TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG
Hệ thống đèn giao thông nói chung
Đèn giao thông, hay còn gọi là đèn tín hiệu giao thông, là thiết bị quan trọng dùng để điều khiển lưu thông tại các giao lộ đông đúc, giúp đảm bảo an toàn cho phương tiện và giảm ùn tắc vào giờ cao điểm Đèn thường được lắp đặt tại trung tâm giao lộ hoặc trên vỉa hè và có thể hoạt động tự động hoặc dưới sự điều khiển của cảnh sát giao thông Thời gian hoạt động của đèn tín hiệu thường kéo dài cả ngày, đến 0 giờ sẽ chuyển sang trạng thái nháy vàng hoặc ngừng hoạt động Khi nháy vàng, xe cộ được phép di chuyển nhưng cần chú ý, trong khi người đi bộ có thể sang đường Đèn sẽ hoạt động trở lại từ 6 giờ sáng hôm sau Ở một số ngã tư đông đúc, đèn có thể hoạt động liên tục mà không nháy vàng Đèn giao thông có ba màu: xanh, vàng, và đỏ, với chức năng điều phối lưu thông hiệu quả.
Khi đèn giao thông chuyển sang màu đỏ, tất cả các phương tiện phải dừng lại trước vạch dừng, ngoại trừ xe rẽ phải Đồng thời, người đi bộ có quyền sang đường an toàn.
Xanh: Khi gặp đèn xanh, tất cả các phương tiện được phép đi và phải chú ý Người đi bộ không được sang đường.
Vàng: Đèn vàng là dấu hiệu của sự chuyển đổi tín hiệu.
Khi đèn vàng bật sau đèn xanh, các phương tiện cần chuẩn bị dừng lại trước vạch sơn dừng, vì ngay sau đó đèn đỏ sẽ sáng Nếu đã vượt quá vạch dừng, tài xế phải nhanh chóng cho xe rời khỏi giao lộ.
Khi đèn vàng bật sau đèn đỏ, điều này báo hiệu rằng người lái xe nên chuẩn bị để di chuyển Đây là thời điểm mà tài xế có thể bắt đầu đi trước hoặc sẵn sàng cho việc đèn xanh sẽ sáng ngay sau đó.
Khi đèn vàng nhấp nháy ở tất cả các hướng nghĩa là được đi nhưng người lái xe vẫn phải chú ý.
Đèn giao thông được lắp đặt theo thứ tự cụ thể: khi lắp theo chiều dọc, đèn đỏ sẽ ở trên cùng, đèn vàng ở giữa và đèn xanh ở dưới Ngược lại, khi lắp theo chiều ngang, đèn đỏ sẽ nằm bên trái, đèn vàng ở giữa và đèn xanh bên phải, hoặc có thể lắp ngược lại Đặc biệt, đèn xanh luôn hướng về phía vỉa hè hoặc giải phân cách, trong khi đèn đỏ hướng xuống lòng đường.
Hệ thống đèn giao thông ngã 5
Các tín hiệu đèn ở đây chia làm 2 bộ gồm:
-Luồng 1: Đèn đỏ sáng trong 32s, đèn xanh sáng trong 28s, đèn vàng sáng trong 4s.
- Luồng 2: Đèn đỏ sáng trong 32s, đèn xanh sáng trong 28s, đèn vàng sáng trong 4s.
- Luồng 3: Đèn đỏ sáng trong 16s, đèn xanh sáng trong 14s, đèn vàng sáng trong 2s.
-Quá trình hoạt động của mạch như sau:(1 xung = 2s)
Trong chu trình đèn giao thông, ở 8 xung đầu, đèn đỏ 1, xanh 2 và đỏ 3 sáng, trong khi các đèn khác tắt Tiếp theo, trong 6 xung sau, đèn đỏ 1, xanh 2 và xanh 3 lại sáng Sau đó, trong 1 xung tiếp theo, đèn đỏ 1, vàng 2 và xanh 3 sáng Cuối cùng, trong 1 xung nữa, các đèn đỏ 1, vàng 2 và vàng 3 cùng sáng.
Trong chu trình 2, trong 8 xung tiếp theo, các đèn đỏ 2, xanh 1 và đỏ 3 sẽ sáng, trong khi các đèn còn lại sẽ tắt Tiếp theo, trong 6 xung tiếp theo, các đèn đỏ 2, xanh 1 và xanh 3 sẽ sáng Sau đó, trong 1 xung tiếp theo, các đèn đỏ 2, vàng 1 và xanh 3 sẽ sáng Cuối cùng, trong 1 xung tiếp theo, các đèn đỏ 2, vàng 1 và vàng 3 sẽ sáng.
+Quá trình được lặp lại.
-Hệ thống đèn trên sẽ được xây dựng trên cơ sở các cổng logic.
Sơ đồ cấu trúc
Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đèn giao thông
Khối nguồn là thành phần đầu tiên trong hệ thống, có chức năng tạo ra điện áp cần thiết để cung cấp cho các thiết bị điện tử hoạt động Điện áp từ khối nguồn sẽ được truyền qua máy biến áp và tiếp theo là bộ chỉnh lưu.
Bé chia xung Đặt trước
Bộ ĐK đèn §Õm HT thêi gian
Lọc nguồn qua bộ ổn áp cung cấp các điện áp cần thiết cho các khối trong mạch đèn giao thông Khối nguồn đảm nhận việc cung cấp điện áp 5V cho các khối tạo dao động và cấp điện cho IC đếm.
- Bộ tạo xung: cấp xung cho các IC hoạt động.
- Bộ chia xung: tạo ra số xung đếm cho phù hợp với thời gian hiển thị các đèn.
- Bộ điều khiển đốn: là các phần tử phi tuyến để nối giữa đầu ra của IC với phần hiển thị.
- Khối hiển thị đèn giao thụng: gồm cỏc búng đốn LED đỏ, xanh, vàng.
- Khối đặt trước: đầu ra của khối hiển thị đèn giao thụng được đưa vào đầu vào của IC đếm
Đếm hành trình thời gian là khả năng ghi nhớ các xung đầu vào trong mạch điện để thực hiện thao tác đếm Khi nhận tín hiệu xung từ bộ tạo xung, bộ đếm sẽ thực hiện chức năng đếm, và kết quả số đếm sẽ được truyền qua bộ giải mã để hiển thị trên thiết bị hiển thị.
+ Cấu tạo: Từ các IC74LS47
+Vai trò : Nhận tín hiệu từ bộ đếm và giải mã để đưa ra khối hiển thị.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống là khi nhận tín hiệu từ bộ đếm, IC giải mã sẽ bắt đầu quá trình giải mã Sau đó, tín hiệu đầu ra sẽ được chuyển đến khối hiển thị để hiển thị thông tin.
- Khối hiển thị led 7 đoạn:
Cấu tạo của đèn LED 7 thanh bao gồm các LED được sắp xếp theo thứ tự hàng đơn vị và hàng chục Đèn LED 7 thanh có hai loại chính: loại anode chung và cathode chung, trong đó chúng ta sử dụng loại anode chung.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống là sau khi khối giải mã hoàn tất quá trình giải mã, đầu ra sẽ được chuyển đến khối hiển thị và hiển thị dưới dạng số.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Khối nguồn
Khối nguồn là phần đầu tiên trong hệ thống, có chức năng tạo ra điện áp cần thiết cho các thiết bị điện tử hoạt động Điện áp từ nguồn được chuyển qua máy biến áp, bộ chỉnh lu, bộ lọc nguồn, và bộ ổn áp để cung cấp các điện áp cần thiết cho các khối khác Đặc biệt, trong mạch đèn giao thông, khối nguồn cung cấp điện áp 5V cho các khối tạo dao động.
Khối nguồn cung cấp điện năng cho mạch điện và thiết bị điện, chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác Trong lĩnh vực kỹ thuật số, nguồn một chiều thường được lấy từ nguồn xoay chiều của lưới điện thông qua quá trình biến đổi.
2.1.1 Sơ đồ của khối nguồn
+Máy biến áp: biến đổi điện áp xoay chiÒu tõ 220V vÒ điện áp xoay chiều
+Cầu Diode: chỉnh lu dòng xoay chiều thành dòng một chiÒu (Ura=5V)
BiÕn áp Chỉn h l u Bé lọc ổn áp
+Bộ ổn áp: ổn dịnh điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào mất ổn định
Khi nguồn 220V AC qua biến áp chuyển đổi thành 9V AC, để tạo ra nguồn DC, cần sử dụng cầu diode chỉnh lưu, cho ra điện áp DC với trị số UDC = 2.UXC = 2.5 = 5 Để đảm bảo điện áp ra trên tải ổn định, không bị nhiễu và nhấp nhô, cần lắp thêm tụ lọc nguồn có giá trị từ vài trăm đến vài nghìn µF và một IC ổn áp Có thể sử dụng IC ổn áp 78L05 hoặc LM 317, trong trường hợp này, IC ổn áp 7805 là lựa chọn phù hợp.
Biến áp TR: Biến áp AC 220V đầu ra AC 5V đối xứng
CL1: là cầu chỉnh lu biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều.
Kết hợp với C tụ lọc nguồn sẽ tạo ra điện áp một chiều đối xứng.
Khi có nguồn AC đi vào qua cuộn dây sơ cấp của TR tạo ra từ thông biến thiên trong lõi thép, từ thông này làm cho cuộn dây
Biến áp 7805 thứ cấp tạo ra sức điện động cảm ứng với đầu ra 9V đối xứng Điện áp AC 9V sau khi chỉnh lưu sẽ được đưa đến cầu chỉnh lưu và sau đó được lọc bằng tụ điện, tạo ra điện áp DC ổn định.
Quá trình chỉnh lu diễn ra nh sau:
+ Giả sử ở nửa chu kỳ đầu thứ cấp biến áp TR có điện áp dơng trên, âm dới làm D1 và D3 dẫn, D2 và D4 khóa, khóa có dòng tải +U2 D1 C Rt D3 - U2
+ Nửa chu kỳ sau điện áp U2 âm trên, dơng dới làm D1 và D3 khóa, D2 và D4 dẫn có dòng qua tải.
Trong mỗi nửa chu kỳ, hai diode dẫn điện tạo ra điện áp đối xứng trên +C và -C, tạo ra dòng điện qua tải trong mạch thứ cấp TR Sau khi chỉnh lưu và lọc, điện áp 9V được ổn định bởi IC 7805, cung cấp nguồn +5V cho mạch tiếp theo.
2.1.3.Tính toán a) Biến áp: để tăng giảm điện áp xoay chiều, nó cũng đợc dùng rộng rãi là phơng tiện thích ứng trở kháng.
Biến áp nguồn được cấu tạo bởi hai cuộn dây riêng biệt, quấn quanh một mạch từ khép kín Nó sử dụng mạch từ có trở kháng thấp, thường là lõi thép ghép lớp, giúp đạt hiệu suất cao gần với tiêu chuẩn chất lượng lý tưởng.
Bên vào đợc gọi là cuộn sơ cấp, bên ra gọi là cuộn thứ cấp Điện áp vào Ns
Dòng điện vào = Np Ns x Ira
Khi đó Np = số vòng cuộn sơ cấp
Điện áp xoay chiều AC được kết nối với cuộn sơ cấp, tạo ra dòng điện chạy qua cuộn này, từ đó hình thành một từ trường trong mạch từ Từ trường này sẽ tạo ra sức điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp, sinh ra dòng điện xoay chiều i, có ưu điểm là không gây giật Hệ số dẫn từ của lõi thép cao hơn nhiều so với vật liệu phi từ tính, cho phép xem từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp là tương đương.
* Cấu tạo máy biến áp:
+ Vỏ và các phụ kiện khác
* Tính toán phần biến áp: Áp dụng công thức
Vì vậy đây là biến áp giảm áp nên dòng điện IC
Công suất ra: Pra = I2xU2 = 2.9 = 18 (W)
Trong đó lấy Kp = 0,8 là hệ số của MBA §êng kÝnh d©y: d1 = 0,8x I 1 = 0,8x 0 , 08 = 0,23 (mm) áp dụng công thức:
Giả sử lá thép có độ dày 0,2mm
Vậy số lá thép có độ dày cần dùng là:
Số vòng/1 vol là: n = B S hh
Ta chọn k = 40: hệ số máy biến áp
Vậy tổng số vòng cho cuộn sơ cấp là: n1 = U1 x n = 220 x 6,67
= 1468 vòng Đờng kính dây thứ cấp là: d2 = 0,8 x I 2 = 0,8 x 2 = 1,13
Tổng số vòng cho cuộn thứ cấp là: n2 = U2 x n = 9 x 6,67 = 60 vòng
+ Sơ cấp có 1468 vòng d1 = 0,23 mm
+ Thứ cấp có 60 vòng d2 = 1,13 mm b) Mạch chỉnh lu
*Mạch chỉnh lưu cầu:
- Mạch chỉnh lu dùng 4 diode D1, D2, D3, D4
- Biến áp nguồn không có điểm giữa.
- Ở 1/2 chu kỳ đầu của điện áp vào ,U2 có chiều dơng trên âm dới D1và D3 dẫn D2 và D4 khoá có dòng qua tải: +U2
- Ở 1/2 chu kỳ sau điện áp U2 có chiều âm trên dơng dới
D1và D3 khoá D2 và D4 dẫn có dòng qua tải :+U2 D2Rt D4
-U2 nh vậy trong mỗi nửa chu kỳ có 2 diode dẫn dòng qua tải xuất hiện cả trong 2 nửa chu kỳ và đi theo một chiều nhất định.
Ta có U0 là điện áp trung bình trên tải đợc xác định
Sơ đồ chỉnh lưu cầu diode được ứng dụng phổ biến nhờ vào khả năng tận dụng công suất từ biến áp tần số cao, giúp giảm yêu cầu lọc điện áp đầu ra Điều này dẫn đến điện áp ngược đặt lên diode cũng thấp hơn Việc lọc thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Trong các mạch điện chỉnh lưu, dòng điện ra tải có cực tính không đổi (dòng một chiều), nhưng giá trị của chúng thay đổi theo thời gian theo chu kỳ Hiện tượng này được gọi là sự đập mạch của dòng điện hoặc điện áp sau khi chỉnh lưu.
Dùng chuỗi Fourier để phân tích dòng điện đập mạch ta có:
I0 là thành phÇn mét chiÒu t n B t n
Là tổng các sóng hài xoay chiều có độ lớn pha và tần số phụ thuộc vào loại mạch chỉnh lu.
- Thành phần xoay chiều có tần số - hài bậc 1.
- Thành phần xoay chiều có tần số 2 - hài bậc 2.
- Để cung cấp năng lợng cho các thiết bị điện tử làm việc phải lọc bỏ các thành phần hài.
- Để đặc trng cho chất lợng điện áp (hay dòng điện) sau
� chỉnh lu ngời ta đa ra hệ số đập mạch Kp
Nếu KP càng nhỏ thì chất lợng của bộ nguồn càng cao.
- Với mạch chỉnh lu 2 nửa chu kỳ Kp=0,667
- Với mạch chỉnh lu 1/2 chu kỳ Kp=1,58
Thờng dùng tụ điện, điện cảm của mạch lọc tích cực để lọc bỏ các thành phần sóng hài.
Tụ C thường được mắc song song với tải Rt, có giá trị từ vài trăm đến vài nghìn µF Khi điốt thông, tụ C sẽ nạp điện và lưu trữ năng lượng Khi điốt khóa, tụ C phóng điện qua Rt, giúp giảm độ gợn sóng của điện áp đầu ra.
- Nguyên lý: Khi không có tụ C điện áp trên tải có độ nhấp nhô lớn.
Khi mắc tụ C // Rt trong mạch xảy ra quá trình phóng nạp:
+ Từ 0 t1 điện áp sau chỉnh lu tăng tụ C đợc nạp điện từ : + nguồn tụ Cmass.
+ Từ t1 t2 điện áp sau chỉnh lu giảm tụ c phóng điện qua tải:
Biên độ sóng hài lớn nhất của I t (hay
U t ) Giá trị trung bình của I 0 (hoặc U 0 )
+ Từ t2 t3 điện áp ra lớn hơn điện áp trên tụ, tụ C lại đợc nạp điện kết quả điện áp ra trên tụ có dạng tơng đối bằng phẳng.
Mạch lọc bằng tụ phù hợp với tải tiêu thụ dòng điện nhỏ (trị số Rt lín).
Biến áp có chức năng chuyển đổi điện áp xoay chiều từ lưới điện thành điện áp xoay chiều phù hợp với yêu cầu của tải Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn mạch chỉnh lưu với lưới điện xoay chiều.
Diode D: làm nhiệm vụ chỉnh lu, khi chọn cần chú ý đến dòng và dùng mạch chỉnh lu 4 diode: D1, D2, D3, D4.
Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp vào, U2 có chiều dương ở trên và âm ở dưới Khi đó, diode D1 và D3 dẫn, trong khi diode D2 và D4 bị khóa Điều này dẫn đến dòng điện It qua tải Rt được phân cực thuận.
1/2 chu kỳ sau của điện áp vào, U2 có chiều dơng dới, âm trên:
D1 và D3 khóa, D2 và D4 dẫn có dòng qua tải (+U2 D2 Rt
Trong mỗi nửa chu kỳ, có hai diode dẫn điện, dẫn đến dòng điện qua tải xuất hiện trong cả hai nửa chu kỳ và di chuyển theo một chiều nhất định Việc tính toán phần diode D là cần thiết để hiểu rõ hơn về hoạt động của mạch.
- Do dòng điện qua It ta chọn I = 2A nên dòng qua diode zener phải lớn hơn, vậy diode zener phải lớn hơn I Vì vậy chọn diode phải chịu dòng > 2A
Khi nắn: UAC = 9V qua bộ lọc cầu ta đợc
Để thiết kế mạch hiệu quả, tôi đã chọn diode IN5408 Để đảm bảo mạch hoạt động đơn giản và hiệu quả, việc tính toán tụ lọc là rất quan trọng Điện áp tối đa cần thiết để sử dụng cho tụ lọc cũng cần được xác định chính xác.
Mà thời gian nạp của tụ theo t là:
Chọn thời gian nạp của tụ C là: t = 0,02 (s)
Do điện trở cản RD2 là rất nhỏ
Vì vậy ta chọn C = 2200 F f) Mạch ổn định điện áp
Các mạch ổn định giữ cho điện áp và dòng điện đầu ra của thiết bị cung cấp ổn định, bất chấp sự thay đổi của điện áp vào, tải hoặc nhiệt độ Chúng giúp giảm điện áp giao động và tạp âm, từ đó cho phép tiết kiệm kích thước thiết bị cung cấp nhờ vào việc giảm thiểu các tụ điện và điện cảm lọc.
- Ổn áp bù tuyến tính dùng IC ổn áp:
Khối tạo xung
Mạch tạo xung đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điện tử, cung cấp xung điện và điện áp với thời gian tồn tại ngắn Những xung này giúp điều khiển hoạt động của mạch logic theo tần số dao động, từ đó điều chỉnh thời gian dựa trên cạnh lên và xuống của xung.
Hoạt động và thời gian xử lý của hệ thống thì ta can thiệp vào mạch này bằng cách thay đổi trị số của tụ điện của điện trở.
Có nhiều mạch tạo xung với các dạng xung ra khác nhau có thể dùng TZT ,IC
741 hoặc IC 555 nhưng ở đây ta dùng IC 555 bởi mạch tạo xung dùng IC 555
Có nhiều ưu điểm hơn như:
+Chu trình làm việc có thể thay đổi được.
+Khả năng cho dòng ra lớn ,có khả năng cung cấp dòng ra lớn đến 200 mA. +Điện thế nguồn nuôi cho phép biến đổi rộng từ 4,5-16V.
+Đầu ra tương thích TTL
+Độ ổn định nhiệt độ làm việc cao.
2.2.1 Khảo sát IC tạo xung 555 Để các IC số hoạt động đợc thì việc cấp xung Clock ở đầu vào cũng là một yếu tố không thể thiếu Trong thực tế ngời ta đã sử dụng rất nhiều mạch tạo xung vuông với nhiều linh kiện khác nhau nh mạch tạo xung vuông dùng Transistor, dùng các cổng logic cơ bản, dùng IC 555 , nhng mạch tạo xung vuông dùng IC
555 có nhiều u điểm hơn nên nó đợc dùng rất nhiều trong các mạch điện.
- Sơ đồ chân của IC 555 :
1Gnd 2Trg 3Out 4Rst Ctl 5
- Tác dụng các chân của IC 555 :
Chân 2 : Chân nảy hay đầu vào kích khởi (trigger),dùng để đặt xung kích thích bên ngoài khi mạch làm việc ở chế độ đa hài đơn ổn
Chân 3 : Là đầu ra của IC
Chân 4 : Chân đặt lại hay chân xoá (Reset) Nó có thể điều khiển xoá điện áp đầu ra khi điện áp đặt vào chân
21 này từ 0,7 V trở xuống.Vì vậy để có thể phát ra xung ở đầu ra chân 4 phải đặt ở mức cao.
Chân 5 : Chân điện áp điều khiển (Control Voltage) Ta có thể đa một điện áp ngoài vào chân này để làm thay đổi việc định thời của mạch, nghĩa là làm thay đổi tần số dãy xung phát ra Khi không đợc sử dụng thì chân 5 nối xuống mass thông qua một tụ khoảng 0,01F
Chân 6 : Là chân thềm (Thres hold)
Chân 7 : Là chân xả (Discharrge)
Chân 8 : Là chân cấp nguồn, Ucc = 5 15 V
O1, O2 : Là 2 IC OPAM khuếch đại
FF : Là Flip – Flop loại RS
Các điện trở R tạo thành một mạng phân áp sao cho : VI 2B + /3 , VJ = B + /3
C7 : Tụ phóng nạp dao động
R2 : Tạo đờng nạp cho tụ
RV1 : Tạo đờng xả cho tụ
R1 : Trở định thiên cho led
Vchân 6 = Vchân 2 = 1/3VCC nên S =1, R = 0 Q = 0 ứng với trạng thái 1 của bảng out = 1
- Khi Vchân 7 = 1 thì tụ C7 nạp điện quaR2 từ +VCC
Vc tăng đến 1/3VCC < Vc < 2/3VCC
Lúc đó S = 0, R = 0 nên các đầu vào Q và Q không thay đổi trạng thái, tụ C7 tiếp tục nạp §Õn khi VC = 2/3VCC ta cã S = 1, R = 1, Q = 1
Tụ C7 bắt đầu xả điện, đờng xả của tụ từ + C7 qua RV1 xuống mass
Làm cho VC giảm xuống, khi VC = 1/3VCC ta có:
S = 0, R = 1 thì đầu ra không đổi, tức là Q = 1, tụ C7 tiếp tục xả điện.
Khi VC = 1/3VCC thì lúc này đầu ra lên cao, còn T1 khóa lại, tụ C7 bắt đầu nạp lại để hình thành một chu kỳ mới.
Ta có giản đồ xung mạch dao động đa hài dùng IC 555
*Tính toán chọn linh kiện cho mạch:
Vì đờng nạp của tụ C7 từ +VCC R2 RV1
Vì đờng phóng của tụ C7 từ + C7 R2 RCE T1 mass
Trong đề tài này tần số mạch cần lấy ra là 1Hz.
Theo công thức trên ta có tần số xung của mạch: f = ln2.( R2 1 2RV1) C7
Nếu ta chọn tụ C7 = 100 F thì ta có:
Bộ chia xung
Lấy xung từ bộ tạo xung chủ để cung cấp cho các IC đếm, sau đó đưa xung đầu ra của IC đếm vào bộ điều khiển đèn Thiết kế bộ chia xung sử dụng IC nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển.
-Chân 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11: Các chân đầu ra.
-Chân 12 (CO): Cho tác động đầu ra mức cao khi IC đếm từ 0-4
IC đếm từ 5-9 hoạt động khi chân 13 (Enable) nhận tín hiệu ở mức thấp, cho phép quá trình đếm diễn ra Khi chân này ở mức cao, mạch đếm sẽ dừng lại.
-Chân 14 (CLK): Cấp xung đầu vào để IC bắt đầu đếm.
-Chân 15 (MR): Xóa nội dung đếm Khi mức logic chân này bằng “1” thì bộ đếm bị xóa.
- Là bộ đếm nhị phân không đồng bộ gồm 12 tầng FF,12 ngõ ra (Q0→Q11) đã được đệm trước khi đưa ra ngoài.
- IC thường được dùng làm bộ chia tần,được sử dụng trong các mạch tạo trễ hoặc để điều khiển sự hoạt động của các bộ đếm khác.
- Sơ đồ chân và cấu tạo bên trong của IC
- Gồm 12 FF loại T,các ngõ ra song song,các đầu ra đã được đệm trước
- Do dùng nhiều tầng FF nên tần số hoạt động cũng có giới hạn,chỉ khoảng 2MHz
Chân số 16 và 8 (VDD, Vss) là hai chân cung cấp nguồn cho IC, trong đó chân VDD kết nối với nguồn dương và chân Vss kết nối với nguồn âm Trong mạch này, VDD được nối với nguồn +5V, trong khi Vss được nối với mass.
- Chân số 10(CP(xung kích CK)):chân nhận xung của bộ dao động tạo xung,để
IC 4040 hoạt động dựa vào xung từ bộ tạo xung IC 555 Khi xung đưa vào IC chuyển từ trạng thái logic cao xuống trạng thái logic thấp, bộ đếm sẽ tăng thêm một xung Tần số ở ngõ ra sẽ được chia đôi một lần nữa.
Chân số 11 (MR) của IC 4040 được sử dụng để reset IC ở mức logic cao Khi chân MR được kích hoạt lên mức cao, toàn bộ các ngõ ra của IC 4040 sẽ bị reset và kéo xuống mức thấp.
- Các ngõ ra (Q0→Q11): Là các ngõ ra song song của IC
Khi xem xét giản đồ xung, ta nhận thấy rằng đầu vào MR (reset) ban đầu ở mức cao (mức 1), dẫn đến mạch đếm thực hiện reset Do đó, để mạch đếm có thể hoạt động, chân reset cần phải ở mức thấp (bằng 0).
Mạch đếm không đồng bộ được thể hiện qua sơ đồ mạch, trong đó đầu ra Q được kết nối với cổng đệm để cung cấp dòng điện cho tải lớn hơn khả năng tải của mạch Đầu ra Q đảo được đưa vào chân T, giúp điều khiển hoạt động của mạch.
Ta thấy : CP = T0 , muốn xác định được các đầu vào T còn lại thì ta phải dựa vào bảng trạng thái.
Để xét đầu vào T1, cần phải xem xét Q0, và để đánh giá Q0, ta phải phân tích sự thay đổi của nó, tức là trạng thái thay đổi của Q1 Chẳng hạn, khi Q1 giảm từ mức 1 xuống mức 0, ta cũng nhận thấy Q0 thay đổi tương tự từ 1 xuống 0 Do xung CK tác động ở mức cao, đầu ra T1 sẽ phải tương ứng với điều này Sử dụng giản đồ xung, chúng ta có thể chứng minh rằng điều này hoàn toàn chính xác.
*Giản đồ xung ra bộ chia xung:
Bộ điều khiển đèn
*Bảng trạng thái IC đếm 4040
-Do ta chọn thời gian hiển thị của đèn lớn nhất là 32s nên bảng trạng thái được xây dựng trên cơ sở bộ đếm modul 32 (0-31)
- Rút gọn hàm bằng bìa Karnaugh:
*Từ bảng Karnaugh ta rút ra đợc các hàm nh sau: §1= Q 4
-Trên cơ sở rút gọn các hàm,mạch điện bộ đếm được xây dựng bằng các cổng logic OR,AND,NOT
* Giới thiệu về một số cổng lôgic a) Cổng OR
Cổng hoặc là cổng lôgic cơ bản nó thực hiện phép tính tổng các biến số ở đầu vào tức là :
Với A,B N là các biến số ở đầu vào , còn Y là hàm số hay kết quả ®Çu ra
Cổng OR hai đầu vào đợc biểu diễn nh hình vẽ:
- Bảng chân lí : Các đầu vào Đầu ra
- Một số IC chứa cổng OR : 74LS32, 4071, 4075. b) Cổng AND
Cổng AND là cổng lôgíc cơ bản nó thực hiện phép tính lôgíc của các biến số ở đầu vào tức là :
Với : A,B N là các biến số đầu vào
Một cổng AND có thể có nhiều đầu vào nhng thông thờng nó chỉ có từ 2 đến 3 đầu vào
Cổng AND có 2 đầu vào có kí hiệu nh hình vẽ :
Dạng sóng của cổng AND đợc thể hiện nh hình vẽ :
Cổng AND chỉ cho phép đầu ra Y ở mức cao khi cả hai đầu vào A và B đều ở mức cao Dạng sóng của cổng AND thể hiện mối quan hệ này rõ ràng, với A và B là các tín hiệu đầu vào.
- Một số IC chứa cổng AND : 74LS 08, 74LS 09, 4081, c) Cổng NOT
Cổng đảo còn gọi là cổng NOT Nó thực hiện thuật toán lôgíc phủ định biến số ở đầu vào tức là Y =
- Một cổng NOT chỉ có một đầu vào và một đầu ra
Ký hiệu cổng NOT trình bày nh hình vẽ
Cổng NOT hoạt động theo bảng chân lý trên
- Một số IC chứa cổng đảo : 74LS04, 74LS05, 4049, 4069,…
Khối hiển thị đèn
- Gồm các bóng đèn đỏ, xanh, vàng.
- Khi hoạt động, đèn thường sáng màu đỏ, sau đó đến xanh và vàng Sau một thời gian hoạt động, đèn lại chuyển xuống màu đỏ.
Đếm hành trình thời gian
Khả năng ghi nhớ các xung đầu vào của mạch điện cho phép thực hiện các thao tác đếm Khi nhận tín hiệu xung từ bộ tạo xung, bộ đếm sẽ thực hiện chức năng đếm và số đếm này sẽ được chuyển qua bộ giải mã để hiển thị trên màn hình.
- Ta chọn IC 4510 làm IC đếm cho mạch giải mã hiển thị thời gian sáng của bóng
- Chức năng của các chân :
Chân 2,6,14,11 : Các chân đầu ra.
Chân 3,4,13,12 : Các chân đặt trớc.
Chân 5 : Chân này bằng “0” thì IC hoạt động Khi để hở thì giữ nguyên trạng thái dữ liệu đầu ra.
Chân 7: hoàn chỉnh 1 chu kì xung đếm.
Chân 9: Thiết lập lại trạng thái của IC.
Chân 10 : Chân cài đặt đếm lên hoặc đếm xuống.
Chân 15: Cấp xung đầu vào.
-Đầu vào giao tiếp với khối điều khiển đèn còn đầu ra của IC được nối với IC giải mã để hiển thị số đếm trên Led 7 đoạn.
Khối giải mã
2.7.1 Giới thiệu về IC giải mã
IC giải mã: Để thực hiện hiển thị đợc tín hiệu nhị phân từ IC đếm thì ta phải giải mã tín hiệu nhị phân ra thành tín hiệu
IC 74LS47 là một mạch giải mã tín hiệu nhị phân, có khả năng chuyển đổi các tín hiệu từ 00002 đến 100012 thành các số thập phân từ 0 đến 9 Hoạt động của IC này được thể hiện qua bảng chân lý, giúp người dùng dễ dàng hiểu và áp dụng trong các ứng dụng điện tử.
Các tín hiệu đầu ra a,b,c,d,e,f,g đem đi kích thích led 7 đoạn ngoài IC giải mã74LS47 ra còn có IC 74LS247, 54LS47 với nguyên lý hoạt động nh 74LS47.
2.7.2.Sơ đồ cấu trúc bên trong IC 7447
• Chân 7,6,1,2 các chân đầu vào mã nhị phân BCD
• Chân 13,12,11,10,9,15,14 là 7 chân đầu ra tích cực mứcc thấp tơng ứng với các thanh a,b,c,d,e,f,g của Led 7 đoạn.
• Ch©n 3 LT_L ( Lamp Test input): Kiểm tra Led
• Ch©n 4 BI/RBO_L (Blanking Input or Ripple-Blanking Output): xoá ngõ vào
• Chân 5 RBI_L (Ripple-Blanking Input): Xóa gọn sóng ngõ vào
Các đầu vào Các đầu ra
+Các thông số của IC :
V IH Hiệu điện thế đầu vào ở mức cao 2 V
V IL Hiệu điện thế đầu vào ở mức thấp
V IK Hiệu điện thế giữa ngõ vào
V OH Điện áp ra mức cao 2.4 3.7 V
V OL Điện áp ra nức thấp 0.27
I I Dòng điện vào khi điện áp vào lớn nhất
I IH Dòng điện vào ở mức cao
I IL Dòng điện vào ở mức thấp
I OS Dòng ra ở mạch điện
-IC 74LS47 sẽ tác động trực tiếp các đèn led để các đoạn a, b, c, d, e, f, g sáng hay tắt tùy từng ngõ ra tơng ứng của IC là “1” hay “0”
-IC 74LS47 tích cực mức thấp nên các ngõ ra mức cao là tắt và mức 0 là sáng
Để thực hiện hoạt động giải mã bình thường, cần ngắt kết nối BI hoặc nối lên mức 1 Nếu kết nối với mức logic "0", tất cả các ngõ ra sẽ tắt, bất kể trạng thái của các ngõ vào.
-Ngõ vào xóa dạng sóng RBI để không nối lên mức logic bằng
“1” dùng để xóa số “0” (số “0” thừa sau dấu thập phân hay số
Khi RBI và các ngõ vào A, B, C, D đều ở mức “0”, nhưng ngõ vào LT ở mức “1”, thì tất cả các ngõ ra sẽ tắt và ngõ vào sẽ chuyển sang dạng RBO với mức thấp.
-Khi ngõ vào BI/RBO đợc nối lên mức “1” và ngõ LT nối xuống mức “0” thì các ngõ ra đều sáng.
Khối hiển thị Led 7 đoạn
2.8.1 Giới thiệu về Led hiển thị
LED 7 thanh là một loại đèn hiển thị Trong thực tế, LED 7 thanh dùng làm cơ cấu quan sát hiển thị các con số trong hệ thập phân.Trong một số trờng hợp đặc biệt có thể dùng để hiển thị các hệ HEX và các kí tự Cấu tạo của LED 7 thanh bao gồm 8 LED phát quang đợc gọi là các thanh, lần lợt là a, b, c, d, e, f, g, dp ( dấu chấm) LED 7 thanh có 2 loai là Anode chung và Cathode chung LED 7 thanh còn đợc phân biệt bởi mằu sắc và kích cỡ của các đoạn hiển thị
2.8.2.Các dạng của Led 7 đoạn :
- Vì IC giải mã là IC 74LS47 giải mã BCD tích cực ở mức thấp nên ta dùng led 7 đoạn loại Anot chung để hiện thị.
MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Mạch điện nguyên lý
Mạch điện mô phỏng trên protues
Nguyên lý hoạt động của mạch
Thiết kế bộ đếm: IC đếm n bit có chân Reset = 0, CK = 0 nên ta có thể thiết kế mạch tự động Reset nh mạch:
+ Khi cấp nguồn cho mạch tại điện trở sẽ xuất hiện 1 điện áp U= +B tạo nên xung Reset
Nguồn 220V AC được cung cấp cho phần sơ cấp của MBA, sau đó chuyển sang phần thứ cấp để lấy ra nguồn AC 9V Nguồn AC này qua cầu diode được nắn lọc thành điện áp một chiều ổn định 13V Điện áp này được đưa vào chân 1 (VI) của IC ổn áp 7805, từ đó lấy ra điện áp một chiều ổn định +5V tại chân 3 (VO) Điện áp +5V này cung cấp cho các thành phần trong mạch điện như IC, mạch dao động tạo xung và transistor.
Khi có nguồn vào, mạch dao động sử dụng IC 555 sẽ bắt đầu hoạt động và tạo ra xung cho IC đếm Tần số xung được tạo ra phụ thuộc vào thời gian nạp và phóng của tụ điện, trong đó tụ được nạp từ nguồn +B qua R1 và R2, sau đó phóng điện qua R2, chân 7 của IC về RCE của transistor và cuối cùng về mass.
Khi VC = Vchân6 = Vchân2 = B 3 thì tụ bắt đầu nạp
Khi B 3 < VC < 2B 3 V thì tụ vẫn tiếp tục nạp, thời gian nạp của tụ C là tnạp = 0,69.( R1 + R2).C
Khi điện áp VC đạt 2B 3 V, tụ điện bắt đầu xả điện Dù điện áp VC giảm, tụ vẫn tiếp tục phóng điện với thời gian phóng tphóng = 0,69.R2C Khi điện áp VC đạt +B 3 V, chu kỳ mới sẽ bắt đầu.
Khi tín hiệu xung với tần số f = 0,2 Hz được cấp vào chân 1 (CLK) và nguồn điện được cấp vào chân 2 (E), IC sẽ hoạt động và tạo ra điện áp tại R3 với VR3 = + B Kết quả là mạch tự động Reset, đồng thời các đầu ra Q0, Q1, Q2, Q3 sẽ có điện áp Các chân ngõ ra của IC được kết nối với các cổng logic, bao gồm cổng NOR 2 đầu vào và cổng AND 2 đầu vào.
Các cổng logic đợc thiết kế dựa trên các hàm logic của các bóng đèn xanh, đỏ, vàng đợc lập nên từ bảng trạng thái.
Khi đầu ra cổng logic ở mức cao, điện áp tại chân B sẽ cao, khiến transistor dẫn và dòng điện đi qua cuộn dây Relay, tạo ra lực hút điện từ để đóng mạch và làm sáng đèn kết nối với nguồn 220V AC Khi có xung vào IC đếm, đèn đỏ 2 và xanh 1 sẽ sáng; đến xung thứ 7, đèn xanh 1 tắt và đèn vàng 1 sáng; đến xung thứ 8, đèn đỏ 2 và vàng 1 tắt, trong khi đèn đỏ 1 và xanh 2 sáng, và quá trình này tiếp tục cho 8 xung tiếp theo.
Các tín hiệu đèn ở đây chia làm 2 bộ gồm:
-Bộ 1 (gồm Đ1 và Đ2): đèn đỏ sáng trong 16xung, đèn xanh sáng trong 14xung, đèn vàng sáng trong 2xung.
-Bộ 2(gồm Đ3): đèn đỏ sáng trong 8xung, đèn xanh sáng trong 7xung, đèn vàng sáng trong 1xung.
Khi nhận được tín hiệu đèn từ bộ hiển thị, chúng ta sẽ đưa tín hiệu này vào bộ đếm Trong trường hợp này, chúng tôi sử dụng IC đếm 4510, với cấu tạo và chức năng đã được trình bày chi tiết trong chương 2 Khi có xung và tín hiệu được đưa vào, bộ đếm sẽ hoạt động theo cách đã được thiết kế.
IC hoạt động và đầu ra của nó được kết nối với bộ giải mã, từ đó hiển thị thông tin qua LED 7 đoạn Chúng tôi sử dụng loại LED 7 đoạn Anot chung, vì vậy bộ giải mã được chọn là IC 7447.
-Quá trình hoạt động của mạch như sau:
Trong chu trình 1, tại 8 xung đầu, đèn đỏ 1, xanh 2 và đỏ 3 sáng, trong khi các đèn còn lại tắt Tiếp theo, trong 6 xung sau, đèn đỏ 1, xanh 2 và xanh 3 sẽ sáng Sau đó, ở 1 xung tiếp theo, đèn đỏ 1, vàng 2 và xanh 3 sáng lên Cuối cùng, trong 1 xung nữa, đèn đỏ 1, vàng 2 và vàng 3 sẽ sáng.
Trong chu trình 2, trong 8 xung tiếp theo, các đèn đỏ 2, xanh 1 và đỏ 3 sẽ sáng, trong khi các đèn còn lại tắt Tiếp theo, trong 6 xung, các đèn đỏ 2, xanh 1 và xanh 3 sẽ sáng Sau đó, trong 1 xung, các đèn đỏ 2, vàng 1 và xanh 3 sẽ sáng Cuối cùng, trong 1 xung nữa, các đèn đỏ 2, vàng 1 và vàng 3 sẽ cùng sáng.
Quá trình được lặp lại.
Thiết kế mô hình
Led đơn :xanh(6);đỏ(8);vàng(6); Điện trở:220k (19); 2,2k (1);
Lắp ráp các linh kiện theo sơ đồ mạch in đã trình bày ở trên,trên fip đồng
B3: Dùng đồng hồ vạn năng kiểm tra lại xem chân linh kiện hay đường mạch có bị chập không Sau đó cấp nguồn 220V vào biến áp.
Đề tài này là một nghiên cứu khoa học hấp dẫn và thực tiễn, tuy nhiên, do hạn chế về kiến thức và thời gian thực hiện, đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót trong nội dung và phương pháp trình bày.
Trong quá trình thực hiện cho đến khi hoàn thành đồ án của mình, chúng em nhận thấy có những u, nhợc điểm và hớng phát triển nh sau:
Đề tài này rất thú vị, mang tính khoa học và thực tiễn cao, giúp chúng em tiếp cận nhiều kiến thức bổ ích về kỹ thuật xung sè.
- Đồ án mang tính khoa học và thực tế cao, có thể ứng dụng ngay trong thùc tÕ cuéc sèng.
- Mạch thiết kế có thể thi công và lắp đặt ngay tại các ngã năm giao thông.
- Mạch đợc làm bằng các linh kiện điên tử (transistor, IC ổn áp, giải mã…) dễ tìm, dễ mua, rẻ, không tốn nhiều kinh phí lắp đặt.
Mạch thực tế cha thiết kế đợc thời gian hiển thị
- Trong tơng lai, nếu đợc có điều kiện thì chúng em sẽ cố gắng hoàn thiện cho mạch đơn giản và gọn hơn, cụ thể:
Trong quá trình thiết kế phần hiển thị thời gian cho bóng đèn, nhóm chúng em đã sử dụng 9 IC số, tuy nhiên, trong tương lai, chúng em dự định tối ưu hóa thiết kế bằng cách giảm số lượng IC Chúng em nhận thấy rằng việc sử dụng vi xử lý sẽ giúp mạch trở nên gọn gàng hơn, chỉ cần một IC vi xử lý thay vì 9 IC số Do đó, nếu có cơ hội tiếp tục thực hiện đồ án, chúng em mong muốn được sự cho phép của nhà trường để hoàn thiện thiết kế mạch không chỉ sử dụng IC số mà còn có thể áp dụng vi xử lý.
