Đề tài Thiết kế mạch đếm thuận từ 00 đến 25 hiển thị trên LED 7 thanh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ……..o 0 o…….. Khoa Điện Tử ĐỒ ÁN Môn: Kĩ thuật xung số Đề tài: Thiết Kế Mạch Đếm Thuận Từ 00 Đến 25 Hiển Thị Trên LED 7 Thanh Mục lục Lời nói đầu………………………………………………………………………………..…………....3 Phần I: ý tưởng thiết kế và chọn linh kiện…………………………………………………………...4 Phần II: sơ đồ khối và nhiệm vụ từng khối…………………………………………………………..4 2.1_ sơ đồ khối……………………………………………………………………………………..4 2.2_ nhiệm vụ từng khối…………………………………………………………………………...4 2.2.1_ khối tạo xung………………………………………………………………………………..4 2.2.1.1_ chọn mạch tạo xung vuông dùng IC NE555……………………………………...4 2.2.1.2_ sơ đồ khối tạo xung của IC NE555………………………………………………...4 2.2.1.3_ nguyên tắc hoạt động………………………………………………………………..6 2.2.2_ khối đếm……………………………………………………………………………………..8 2.2.2.1_ mạch đếm là gì………………………………………………………………………..8 2.2.2.2_ nguyên tắc hoạt động………………………………………………………………...9 2.2.3_ khối giải mã………………………………………………………………………………….9 2.2.3.1_ khối giải mã là gì…………………………………………………………………….10 2.2.3.2_ nguyên tắc hoạt động……………………………………………………………….10 2.2.4_ khối hiển thị…………………………………………………………………………………12 Phần III: sơ đồ mạch và nguyên lí hoạt động của mạch…………………………………………..14 3.1_ sơ đồ mạch……………………………………………………………………………………14 3.2_ nguyên lí hoạt động…………………………………………………………………………..14 Phần IV: đánh giá chung………………………………………………………………………………15 PHỤ LỤC 1_ sơ đồ và chức năng các chân IC LM555……………………………………………………16 1.1_ sơ đồ chân………………………………………………………………………………..16 1.2_ chức năng………………………………………………………………………………..16 2_ sơ đồ và chức năng các chân IC 74LS90…………………………………………………..17 1.1_ sơ đồ chân………………………………………………………………………………..17 1.2_ chức năng………………………………………………………………………………..17 3_ sơ đồ và chức năng các chân IC 74LS47…………………………………………………..18 1.1_ sơ đồ chân………………………………………………………………………………..18 1.2_ chức năng………………………………………………………………………………..18 Hết Lời nói đầu Cùng với môn học kĩ thuật điện tử, môn học kĩ thuật xung số là môn học kĩ thuật cơ sở quan trọng của bộ môn kĩ thuật mạch và vi xử lý tín hiệu. nó đặc biệt quan trọng đối với học sinh, sinh viên của tất cả ấc nghành trong trường nhất là nghành điện tử và điện xí nghiệp của trường ta. Vì vậy thông qua việc làm đồ án sẽ giúp cho mỗi sinh viên sẽ có cái nhìn sâu hơn về môn học kĩ thuật xung số này, và qua đây sẽ giúp cho mỗi học sinh – sinh viên đánh giá được khả năng tích luỹ kiến thức về môn học này đồng thời biết cách vận dụng môn học vào thực tế. Dù em đã cố gắng nhưng không tránh khỏi hạn chế thiếu xót vì thiếu kinh nghiệm cũng như kiến thức chuyên môn. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của toàn thể các thầy cô cùng các bạn. Em xin chân thành cảm ơn ! Hà nội, ngày 11 tháng 11 năm 2012 Sinh viên thực hiện Đề tài: Thiết kế mạch đếm thuận tử 00 đến 25 Phần I: Y tưởng thiết kế và chọn linh kiện Như mọi người đã biết thì thiết kế mạch đếm từ 0 đến 99 là mạch khá là đơn giản không cần phải tính toán reset mức nào cả cứ lắp mạch cho nó đếm là nó sẽ chạy. nhưng với đề tài này chỉ đếm tới 25 vì thế để làm cho led hiển thị đến số 25 rồi reset về 0, để làm được điều này cần có thêm con AND nữa. Do nguyên lý mạch đếm là mạch  đếm xung dao động (xung vuông) và nó đếm xung sườn lên hiện thị lên LED 7 vạch.nên sẽ chọn mạch tạo xung dùng IC555 ngoài ra còn có 2 con IC 74LS90 đếm số sườn xung từ IC 555 để mã hoá BCD tương ứng với các mức logic sau đó đưa đến mạch giải mã để hiển thi ra LED Ở đây cần hiển thị lên 2 LED 7 thanh nên sẽ cần 2 con 74LS90 và 2 con giải mã 74LS47. sau khi đã chọn được những phần tử cần phục vụ cho ý tưởng thiết kế mạch ,ta có thể khái quát mạch đếm dưới dạng sơ đồ khối như sau: Phần II, Sơ đồ khối và nhiệm vụ từng khối 2.1, Sơ đồ khối Khối tạo xung Khối đếm Khối giải mã Khối hiển thị 2.2, Nhiệm vụ từng khối Khối tạo xung: Tạo xung vuông với tần số f=1HZ(f = 1/(ln2*C1*(R1+2R2)) Khối đếm: là các FF nhận xung dao động để xử lí đưa ra tín hiệu mã hoá BCD Khối giải mã: giải mã BCD để đưa ra khối hiển thị Khối hiển thị: hiển thị tín hiệu sau giải mã 2.2.1, khối tạo xung(ICNE 555N) 2.2.1.1, Lí do chọn mạch tạo xung vuông sử dụng ICNE 555N ICNE 555N rất phổ biến và dễ tìm Mạch tạo xung dùng IC này rất dễ làm, dễ giải thích và dễ hiểu nguyên lý làm việc của nó. Sơ đồ cấu tạo ICNE 555 Về bản chất thì IC 555 là bộ mạch kết hợp giữa 2 con OPAM, 3 con điện trở, 1 transitor, 1 bộ FF RS. * Chức năng: + 2 OPAM: so sánh điện áp + transitor: xả điện + 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp Ucc thành 3 phần, cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. điện áp Ucc/3 nối vào chân dương của OP1 và điện áp 2Ucc/3 nối vào chân âm của OP2. khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn Ucc/3, chân S=[1] và FF được kích. Khi điện áp chân 6 lớn hơn 2Ucc/3, chân R=[1] và FF được RESET. 2.2.1.2, Sơ đồ khối tạo xung của IC NE555N Trong sơ đồ mạch trên tần số đầu ra của 555 được tính theo công thức : f = 1/(ln2*C1*(R1+2R2)) 2.2.1.3, nguyên tắc hoạt động: Kí hiệu : 0 là mức thấp(L) lấy bằng 0V 1 là mức cao(H) lấy gần bằng Vcc Giải thích sự dao động:Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC. Mạch FF là loại RS Flip-flop,Khi S = [1] thì Q = [1] và  = [ 0].Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = [0].Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0].Tóm lại, khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì = [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. Giai đoạn ngõ ra ở mức 1:Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0.Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S = [1], Q = [1] và = [0]. Ngõ ra của IC ở mức 1.Khi = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng. Khi nhấn công tắc lần nữa Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 0, S = [0], Q và vẫn không đổi. Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó.Giai đoạn ngõ ra ở mức 0:Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- = 2/3 VCC, R = [1] nên Q = [0] và = [1]. Ngõ ra của IC ở mức 0.Vì = [1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+ = [0] bé hơn V-, ngõ ra của Op-amp 2 ở mức 0. Vì vậy Q và không đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua transistor. quá trình lại được lặp lại bảng chân lý S R Qđảo 1 0 0 Tụ C bắt đầu nạp 0 0 Qo Tụ C nạp 0 1 1 Tụ C xả, đầu ra xuống thấp 0 0 Qo Tụ C xả àkết quả: ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn định. Nhận xét: Vậy trong quá trình hoạt động bình thường của IC555, điện áp trên tụ C chi dao động trong khoảng điện áp từ Vcc/3à2Vcc/3 khi nạp điện, tụ C nạp với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên tụ là 2Vcc/3, nạp điện với thời hằng là t=(Ra+Rb).C khi xả điện, tụ C xả với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên tụ bằng Vcc/3. xả điện với thời hằng là t=Rb.C thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện 2.2.2, khối đếm(IC SN74LS90N) Sơ đồ logic IC 74LS90 2.2.2.1, mạch đếm là gì? Mạch đếm sử dụng chip 74LS90 đây là chíp đếm thông dụng với 2 bộ đếm 5 và 2 tích hợp sẵn trong chip . Từ 2 bộ đếm này kết hợp với bảng trạng thái chúng ta có thể reset bộ đếm trong khoảng từ 0 đến 10 . Kết hợp nhiều chip lại chúng ta có thể đếm đến các số lớn hơn. IC7490 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5 + bộ chia 2 do input A điều khiển đầu ra QA + bộ chia 5 do input B điều khiển đầu ra QB,QC,QD (trong đó QD có trọng số lớn nhất). Đầu vào bộ đếm lấy xung từ ic 555 hoặc từ cảm biến nếu là ứng dụng đếm sản phẩm . đầu A,B tích cực ở sườn âm. Để tạo bộ đếm 10 ta nối đầu ra QA vào chân B để tạo xung kích cho bộ đếm 5 QA, QB, QC, QD : là các đầu ra. Bảng trạng thái của IC 7490 * sơ đồ đầu ra QA,QB,QC,QD: 2.2.2, nguyên tắc hoạt động Cứ mỗi 1 xung vào thì nó đếm tiến lên 1 và được mã hóa ra 4 chân. Khi đếm đến 10 tự nó sẽ reset và quay trở về ban đầu. bảng trạng thái đếm BCD 2.2.3, khối giải mã(IC74LS47N) Sơ đồ logic IC 74LS47 2.2.3.1, mạch giải mã là gì? * Mạch giải là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá. Mục đích sử dụng phổ biến nhất của mạch giải mã là làm sáng tỏ các đèn để hiển thị kết quả ở dạng chữ số. Do có nhiều loại đèn hiển thị và có nhiều loại mã số khác nhau nên có nhiều mạch giải mã khác nhau. * IC74LS47 là loại IC giải mã BCD sang led 7 đoạn. Mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn là mạch giải mã phức tạp vì mạch phải cho nhiều ngõ ra lên cao hoặc xuống thấp (tuỳ vào loại đèn led là anod chung hay catod chung) để làm các đèn cần thiết sáng nên các số hoặc ký tự 2.2.3.1, nguyên tắc hoạt động - IC 74LS47 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt, mức 0 là sáng, tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn loại anode chung, trạng thái ngõ ra cũng tương ứng với các số thập phân (các số từ 10 đến 15 không được dùng tới). Ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên mức 1 cho hoạt động giải mã bình thường. Nếu nối lên mức 0 thì các ngõ ra đều tắt bất chấp trạng thái ngõ ra. - Ngõ vào RBI được để không hay nối lên mức 1 dùng để xoá số 0 (số 0 thừa phía sau số thập phân hay số 0 trước số có nghĩa). Khi RBI và các ngõ vào D, C, B, A ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xoá 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. Kết quả là khi mã số nhị phân 4 bit vào có giá trị thập phân từ 0 đến 15 đèn led hiển thị lên các số như ở hình bên dưới. Chú ý là khi mã số nhị phân vào là 1111= 1510 thì đèn led tắt. Bảng: giả trị logic giải mã của 7447, đầu vào từ 0à15,đầu ra 0à9 2.2.4, khối hiển thị Hiển thị dùng led 7 đoạn loại anode chung do đầu ra của IC 7447 có mức tích cực là mức 0 ( mức thấp). Ở loại anode chung ( anode của đèn được nối lên +5V, đoạn náo sáng ta nối đầu cathode của đoạn đó xuống mức thấp thông qua điện trở để hạn dòng. Chân 3, 8: Vcc_được nối lại với nhau. Hình 1.1 · Led 7 thanh có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo Hình 1.1 trên và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải của led 7 thanh. 8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện. · 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng: Nếu led 7 đoạn có Anode(cực +) chung, đầu chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0. Nếu led 7 đoạn có Cathode (cực -) chung, đầu chung này được nối xuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1. Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, do đó khi kết nối cần đảm bảo dòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led. Nếu kết nối với nguồn 5V có thể hạn dòng bằng điện trở 330Ω trước các chân nhận tín hiệu điều khiển. Bảng mã hiển thị led 7 đoạn dành cho led 7 đoạn có Anode chung (các led đơn sáng ở mức 0): Phần III, sơ đồ mạch nguyên lí và hoạt động của mạch 3.1, Sơ đồ mạch Nguyên lý mạch đếm là mạch  đếm xung dao động (xung vuông) và nó đếm xung sườn lên hiện thị lên LED 7 vạch.Linh kiện gồm: 2 con 74ls90 , 2 con 74ls47, 1 con NE555, 2 LED 7 thanh có chung Anot, 2 con tụ, mấy con điện trở và 1 con cổng AND. Ở đây dùng nguồn 5V 3.2, Nguyên lý hoạt động Xung kích được tạo ra từ mạch 555 và xung này được đưa tới chân 14 của IC 74LS90 một cách liên tục để đếm, đếm nhanh hay đếm chậm ta có thể điều chỉnh được tần số đếm trên con IC555 bằng biến trở R2. Ngõ ra xung của 7490 ở các chân Q0,Q1,Q2,Q3 được đưa đến ngõ vào của IC giải mã 74LS47. Khi ta cấp xung vào IC1 nó sẽ đếm lần lượt từ từ 0 cho đến 9 đồng thời cấp cho IC3 mã hoá ra LED 7 thanh, trên LED 7 hàng đơn vị sẽ chạy từ 0 đến 9. Khi tới 9(tức hết một chu đếm) thì lúc này nó sẽ tự động RESET và cấp 1 xung cho IC2(xung này được lấy từ chân số 11 của IC1) và IC2 được nhận 1 xung và nó đếm 1. Sau đó IC1 vẫn tiếp tục đếm đến 9 thì IC2 lại nhận được 1 xung nữa và đếm thành 2.quá trình cứ như vậy, khi IC1 hết chu kỳ thì lại cấp cho IC2 một xung. Do mạch chỉ đếm đến 25 mình phải để các mức reset cho hợp lý để đến 25 nó tự trở về 0. Ở mạch trên các chân reset tương ứng của 2 IC1 và IC2 được nối với nhau và được nối với 1 chân đầu ra của IC1 và IC2  sao cho các chân 2 và 3 của IC1 và IC2 phải ở mức cao ( Vì các chân 6 và 7 của hai IC mình đã cho trước điều kiện là nối với GND) Các bạn nhìn trên hình vẽ .Ở đây do đếm đến 25 ta không chọn được mức Reset trong bảng chân lý phù hợp nên phải dùng con AND thì mới ra được 25. Phần IV, Đánh giá chung Trong quá trình thực hiện nhờ sự chỉ bảo của cô em đã cố gắng hoàn thành đồ án của mình. Em xin chân thành cám ơn thầy cô ! Qua đây em có một số nhận xét như sau: về mạch thiết kế của em, em thấy nó có ưu điểm là đơn giản, dễ hiểu, dễ thiết kế. xong nó có nhược điểm là tốn nhiều IC, cũng là lần đầu thiết kế và làm mạch thực tế kinh nghiệm chưa nhiều nên em thấy chưa hài lòng về mặt thẩm mỹ. Vì còn những hạn chế trong quá trình làm đồ án vì thế chúng em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô. Em xin chân thành cám ơn ! Phụ lục 1, sơ đồ và chức năng các chân IC LM555 1.1, sơ đồ chân 1.2, chức năng Chân 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay còn gọi là chân chung Chân 2(TRIGER): đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như một chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp, mạch so sánh ở đây dùng Transitor NPN với mức điện áp chuẩn là 2Ucc/3 Chân 3(OUTPUT): chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic trạng thái của tin hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 (1_ là mức cao tương ứng với gần bằng Ucc , mức 0 tương ứng với mức thấp 0V trong thực tế múc 0 khoảng 0.35V - 0.75V) Chân 4(RESET): dùng lập định thức trạng thái ra. Khi chân 4 nối mass thì ngõ ra ở mức thấp. còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra tuỳ theo mức áp trên chân 2 và 6, để dao động thường nối chân nay với Ucc Chân 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 này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ từ 0.01uF - 0.1uF. các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn ổn định. Chân 6(THRESOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như một chân chốt. Chân 7(DISCHAGER): có thể xem chân này như một khoá điện tử và chịu điều khiển của chân 3. khi chân 3 ở mức áp thấp thì khoá này đóng, ngược lại thì mở. chân 7 tự nạp xả điện cho một mạch R-C lúc IC 555 dùng như một tầng dao động. Chân 8(Ucc): chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. không có chân này coi như IC chết. nó được cấp điến áp từ 2V – 18V. 2, sơ đồ và chức năng các chân IC 79LS90 2.1, sơ đồ chân 2.2, chức năng bốn chân thiết lập: R0(1),R0(2),R9(1),R9(2) khi R0(1)=R0(2)=H(mức cao) thì bộ đếm được xoá về 0 và các đầu ra ở mức thấp(chân 2,3 làm nhiệm vụ RESET bộ đếm) R9(1), R9(2) là chân thiết lập trạng thái cao của đầu ra: QA=QD=1; QB=QC=0(chân 6,7 nối GND) NC: chân không nối IC7490 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5 + bộ chia 2 do input A điều khiển đầu ra QA + bộ chia 5 do input B điều khiển đầu ra QB,QC,QD (trong đó QD có trọng số lớn nhất). đầu A,B tích cực ở sườn âm. Để tạo bộ đếm 10 ta nối đầu ra QA vào chân B để tạo xung kích cho bộ đếm 5 QA, QB, QC, QD : là các đầu ra 3, sơ đồ và chức năng các chân IC 74LS47 3.1, sơ đồ chân 3.2, chức năng các chân Chức năng các chân IC74LS47N chân A,B,C,D: nối với vi xử lí, mạch số counter BI/RBO,RBI,LT: chân điều khiển Chân QA,QB,Qc,QD,QE,QF,QG nối lần lượt vào các chân a,b,c,d.,e,f,g của led 7 thanh(anot chung) Port A,B,C,D: đầu vào của 7447 nhận các giá trị theo nhị phân (BCD) từ 0à15, tương ứng với mỗi giá trị nhận được sẽ giải mã ra đầu ra tương ứng, giá trị hiển thị trên led 7 thanh phụ thuộc vào Port A,B,C,D