Tài liệu mạch đếm xe ô tô ra vào doc

Vì vậy cần phải có một bộ phận nào đó nhận biết được ôtô vào và ra bãi để dưa ra các tín hiệu điều khiển thích hợp.. Loại LED phát sáng dùng làm linh kiện quang báo ,chiếu sáng, loại LED

Tài liệu hướng dẫn bài tập dài kỹ thuật số

Mở đầu:

Hiện nay , các bãi đỗ xe công cộng như ở các khu phố, khu chung cư, hộichợ việc quản lý gặp nhiều khó khăn Số lượng xe vào và xe ra là ngẫunhiên, có lúc nhiều xe, có lúc ít xe, nhiều khi lại ách tắc quá tải Công việcquản lý tưởng chừng như đơn giản song lại tốn nhiều nhân lực: người thìbán vé, người thu vé người thì phải thường xuyên giám sát số lượng xe cótrong bãi bên cạnh đó việc kiểm soát vé là cũng khó khăn

Tong thực tế có thể sử dụng các phương tiện hoàn toàn tự động, khôngnhưỡng giản được nhân lực , đáp ứng được kinh tế mà còn có thể kiểm soát

được số lượng vé trong ngày, tháng quý

Sơ đồ khối của hệ thống như sau:

Trong đó:

- Khối THV, THR là tín hiệu vào và tín hiệu ra ( thự tế là các cảm biến ).Hai khối này có nhiệm vụ nhận biết ôtô vào và ra bãi để đưa ra tín hiệu điềukhiển bộ đếm

- Khối ĐV là bộ đếm Bộ đếm này có nhiệm vụ đếm số lượng ôtô vào bãi (

có thể theo ngày, tháng ), từ đó có thể kiểm tra được số lượng vé, tránhthất thoát Bộ đếm có tín hiệu đầu vào lấy từ các cảm biến và thường códung lượn lớn

- Khối ĐT là bộ đếm thuận ngược Bộ đếm này có nhiệm vụ đếm số lượng

ôtô có trong bãi Bộ đếm có tín hiệu đầu vào lấy từ các cảm biến Khi có

ôtô váo thì bộ thuận làm việc, đầu ra của bộ đếm tăng lên một giá trị nhịphân Khi có ôtô ra thì bộ ngược làm việc, đầu ra của bộ đếm giảm xuốngmột giá trị nhị phân Giá trị nhị phân ở đầu ra bộ đếm chính là số ôtô cótrong bãi Như vậy bộ đếm này chỉ cần dung lương lớn hơn N một chút làdc

- Khố GM-HT là giải mã và hiển thị 7 thanh, hiển thị giá trị thực số lượng

N

Bộ môn điện tử ♣2

- Khố SS là khối so sánh Kối này có nhiện vụ so sánh giá trị nhị phân ở đầu

ra bộ đếm ĐT với giá trị đặt trước N Thực chất là so sánh số ôtô có trongbãi với số ôtô định mức của bãi N,để từ đó đưa ra các tín hiệu hiển thị chophù hợp

- Khố KĐHT là khuếch đại và hiển thị kết quả của bộ so sánh, giúp người

điều khiển ôtô biết có được phép cho xe vào bãi hay không

I Tín hiệu điều khiển

A Cảm biến và cách bố chí

1 Nhiệm vụ của cảm biến:

Như ta đã biết, đối tượng điều khiển trong hệ thống là các đèn hiển thị,chuông Các trạng thái của các đối tượng đó phụ thuộc vào số lượng ôtô vào

và ra bãi Vì vậy cần phải có một bộ phận nào đó nhận biết được ôtô vào và

ra bãi để dưa ra các tín hiệu điều khiển thích hợp

Để nhận biết được ôtô vào và ra bãi ta có thể sử dụng các bộ cảm biến(Sensor ), cảm biến có rất nhiều loạ như cảm biến lực, cảm biến độ rung,cảm biến quang song trong thực trong thực tế người ta thường dùng cảmbiến quang vì loại cảm biến này có độ chính xác và tuổi thọ cao Cảm biếngồm có hai phần: Phần phát ánh sáng hồng ngoại và phần thu ánh sánghồng ngoại ( như hình vẽ )

Phần phát ánh sáng hồng ngoại có nhiệm vụ phát ra tia hồng ngoại cócường độ hợp lý Phần thu ánh sáng hồng ngoại có nhiệm vụ chuyểt ánhsáng thành tín hiệu điện để đươ vào điều khiển

B Một số loại cảm biến quang

1 Đi ốt phát quang:

a Cấu tạo:

Phát quang ánh sáng Thu quang Tín hiệu điện

Tài liệu hướng dẫn bài tập dài kỹ thuật số

Đi ốt phát quanggọi tắt là LED (Light Emitting Diot) được làm từ các chất

Ga As, Ga P, GaAs P Loại LED phát sáng dùng làm linh kiện quang báo ,chiếu sáng, loại LED hồng ngoại dùng để truyền tín hiệu trong các bộ gépquang, đọc tín hiệu, bộ phận truyền tin quang học với tần số rất cao tớiMHz

*Một số loại LED thông dụng:

-LED GaAs cho ánh sáng hồng ngoại mà mắt thường không nhìn thấy được-LED GaP là loại bán dẫn không phát sáng.Tuy nhiên người ta có thể chếtạo đi ốt phát quang bằng cách pha thêm tạp chất đẳng điện như Nitơ và

ZnO Tuỳ tưng loại tạp chất mà đi ốt có thể cho ra các loại mầu sắc khácnhau như đỏ, cam, vàng, xanh lá cây

-LED GaAsP, khi thay đổi hàm lượng P sẽ cho ra ánh sáng khác nhau như

Đi ốt phát quang có cấu chúc với lớp chuyển tiếp P-N và cũng có đặctrưng kỹ thuật như các loại đi ốt thông thường khác Tuy nhiên, LED cómức ngưỡng điện áp phân cực thuận từ 1,6 ữ 5V và dòng điện thuận có trị

số nhỏ thường khoảng vài mA đến vài chục mA Điện áp ngược của LEDtương đối thấp khoảng 3 ữ 5V nên khi sử dụng LED trong nguồn xoaychiều cần mắc một đi ốt thường song song và ngược chiều với nó để nối tắt

- U : Điện áp nguồn

- UD : Điện áp ngưỡng của LED

- ID : Dòng điện qua LED

Bộ môn điện tử ♣4

* LED là linh kiện phổ thông của quang điện tử, nó có ưu điểm là tần sốhoạt động rất cao, thể tích nhỏ, công suất tiêu hao nhỏ, thời gian hồi phụcnhanh, độ bền tốt Đời sống của LED cao hơn bóng đèn thường rất nhiều.Tuổi thọ của LED khoảng 105 giờ (sau 105 giờ công suất phát của LEDgiảm đi còn một nửa), có nghĩa là LED có thể đốt sáng trong vòng 10 năm.Song LED có nhược điểm là rất nhậy với nhiệt độ, cường độ ánh sáng giảm

đi khi nhiệt độ tăng Khi nhiệt độ tăng 10C(đo ở 250C) LED đổ giảm độsáng 1,5%, vàng giảm 0,7%, xanh lá cây 0,5% Khi nhiệt độ tăng điện ápngưỡng của LED cũng thay đổi theo

c LED bẩy thanh:

Một trong những ứng dụng của đi ốt phát quang là hiển thị bẩy thanh Bộchỉ thị bẩy thanh được dùng phổ biến để biểu thị kết quả thông tin bằng sốthập phân nhờ đặc điểm có cấu tạo điôt phát quang (LED) hay tinh thể lỏng.LED bẩy thanh có loại anốt chung và có loại catôt chung Hiện nay LEDbẩy thanh được dùng nhiều trong các thiết bị hiển thị số

stt Loại LED Điện áp ngưỡng (V)

d c

b

D

T R

a

Tài liệu hướng dẫn bài tập dài kỹ thuật số

Quang trở được chế tạo bằng cách tạo một màn bán dẫn trên nền cách

điện nối ra hai đầu kim loại rồi đặt trong một vỏ nhựa, mặt trên có lớp thuỷtinh trong suốt để nhận ánh sáng bên ngoài tác động vào

Quang trở có trị số điện trở thay đổi không tuyến tính theo độ sáng chiếuvào nó Điện trở của quang trở khi bị chiếu sáng giảm rất nhanh khi độ sángtăng lên Khi không được chiếu sáng quang trở có giá trị rết lớn tới hàng

MΩ, khi dược chiếu với cường độ ánh sáng đủ lớn thì quang trở có giá trị

điện trở rất nhỏ khoảng vài chục Ω

RS

ánh sángHình- 4: Kí hiệu và đặc tính của quang trở

g d

R D

b

Bộ môn điện tử ♣6

Quang trở có thể được sử dụng để biến đổi xung quang thành xung điện

Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên quang trở sẽ được phản ánhgián tiếp qua xung điện Vì vậy có thể dùng loại cảm biến này để đếm vật,mạch điện thực hiện như hình-5

Hình –5 là sơ đồ ứng dụng của quang trở trong việc tạo ra tín hiệu xung

điện

- ở sơ đồ hình a khi quang trở không được chiếu sáng, điện trở của nó rấtlớn, T khoá Ur có mức điện áp cao Khi quang trở được chiếu sáng vớicường độ ánh sáng đủ lớn, điện trở của nó nhỏ làm T được phân cực và mởbão hoà, Ur có mức điện áp thấp

-Tương tự sơ đồ hình b khi quang trở được chiếu sáng Ur có mức điện ápcao Khi quang trở không được chiếu sáng, Ur có mức điện áp thấp

3 Quang điốt (Photodiot)

Photodiot có cấu tạo bán dẫn giống như đi ốt nhưng đặt trong vỏ cách

điện có một mặt là nhựa hay thuỷ tinh trong suốt để nhận ánh sáng bênngoài chiếu vào và nối với PN của đi ốt, có loại dùng thấu kính hội tụ đểnhận ánh sáng Đối với Photodiot khi phân cực thuận thì việc chiếu sánghay che tối thì dòng điện thuận hầu như không đổi Ngược lại khi phân cựcngược nếu được chiếu sáng thì dòng điện ngược lớn hơn nhiều lần so vớikhi bị che tối Do nguyên lý trên Photodiot được sử dụng ở trạng thái ngượctrong các mạch điều khiển theo ánh sáng.Với hiệu ứng quang điệnPhotodiot cho một điện áp khi được chiếu sáng Do đó có thể làm việc màkhông cần một điện áp bên ngoài Tuy nhiên, khi có một điện áp ngược đặtvào thì chế độ làm việc của Photodiot sẽ tuyến tính hơn, dòng ngược sẽ lớnhơn

Is

+ Ucc

R

Ds

Hình- 6 Photodiot làmviệc khi phân cực ngược

Hình-5 :a

+U

UrT

R2

R1R

b

+U

UrT1

T2

R3R2

R1

Tài liệu hướng dẫn bài tập dài kỹ thuật số

Photodiot có thể được sử dụng để biến đổi xung quang thành xung điện

Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên Photodiot sẽ được phản ánhgián tiếp qua xung điện Vì vậy có thể dùng loại cảm biến này để đếm vật,mạch điện thực hiện như hình-7

- Nguyên lý làm việc của sơ đồ hình 7a,b giống như phần quang trở đã nêu

ở trên -Với sơ đồ hình 7c ta sử dụng mạch so sánh dùng IC KĐTT với điện

áp ngưỡng lấy trên R4 không đổi và luôn dương, đầu ra của KĐTT lật trạng

thái khi tín hiệu đưa tới đầu vào không đảo thay đổi Khi Photodiot Ds được

chiếu sáng UP < UN nên Ur có mức điện áp thấp, khi Photodiot Ds không

được chiếu sáng UP > UN nên Ur có mức điện áp cao Trong sơ đồ này Dz

dùng để cắt phần xung âm

- Với sơ đồ hình 7d nguyên lý làm việc tương tự như hình c song tín hiệu ra

Ur có giá trị ngược lại

4 Quang Transistor ( Phototransistor ):

Về cấu tạo bán dẫn Phototransistor có thể coi như gồn như một Photodiot

và một transistor, tong đó Photodiot làm nhiệm vụ cảm biến quang điện còntransistor làm nhiệm vụ khuếch đại Photodiot được sử dụng ở đây là mốinối PN giữa cực C và cực B vì tongTransistor khi phân cực cho các chân thì

UrT1

T2+Uc

b

R4

R5Ds

DsR1

R2

R3

R4

R5+U

Bộ môn điện tử ♣8

Độ khuếch đại của Phototransistor từ 100 đến 1000 lần và không tuyếntính theo cường độ ánh sáng chiếu vào Tần số làm việc cực đại củaPhototransistor khoảng vài kHZ Để tăng độ nhậy người ta còn chế tạo loạiTransistor ghép Darlington ( Darlington Phototransistor )

Trong trường hợp bỏ hở cực B thì mạch làm việc theo nguyên lý của

Phototransistor còn nếu bỏ ngỏ cực E thì mạch làm việc theo nguyên lý củaPhotodiot hình- 9

Phototransistor có thể được sử dụng để biến đổi xung quang thành xung

điện Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên Phototransistor sẽ đượcphản ánh gián tiếp qua xung điện Vì vậy có thể dùng loại cảm biến này để

Ds

R1

Tài liệu hướng dẫn bài tập dài kỹ thuật số

Với sơ đồ hình 10a khi TS được chiếu sáng Ur có mức điện áp thấp, khi Tskhông được chiếu sáng Ur có mức điện áp cao

- Với sơ đồ hình 10b khi TS được chiếu sáng Ur có mức điện áp cao, khi Ts

không được chiếu sáng Ur có mức điện áp thấp

- Với sơ đồ hình 10c ta sử dụng mạch so sánh dùng IC KĐTT với điện áp

ngưỡng lấy trên R4 không đổi và luôn dương, đầu ra của KĐTT lật trạng

thái khi tín hiệu đưa tới đầu vào đảo thay đổi Khi Phototransistor Ts được

chiếu sáng UP < UN nên Ur có mức điện áp thấp, khi Ts không được chiếu

sáng UP > UN nên Ur có mức điện áp cao Trong sơ đồ này Dz dùng để cắt

phần xung âm

- Với sơ đồ hình 10d khi đầu ra của IC KĐTT có mức điện áp cao

Transistor T mở bão hoà nên Ur có mức điện áp thấp Khi đầu ra của IC

KĐTT có mức điện áp thấp Transistor T khoá nên Ur có mức điện áp cao

Hình -10

R2

Ds

R5UA741R4

R3

Dzc

Ur-Uc

+Uc

Bộ môn điện tử ♣1

0

II.Thiết kế bộ đếm số lượng ôtô vào bãi

Số lượng ôtô vào bãi phụ thuộc vào số lượng ôtô ra khỏi bãi, nhưng số

lượng ôtô ra khỏi bãi là ngẫu nhiên nên việc thiết kế bộ đếm có dung lượngchính xác là khó khăn Song việc đó là không cần thiết Bởi vì, bộ đếm ở

đây chỉ đảm nhiệm chưc năng kiểm tra số lượng ôtô theo định kỳ có thể làtừng ngày, từng tháng hoặc từng quý Vì vậy, để thiết kế bộ đếm hợp lý taphải căn cứ vào tình hình cụ thể, mật độ ôtô của khu vực Bộ đếm loại nàythường có dung lượng lớn vậy ta nên thiết kế bộ đếm có dung lượng chẵn vàghép theo kiểu mô đun, mỗi mô đun là một bộ đếm có số bít cố định và cónhớ Tín hiệu nhớ của mô đun này là tín hiệu điều khiển của mô đun kia.1.Bộ đếm song song

Từ hình 11 ta thấy:

CE = Q0.Q1.Q2.Q3.E ; J3 = K3 = Q0.Q1.Q2.E ; J2 = K2 = Q0.Q1.E

J1 = K1 = Q0.E ; J0 = K0 = E

Xung xoá

Hình 11: Bộ đếm nhị phân thuận 4 bit, môdun 16 dùng các trgơ vạn năng JK kêt hợp với

các cổng logic, có logic tạo nhớ.

F1

Q3 Q2

E

F4

J CP K

RQN

Q J

CP K

RQN

Q J

CP K

RQN

Q J

CP

K

RQNQ

Tài liệu hướng dẫn bài tập dài kỹ thuật số

1

- E: là tín hiệu điều khiển, E = "1" cho phép bộ đếm làm việc, E = "0"trạng thái của bộ đếm không đổi

- Trạng thái của một trigơ bất kỳ sẽ chỉ lật khi J = K =1 và xung đồng

bộ chuyển đổi từ "1" về "0" (giả thiết trigơ được xây dựng từ các phần tửNAND), điều này cũng có nghĩa là trạng thái của một trigơ bất kỳ sẽ chỉ lậtkhi tất cả các đầu ra Q của các trigơ cấp thấp hơn đều nhận trị "1"

- Tín hiệu nhớ CE nhận trị "1" khi bộ đếm đã đầy (Q0=Q1=Q2=Q3=E

="1")

Khi cần bộ đếm có dung lượng lớn hơn người ta tiến hành ghép liêntiếp các mô đun đếm với mỗi mô đun là bộ đếm nhị phân đồng bộ 4 bit mô

đun 16 như hình 11.

Hình 12 đưa ra cấu trúc của bộ đếm nhị phân đồng bộ 16 bit, dung lượng

216-1 xung được xây dựng bằng cách ghép liên tiếp 4 bộ đếm 4 bit có logic

tạo nhớ

2 Bộ đếm nối tiếp

E C

CE

R

20 ữ 23

E C

CE

R

4 4

24 ữ 27

E C

CE

R

28 ữ 211

E C

RESET

R

J CP K

RQN

Q J

CP K

RQN

Q J

CP K

RQN

Q

Xung đếm

Hình 13: Bộ đếm nhị phân thuận 3 bit, môdun 8 dùng các trgơ vạn năng JK,

xung đếm lật với sườn âm, có logic tạo nhớ.

1

Bộ môn điện tử ♣1

2

Trạng thái của một rigơ bất kỳ sẽ chỉ lật khi đầu ra Q của trigơ cấpthấp hơn kề nó chuyển giá trị từ 1 về 0 Vì vậy, Để trạng thái của trigơ bất

kỳ chỉ lật khi đầu ra Q của trigơ cấp thấp hơn kề nó chuyển đổi từ "1" về

"0" thì các đầu vào điều khiển của các trigơ phải cùng nhận trị "1"(J=K=1)

Xung cần đếm được đưa vào một cách tuần tự tại lối vào đồng bộ(cửa C ) của trigơ đầu tiên F1 Đầu ra Q của trigơ trước được nối với đầu vào

đồng bộ C của trigơ tiếp theo cấp cao hơn (Qi nối với Ci+1)

Từ hình vẽ ta thấy CE = Q1.Q2.Q3 Tín hiệu nhớ CE nhận trị "1" khi bộ

đếm đã đầy (Q1=Q2=Q3 ="1")

Khi cần bộ đếm có dung lượng lớn hơn người ta tiến hành ghép liêntiếp các mô đun đếm với mỗi mô đun là bộ đếm nhị phân không đồng bộ 3

bit mô đun 8như hình 14 Đầu ra nhớ của mô đun này là đầu vào đồng bộ

của mô đun kia Như vậy một mô đun nào đó sẽ chcỉ được làm việc khi mô

đun cấp thấp hơn nó đã làm việc xong

Tài liệu hướng dẫn bài tập dài kỹ thuật số

3

ở bộ đếm nối tiếp, đầu vào điều khiển để lật trạng thái ra của bộ

đếm chính là đầu vào đồng bộ Vì vậy, khi sử dụng bộ đếm nối tiếp cầnchú ý tới xung đồng bộ được khích thích theo sườn âm hay sườn dương

Đối với bộ đếm tiến, nếu xung đồng bộ được khích thích theo sườn âmthì đầu ra Qi được đưa vào đầu vào Ci+1 Còn nếu xung đồng bộ đượckhích thích theo sườn dương thì đầu ra Qi được đưa vào đầu vào Ci+1

Đối với bộ đếm lùi thì ngược lại

III Thiết kế bộ đếm tiến lùi với mô đun bất kỳ

1 Nguyên tắc chung:

Bộ đếm tiến lù vừa thực hiện chức năng đến tiến vừa thực hiện chức năng

đếm lùi Nếu đếm đếm tiến, mỗi lần đầu vào có xung đếm thì đầu ra của bộ

đếm tăng lên một giá trị nhị phân Nếu đếm đếm lùi, mỗi lần đầu vào có

xung đếm thì đầu ra của bộ đếm giảm đi một giá trị nhị phân Như vậy, bộ

đếm tiến lùi tại một thời điểm chỉ thực hiện hoặc đếm tiến hoặc đếm lùi chứkhông thể thực hiện đồng thời đếm tiến và đếm lùi Vậy để bộ đếm làm việc

được ta phải có tín hiệu điều khiển đếm tiến và điều khiển đếm lùi

Gọi L là tín hiệu điều khiển đếm tiến, M là tín hiệu điều khiển đếmlùi, như phân tích ở trên thì Lvà M phải là phủ định của nhau L=M

Đầu vào điều khiển của một trigơ trong bộ đếm K ( có thể là C, J, K ) :

T là điều khiển đếm tiến, N là điều khiển đếm lùi

* Vậy để thiết kế bộ đếm tiến lùi ta phải thiết kế bộ đếm tiến giêng, bộ

đếm lùi giêng ( Việc thiết kế ở đây là tìm hàm của các đầu vào kích hay

đầu vào điều khiển của các trigơ trong bộ đếm ) Sau đó tổng hợp lạinhư hình 15

M

Hình 15

Bộ môn điện tử ♣1

4

2 Bộ đếm đồng bộ

Các bước thực hiện (cho cả bộ đếm tiến vá bộ đếm lùi )

+ Bước 1 : Phân tích yêu cầu thiết kế, xác định số lượng và chủng loại củacác trigơ

+ Bước 2 : Vẽ giản đồ thời gian, bảng trạng thái và đưa ra đồ hình chuyển

đầu Như vậy, số trigơ phải thoả mãn 2N > 5 , chọn N = 3

Số trigơ sử dụng xây dựng bộ đếm : 3 ( Số trạng thái dư : 3 )

+ Bước 2 : Vẽ giản đồ thời gian, bảng trạng thái và đưa ra đồ hình chuyển

đổi trạng thái

Trigơ

T

Q Q T

n

Q

b)

d)Hình 1: a) Mạch mô phỏng; b) Bảng trạng thái;

c) Bảng chuyển tiếp; d) Bảng đầu vào kích

Tài liệu hướng dẫn bài tập dài kỹ thuật số

5

Giản đồ thời gian, bảng trạng thái :

• Đồ hình chuyển đổi trạng thái của bộ đếm

+ Bước 3 : Xác định các hàm đầu vào kích

* Bảng trạng thái tổng thể

Trạng thái các trigơ đếmHiện tại Tiếp theo

12345

000010

001100

010100

Hình 2: Giản đồ thời gian của bộ đếm mođun 5, bảng trạng thái,

với xung đồng bộ lật với sườn xuống

Hình 4: Bảng trạng thái minh hoạ quá trình làm việc của bộ đếm

nhị phân mô đun 5 đ−ợc xây dựng từ 3 trigơ đếm T

12345

010000

001100

001010

2 Q Q Q Q