Đồ án 1: Thiết kế mạch đồng hồ số hiển thị 6 LED 7 đoạn dùng IC CD40110

Tài liệu đồ án chi tiết thiết kế mạch đồng hồ số dùng IC CD40110, hiển thị giờ phút giây trên 6 LED 7 đoạn. Gồm sơ đồ và hướng dẫn thi công.

• Tác giả: Nguyễn Anh Tiến
• Người hướng dẫn: GVHD. Trương Ngọc Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Điện – Điện tử
• Đề tài: Thiết kế mạch đồng hồ số
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về IC CD40110 và ứng dụng trong đồng hồ số

IC CD40110 là một mạch tích hợp số được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển và đếm. Đây là một bộ đếm thập phân có khả năng đếm từ 0 đến 9, được thiết kế để làm việc với các hệ thống điện tử số hiện đại. Trong thiết kế mạch đồng hồ số, IC CD40110 đóng vai trò quan trọng trong khối đếm giây, phút và giờ. Với các tính năng như đếm tiến, đếm lùi, và khả năng cài đặt thời gian, IC này cho phép tạo ra một đồng hồ số hoàn chỉnh có độ chính xác cao. Hiểu rõ về cấu trúc và hoạt động của IC CD40110 là nền tảng để thiết kế thành công một hệ thống đồng hồ số đáng tin cậy.

1.1. Đặc điểm kỹ thuật của IC CD40110

IC CD40110 được thiết kế với các đặc điểm nổi bật. Thứ nhất, nó hoạt động với điện áp nguồn từ 3V đến 18V, điều này giúp tương thích với nhiều hệ thống khác nhau. Thứ hai, tần số xung đầu vào có thể lên đến vài MHz, cho phép đếm nhanh. Thứ ba, tiêu thụ điện năng rất thấp, phù hợp cho các thiết bị chạy bằng pin. Ngoài ra, IC CD40110 có chân reset để đặt lại giá trị đếm và các chân kích hoạt có thể kiểm soát chế độ làm việc của chip này.

1.2. Ứng dụng trong các mạch đồng hồ số hiện đại

Trong thiết kế mạch đồng hồ số, IC CD40110 được sử dụng để đếm xung 1Hz từ khối tạo xung thạch anh. Mỗi xung đại diện cho 1 giây, và bộ đếm sẽ tích lũy các xung này để cập nhật thời gian. Với phạm vi đếm 0-9, người thiết kế cần sử dụng nhiều IC CD40110 để tạo ra các khối đếm cho giây, phút và giờ. Khi kết hợp với mạch giải mã và LED 7 đoạn, IC CD40110 cho phép hiển thị thời gian một cách rõ ràng và chính xác.

II. Thiết kế sơ đồ khối mạch đồng hồ số với IC CD40110

Sơ đồ khối mạch đồng hồ số được chia thành các phần chức năng riêng biệt để dễ quản lý và thiết kế. Khối nguồn cấp điện áp 5V ổn định cho toàn bộ mạch. Khối tạo xung 1Hz sử dụng dao động thạch anh để tạo tín hiệu cơ bản. Khối đếm chứa các IC CD40110 được mắc nối tiếp để tạo bộ đếm giây (0-59), phút (0-59) và giờ (0-23). Khối hiển thị sử dụng LED 7 đoạn và mạch giải mã BCD để hiển thị kết quả. Cuối cùng, khối cài đặt thời gian cho phép người dùng điều chỉnh giờ, phút thông qua các nút nhấn. Cấu trúc này đảm bảo tính modular và dễ bảo trì.

2.1. Khối tạo xung 1Hz với thạch anh

Khối tạo xung 1Hz là tim của mạch đồng hồ số. Nó sử dụng mạch dao động thạch anh có tần số 32.768 kHz để tạo ra xung chuẩn. Thông qua mạch chia tần, tần số này được chia xuống còn 1Hz, tương ứng với 1 giây. Xung 1Hz này sau đó được đưa vào chân đầu vào xung của IC CD40110 để đếm giây. Độ chính xác của thạch anh đảm bảo đồng hồ hoạt động với sai số rất nhỏ.

2.2. Khối đếm sử dụng IC CD40110 xếp tầng

Để đếm từ 0-59 cho giây và phút, cần sử dụng hai IC CD40110 xếp tầng. IC đầu tiên đếm hàng đơn vị (0-9), và khi đạt 9, nó sẽ sinh xung carry để kích IC thứ hai đếm hàng chục (0-5). Để đạt 24 giờ, cần thêm logic điều khiển để reset khối đếm giờ khi vượt quá 23. Các chân reset của IC CD40110 được nối với mạch logic để cho phép cài đặt thời gian khi cần thiết.

III. Thiết kế khối hiển thị và giải mã BCD

Khối hiển thị là phần người dùng nhìn thấy trực tiếp thời gian hiện tại. LED 7 đoạn là lựa chọn phổ biến nhất với giá thành rẻ và dễ sử dụng. Đầu ra của IC CD40110 là mã BCD (Binary Coded Decimal), cần được giải mã thành mã 7 đoạn để điều khiển LED. IC giải mã BCD như IC CD4511 được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu BCD thành tín hiệu điều khiển 7 đoạn. Mạch đồng hồ số cần sáu đơn vị LED 7 đoạn: hai cho giờ, hai cho phút, và hai cho giây. Với hệ thống này, hiển thị được chính xác và dễ đọc cho người dùng.

3.1. Nguyên lý hoạt động của LED 7 đoạn

LED 7 đoạn gồm 7 diode phát sáng được bố trí thành hình số 8. Mỗi đoạn được gán một chữ cái từ a đến g. Bằng cách bật/tắt từng đoạn một cách khác nhau, có thể hiển thị các chữ số từ 0-9 và một số ký tự khác. IC giải mã BCD nhận đầu vào 4-bit BCD từ IC CD40110 và xuất ra 7-bit để điều khiển 7 đoạn. Dòng điều khiển thường là khoảng 10-20mA cho mỗi đoạn, cần có điện trở giới hạn để bảo vệ.

3.2. Mạch decoder BCD và kết nối với IC CD40110

IC CD4511 là bộ giải mã BCD sang 7 đoạn được sử dụng rộng rãi. Nó nhận 4 chân đầu vào mang dữ liệu BCD từ 4 chân Q của IC CD40110 (Q0, Q1, Q2, Q3). IC CD4511 có chân latch để khóa dữ liệu và chân enable để bật/tắt hiển thị. 7 chân xuất (a, b, c, d, e, f, g) được nối với 7 cathode (hoặc anode) của LED 7 đoạn. Điện trở 220Ω được mắc nối tiếp với mỗi đoạn LED để giới hạn dòng.

IV. Khối cài đặt thời gian và nút điều khiển

Khối cài đặt thời gian cho phép người dùng điều chỉnh giờ, phút, giây của đồng hồ số. Thông thường sử dụng nút nhấn để cài đặt và hiệu chỉnh thời gian. Hai nút nhấn chính là: một nút để tăng giờ, một nút để tăng phút. Các nút này được nối với mạch logic hoặc vi điều khiển để kích hoạt reset và đếm lại. Khi nút được nhấn, xung logic được đưa vào chân preset hoặc reset của IC CD40110 để thiết lập lại giá trị đếm. Hệ thống cần có mạch chống rung (debounce) để đảm bảo tín hiệu nút nhấn được nhận dạng chính xác.

4.1. Nguyên lý hoạt động của nút nhấn điều khiển

Nút nhấn hoạt động dựa trên nguyên lý đóng-mở mạch điện. Khi nút nhấn được bấm, nó nối hai điểm trong mạch, cho phép xung logic đi qua. Mạch chống rung sử dụng tụ điện hoặc software để lọc bỏ nhiễu do rung cơ học của nút. Thông thường, cần thời gian chờ 20ms trước khi đọc lại trạng thái nút để đảm bảo tín hiệu ổn định. Với IC CD40110, nút tăng giờ được nối với mạch logic để điều khiển các chân preset, cho phép đặt giá trị mới cho khối đếm giờ.

4.2. Mạch logic điều khiển và tính năng báo thức

Mạch logic điều khiển sử dụng cổng logic hoặc vi điều khiển nhỏ để quản lý các nút nhấn và điều khiển khối đếm. Tính năng báo thức có thể được lập trình để phát tín hiệu khi thời gian đạt giá trị cài đặt. Comparator logic so sánh giá trị đếm hiện tại với giá trị báo thức được cài đặt. Khi bằng nhau, tín hiệu báo thức được kích hoạt để điều khiển buzzer hoặc đèn báo. Hệ thống này cho phép người dùng dễ dàng quản lý thời gian và hẹn giờ có chức năng hoàn chỉnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.