Đồ án Thiết kế mạch chuông tự động

Đề tài: Thiết kế mạch chuông tự động Họ và tên : Phan Lê Việt Nga Phạm Thị Việt Hương Lê Thị Thanh Phúc Nguyễn Thị Thuý Hoa Công Như Quỳnh I - CáC YÊU CầU: - Thiết bị phải hiển thị chính xác thời gian, ngày tháng hiện tại, phải tự động biết được năm nhuận cũng như số ngày trong từng tháng. - Thiết bị có thể báo giờ theo thời gian đã lập trình sẵn. Có hai chế độ chuông báo giờ: Trường học và công sở. + Chế độ trường học được cài đặt như sau: Một ngày có hai buổi học (sáng, chiều), mỗi buổi học có sáu tiết, mỗi tiết 45 phút, sau tiết chẵn có ra chơi 10 phút, sau tiết lẻ có ra chơi 5 phút.Yêu cầu chuông vào giờ kéo dài 10 giây, chuông ra kéo dài 5 giây. Ta có bảng bố trí các tiết học trong một ngày như sau: Tiết  Bắt đầu  Kết thúc  Nghỉ   1  6h45’  7h30’  5’   2  7h35’  8h20’  10’   3  8h30’  9h15’  5’   4  9h20’  10h5’  10’   5  10h15’  11h  5’   6  11h5’  11h50’  Nghỉ   7  12h15’  13h  5’   8  13h5’  13h50’  10’   9  14h  14h45’  5’   10  14h50’  15h35’  10’   11  15h45’  16h30’  5’   12  16h35’  17h20’  Nghỉ   +Chế độ công sở được cài đặt như sau: Một ngày có hai buổi làm sáng và chiều. Giờ cụ thể như sau: Buổi  Bắt đầu  Kết thúc   Sáng  7h30’  11h30   Chiều  1h  5h   II- Cơ sở lý thuyết để thực hiện Sơ đồ khối của hệ thống . Chức năng của từng khối như sau: * Khối nguồn: cung cấp năng lượng hoạt động cho các khối. * Khối đồng hồ: là đồng hồ thời gian thực, cung cấp thời gian trong một ngày(24 giờ). * Khối chuyển đổi chế độ: làm nhiệm vụ chuyển giữa hai chế độ: chế độ trường học và chế độ công sở. * Khối điều khiển báo chuông: là 1 otomat có nhớ, ở chế độ trường học khối sẽ nhớ 24 thời điểm cần báo chuông còn ở chế độ công sở là 4 thời điểm. Khối này lấy tín hiệu thời gian từ khối đồng hồ, khi đến đúng thời điểm cần báo chuông nó sẽ phát tín hiệu xung ra đến khối khuyếch đại âm tần. * Khối khuyếch đại âm tần: Có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu nhận được từ khối điều khiển chuông. Ví dụ như ở chế độ trường học, tín hiệu báo hiệu vào giờ sẽ được khuyếch đại kéo dài trong 10s còn tín hiệu ra chơi sẽ kéo dài trong 5s. * Khối chuông: Nhận tín hiệu từ khối khuyếch đại âm tần và phát ra chuông có độ dài đúng bằng tín hiệu xung nhận được. 2- Phân tích các khối a- Khối chuyển chế độ Khối điều khiển sử dụng một chuyển mạch (công tắc) gồm 2 trạng thái để đáp ứng yêu cầu thực hiện công việc.
Chuyển mạch gồm 2 trạng thái: 1 và 2. Khi chuông báo phục vụ cho trường học thì chuyển mạch ở trạng thái 1, còn khi dùng trong công sở thì chuyển mạch ở trạng thái 2. Việc chuyển đổi giữa các trạng thái được thực hiện bằng một cần gạt hay công tắc. Công tắc ở trạng thái 1 E1 = L; E2 = H Khi dùng trong công sở (trạng thái 2) E1 = H; E2 = L b- Khối tạo xung Để tạo được dãy xung clock ta dùng vi mạch định thời 555 (Timer 555). Timer 555 là một vi mạch định thời rất thông dụng. Nó có thể sử dụng theo nhiều chức năng: làm mạch đa hài đơn ổn hoặc đa hài phiếm định, để tạo một xung đơn hay một dãy xung vuông góc lặp lại, hoặc một dãy xung tam giác. Thời gian định thời có thể thay đổi từ vài às đến vài trăm giây (s) nhờ một mạch RC đơn giản, với độ chính xác điển hình là ±1%. Khái niệm về mạch định thời 555: Có 2 loại mạch định thời thông dụng nhất là Timer 555 chế tạo theo công nghệ transistor lưỡng cực (BJT) và Timer 7555 chế tạo theo công nghệ CMOS. Điện áp cung cấp cho IC 555 là 5 ( 15V, cho IC 7555 là 2 ( 18V. Công suất tiêu thụ và dòng cung cấp cho IC 7555 cũng nhỏ hơn nhiều so với ở IC 555. Với nguồn +15V, IC 555 yêu cầu dòng cung cấp cỡ 10mA. Dòng đầu ra cực đại của IC 555 có thể đạt tới 200mA ( ở IC 7555 chỉ bằng khoảng 1/2 ). Sơ đồ khối chức năng và vỏ của IC 55

Hai hình trên tương ứng là sơ đồ khối chức năng vả vỏ kiểu hai hàng chân song song của IC 555. ở đây ta chỉ xét vai trò của tám chân (1 ( 8) trên vỏ IC ở hình 2: Chân số 8 để đặt nguồn cung cấp Ucc = 5 ( 15V. Chân số 1 là chân nối “mát”. Chân số 2 là đầu vào kích khởi (trigger), dùng để dặt xung kích thích bên ngoài khi mạch làm việc ở chế độ đa hài đơn ổn. Chân số 3 là đầu ra của IC. Chân số 4 là chân xoá (Reset); nó có thể điều khiển xoá điện áp đầu ra khi điện áp đặt vào chân này từ 0,7 V trở xuống. Vì vậy, để có thể phát ra xung ở đầu ra, chân số 4 phải đặt ở mức cao H. Chân số 5 là chân điện áp điều khiển (Control Voltage). Ta có thể đưa một điện áp ngoài vào chân này để làm thay đổi việc định thời của mạch, nghĩa là làm thay đổi tần số xung phát ra. Khi không được sử dụng thì chân số 5 nối xuống “mát” thông qua 1 tụ khoảng 0,01àF. Chân số 6 là chân điện áp ngưỡng (Threshold). Chân 7 là chân phóng điện (Discharge). Để tạo được dãy xung vuông thì IC 555 phảI làm việc như một mạch dao động đa hài phiếm định. Chân ra số 3 sẽ phát ra một dãy xung vuông lặp lại.
Từ hình vẽ a) ta thấy: Thời gian tồn tại xung t1 (độ rộng xung) phụ thuộc tốc độ nạp của tụ C từ nguồn cung cấp, nghĩa là tỉ lệ với hằng số thời gian nạp (n = (R1 + R2)C, ta có : t1 = (R1 + R2)Cln2 ( 0,7( R1 + R2)C (1) Thời gian không có xung t2 (thời gian nghỉ) phụ thuộc sự phóng đIện của tụ C qua chân phóng điện số 7, nghĩa là tỉ lệ với hằng số thời gian phóng (p = R2C và: t2 = R2Cln2 ( 0,7R2C (2) Vậy, tần số của dãy xung ở đầu ra: f = 1/T = 1/(t1+t2) ( 1,44/(R1+2R2)C Muốn nhận được dãy xung vuông góc đối xứng, nghĩa là t1 = t2 =T/2 ta có thể làm theo 2 cách sau: + Chọn R1 ô R2. Lúc đó, theo (1) và (2) có thể coi t1 ( t2 = 0,7R2C. Tuy hiên không thể chọn R1 quá nhỏ được, ví dụ R1 = 100(, vì khi đó dòng đi từ nguồn +Ucc vào chân 7 khi transistor T dẫn là +Ucc/R1 sẽ quá lớn, phá hỏng transistor. + Sử dụng thêm 1 diode mắc song song với R2 ( hình b )và chọn R1 = R2 =R. ở hình vẽ, đường nạp cho tụ C từ nguồn +Ucc có đi qua diode; điện trở R nối song song với diode khi đó coi như bị ngắn mạch và hằng số thời gian của mạch nạp (n =(p nên t1 = t2 ( 0,7RC Dãy xung ở đầu ra là đối xứng, với tần số f = 1/T = 1/(t1+t2) = 1/1,4RC Do yêu cầu mạch chuông báo giờ học phải chính xác, sai số chỉ cho phép khoảng 5 giây trong toàn bộ buổi học khoảng 5 giờ, do đó việc thiết kế mạch đồng hồ cần có độ chính xác cao. Khi cần dãy xung vuông góc với độ chính xác tần số rất cao, tần số dãy xung cũng cao ( thường là 1MHz ( 10 MHz), người ta hay dùng mạch phát xung thạch anh. ở đây, tinh thể thạch anh áp điện được sử dụng như mạch cộng hưởng cơ điện với độ chính xác rất cao.
Hình a) dùng 2 phần tử đảo họ TTL của IC 74LS04 để tạo thành mạch phát xung thạch anh có tần số ở trong dải từ vài trăm kHz đến 10MHz. Tinh thể thạch anh loại hoạt động kiểu nối tiếp. Tụ C khoảng vài nF và phải chỉnh định theo tần số của dãy xung ra. Hình b) dùng hai phần tử đảo của vi mạch họ CMOS ( IC 4049B ) để họp thành với tinh thể thạch anh hoạt động kiểu song song, tạo thành mạch phát dãy xung vuông góc với tần số cỡ MHz. c- Khối đồng hồ ở đây ta thiết kế 1 đồng hồ báo thức 24 giờ. Do đó ta cần có: - 1 bộ đếm 24. - 2 bộ đếm 60 Để thiết kế bộ đếm 24 ta nối ghép bộ đếm 3 và bộ đếm 10. Sau đó sử dụng các mạch logic để khử 6 trạng thái thừa. Để thiết kế bộ đếm 60 ta nối ghép bộ đếm 6 và bộ đếm 10. Cụ thể như sau: * Thiết kế bộ đếm 3: Dùng đồ hình Mealy để biểu diễn hệ thống X ={0, 1} S ={0, 1, 2} Bảng hoạt động: x S(t)  S(t+1)    0 1   0  0 1   1  1 2   2  2 0   Rút gọn: bài toán đã ở dạng otomat min Mã hoá : Pmax=3 ( số bít dùng: m=2 Dùng 2 bit để mã hóa hệ thống Dùng JK–FF để thực hiện Gọi s(t): y1y0 s(t+1): Y1Y0 J0K0: y0 ( Y0 J1K1: y1 ( Y1 Dùng mã BCD để mã hoá hệ thống : 0: 00 1: 01 2: 11 Ta có bảng mã hoá hệ thống sau: x y1y0  Y1Y0    0 1   00  00 01   01  01 11   11  11 00   10  -- --   Bảng kích JK: y  Y  JK   0  0  0 -   0  1  1 -   1  0  - 1   1  1  - 0   Bảng kích hệ thống: x y1y0  0  1    J1K1 J0K0  J1K1 J0K0   00  0 - 0 -  0 - 1 -   01  0 - - 0  1 - - 1   11  - 0 - 0  - 1 - 1   10  - - - -  - - - -   Lập hệ phương trình kích: J1 x y1y0  0  1   00     01   1   11  (  (   10  (  (   J1= y0x K1 x y1y0  0  1   00  (  (   01  (  (   11   1   10  (  (   K1 = x J0 x y1y0  0  1   00   1   01  (  (   11  (  (   10  (  (   J0 = x K0 x y1y0  0  1   00  (  (   01   1   11   1   10  (  (   K0 = x Sơ đồ bộ đếm cơ số 3:
*Thiết kế bộ đếm 5 Dựng mụ hỡnh Moore X = {0,1} S = {0,1,2,3,4} x s(t+1)  S(t+1)    0 1   0  0 1   1  1 2   2  2 3   3  3 4   4  4 0   ( = {0,1,2,3,4} là phân hoạch thế tương đương ( hệ thống cú otomat min Mó hoỏ: Pmax = 5 ( số bít cần dùng để mó hoỏ là m = 3 Dùng JK-FFđể thực hiện hệ thống Gọi s(t): y2y1y0 S(t+1): Y2Y1Y0 J0K0: y0 (Y0 J1K1: y1 (Y1 J2K2: y2 (Y2 Dựng mó BCD để mó hoỏ hệ thống Ta cú bảng mó hoỏ hệ thống sau: x y2y1y0  Y2Y1Y0    0 1   000  000 001   001  001 010   010  010 011   011  011 100   100  100 101   101  - - - - - -   110  - - - - - -   111  - - - - - -   Bảng kớch JK y  Y  JK   0  0  0-   0  1  1-   1  0  -1   1  1  -0   Bảng kớch hệ thống x y2y1y0  0  1    J2K2 J1K1 J0K0  J2K2 J1K1 J0K0   000  0 ( 0 ( 0 (  0 ( 0 ( 1 (   001  0 ( 0 ( ( 0  0 ( 1 ( ( 1   010  0 ( ( 0 0 (  0 ( ( 0 1 (   011  0 ( ( 0 ( 0  1 ( ( 1 ( 1   100  ( 0 0 ( 0 (  ( 0 0 ( 1 (   101  ( ( ( ( ( (  ( ( ( ( ( (   110  ( ( ( ( ( (  ( ( ( ( ( (   111  ( ( ( ( ( (  ( ( ( ( ( (   Phương trỡnh kớch hệ thống: J2 = xy1y0 J1 = xy0 J0 = x K2 = 0 K1 = xy0 K0 =(y2 x K2 y0x y2y1  00  01  11  10   00  (  (  (  (   01  (  (  (  (   11  (  (  (  (   10  0  0  (  (   J2 y0x y2y1  00  01  11  10   00       01    1    11  (  (  (  (   10  (  (  (  (   K1 y0x y2y1  00  01  11  10   00  (  (  (  (   01    1    11  (  (  (  (   10  (  (  (  (   J1 y0x y2y1  00  01  11  10   00    1    01  (  (  (  (   11  (  (  (  (   10    (  (   K0 y0x y2y1  00  01  11  10   00  (  (  1  0   01  (  (  1  0   11  (  (     10  (  (     J0 y0x y2y1  00  01  11  10   00   1  (  (   01   (  (  (   11  (  (  (  (   10   1  (  (   Sơ đồ bộ đếm 5:
* Thiết kế bộ đếm 2 Bộ đếm 2 gồm có 2 trạng thái :( 0 1 ) do đó cần số triger là:N=log2 2,hay N=1 Dùng 1 con Triger ta có thể mã hoá 2 trạng thái . Bảng mã hoá hệ thống y X  Y    0 1   0  0 1   1  1 0   Bảng kích JK y  Y  JK   0  0  0-   0  1  1-   1  0  -1   1  1  -0   Bảng kích hệ thống x y  0  1    J K  J K   0  0 -  1 -   1  - 0  - 1   Hệ phương trình kích J = x K = x Sơ đồ thực hiện
*Thiết kế bộ đếm 6 Dùng đồ hình Mealy để biểu diễn hệ thống X = {0,1} S = {0,1,2,3,4,5} Ta có bảng hoạt động x S(t)  S(t+1)    0 1   0  0 1   1  1 2   2  2 3   3  3 4   4  4 5   5  5 0   Bộ đếm 6 không rút gọn được, bộ đếm là otomat min. Ta có: P max = 6 ( số bít cần m = 3 ( dùng 3 bít để mã hoá hệ thống ( dùng JK- FF để thực hiện Gọi s(t): y2 y1 y0 s(t+1): Y2 Y1 Y0 J2 K2: y2 ( Y2 J1 K1: y1 ( Y1 J0 K0: y0 ( Y0 - Dùng mã nhị phân s0: 000 s2: 010 s4: 100 s1: 001 s3: 011 s5: 101 Bảng mã hoá hệ thống: x y2 y1 y0  Y2 Y1 Y0    0 1   000  000 001   001  001 010   010  010 011   011  011 100   100  100 101   101  101 000   110  - - - - - -   111  - - - - - -   Bảng kích JK y (Y  JK   0 ( 0  0 -   0 ( 1  1 -   1 ( 0  - 1   1 ( 1  - 0   Bảng kích hệ thống: x y2 y1 y0  0  1    J2K2 J1K1 J0K0  J2K2 J1K1 J0K0   000  0 - 0 - 0 -  0 - 0 - 1 -   001  0 - 0 - - 0  0 - 1 - - 1   010  0 - - 0 0 -  0 - - 0 1 -   011  0 - - 0 - 0  1 - - 1 - 1   100  - 0 0 - 0 -  - 0 0 - 1 -   101  - 0 0 - - 0  - 1 0 - - 1   110  - - - - - -  - - - - - -   111  - - - - - -  - - - - - -   Hệ phương trình kích: J2 K2 y1 y0 xy2  00  01  11  10   00       01  (  (  (  (   11  (  (  (  (   10    1    y1 y0 xy2  00  01  11  10   00  (  (  (  (   01    (  (   11   1  (  (   10  (  (  (  (   J1 K1