Báo cáo đồ án điện tử cơ bản, khoa điện tử, trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội. Đề tài: Thiết kế mạch đếm 0099 sử dụng IC 74LS192 , có đính kèm file thiết kế mạch trên Altium. Đồ án này gồm các nội dung sau: Phần 1: Mở đầuPhần 2: Lý thuyếtPhần 3: Thiết kế, mô phỏng và thực hiện phần cứngPhần 4: Kết quả thực hiện
LÝ THUYẾT
IC 555
- Công dụng: Tạo ra xung vuông, xung tam giác, xung răng cưa
Hình 2.1 Hình ảnh thực tế của IC555
Hình 2.2 Sơ đồ chân IC555
- Các thông số cơ bản của IC 555:
+ Dòng điện cung cấp: 6mA- 15mA
+ Điện áp logic ở mức cao: 0.5- 15V
+ Điện áp logic ở mức thấp: 0.03- 0.06V
+ Công suất lớn nhất: 600mW
- IC NE555 gồm có 8 chân [5] :
+ Chân số 1 (GND): cho nối đất để lấy dòng cấp cho IC
Chân số 2 (Trigger) là chân đầu vào có điện áp thấp hơn điện áp so sánh, được sử dụng như một chân chốt hoặc ngõ vào cho mạch so áp Mạch so sánh này sử dụng transistor 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
Chân số 4 (Reset) được sử dụng để thiết lập lại định mức trạng thái đầu ra Khi chân số 4 được nối với mase, ngõ ra sẽ ở mức thấp Ngược lại, khi chân 4 được kết nối với mức áp cao, trạng thái ngõ ra sẽ phụ thuộc vào điện áp trên chân 2 và 6.
Chân số 5 (Control Voltage) của IC 555 được sử dụng để điều chỉnh mức điện áp chuẩn thông qua các biến áp hoặc điện trở nối với mass Trong hầu hết các mạch ứng dụng, chân số 5 thường được nối với mass qua một tụ điện có giá trị từ 0.01uF đến 0.1uF Các tụ điện này có chức năng lọc nhiễu, giúp duy trì mức điện áp chuẩn ổn định.
+ Chân số 6 (Threshold): Là ngõ vào của 1 tần so áp khác Mạch so sánh dùng transitor NPN, mức chuẩn là Vcc/3
Chân số 7 (Dischager) hoạt động như một khóa điện, được điều khiển bởi tín hiệu từ chân 3 Khi chân 3 có mức áp thấp, khóa này sẽ đóng lại, ngược lại khi chân 3 có mức áp cao, khóa sẽ mở ra Chân 7 cũng có khả năng tự nạp và xả điện cho một mạch R-C trong quá trình hoạt động của IC.
555 dùng như 1 tầng dao động
+ Chân số 8 (Vcc): Cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC.
Cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động của IC 555 [7]
Hình 2.3 Cấu tạo bên trong IC555
- Về bản chất thì IC 555 là 1 bộ mạch kết hợp giữa 2 con Opamp, 3 điện trở, 1 transitor và 1 bộ Flipflop (ở đây dùng FFRS)
+ 2 OP- amp có tác dụng so sánh điện áp
Bên trong mạch có ba điện trở mắc nối tiếp, chia điện áp Vcc thành ba phần, tạo ra điện áp chuẩn Cụ thể, điện áp 1/3Vcc được kết nối với chân dương của Op-amp 1, trong khi điện áp 2/3Vcc nối vào chân âm của Op-amp 2 Khi điện áp tại chân 2 thấp hơn 1/3Vcc, chân S sẽ bằng [1] và FF được kích hoạt Ngược lại, khi điện áp tại chân 6 vượt quá 2/3Vcc, chân R của FF sẽ bằng [1] và FF sẽ được reset.
IC 74LS192
Hình 2.4 Hình ảnh thực tế
IC74LS192 Hình 2.5 Sơ đồ chân IC74LS192
+ Tần số lớn nhất có thể chịu được FmaxTMhz.
+ Nhiệt độ giới hạn: -40 o C đến +85 o C.
+ Dòng điện lớn nhất có thể chịu đựng IMax=4uA.
- Chức năng của các chân [5] :
+ Chân 8, 16 là 2 chân cấp nguồn cho IC Chân 8 nối mass, chân 16 nối nguồn 5V
+ Chân 4, 5 là chân nhận xung đếm từ bộ dao động chuyển sang Chân 4 (CPU) là chân đếm ngược, chân 5 (CPD) là chân đếm thuận
+ Chân 11 (PL): là chân Preset (chân đặt trước giá trị), chân điều khiển cho IC làm việc ở đầu ra tích cực thấp
+ Chân 14 (MR): là chân Master Clear, chân xóa làm việc ở mức tích cực cao, để IC đếm ta nối chân này xuống Mass
+ Chân 15, 1, 10, 9 (P0, P1, P2, P3) là các đầu vào dữ liệu
+ Chân 12 (TCU): là chân chuyển tiếp dùng cho đếm thuận
+ Chân 13 (TCD): là chân chuyển tiếp dùng cho đếm ngược
+ Chân 3, 2, 6, 7 (Q0, Q1, Q2, Q3): là các đầu ra của bộ đếm
Hình 2.6 Cấu tạo bên trong IC74LS192
Bảng 2.1 Bảng trạng thái của IC74LS192
MR PL CPU CPD MODE
Khi xung clock được đưa vào lối vào xung đếm thuận của IC đếm hàng đơn vị, IC này sẽ thực hiện quá trình đếm từ 0 đến 9 và cung cấp mã BCD ở đầu ra.
Khi IC đếm đạt đến 9, tín hiệu TCU sẽ giảm xuống mức thấp, và chân này được kết nối với đầu vào xung clock của IC đếm hàng chục Khi hai IC đếm giây đạt 99, chúng sẽ tạo ra một xung để đưa vào chân reset của cả hai IC, khiến chúng reset về 0 và đồng thời phát xung kích vào đầu vào xung clock của IC đếm hàng đơn vị phút.
IC 7447
Hình 2.7 Hình ảnh thực tế của IC7447
+ Dải nhiệt độ hoạt động: -55°C đến 125°C
Hình 2.8 Sơ đồ chân IC7447
+ Chân số 3: Dùng để kiểm tra các thanh LED 7 thanh cũng như các ngõ ra của IC
+ Các chân 1, 2, 6, 7: Các ngõ vào của tín hiệu BCD
+ Chân số 4: Chân cho phép đầu ra
+ Chân số 5: Chân cho phép loại bỏ số 0 không mong muốn ở các bộ hiển thị
+ Các chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15: Các ngõ ra nối với LED 7 thanh + Chân 8 và chân 16 cung cấp nguồn cho IC
IC 7447 là một IC tác động mức thấp, với ngõ ra ở mức 1 là tắt và mức 0 là sáng, tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của LED 7 thanh loại anode chung Các trạng thái ngõ ra này biểu thị các số thập phân từ 0 đến 9, trong đó các số từ 10 đến 15 không được sử dụng.
Ngõ vào xóa BC có thể được để trống hoặc kết nối lên mức 1 để đảm bảo hoạt động giải mã diễn ra bình thường Nếu kết nối xuống mức 0, tất cả các ngõ ra sẽ tắt, không phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của chúng.
Ngõ RBI được sử dụng để loại bỏ số 0 thừa, bao gồm cả số 0 phía sau số thập phân và số 0 đứng trước các số có nghĩa Khi kết hợp với các ngõ vào, RBI giúp cải thiện tính chính xác của dữ liệu.
D, C, B, A ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xóa dợn sóng RBO xuống mức thấp
+ Khi ngõ vào BI/ RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng.
LED 7 thanh
Hình 2.9 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của led 7 thanh
LED 7 thanh được cấu tạo từ 7 LED đơn xếp thành hình thanh, kèm theo một LED đơn hình tròn nhỏ để hiển thị dấu chấm tròn ở góc dưới bên phải.
- Bảng trạng thái LED 7 thanh:
Bảng 2.2 Bảng trạng thái của led 7 thanh
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG
Yêu cầu thiết kế
- Mạch đếm từ 00-99 hoạt động một cách chính xác.
- Mạch nhỏ gọn, dễ sử dụng
- Tốn ít điện năng tiêu thụ
- Nguồn cấp điện áp: Nguồn 1 chiều 4.5V
- Tần số xung đầu vào: 1.5Hz.
- Kích thước bo mạch: 10x8cm.
- Đảm bảo khoảng cách giữa các linh kiện để tránh ảnh hưởng nhiệt độ của
Phân tích thiết kế
- Từ yêu cầu của bài toán, phân tích và đưa ra những phương pháp thiết kế.
- Đối vối mạch tạo xung:
+ Để tạo xung vuông với tần số khoảng 1.5Hz thì có thể sử dụng bộ tạo xung sử dụng IC555 hoặc mạch tạo xung vuông dùng transitor
So sánh 2 mạch tạo xung:
Bảng 3.1 Bảng so sánh mạch tạo xung vuông dùng IC555 và dùng transitor
Tiêu chí Mạch tạo xung vuông dùng
Mạch tạo xung vuông dùng transitor
Các linh kiện sử dụng
7 điện trở Tổng số lượng linh kiện 4 15
Dễ hiểu, dễ sử dụng và giải thích
Nguyên lý hoạt động phức tạp
Chọn mạch tạo xung dùng IC555 vì nó phổ biến, dễ làm và phù hợp với chi phí
- Đối với mạch đếm, có thể sử dụng các phần tử nhớ Flip- Flop hoặc sử dụng IC tích hợp
Bảng 3.2 Bảng so sánh mạch đếm sử dụng phần tử nhớ Flip- Flop và sử dụng
IC tích hợp Đặc điểm
Phương pháp 1: SD các phần tử nhớ Flip- Flop
Phương pháp 2: SD IC tích hợp Ưu điểm
- Xử lý tín hiệu vào và làm 1 bit nhớ trạng thái kết quả
- Dễ sử dụng và tìm mua.
- Lập bảng trạng thái kết hợp với bìa karnaugh.
- Dễ sử dụng và tìm mua
- Tiêu thụ năng lượng và điện ít hơn
- Có thể dùng luôn không phải thiết kế
- Thiết kế theo datasheet của IC.
- Sơ đồ nguyên lý cồng kềnh.
- Khi tăng Kd nên thì thiết kế khó hơn
- Tín hiệu trực tiếp điều khiển trạng thái đầu ra.
- Ứng dụng bị hạn chế
- Phải tính toán chuẩn các trạng thái.
- Phải tìm hiểu kỹ về các IC trước khi thiết kế
- IC sẽ không hoạt động đúng nếu xử lý sai hoặc tiếp xúc với nhiệt độ quá cao
Phương pháp sử dụng IC tích hợp chức năng đếm là lựa chọn tối ưu và đơn giản nhất cho quá trình thiết kế mạch đếm Phương pháp này giúp tiết kiệm thời gian tính toán, cho phép thiết kế cả mạch đếm nhỏ và lớn với chi phí hợp lý.
Thiết kế sơ đồ khối
Hình 3.1 Sơ đồ khối toàn mạch
- Chức năng cơ bản của các khối:
+ Khối nguồn: Cấp nguồn cho toàn bộ mạch hoạt động
+ Khối tạo xung: Tạo xung đồng bộ điều khiển có chu kỳ không đổi + Khối đếm: Có chức năng đếm xung, phạm vi đếm từ 00 đến 99
+ Khối giải mã: Có chức năng giải mã số xung đếm được từ khối đếm sang LED 7 thanh
+ Khối hiển thị: Có chức năng hiển thị số dạng thập phân.
Thiết kế các khối
- Để cấp nguồn cho mạch, em sử dụng nguồn Adapter 5V
- Có nhiều cách thiết kế để tạo xung vuộng như thiết kế mạch dùng Transitor, thiết kế mạch dùng OPAM…
- Ở đây, chọn thiết kế mạch dao động tạo xung vuông dùng ICNE555
- Lý do chọn mạch tạo xung vuông sử dụng IC NE555:
+ IC NE555 rất phổ biến, dễ tìm
+ Mạch tạo xung dùng IC này rất dễ làm, dễ giải thích nguyên lý làm việc của nó
Sơ đồ khối tạo xung của IC555
Hình 3.3 Khối tạo xung của IC555
+ Vcc cung cấp cho IC có thể sử dụng từ 4.5V đến 15V
+ Tụ từ chân 5 xuống mass là cố định.
+ Khi thay đổi điện trở R1, R2 và giá trị tụ C sẽ thu được dao động có tần số và độ rộng xung theo ý muốn theo công thức:
Trong đó: T : Thời gian của một chu kỳ toàn phần tính bằng (s). f : Tần số dao động tính bằng Hz
- Để tạo ra xung vuông với tần số khoảng 1.5Hz, ta tính được giá trị các linh kiện: R1=1M, R2=6,8k, C=0.47uF.
- Khối đếm sử dụng IC 74LS192 Đây là khối quan trọng nhất để tạo nên một mạch đếm
- Khối này được dùng để thiết ké các hệ số đếm khác nhau tùy theo mục đích của người thiết kế
Để chuyển đổi các trạng thái từ bộ đếm sang hiển thị, cần sử dụng một khối giải mã Trong đồ án này, IC 7447 được sử dụng làm mạch giải mã, đây là loại IC chuyên dụng cho LED 7 đoạn anode chung.
- Sử dụng LED 7 thanh loại anode chung để hiển thị các trạng thái của bộn đếm nhờ qua bộ giải mã
Thiết kế mạch và mô phỏng
3.5.1 Thiết kế mạch nguyên lý
- Sau khi đã nghiên cứu kỹ sơ đồ khối, cũng như nguyên lý hoạt động của từng linh kiện, em đã thiết kế một mạch nguyên lý hoàn chỉnh
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý thiết kế trên Alium
- Đã chạy thử thành công trên phần mềm Proteus.
Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng trên Proteus
So sánh kết quả lý thuyết tính toán về kết quả mô phỏng:
- Kết quả chạy mô phỏng đúng như trong tính toán lý thuyết
+ Xung tạo ra từ khối tạo xung đo được đúng tần số như đã tính toán: f 1.5Hz
+ Mạch mô phỏng chạy đúng từ 00-99
- Vẽ layout mạch in dựa vào sơ đồ nguyên lý đã thiết kế
3.9 Sơ đồ mạch PBC thiết kế trên Altium
Hình 3.10 Hình ảnh 3D của mạch PBC
Chế tạo và lắp ráp
Hình 3.11 Mạch cắm và test trên breadboard
3.6.2 Làm mạch in thủ công và lắp ráp linh kiện.
Hình 3.12 Mặt trước của mạch sau khi hoàn thiện
Hình 3.13 Mặt sau của mạch sau khi hoàn thiện
KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Thử nghiệm
- Sau hoàn thành mạch in, tiến hành cấp nguồn cho mạch và kiểm tra
- Mạch đã chạy đúng với thiết kế và mô phỏng
Hình 4.1 Thử nghiệm mạch chạy mạch thực tế
Đo đạc và hiệu chỉnh
- Xung chân 3(Q) của IC 555 và chân 3(Q0) của IC 74LS192 hàng đơn vị:
Hình 4.2 Tín hiệu xung đo được ở chân 3 IC555 và chân Q0 củaIC74LS192
- Xung chân 2(Q1) và chân 6(Q2) của 74LS192 hàng đơn vị:
Hình 4.3 Tín hiệu xung đo được ở chân Q1 và Q2
- Xung chân 7(Q3) của IC 74LS192 hàng đơn vị và chân 3(Q0) của IC 74LS192 hàng chục:
Hình 4.4 Tín hiệu xung đo được ở chân Q3 của IC đếm hàng đơn vị và chân Q0 của IC đếm hàng chục
- Xung chân 2(Q1) và chân 3(Q0) của 74LS192 hàng chục:
Hình 4.5 Tín hiệu xung đo được ở chân Q1 và Q0 của
- Xung chân 2(Q1) và chân 6(Q2) của 74LS192 hàng chục:
Hình 4.6 Tín hiệu xung đo được ở chân Q1 và Q2 của
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Những kết quả đạt được:
- Thiết kế được mạch đáp ứng yêu cầu đề ra
- Mạch hoạt động bình thường đếm lên từ 00 đến 99
- Có thể chỉnh sửa là thay đổi thông số để mạch đếm hiển thị như mong muốn
- Vận dụng được các kiến thức từ những học phần đã học để thiết kế mô hình
- Lắp ráp mạch đúng theo yêu cầu đảm bảo kỹ thuật và tính thẩm mĩ
- Board mạch lớn, phần cứng cố định.
- Độ thẩm mỹ chưa cao, còn sử dụng nhiều IC
- Không có khả năng lập trình
- Muốn nâng cấp chức năng phải thiết kế lại phần cứng
- Mạch có tính ứng dụng cao trong thực tiễn.
Dựa trên mô hình và mạch nguyên lý đã thực hiện, tôi có thể mở rộng đề tài theo nhiều cấp độ và hướng khác nhau, nhằm tối ưu hóa và nâng cao tính thực tiễn của đề tài.
+ Sử dụng mạch đếm để kiếm soát số lượng sản phẩm
+ Phát triển thành đồng hồ điện tử
+ Mạch đếm sản phẩm trong thực tế.
