Nhận xét của giáo viên phản biện 3

Ý tưởng thiết kế 4

Chương I – Cơ sở lí thuyết 6

I- Các cổng logic cơ bản 6

1 Phép toán OR và cổng OR 6

2 Phép toán AND và cổng AND 7

3 Phép toán NOT và cổng NOT 8

4 Hàm NOR 10

II- Các bộ đếm 10

1.Đặc điểm và phân loại bộ đếm 10

2.Một số bộ đếm sử dụng trong đề tài 11

2.1Bộ đếm nhị phân 11

2.1.1Bộ đếm nhị phân không đồng bộ 11

2.1.2 Bộ đếm nhị phân đồng bộ 14

2.2 Bộ đếm thập phân mã BCD 15

3 Các vi mạch ứng dụng 16

III- Bộ giải mã 20

1.Bộ giải mã hiển thị chữ số 20

2.Bộ giải mã BCD sang Led 7 thanh 21

3.Vi mạch ứng dụng 22

IV- Bộ tạo xung dao động 24

Chương II- Thiết kế mạch điều khiển đèn 26

I- Sơ đồ khối 26

II- Mạch nguồn và mạch tạo xung 28

III- Mạch chia tần tạo mã 80 : 10 điều khiển đèn 31

Trường ĐHSPKT Hưng Yên

Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học 1 Một số quy ước 32

2 Mạch điều khiển đèn 34

3 Mạch đèn hiển thị làn đường I 35

4 Mạch đèn hiển thị làn đường II 36

Mặt trước của bo mạch 37

Mặt sau của bo mạch 38

5 Nguyên lí hoạt động 39

Chương III- Hướng mở rộng đề tài 41

1 Những khó khăn gặp phải khi thực hiện 41

2 Hướng mở rộng 41

Kết luận 42

Tài liệu tham khảo 43

Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học

Lời nói đầu

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người

đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ công

cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Đặc biệt góp phần vào sự phát triển đó thì

ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng và phát triển đất

nước Những thiết bị điện,điện tử được phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rỗng rãi

trong đời sống cũng như sản suất Từ những thời gian đầu phát triển KTS đã cho thấy sự

ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm

Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng như không thể thành

những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn KTS chúng em sau một thời gian học tập được các thầy cô giáo trong khoa giảng dạy về

các kiến thức chuyên nghành, đồng thời được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy Đào Văn Đã,

cùng với sự lỗ lực của bản thân, chúng em đã “thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển

đèn giao thông ngã tư “ nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của chúng em

còn có hạn nên sẽ không thể tránh khỏi những sai sót Chúng em rất mong được sự giúp

đỡ & tham khảo ý kiến cảu thầy cô và các bạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài

Hưng yên, tháng 04 năm 2010

Nhóm sinh viên thực hiện:

Lê Văn Tuấn Loại Văn Tuấn Nguyễn Mạnh Tuấn

2

3

Trường ĐHSPKT Hưng Yên

Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học 4 5 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng yên, ngày… tháng 04 năm 2010

Giáo viên hướng dẫn

Đào Văn Đã

Trường ĐHSPKT Hưng Yên

Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hưng Yên ngày … tháng 04 năm 2010

Giáo viên phản biện

6

7

Trường ĐHSPKT Hưng Yên

Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học

của các đèn và hướng đi lại trên đường sẽ được mô tả như hình vẽ

Chiều mũi tên nhỏ chỉ hướng chiếu của đèn và người tham gia giao thông sẽ đi theo hướng mũi tên đậm nằm trên đường và sẽ phải quan sát bộ đèn giao thông gần nhất bên

tay phải làm chỉ dẫn giao thông

Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học

Khi các đèn làm nhiệm vụ điều khiển giao thông thì các bộ đèn đối diện nhau sẽ

có cùng trạng thái về màu đèn Còn các bộ đèn ở đường kề sát sẽ ngược lại về màu đèn

Ví dụ như bộ đèn ở nhánh này có màu xanh, vàng, đỏ thì đèn ở nhánh bên cạnh sẽ có

màu đỏ, vàng, xanh, việc thiết kế đèn vàng sáng giữa đèn xanh và đèn đỏ là để báo cho

phương tiện giao thông biết là sắp có sự chuyển đổi giữa hai đèn màu xanh và đèn màu

đỏ

Do vậy, về cơ bản đèn điều khiển giao thông tại ngã tư được chia làm hai dàn: dàn đèn 1 và dàn đèn 2

Ngoài ra mạch còn được thiết kế hai chế độ làm việc ban ngày và ban đêm.Ở chế

độ làm việc ban ngày, các đèn led sẽ hoạt động bình thường Còn ở chế độ ban đêm sẽ

chỉ có một đèn vàng nhấp nháy theo xung nhịp đưa vào.Hai chế độ được thiết lập chuyển

mạch bằng công tắc

+ Mở rộng cho trường hợp tổng quát có n biến: y = x1 + x2 + … + xn

Mạch điện thực hiện quan hệ logic OR được gọi là cổng OR

Khi Vx1 = 0V, Vx2 = 3V hoặc Vx1 = 3V, Vx2 = 0V thì Vy = 3V – 0.7V = 2.3V (do 2 điốt có

katốt nối chung nên anốt nào có điện thế cao hơn sẽ dẫn điện mạnh hơn làm cho điốt kia chịu

phân cực ngược và ở trạng thái ngắt hở mạch)

Khi Vx1 = Vx2 = 3V thì Vy = 3V – 0.7V = 2.3V

Nếu có n đầu vào thì mắc n điốt tương tự như trên

2 Phép toán AND và cổng AND

a Phép toán AND hay còn được gọi là phép nhân logic

Mạch điện minh hoạ quan hệ logic AND

+ Mở rộng cho trường hợp tổng quát có n biến: y = x1 x2 … xn.

Mạch điện thực hiện quan hệ logic AND được gọi là cổng AND

Vy = 0V + 0.7V = 0.7V (do 2 điốt có anốt nối chung nên katốt nào có điện thế thấp hơn sẽ

dẫn điện mạnh hơn làm cho điốt kia chịu phân cực ngược và ở trạng thái ngắt hở mạch) Khi

Vx1 = Vx2 = 3V thì Vy =3V + 0.7V=3.7V

Nếu có n đầu vào thì mắc n điốt tương tự

3 Phép toán NOT và cổng NOT

a Phép toán NOT hay còn được gọi phép đảo hay phép phủ định

+ Hàm NOT (hàm đảo): y  x

x1

x2 y

&

x1

x2

yX

+3V

+0.7V

+3.7V

Mạch điện minh hoạ quan hệ logic NOT:

Mạch điện thực hiện quan hệ logic NOT được gọi là cổng NOT

b Cổng NOT

+ Định nghĩa: Là mạch có duy nhất một đầu vào và mức logic ở đầu ra luôn ngược với mức

logic ở đầu vào

+ Giản đồ thời gian:

y

xR

3.2

3.2Vx

Đếm là khả năng nhớ được số xung đầu vào; mạch điện thực hiện thao tác đếm gọi

là bộ đếm Số xung đếm được biểu diễn dưới các dạng số nhị phân hoặc thập phân

Đếm là một thao tác rất quan trọng, được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế, từ các thiết bị đo chỉ thị số đến các máy tính điện tử số Bất kỳ hệ thống số hiện đại nào cũng có

Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học

Bộ đếm dị bộ thì xung Clock chỉ được đưa vào FF đầu tiên, còn các FF tiếp theo thì lấy

tín hiệu tại đầu ra của FF phía trước thay cho xung Clock

+ Căn cứ vào hệ số đếm người ta phân chia thành các loại:

đặc biệt của bộ đếm N phân

N là dung lượng của bộ đếm hoặc có thể nói là độ dài đếm của bộ đếm, hoặc hệ số đếm

+ Căn cứ vào số đếm tăng hay giảm dưới tác dụng của xung đầu vào người ta chia ra làm

Hệ đếm nhị phân được cấu trúc bởi các trigơ, các trạng thái ngõ ra được xác lập

dưới dạng mã nhị phân biểu thị bằng các trạng thái 0 và 1

2.1.1 Bộ đếm nhị phân không đồng bộ (đếm nối tiếp):

b) Khái niệm: là bộ đếm mà các trigơ mắc nối tiếp với nhau, lối ra trigơ trước được

nối với lối vào của trigơ sau

c) Đặc điểm: xung CLK không được đưa đồng thời vào các trigơ mà chỉ được đưa vào

và làm chuyển trạng thái của trigơ đầu tiên, lối ra của trigơ trước làm chuyển trạng

thái của trigơ liền sau nó

d) Phân loại: trong đếm nhị phân không đồng bộ có các loại sau:

- Giải thích sơ đồ: đây là sơ đồ đếm nhị phân không đồng bộ 4 bít đếm thuận

+ Muốn xoá: Pr=1, CLR=0 Muốn đặt: Pr=0, CLR=1

+ Để bộ đếm làm việc đặt mức lôgic J=K=1 ;CLR=1

+ Xung nhịp tác động vào trigơ có trọng số nhỏ nhất và tác động bởi sườn âm

nên khi CLK chuyển từ 1 về 0 thì lập tức đầu ra Q1=1; Q2, Q3, Q4=0

Trigơ 2 thay đổi trạng tháI khi Q1 chuyển từ 1 về 0

Trigơ 3 thay đổi trạng tháI khi Q2 chuyển từ 1 về 0

Trigơ 4 thay đổi trạng tháI khi Q3 chuyển từ 1 về

Đếm lùi(up/down):

-Sơ đồ:

Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học

- Giải thích:

Ta thấy bộ đếm ngược chỉ khác bộ đếm thuận ở chỗ lối ra Q(đảo) của trigơ trước được

nối vào CLK của trigơ sau nên trigơ sau sẽ chuyển trạng thái khi trigơ trước nó chuyển từ

1 về 0

 Bộ đếm thuận ngược tuỳ ý:

Để có một bộ đếm vừa thuận vừa ngược ta thêm một đầu vào điều khiển tiến lùi

UP/DOWN

- Sơ đồ:

- Giải thích:

* Đếm tiến :khi cho lối vào đIều khiển tiến lùi U/D=1 lối ra Q của trigơ trước nối với

CKL của trigơ tiếp theo Sơ đồ tương đương như hình 1.1

* Đếm lùi: khi cho lối vào điều khiển U/D=0 lối ra Q(đảo) của trigơ trước nối với CLK

của trigơ tiếp theo Sơ đồ như hình 1.2

e) Ưu nhược, điểm của bộ đếm không đồng bộ :

- Ưu điểm: đơn giản do đòi hỏi ít linh kiện

- Nhược điểm :Tác động chậm vì thời gian trễ khá lớn do mỗi trigơ hoạt động nhờ

sự chuyển trạng thái tại đầu ra của trigơ trước nó

Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học

2.1.2 Bộ đếm nhị phân đồng bộ (đếm song song)

- Khái niệm : là bộ đếm mà xung nhịp được kích đồng thời vào tất cả các trigơ

- Sơ đồ:

- Nguyên lí làm việc:

 Điều kiện cho các trigơ JK hoạt động:

- Đầu vào J = K = 1

- Xung CLK phải lật trạng thái từ 1 về 0

- Đầu vào Reset = 1

 Tạo mức logic CE0 = 1 (5V)

 Tại thời điểm ban đầu CLK nhảy từ 1 về 0, lập tức đầu ra Q1 = 1, do

CE0 = 1 các CE đều bằng 01 nên các đầu ra khác giữ nguyên trạng thái Qi = 0

CE1 = 1 đặt điều kiện cho trigơ JK thứ 2 hoạt động

 Khi xung CLK nhảy từ 1 về 0, thì lập tức Q1 nhảy từ 1 về 0 khi đó Q2 có đủ điều kiện hoạt động lập tức nhảy lên mức 1 còn các Q1 khác giữ nguyên trạng thái cũ

 CE2 = 1 đặt điều kiện cho trigơ JK thứ 3 hoạt động và lập tức nhảy lên 1

 Như vậy trigơ JK chỉ lật trạng thái khi trigơ JK ở cấp thấp hơn nó lật trạng thái từ

1 về 0 các xung CLK được đưa vào song song các trigơ JK Cho nên bộ đếm sẽ đếm tuần tự

 Xét tăng dung lượng bộ đếm:

Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học

Khi cần đếm số lượng xung lớn hơn 15, người ta không kéo dài thêm trigơ vào sau

trigơ số 4 mà ghép từng nhóm 4 trigơ Việc ghép liên tiếp các bộ đếm 4 bit phảI dùng tín

hiệu nhớ E và CE, các tín hiệu này được tạo bằng các mạch logic phụ

 Ưu nhược điểm của bộ đếm đồng bộ so với bộ đếm không đồng bộ:

Trong một bộ đếm đồng bộ mọi trigơ sẽ thay đổi trạng tháI đồng thời, nghĩa là chúng

được đồng bộ hoá theo theo mức tích cực của xung nhịp Do đó không giống như bộ đếm

không đồng bộ, những khoảng trễ do truyền sẽ không được cộng lại với nhau mà nó chỉ

bao gồm thời gian trễ của một trigơ cộng với thời gian dành cho các mức logic mới

truyền qua một cổng AND

Thời gian trễ là như nhau bất kể bộ đếm có bao nhiêu trigơ Nói chung là thời gian

trễ bé hơn nhiều so với bộ đếm không đồng bộ Do đó, bộ đếm đồng bộ có thể hoạt động

ở tần số cao hơn, dĩ nhiên mạch điện của bộ đếm không đồng bộ phức tạp hơn

2.2 Bộ đếm thập phân mã BCD:

Với bộ đếm modul 16, khi hết xung thứ 16 thì QDQCQBQA=0000 Muốn có bộ đếm

modul 10 thì đến xung thứ 10 ta có QDQCQBQA=0000 Chúng ta biết với bộ đếm modul

16 đến xung thứ 10 thì QDQCQBQA = 1010, để có được QDQCQBQA = 0000 thì phải dập

hai số “1” đi Muốn vậy ta phảI đưa hai lối ra QD và QB (có giá trị là 1 cần dập đi) vào hai

lối vào của một cổng NAND Để xây dựng bộ đếm thập phân có kđ 10 phải dùng ít nhất

4FF

a) Sơ đồ của bộ đếm BCD không đồng bộ đếm tiến:

Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học

b) Giải thích sơ đồ:

Sơ đồ gồm 4 trigơ ghép nối tiếp với nhau Lấy trạng thái 10 đưa quay trở về reset các

trigơ Đầu vào J=K=1 đưa đồng thời vào các trigơ, xung CLK được đưa vào trigơ có đầu

ra có trọng số nhỏ nhất rồi lấy đầu ra đó làm xung cho trigơ tiếp theo có đầu ra có trọng

số nhỏ hơn Vì đây là bộ đếm 10 (1010) nên có 6 trạng thái không xác định Ta lấy đầu ra

QB và QD cho qua cổng NAND rồi cùng CLK qua một cổng AND vào reset Cổng AND

giúp ta xoá bộ đếm về 0 tại thời điểm bất kỳ

+ Bộ đếm BCD không đồng bộ đếm lùi chỉ cần nối Q(đảo) với CLK

+ Bộ đếm BCD đồng bộ thì xung CLK được đưa đồng thời vào các trigơ (tương tự bộ

Sơ đồ khối:

NC NC

IC 7493

Sơ đồ khối của IC7493

Nó gồm hai mạch có thể hoạt động độc lập nhau: Một mạch chia đôi tần số (DIV2) với đầu vào là CLK1 và đầu ra là Q0; một mạch chia 8 tần số, với đầu vào là CLK2 và

đầu ra là Q3 sẽ có dãy xung vuông góc lặp với tần số f thì ở đầy ra Q3 sẽ có dãy xung

vuông góc tần số f/8 Mạch DIV.8 cũng có thể sử dụng như bộ đếm không đồng bộ nhị

phân 3 bít Xung đếm dẫn vào CLK2, số nhị phân ở cửa ra là Q3Q2Q1(Q1 có trọng số thấp

nhất -20, Q3 có trọng số cao nhất -22)

IC 7493 có thể sử dụng làm bộ đếm nhị phân 3 bít (bộ đếm modul 8) Nó cũng có thể ding làm bộ đếm nhị phân không đồng bộ 4 bit, với đầu vào xung đếm đặt ở CLK1,

số nhị phân ở cửa ra là Q3Q2Q1Q0 (Q0 có trọng số 20, Q3 có trọng số 23) và đầu Q0 phảI

nối với CLK2

Có thể sử dụng IC 7493 làm các bộ chia 2, chia 8 và chia 16 tần số

Hai đầu CLR1, CLR2 là hai đầu xoá Khi CLR1= CLR2=1 logic thì đầu ra bị xoá

Vậy để mạch hoạt động phải nối mass hai đầu này (CLR1=CLR2 = 0 logic)

* Vi mạch 74192,74193 :

phân 4 bit (modul 16) Cả hai IC có vỏ vầ cách bố trí chân

hoàn toàn giống nhau IC 74192, 74193 có hai đầu vào đếm

UP và DOWN Nếu xung đếm đưa vào UP (còn đầu vào DOWN đặt giá trị 1 logic) thì bộ

đếm sẽ đếm thuận Ngược lại, nếu xung đầu vào DOWN (còn UP = 1 logic), bộ đếm sẽ

đếm ngược Nếu đồng thời có hai dãy xung đưa vào đầu vào UP và DOWN thì mạch sẽ

hoạt động theo cach đếm thuận, nghịch

Mạch có đầu CLR (CLEAR) để xoá nội dung bộ đếm Khi CLR = 1 logic, bộ đếm

bị xoá Vậy, để mạch có thể đếm được thì phảI đặt CLR = 0 logic và Load=1 logic

Các đầu ra BO, CO có quan hệ logic với các đầu vào/ra khác như sau:

)74193(

)74192(

IC QD QC QB QA UP CO

IC Q Q UP CO

Q Qc Q Q DOWN BO

D A

D B A







Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện-Điện Tử Đồ án môn học

Ta thấy khi đếm ngược thì COluôn bằng 0 logic (vì UP = 1logic), còn đầu ra BO

chỉ nhảy từ giá trị 1 logic xuống 0 logic khi nội dung bộ đếm giảm xuống số 0 (QA = QB

= QC = QD = 0) và không có xung đếm ở đầu vào DOWN, lúc đếm thuận thì ngược lại

đầuBO luôn bằng 1 logic ; đầu ra CO chỉ nhảy từ 1 logic xuống 0 logic khi bộ đếm đã

đạt tới dung lượng của nó Nmax=15 với IC 74193 và không có xung ở đầu vào UP

III-Các bộ giải mã

12 1.Bộ giải mã hiển thị chữ số

Thiết kế bộ giải mã hiển thị cho LED 7 thanh với tín hiệu đầu vào là mã BCD (8421)

Led nối anot chung:

Led nối catot chung: