Báo cáo đồ án thiết kế mạch đèn giao thông IC số tại Trường Đại học Mở - Khoa Điện Điện Tử

Đồ án nghiên cứu đồ án đèn giao thông ic số, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Trường học: Trường Đại Học Mở
• Chuyên ngành: Điện – Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Mạch Đèn Giao Thông IC Số
• Loại tài liệu: Đồ án
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục tiêu của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH
• 2.1. Thiết kế sơ đồ khối
• 2.1.1. Bộ đếm
• 2.1.2. Bộ hiển thị
• 2.1.3. Bộ tạo xung
• 2.1.4. Bộ nguồn
• 2.2. Thiết kế chi tiết từng khối
• 2.2.1. Bộ nguồn
• 2.3. Lựa chọn linh kiện
• 2.3.1. Linh kiện cho bộ nguồn
• 2.3.2. Linh kiện cho bộ tạo xung
• 2.3.3. Linh kiện của bộ giải mã hiển thị
• 2.3.4. Linh kiện của bộ hiển thị
• 3. CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH
• 3.1. Nguyên lý hoạt động của mạch
• 3.2. Mô phỏng mạch trên proteus
• 3.3. Vẽ PCB Layout trên proteus
• 3.4. Mạch in trên proteus
• 3.5. Kết quả hoàn thiện
• LỜI MỞ ĐẦU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hướng dẫn toàn diện đồ án mạch đèn giao thông dùng IC số

Báo cáo đồ án thiết kế mạch đèn giao thông là một tài liệu quan trọng, ghi lại toàn bộ quá trình từ lên ý tưởng, tính toán, thiết kế đến thi công một sản phẩm điện tử cơ bản. Đồ án này không chỉ là một bài tập bắt buộc trong chương trình học mà còn là cơ hội để sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết về vi mạch số vào thực tế. Mục tiêu chính của đồ án là giúp người thực hiện làm quen với các linh kiện điện tử cơ bản, nắm vững kỹ năng thiết kế và mô phỏng mạch trên phần mềm chuyên dụng như Proteus, đồng thời rèn luyện kỹ năng thi công mạch in PCB. Việc lựa chọn sử dụng các IC số thay vì vi điều khiển là một quyết định có chủ đích. Phương pháp này giúp tập trung vào bản chất của mạch logic số, nguyên lý hoạt động của từng linh kiện mà không yêu cầu kiến thức lập trình phức tạp. Mặc dù mạch có thể cồng kềnh hơn, nhưng nó mang lại giá trị học thuật sâu sắc về cách các cổng logic, bộ đếm và bộ tạo xung phối hợp với nhau để tạo ra một hệ thống hoạt động tuần tự. Báo cáo này sẽ trình bày chi tiết từ sơ đồ khối, lựa chọn linh kiện, phân tích nguyên lý đến các bước mô phỏng và hoàn thiện sản phẩm cuối cùng.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của đồ án môn học điện tử số

Mục tiêu cốt lõi của đồ án môn học điện tử số này là chuyển hóa kiến thức lý thuyết thành sản phẩm cụ thể. Người thực hiện được yêu cầu phải làm quen và hiểu rõ chức năng của các linh kiện điện tử cơ bản như điện trở, tụ điện, Diode, và các IC chuyên dụng. Một mục tiêu quan trọng khác là thành thạo các kỹ năng thiết kế mạch, bao gồm vẽ sơ đồ nguyên lý và chạy mô phỏng Proteus mạch đèn giao thông để kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế trước khi thi công. Quá trình này giúp phát hiện và sửa lỗi sớm, tiết kiệm chi phí và thời gian. Cuối cùng, đồ án yêu cầu kỹ năng thực hành từ việc tính toán thông số linh kiện, thiết kế mạch in PCB, đến hàn lắp để mạch có thể hoạt động ổn định. Ý nghĩa của đồ án vượt ra ngoài một bài tập; nó xây dựng nền tảng vững chắc về tư duy thiết kế và kỹ năng thực hành cho các kỹ sư điện tử tương lai.

1.2. Lựa chọn vi mạch số Giải pháp không cần lập trình

Trong khuôn khổ đồ án, việc lựa chọn giữa vi mạch số (IC số) và vi điều khiển là một cân nhắc quan trọng. Tài liệu gốc đã chỉ rõ, phương án sử dụng IC số được ưu tiên nhằm tập trung vào các kỹ năng cơ bản về điện tử. Ưu điểm của phương pháp này là không đòi hỏi kiến thức lập trình, cho phép người học tập trung hoàn toàn vào việc phân tích và kết nối các mạch logic số. Mỗi khối chức năng (tạo xung, đếm, giải mã) được xây dựng từ các IC riêng biệt, giúp hiểu rõ vai trò của từng thành phần. Tuy nhiên, nhược điểm là mạch sẽ cồng kềnh, nhiều linh kiện và khó nâng cấp hơn so với giải pháp dùng vi điều khiển. Lựa chọn này hoàn toàn phù hợp với mục tiêu của một đồ án cơ sở, nơi việc nắm vững nguyên lý hoạt động của linh kiện và kỹ năng thi công được đặt lên hàng đầu. Đây là bước đệm cần thiết trước khi tiếp cận các hệ thống nhúng phức tạp hơn.

II. Nền tảng kiến thức và các linh kiện điện tử cơ bản nhất

Để thực hiện thành công một báo cáo đồ án thiết kế mạch đèn giao thông IC số, việc nắm vững kiến thức về các linh kiện cấu thành là yêu cầu tiên quyết. Mỗi linh kiện đóng một vai trò không thể thay thế trong hệ thống. Khối nguồn, trái tim của mạch, có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều 220V thành nguồn một chiều 9V ổn định để cấp cho toàn bộ hệ thống, sử dụng biến áp, Diode cầu và IC ổn áp 7809. Các IC chức năng như IC 555 và IC 4017 là bộ não của mạch, chịu trách nhiệm tạo nhịp và điều khiển tuần tự. Việc nghiên cứu kỹ lưỡng datasheet linh kiện là cực kỳ quan trọng để hiểu rõ sơ đồ chân, dải điện áp hoạt động và các thông số kỹ thuật khác. Ngoài ra, các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện, chiết áp cũng cần được tính toán và lựa chọn cẩn thận để đảm bảo mạch hoạt động đúng tần số và chu kỳ mong muốn. Cuối cùng, các đèn LED đơn được dùng làm cơ cấu chấp hành, hiển thị trạng thái của hệ thống giao thông.

2.1. Phân tích khối nguồn Từ AC 220V đến DC ổn định

Khối nguồn là thành phần cung cấp năng lượng cho toàn bộ mạch. Nó bắt đầu với một biến áp hạ áp từ 220V AC xuống 9V AC. Dòng điện xoay chiều này sau đó được chỉnh lưu toàn kỳ thông qua một Diode cầu 3A để chuyển thành dòng một chiều nhấp nhô. Để làm phẳng điện áp, một tụ lọc có giá trị lớn (ví dụ 100uF) được sử dụng. Tuy nhiên, điện áp sau khi lọc vẫn chưa ổn định và có thể thay đổi theo tải. Do đó, IC ổn áp 7809 được tích hợp để tạo ra một điện áp đầu ra 9V DC cố định và sạch nhiễu. Theo datasheet linh kiện, IC 7809 yêu cầu điện áp đầu vào cao hơn đầu ra khoảng 2-3V để hoạt động hiệu quả. Các tụ điện nhỏ được thêm vào ở đầu vào và đầu ra của IC 7809 để cải thiện độ ổn định và lọc nhiễu tần số cao. Đây là một thiết kế khối nguồn tiêu chuẩn và đáng tin cậy cho các đồ án môn học điện tử số.

2.2. Datasheet linh kiện IC 555 IC 4017 và Diode 1N4007

Việc tra cứu datasheet linh kiện là một kỹ năng không thể thiếu. Đối với mạch tạo xung IC 555, datasheet cung cấp sơ đồ chân, cấu trúc bên trong gồm hai bộ so sánh, một mạch lật RS và một transistor xả, cùng với các công thức tính toán tần số và chu kỳ trong chế độ đa hài phi ổn. Tương tự, datasheet của IC 4017 (bộ đếm thập phân) mô tả chi tiết chức năng của 16 chân, bao gồm chân cấp xung clock (chân 14), chân reset (chân 15), chân cho phép (chân 13) và 10 ngõ ra tuần tự (Q0-Q9). Hiểu rõ các chân này là chìa khóa để điều khiển mạch đếm. Diode 1N4007, một linh kiện phổ biến, được sử dụng trong mạch logic để kết hợp các ngõ ra của IC 4017 mà không gây ra hiện tượng ngắn mạch. Datasheet của nó cung cấp thông tin về điện áp ngược tối đa và dòng thuận định mức, đảm bảo lựa chọn đúng cho ứng dụng.

III. Phương pháp thiết kế mạch tạo xung IC 555 cho đèn giao thông

Khối tạo xung được xem là trái tim của mạch đèn giao thông IC số, quyết định nhịp điệu chuyển đổi trạng thái của các đèn. Trong đồ án này, mạch tạo xung IC 555 được sử dụng ở chế độ dao động đa hài phi ổn để tạo ra một chuỗi xung vuông liên tục. Nguyên lý hoạt động của chế độ này dựa trên quá trình nạp và xả của một tụ điện thông qua hai điện trở. Bằng cách lựa chọn giá trị của các điện trở (R1, R2) và tụ điện (C), người thiết kế có thể điều khiển chính xác tần số và chu kỳ làm việc (duty cycle) của xung đầu ra. Tài liệu gốc đã thực hiện tính toán cụ thể để đạt được thời gian sáng/tắt mong muốn. Việc thay thế một điện trở cố định bằng chiết áp mang lại sự linh hoạt, cho phép điều chỉnh tốc độ chuyển đèn trong thực tế. Tín hiệu xung vuông ổn định từ chân OUTPUT (chân 3) của IC 555 sẽ được dùng làm tín hiệu đồng hồ (clock) cho khối đếm tuần tự, khởi động toàn bộ chu trình hoạt động của hệ thống.

3.1. Nguyên lý hoạt động của IC 555 ở chế độ đa hài phi ổn

Nguyên lý hoạt động đèn giao thông bắt đầu từ khối tạo xung. Trong chế độ đa hài phi ổn, tụ điện C được nạp qua hai điện trở R1 và R2. Khi điện áp trên tụ đạt đến 2/3 VCC, bộ so sánh bên trong IC 555 sẽ kích hoạt mạch lật, làm cho ngõ ra (chân 3) chuyển xuống mức thấp và transistor xả bên trong được mở. Lúc này, tụ C bắt đầu xả điện qua điện trở R2. Khi điện áp trên tụ giảm xuống 1/3 VCC, bộ so sánh thứ hai sẽ reset mạch lật, đưa ngõ ra lên mức cao và đóng transistor xả. Chu trình nạp-xả này lặp đi lặp lại, tạo ra một chuỗi xung vuông liên tục tại ngõ ra. Thời gian mức cao (nạp) và mức thấp (xả) của xung được quyết định bởi giá trị của R1, R2 và C. Đây là nguyên lý cơ bản của mạch tạo xung IC 555.

3.2. Công thức tính toán tần số và chu kỳ xung cho mạch

Để điều khiển thời gian của đèn, việc tính toán chính xác các thông số là rất quan trọng. Các công thức chuẩn cho mạch tạo xung IC 555 ở chế độ đa hài như sau: Thời gian mức cao (T_high) = 0.693 * (R1 + R2) * C; Thời gian mức thấp (T_low) = 0.693 * R2 * C. Chu kỳ của một xung là T = T_high + T_low, và tần số là f = 1/T. Dựa trên tài liệu gốc, với yêu cầu thời gian là 0,7s và 0,6s, và chọn C = 10µF, các giá trị điện trở được tính toán là R1 = 10KΩ và R2 = 100KΩ. Để có thể điều chỉnh linh hoạt, R2 có thể được thay thế bằng một chiết áp 500kΩ. Việc tính toán này đảm bảo vi mạch số hoạt động đúng theo nhịp điệu đã thiết kế, tạo tiền đề cho hoạt động chính xác của toàn hệ thống mạch đèn giao thông ngã tư.

IV. Sơ đồ nguyên lý đèn giao thông và mạch đếm tuần tự IC 4017

Sau khi có tín hiệu xung nhịp từ IC 555, khối đếm và logic sẽ chịu trách nhiệm điều khiển trạng thái của các đèn. Sơ đồ nguyên lý đèn giao thông cho thấy ngõ ra của IC 555 được nối trực tiếp vào chân CLOCK (chân 14) của IC đếm thập phân CD4017. IC này có 10 ngõ ra (Q0 đến Q9), và tại mỗi sườn lên của xung clock, trạng thái cao (logic 1) sẽ được dịch chuyển tuần tự từ ngõ ra này sang ngõ ra kế tiếp. Đây chính là cơ chế tạo ra các khoảng thời gian khác nhau cho đèn xanh, vàng, đỏ. Để tạo ra trạng thái đèn phức hợp cho một mạch đèn giao thông ngã tư, các ngõ ra của IC 4017 được tổ hợp lại bằng cách sử dụng các Diode. Ví dụ, các ngõ ra Q0, Q1, Q2, Q3 có thể cùng cấp nguồn cho đèn Đỏ ở trục 1 và đèn Xanh ở trục 2. Việc sử dụng Diode là bắt buộc để ngăn dòng điện chảy ngược và gây ngắn mạch giữa các ngõ ra của IC. Đây là một ứng dụng kinh điển của mạch logic số sử dụng các linh kiện rời.

4.1. Phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch đèn giao thông ngã tư

Bản vẽ sơ đồ nguyên lý đèn giao thông là tài liệu quan trọng nhất của đồ án. Nó mô tả chi tiết cách kết nối giữa các khối. Xung từ IC 555 cấp cho IC 4017. Các ngõ ra của IC 4017 được nhóm lại để điều khiển 6 đèn LED (2 xanh, 2 vàng, 2 đỏ). Ví dụ, một chu trình hoạt động điển hình như sau: Q0-Q3 ở mức cao: Đèn Đỏ 1 và Xanh 2 sáng (4 giây). Q4 ở mức cao: Đèn Đỏ 1 và Vàng 2 sáng (1 giây). Q5-Q8 ở mức cao: Đèn Xanh 1 và Đỏ 2 sáng (4 giây). Q9 ở mức cao: Đèn Vàng 1 và Đỏ 2 sáng (1 giây). Chân reset (15) được nối với ngõ ra tiếp theo (Q10, tức chân Carry Out 12) hoặc một ngõ ra cụ thể để vòng lặp bắt đầu lại. Sơ đồ này thể hiện rõ ràng nguyên lý hoạt động đèn giao thông.

4.2. Giải thích hoạt động của mạch đếm dùng IC 4017

IC 4017 là một mạch đếm Johnson 5 tầng, có khả năng đếm từ 0 đến 9. Khi nhận được một xung sườn lên ở chân CLOCK (14) và chân ENABLE (13) đang ở mức thấp (nối mass), bộ đếm sẽ tăng giá trị lên một đơn vị. Điều này làm cho ngõ ra tương ứng chuyển lên mức cao, trong khi tất cả các ngõ ra khác ở mức thấp. Ví dụ, sau xung đầu tiên, Q0 lên cao; xung thứ hai, Q0 xuống thấp và Q1 lên cao, cứ thế tiếp tục. Khi đếm đến 9 (Q9 cao), xung tiếp theo sẽ làm Q0 lên cao trở lại, bắt đầu một chu kỳ mới. Chân RESET (15) khi được đưa lên mức cao sẽ buộc bộ đếm quay về 0 (Q0 cao) ngay lập tức, bất kể trạng thái hiện tại. Tính năng này cho phép tạo ra các vòng đếm ngắn hơn 10 bước nếu cần. IC 4017 là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển tuần tự đơn giản.

V. Cách mô phỏng Proteus và thiết kế mạch in PCB chi tiết

Từ sơ đồ nguyên lý, bước tiếp theo là hiện thực hóa thiết kế thông qua mô phỏng và thi công. Phần mềm Proteus là công cụ mạnh mẽ cho phép thực hiện cả hai công đoạn này. Quá trình mô phỏng Proteus mạch đèn giao thông giúp kiểm tra lại toàn bộ logic hoạt động của mạch trước khi tiến hành làm mạch thật. Người thiết kế có thể quan sát trạng thái của các đèn LED, đo đạc tần số xung từ IC 555 và đảm bảo chu trình hoạt động đúng như tính toán. Sau khi mô phỏng thành công, công đoạn thiết kế mạch in PCB được bắt đầu. Giai đoạn này bao gồm việc sắp xếp các linh kiện một cách khoa học trên một không gian giới hạn và vẽ các đường dẫn bằng đồng (trace) để kết nối chúng. Một layout PCB tốt cần đảm bảo các đường tín hiệu ngắn, đường nguồn đủ lớn và không có lỗi kết nối. Cuối cùng, file thiết kế sẽ được xuất ra để tiến hành in, ủi và ăn mòn, tạo ra một bảng mạch vật lý sẵn sàng cho việc lắp ráp.

5.1. Hướng dẫn chạy mô phỏng mạch đèn giao thông trên Proteus

Để thực hiện mô phỏng Proteus mạch đèn giao thông, trước tiên cần vẽ lại toàn bộ sơ đồ nguyên lý trong môi trường ISIS của Proteus. Thư viện của phần mềm cung cấp đầy đủ các linh kiện điện tử cơ bản và IC cần thiết. Sau khi hoàn tất việc kết nối, nhấn nút 'Play' để bắt đầu mô phỏng. Trên màn hình, có thể quan sát trực quan các đèn LED đổi màu theo đúng chu trình. Các công cụ như Oscilloscope ảo có thể được dùng để kiểm tra dạng xung và tần số tại ngõ ra của IC 555, xác nhận kết quả tính toán. Nếu mạch không hoạt động như mong đợi, đây là giai đoạn để rà soát lại các kết nối, giá trị linh kiện và sửa lỗi mà không tốn chi phí. Mô phỏng là bước xác thực thiết kế quan trọng, là cầu nối giữa lý thuyết và thực hành.

5.2. Các bước vẽ layout và xuất file cho mạch in PCB

Sau khi sơ đồ nguyên lý được xác nhận, người thiết kế chuyển sang môi trường ARES của Proteus để thiết kế mạch in PCB. Bước đầu tiên là định nghĩa kích thước bo mạch. Tiếp theo, các linh kiện từ sơ đồ nguyên lý sẽ được đưa vào vùng thiết kế. Việc sắp xếp linh kiện cần tối ưu để đường đi dây ngắn gọn và tránh giao cắt. Công cụ Auto-router có thể tự động đi dây, nhưng đi dây thủ công thường cho kết quả tốt hơn về mặt thẩm mỹ và hiệu năng. Cần chú ý thiết lập độ rộng trace phù hợp, đường nguồn và mass nên lớn hơn đường tín hiệu. Sau khi hoàn tất layout, cần kiểm tra lại lỗi thiết kế (DRC - Design Rule Check). Cuối cùng, mạch in được xuất ra dưới dạng file PDF hoặc Gerber để chuẩn bị cho công đoạn gia công mạch vật lý.

5.3. Kết quả hoàn thiện Mạch in thực tế và lắp ráp linh kiện

Giai đoạn cuối cùng của báo cáo đồ án điện tử là thi công mạch thật. Từ file layout đã xuất, bo mạch được in lên giấy decal hoặc giấy ảnh, sau đó dùng bàn ủi nhiệt để chuyển mực in lên tấm đồng. Tấm đồng sau đó được ngâm trong dung dịch ăn mòn (như FeCl3) để loại bỏ phần đồng không cần thiết, chỉ giữ lại các đường mạch. Sau khi rửa sạch và khoan lỗ chân linh kiện, quá trình lắp ráp bắt đầu. Các linh kiện điện tử cơ bản được hàn cẩn thận vào đúng vị trí. Kỹ năng hàn tốt sẽ đảm bảo các mối nối chắc chắn và không bị chập. Sau khi lắp ráp xong, mạch được cấp nguồn và kiểm tra hoạt động. Sản phẩm cuối cùng là một mô hình đèn giao thông hoạt động đúng như thiết kế, minh chứng cho sự thành công của toàn bộ quá trình.

VI. Tổng kết báo cáo đồ án điện tử và hướng phát triển tương lai

Báo cáo đồ án thiết kế mạch đèn giao thông IC số đã trình bày một cách hệ thống toàn bộ quá trình thực hiện một dự án điện tử từ A đến Z. Đồ án đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra: mô phỏng thành công trên Proteus, thiết kế và thi công được mạch in, và sản phẩm cuối cùng hoạt động ổn định. Thông qua quá trình này, người thực hiện đã củng cố được kiến thức về các vi mạch số cơ bản như IC 555, IC 4017 và rèn luyện nhiều kỹ năng thực tiễn quý báu. Tuy nhiên, mô hình hiện tại vẫn có những hạn chế nhất định, chủ yếu đến từ việc sử dụng mạch logic cứng. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc nâng cấp hệ thống bằng cách tích hợp vi điều khiển, cho phép tạo ra các chu trình đèn phức tạp hơn, thêm chế độ cho người đi bộ, hoặc kết nối với cảm biến để xây dựng hệ thống giao thông thông minh. Đây là một nền tảng vững chắc để tiếp tục khám phá những lĩnh vực chuyên sâu hơn trong ngành kỹ thuật điện tử.

6.1. Đánh giá kết quả đạt được và kinh nghiệm thực tiễn

Kết quả cuối cùng của đồ án là một sản phẩm hoạt động tốt, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế ban đầu. Quá trình thực hiện đã mang lại nhiều kinh nghiệm quý báu. Thứ nhất, kỹ năng sử dụng phần mềm Proteus để vẽ nguyên lý, mô phỏng Proteus mạch đèn giao thông và thiết kế mạch in PCB đã trở nên thành thạo. Thứ hai, kiến thức về datasheet linh kiện và cách lựa chọn, tính toán thông số đã được củng cố. Thứ ba, kỹ năng thực hành như làm mạch in thủ công và hàn linh kiện đã được cải thiện đáng kể. Những khó khăn gặp phải trong quá trình thi công cũng là bài học về sự cẩn thận và kiên trì. Hoàn thành báo cáo đồ án điện tử này không chỉ là đạt được điểm số mà còn là xây dựng sự tự tin trong việc biến một ý tưởng thiết kế thành sản phẩm thực tế.

6.2. Tiềm năng nâng cấp Tích hợp vi điều khiển và cảm biến

Mặc dù thành công, mô hình mạch đèn giao thông IC số có tính linh hoạt không cao. Mọi thay đổi về thời gian đều yêu cầu can thiệp phần cứng (thay đổi điện trở/tụ điện). Hướng phát triển tiềm năng là thay thế toàn bộ khối tạo xung và đếm logic bằng một vi điều khiển (như Arduino hoặc PIC). Điều này sẽ giúp mạch nhỏ gọn hơn đáng kể. Quan trọng hơn, việc điều khiển bằng phần mềm cho phép dễ dàng thay đổi chu trình đèn, thêm các chế độ hoạt động khác nhau (ví dụ: chế độ ban đêm chỉ chớp đèn vàng). Hơn nữa, hệ thống có thể tích hợp thêm các cảm biến (cảm biến hồng ngoại, vòng từ) để phát hiện lưu lượng xe, từ đó tự động điều chỉnh thời gian đèn xanh một cách thông minh. Việc tích hợp hiển thị thời gian đếm ngược bằng LED 7 đoạn cũng là một cải tiến hữu ích, dễ dàng thực hiện với vi điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1. Chọn đề tài Nhóm đã tìm hiểu nhiều nguồn trên internet và các khóa đi trước thấy rằng đề tài này đã có nhiều nhóm thực hiện, qua đó nhóm đã đúc kết được một số kiến thức cũng như rút được nhiều kinh nghiệm như Cách thiết kế mạchCó thể sử dụng các IC số hoặc vi điều khiển. Các cách thì có ưu nhược điểm riêng.

Nếu sử dụng IC số thì không cần đòi hỏi các kiến thức về lập trình. Nhưng mạch cồng kền, nhiều linh kiện, mạch layout phức tạp, hệ thống khó phát triển, nâng cấp Nếu sử dụng vi điều khiển thì mạch nhỏ gọn ít IC, layout đơn giản, hệ thống dễ nâng cấp phát triển,. Nhưng đòi hỏi người thực hiện phải nắm các kiến thức về lập trình cho vi điều khiển. Vì đồ án môn học 1 yêu cầu người thực hiện chủ yếu nắm những kiến thức về các linh kiện điện tử, IC sốcác kĩ năng cơ bản về thi công, thiết kế mạch,.

và không đòi hỏi đề tài phức tạp nên nhóm thực hiện đề tài này chỉ sử dụng các IC số. Mục tiêu của đề tài - Làm quen các linh kiện điện tử cơ bản - Biết thiết kế và chạy mô phỏng trên proteus - Tính toán được các thông số cơ bản của các linh kiện điện tử trong mạch - In được mạch - Hàn các linh kiện để mạch có thể hoạt động được 8 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH 1. Thiết kế sơ đồ khối Bộ đếm Bộ hiển thị Bộ tạo xung Bộ nguồn Mạch có 4 khối: - Bộ nguồn - Bộ tạo xung - Bộ giải mã hiển thị - Bộ hiển thị 2.

Thiết kế chi tiết từng khối 2. Bộ nguồn 9 Hình 2. 1: Bộ nguồn Bộ nguồn cung cấp điện áp cho toàn bộ mạch, ở đây ta dùng nguồn AC 220V qua biến áp và cầu diot biến đổi thành điện áp 1 chiều khoảng 9V cung cấp cho bộ tạo xung IC 555 , bộ đếm IC 4017 và bộ hiện thị. Bộ tạo xung Dùng IC 555 để tạo ra xung nhịp 10 Hình 2.

2: Bộ tạo xung Hình 2. 3: IC 555 11  Cấu tạo IC 555: Cấu tạo của IC 555 gồm OP-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor để xả điện. Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt. Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần.

Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2. Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích. Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset  Các chức năng của 555: + Là thiết bị tạo xung chính xác + Máy phát xung + Điều chế được độ rộng xung (PWM) + Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại) Sơ đồ chân IC555: Hình 2.

4: Sơ đồ chân IC 555 + Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung. + Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc. + Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1.

1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0. + Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC.

+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. Chân 12 này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định. + Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt. + Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra.

Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động. + Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. Không có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ 2V -->18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là con NE7555) Cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động: -Cấu tạo: Hình 2.

5:Cấu tạo bên trong IC 555 Nhìn trên sơ đồ cấu tạo trên ta thấy cấu trúc của 555 gồm : 2 con OPAM, 3 con điện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở đây là FF RS): - 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp - Transistor để xả điện. - Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần. Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2.

Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích. Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset. -Nguyên tắc hoạt động: 13 Hình 2. 6: Nguyên lý hoạt động Ở trên mạch trên ta bít là H là ỏ mức cao và nó gần bằng Vcc và L là mức thấp và nó bằng 0V.

Sử dụng pác FF - RS Khi S = [1] thì Q = [1] và = Q- = [ 0]. Khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì Q-= [1], transisitor mở dẫn, cực C nối đất. Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá V2. Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset.

Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra+Rb)C. * Tụ C nạp từ điện Áp 0V -> Vcc/3: - Lúc này V+1(V+ của Opamp1) > V-1. - /Q = 0 --> Transistor hồi tiếp không dẫn. * Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3: - Lúc này, V+1 < V-1.

- R = 0, S = 0 --> Q, /Q sẽ giứ trạng thái trước đó (Q=1, /Q=0). - Transistor vẫn ko dẫn ! * Tụ C nạp qua ngưỡng 2Vcc/3: - Lúc này, V+1 < V-1. - Q = 0 --> Ngõ ra đảo trạng thái = 0. - /Q = 1 --> Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V ! - Tụ C xả qua Rb.

Với thời hằng Rb.C 14 - Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống dưới 2Vcc/3. * Tụ C tiếp tục "XẢ" từ điện áp 2Vcc/3 --> Vcc/3: - Lúc này, V+1 < V-1. - R = 0, S = 0 --> Q, /Q sẽ giứ trạng thái trước đó (Q=0, /Q=1). - Transistor vẫn dẫn ! * Tụ C xả qua ngưỡng Vcc/3: - Lúc này V+1 > V-1.

- /Q = 0 --> Transistor không dẫn -> chân 7 không = 0V nữa và tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3. Nói tóm lại các bạn cứ nên hiểu là : Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3. (Xem dường đặc tính tụ điện phóng nạp ở trên) - Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C. - Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3.

Xả điện với thời hằng là Rb. - Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện. Công thức tính tần số điều chế độ rộng xung của 555: Hình 2. 7: Điều chế độ rộng xung của IC 555 Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung.

+ Tần số của tín hiệu đầu ra là : 15 f = 1/(ln2.(R1 + 2R2)) + Chu kì của tín hiệu đầu ra : T = 1/f + Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì : t1 = ln2 .C + Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì : t2 = ln2. Bộ đếm Hình 2. 8: Bộ đếm 16 Dùng IC 4017 bộ đếm thập phân Hình 2. 9: IC 4017 IC 4017 hay còn gọi là CD4017 là một vi mạch đếm CMOS 10 bit, được xây dựng từ các mạch Mosfet và dùng cho các ứng dụng đến nhỏ.

IC đếm có ngõ vào là xung clock và có 10 đầu ra. Bộ đếm từ 0 đến 10 bằng cách bật lần lượt 10 đầu ra của cạnh dương cung clock. IC 4017 sẽ tiết kiệm không gian và thời gian thiết kế mạch. Bạn có thể thiết lập lại và điều khiển đếm với các chân reset và chân enable.

 Sơ đồ chân của IC 4017 CD4017 được thiết kế với 16 chân, trong đó có 11 chân đầu ra, 5 chân dùng để cấp nguồn và điều khiển IC. Dưới đây là chi tiết các chân của IC 4017. mỗi xung cạnh dương của xung clock.