Chương 1 GIỚI THIỆU – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Trong thế giới ngày càng hiện đại với những công nghệ tiên tiến đang phát triển giúp cho cuộc sống trở nên thuận tiện hơn về nhiều mặt cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử thông minh lần lượt ra đời đã, đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng rộng rãi, mang lại hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực khoa học kĩ thuật cũng như trong đời sống xã hội hiện đại. Trong số đó đồng hồ là một công cụ được ra đời để giúp mọi người quản lí tốt thời gian của mình. Đồng hồ dùng để đo đạc những mốc thời gian nhỏ hơn một ngày. Hiện nay, hầu hết mọi người đều cần sử dụng đồng hồ để xem thông tin về thời gian giờ phút giây trong ngày, dùng để quản lý về thời gian ví dụ như tính cước điện thoại: căn cứ vào thời gian để biết cuộc gọi vào thời điểm nào, dùng để điều khiển như báo chuông giờ học, tính phí cho các hoạt động thể thao theo giờ,.
Thực tế ngày nay, tất cả các thiết bị điện tử điều được tích hợp nhờ vào IC số và đồng hồ số cũng không ngoại lệ. Ứng dụng IC số để làm một chiếc đồng hồ là một đề tài rất thú vị và thực tế. Cho nên em quyết định chọn đề tài “thiết kế mạch đồng hồ số” để nghiên cứu cho môn đồ án 1.2 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Sự cần thiết và lợi ích của đồng hồ số mang lại cho cuộc sống rất nhiều lĩnh vực nên đây chính là lý do mà em chọn và thực hiện đề án “Thiết kế mạch đồng hồ số”. Từ đó có thể vận dụng triệt để, ứng dụng các kiến thức đã học về kĩ thuật số và điện tử cơ bản vào thực tế ngay trên chính đồ án này.
Đề tài thực hiện mạch đồng hồ số có chức năng hiển thị và hiệu chỉnh giờ.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Do kiến thức và trình độ năng lực còn hạn chế nên em chỉ thiết kế đồng hồ số đơn giản hiển thị giờ phút giây trên 6 led 7 đoạn, sử dụng nguồn pin hoặc điện 5V. Có hai nút nhấn để chỉnh thời gian là giờ và phút và hẹn giờ cố định theo yêu cầu. 4 Nguyễn Anh Tiến Đồ án 1 – Thiết kế mạch đồng hồ số Chương 2 THIẾT KẾ (HOẶC KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI) 2.1 GIỚI THIỆU (TÓM TẮT) Vận dụng những kiến thức đã học về việc sử dụng các IC số thông dụng để tạo bộ đếm và hiển thị trên led 7 đoạn. Từ đó em thực hiện mạch số có chức năng hiện thị giờ phút giây và có thể hiệu chỉnh thời gian.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI Theo yêu cầu của đề tài thì tôi tiến hành thiết kế sơ đồ khối của mạch đồng hồ số như hình 2.
Sơ đồ khối mạch đồng hồ số. Chức năng từng khối: • Khối nguồn: có chức năng cấp nguồn cho toàn bộ mạch để hoạt động. • Khối tạo xung 1Hz: có chức năng tạo xung 1Hz cho khối đếm tương ứng với 1 giây của đồng hồ. • Khối đếm: có chức năng đếm xung và phạm vi của khối đếm giây và phút là từ 00 đến 59, khối đếm giờ là 00 đến 23.
• Khối hiển thị: có chức hiển thị kết quả đếm dạng số. • Khối cài đặt thời gian: điều chỉnh giờ, phút và báo thức mặc định. 5 Nguyễn Anh Tiến Đồ án 1 – Thiết kế mạch đồng hồ số 2. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 2.
THIẾT KẾ KHỐI NGUỒN - Chức năng của khối: Khối nguồn có chức năng cấp nguồn 5V cho toàn bộ mạch đồng hồ để hoạt động đúng theo yêu cầu. Toàn mạch sẽ có một đầu cắm nguồn nguồn DC chung như hình bên dưới. Đầu cắm nguồn DC - Phân tích lựa chọn linh kiện: Để đáp ứng chức năng trên và để đạt được độ ổn định trong quá trình hoạt động, tôi chọn Adapter để cấp nguồn 5V cho mạch hoạt động. - Thông số kỹ thuật chính linh kiện đã chọn: Gồm củ sạc điện thoại và cáp USB to DC Hình 2.
Củ sạc 5V-1A • Điện áp đầu vào: AC 100-240V~50/60Hz, dòng đầu vào 0.5A • Điện áp ra: DC 5V – 1A, và 5V – 2.4A 6 Nguyễn Anh Tiến Đồ án 1 – Thiết kế mạch đồng hồ số • Hiệu quả hoạt động: 95% • Đầu ra USB tương thích với dây cáp jack DC: 5.5mm (tương thích 5.1mm) như hình dưới đây: Hình 2. Dây cáp Jack DC 5. THIẾT KẾ KHỐI TẠO XUNG 1HZ (Mạch dao động thạch anh) - Chức năng của khối: Khối tạo dao động có chức năng tạo ra tần số 1Hz (chu kỳ 1s) để cấp cho khối đếm. - Phân tích linh kiện: Để đáp ứng yêu cầu đó ta sử dụng thạch anh 32.768kHz để tạo dao động và IC4060 để chia tần số đó.
Vì phần thạch anh tạo dao động 32768 xung trên giây nhưng mà IC4060 chỉ đạt tới ngõ ra Q14 tương ứng với tần số 2Hz nên ta cần phải dùng thêm 1 Flip Flop D (IC4013) để chia tần số thêm 2 lần nữa mới tạo ra được tần số 1Hz như yêu cầu. - Thông số kỹ thuật chính linh kiện đã chọn: • Thạch anh 32.768 KHz: tần số 32.768 Khz, kiểu chân DIP 2 chân, dạng hình trụ kích thước 2x6mm.768 KHz DIP 7 Nguyễn Anh Tiến Đồ án 1 – Thiết kế mạch đồng hồ số • IC 4060: để tạo ra xung có tần số là 2Hz Hình 2. Sơ đồ chân của IC 4060 Bảng 2. Chức năng các chân của IC 4060 Tên chân Số chân Loại Mô tả Q3 đến Q9 1-7 Đầu ra Các đầu ra bộ đếm Q11 đến Q13 13-15 Đầu ra Các đầu ra bộ đếm CEXT 9 Đầu vào Kết nối cho tụ ngoài REXT 10 Đầu vào Kết nối cho điện trở ngoài CLK 11 Đầu vào Chân đầu vào đồng hồ/ bộ dao dộng RST 12 Đầu vào Reset bộ đếm VDD 16 Nguồn Nguồn (+3 đến +15V) GND 8 Nguồn Ground (0V) 8 Nguyễn Anh Tiến Đồ án 1 – Thiết kế mạch đồng hồ số • IC 4013: để tạo ra xung có tần số là 1Hz Hình 2.
Sơ đồ chân của IC 4013 Bảng 2. Chức năng các chân của IC 4013 Tên chân Số chân Loại Mô tả VDD 14 Nguồn Nguồn (+3 đến +15V) GND 7 Nguồn Ground (0V) Q1, Q2 1, 13 Đầu ra Các đầu ra từ 2 flip flop D S1, S2 6,8 Đầu vào Preset đầu ra flip flop về 1 C1, C2 4, 10 Đầu vào Reset đầu ra flip flop về 0 Q’1, Q’2 2, 12 Đầu ra Các đầu ra đảo ngược từ 2 flip flop D CLK1, CLK2 3, 11 Đầu vào Đầu vào đồng hồ cho 2 flip flop D (sườn lên) D1, D2 5, 9 Đầu vào Đầu vào D (dữ liệu) cho 2 flip flop D - Tính toán mạch dao động thạch anh tạo xung 1Hz Ta sử dụng thạch anh có tần số 32.768KHz và IC 4060 làm mạch chia tần số, ta có thể thu được lần lượt các tần số sau: • 2048Hz tại ngõ ra Q4 của IC 4060 (chia 16) • 1024Hz tại ngõ ra Q5 của IC 4060 (chia 32) • 512Hz tại ngõ ra Q6 của IC 4060 (chia 64) • 256Hz tại ngõ ra Q7 của IC 4060 (chia 128) 9 Nguyễn Anh Tiến Đồ án 1 – Thiết kế mạch đồng hồ số • 128Hz tại ngõ ra Q8 của IC 4060 (chia 256) • 64Hz tại ngõ ra Q9 của IC 4060 (chia 512) • 32Hz tại ngõ ra Q10 của IC 4060 (chia 1024) • 16Hz tại ngõ ra Q11 của IC 4060 (chia 2048) • 8Hz tại ngõ ra Q12 của IC 4060 (chia 4096) • 4Hz tại ngõ ra Q13 của IC 4060 (chia 8192) • 2Hz tại ngõ ra Q14 của IC 4060 (chia 16384) Để có tần số 1Hz (thỏa mãn chu kỳ 1s), ta dùng thêm 1 Flip Flop D (IC 4013) để chia tần số thạch anh thêm 2 một lần nữa (chia cho 32768).9: Hình ảnh tổng quát mạch tạo dao động tần số 1Hz Điện trở R2 là điện trở phân cực (hồi tiếp) cho IC đảo hoạt động trong vùng tuyến tính của nó, đồng thời giá trị R2 phải phù hợp với tần số, nếu R2 càng lớn khi tần số càng nhỏ và ngược lại. Để chọn giá trị của R2 ta thực hiện các bước sau: • Thử bằng cách dùng biến trở, và vẽ lại đặc tuyến điện trở - tần số của R2 so với f. Dựa vào đó quyết định chọn giá trị tối ưu cho R2.
• Lưu ý: Khi cấp nguồn cho IC và đo giữa 2 chân in-out, nếu V = Vcc/2 thì có điện trở tích hợp sẵn bên trong, còn giá trị là 0 hoặc 1 thì chưa có trở hồi tiếp bên trong nó. Điều này giúp ta quyết định giá trị thực khi chọn giá trị R2.3: Bảng giá trị điện trở hồi tiếp thường dùng cho họ CMOS Tần số Khoảng giá trị R2 Nhỏ hơn hoặc bằng 32.768KHz đến 1MHz 5 đến 10MΩ 10 Nguyễn Anh Tiến Đồ án 1 – Thiết kế mạch đồng hồ số 1MHz đến 10MHz 1 đến 5MΩ 10MHz đến 20MHz 470KΩ đến 1MΩ Với yêu cầu thiết kế mạch đa hài phi ổn có giá trị f = 32.768Khz, ta chọn R2 = 10MΩ để phân cực khuếch đại tại Vcc/2 để đạt độ khuếch đại tốt nhất có thể. R1 là điện trở giới hạn của dòng điện. Nếu quá cao, thạch anh không hoạt động được và nếu quá thấp, tần số đầu ra của bộ dao động hoàn toàn thất thường.
Giả sử, ta đã chọn R2 là 10MΩ, R1 nên được điều chỉnh thành 220KΩ là giá trị tốt nhất mà ta có thể chọn. Tụ C1, C2 sẽ được chọn sao cho trùng với tải điện dung của thạch anh, trong trường hợp này thạch anh thuộc dòng HC-49/S được sử dụng có tải điện dung CL = 20pF. Vậy ta chỉ cần tính toán sao cho điện dung tương đương của C1, C2 bằng 20pF. Nhưng thực tế cần phải xét đến các vấn đề nảy sinh khác như: • Tụ ngõ vào, ngõ ra của IC đảo thường có giá trị Cin = 4 đến 7pF.
• Tụ ký sinh trên mạch ước lượng Cs = 2 đến 3pF. Vẽ lại sơ đồ mạch điện và phân giải. *Mạch tương đương của thạch anh dùng trong phân giải: Hình 2.10: Mạch tương đương thạch anh dùng trong phân giải Ta có được công thức tính điện dung tương đương Cp: Cp = + Cs Cp = + 2.5 Để đạt điều kiện dao động thì Cp = CL hay: 20 = + 2.25 = 0 Giải ra phương trình trên, chọn nghiệm dương ta được C > 27pF, nên chọn C1 = C2 = C = 220pF. 11 Nguyễn Anh Tiến Đồ án 1 – Thiết kế mạch đồng hồ số Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.