Luận văn Thiết kế bộ báo chuông giờ học trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Khoa Điện Tử _Viễn Thông Thiết kế mạch Thiết kế bộ báo chuông giờ học trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 0 Gíáo viên hướng dẫn: PTS Nguyễn Tiến Khải Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Chính Trần Xuân Dũng Phan Thế Hùng Đỗ Việt Hùng Lời nói đầu Như chúng ta đã biết Kỹ Thuật Số là một môn khoa học mới so với các môn khoa học khác nhưng nó đã có được những bước tiến thần kỳ , được ứng dụng vào tất cả các ngành khoa học cũng như trong đời sống của con người và đặc biệt là trong các ngành đòi hỏi độ tin cậy, chính xác cao như tin học , đo lường điều khiển , viễn thông ... Vì những lý do trên mà việc môn Kỹ Thuật Số vào dạy trong các trường đại học chuyên về kỹ thuật là một điều tất yếu , đặc biệt là trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Với các sinh viên được học môn Thiết Kế Mạch phải áp dụng tối đa kiến thức đã được học để hoàn thành một đề tài của mình. Qua bài thiết kế mạch chúng em đã được trang bị thêm một số kiến thức về chuyên môn cũng như về thực tế để tích luỹ thêm kinh nghiệm cho sau này . Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy PTS Nguyễn Tiến Khải đã tận tình hướng dẫn chúng em hoàn thành bài thiết kế này. Nhóm sinh viên thiết kế. Các Bước tiến hành thiết kế Bài toán thiết kế mạch lôgic thường được tiến hành theo 8 bước sau: 1/Phân tích. 2/Xây dựng các phương án giải quyết. 3/Lựa chọn phương án tối ưu. 4/Sơ đồ khối toàn mạch. 5/Nguyên lý hoạt động của mạch. 6/Thiết kế chi tiết từng khối. 7/Sơ đồ nguyên lý của toàn bộ hệ thống. 8/Sơ đồ lắp ráp, thử nghiệm và điều chỉnh. I/Phân tích Trước tiên chúng ta phải xác định rõ mục đích và yêu cầu của bài toán Mục đích: -Hệ thống báo chuông tại các thời điểm vào, ra của tiết học của trường. -Hệ thống có khả năng chỉnh lại giờ. -Thời gian kéo dài chuông vào tiết và nghỉ giải lao là khác nhau. -Hệ thống chuông được dùng đi dây điện đồng bộ 220V Yêu cầu: -Hệ thống làm việc ổn định. -Có khả năng đưa vào ứng dụng trong thực tế. Với thực tế bài toán này chúng ta phải thiết kế 2 thành phần cơ bản: -Hệ thống đồng hồ số -Mạch giải mã thời gian II/Xây dựng các phương án giải quyết. Sau khi nghiên cứu thực tế các thời điểm vào ra của các tiết học trường Đại học Bách Khoa Hà nội, chúng ta có những nhận xét sau. 1. Mỗi ngày có 2 buổi học mỗi buổi kéo dài 6 tiết. Thời gian của mỗi tiết là 45 phút. Thời gian nghỉ giải lao sau mỗi số lẻ tiết học là 5 phút, số chẵn tiết học là 10 phút. Cứ sau một chu kỳ 105 phút (2(45+5+10) thì hoạt động của hệ thống được lặp lại. Thời điểm bắt đầu của ca sáng là 6h45 và chiều là 12h15. Dựa trên nhận xét này ta có phương án giải quyết như sau: Xây dựng hệ thống làm việc với chu kỳ 105 phút t0 t1 t2 t3 t4 45’ 5’ 45’ 10’ Các thời điểm t0,t1,t2,t3,t4 là các thời điểm cần giải mã để báo chuông. Mỗi ca học lặp lại 3 chu kỳ như trên. Với hệ thống này ta cần giải mã 2 thời điểm bắt đầu của các ca học. Để thực hiện phương án này ta có thể sử dụng kỹ thuật lập trình PLC để tạo ra một con IC tích hợp có khả năng đáp ứng được những yêu cầu trên. 2. Xây dựng hệ thống có thể nhận biết tất cả các thời điểm cần báo chuông trong ngày bằng mạch giải mã sử dụng các cổng logic tích hợp có sẵn. Sử dụng các IC đếm để tạo đồng hồ thời gian thực. III. Lựa chọn phương án tối ưu. Sau khi xây dựng 2 phương án giải quyết như trên ta nhận thấy chúng có ưu nhược điểm như sau: - Phương án 1: đòi hỏi yêu cầu cao về thiết bị và kỹ năng lập trình PLC nhưng ưu điểm mạch gọn hoạt động với độ tin cậy cao. Với điều kiện của ta hiện nay phương án này khó thực hiện. - Phương án 2: mạch có số lượng linh kiện lớn nhưng bù lại nguyên lý hoạt động của hệ thống được xây dựng trên cơ sở những kiến thức của môn kỹ thuật số .Các linh kiện phổ biến trên thị trường khả năng lắp ráp , mô phỏng và thử nghiệm đơn giản. Có thể thiết kế từng khối riêng rẽ đặc biệt có thể thay đổi linh hoạt thời điểm vào ra nhờ thay đổi khối giải mã. Qua phân tích trên chúng ta nhận thấy việc lựa chọn phương án hai là phù hợp.Sơ đồ khối cho phương án 2 như sau: III/ Sơ đồ khối của hệ thống: I. Khối nguồn. Trong bài thiết kế này chúng em sử dụng IC họ TTL, để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật chúng ta thiết kế nguồn điện áp 5V-3A. Sử dụng IC 7805. II. Khối tạo xung chuẩn: Sơ đồ dưới là mạch tạo dao động dùng thạch anh 1MHz để đảm bảo độ ổn định cao vì thạch anh 1MHz có : Chúng ta cũng có thể tạo ra xung clock 1Hz bằng mạch dao động dùng RC nhưng độ ổn định không cao. Sau khi có được dao động tần số 1MHz để có được xung clock 1Hz chúng ta cần phải đưa tín hiệu này qua bộ chia tần có sơ đồ như sau: III. Khối đồng hồ và hiển thị Để tạo ra được đồng hồ và bộ hiển thị chúng em đã sử dụng IC 7490 là IC đếm10 và IC 7493 là IC 4bit counter. - Khối giây gồm 2 IC : 1 IC đếm10 mắc nối tiếp với 1 IC đếm 6 để chúng ta có thể đếm được đến 60. Sau khi khối giây đếm đến 60 thì sẽ có 1 xung đưa sang khối đếm phút. - Khối phút cũng tương tự khối giây. - Khối giờ gồm 2IC mắc nối tiếp: 1IC đếm 10 và 1IC đếm 3 để chúng ta có thể đếm được đến 24. - Khối ngày gồm 1IC 7493 là IC 4bit counter để chúng ta tạo ra bộ đếm 7. Bộ hiển thị bao gồm các bộ giải mã BCD và đèn LED 7 thanh. ở đây riêng khối ngày chúng ta quy ước 0-Sun, 1-Mon, 2-Tue,.....,6-Sat. VI. Khối chỉnh thời gian hệ thống Khối lấy lại thời gian gồm có 1 nút để chọn khối để chỉnh và một nút để thiết lập thời gian. - Mạch chọn chế độ chỉnh phút hoặc giờ hoặc ngày bao gồm một bộ tạo xung bấm, một IC đếm 4 qua một IC giải mã 7442 là IC BCD decoder to Decimal ta lấy ra 4 trạng thái 0-Normal, 1-Phút, 2-Giờ, 3- Ngày. - Sơ đồ của mạch tạo xung bấm: V. Khối giải mã thời gian báo chuông. Mạch giải mã thời gian sử dụng IC 7442(4 đầu vào 10 đầu ra) để lấy ra các thời điểm của từng khối ngày, giờ, phút. IC giải mã ngày lấy 4 đầu vào từ 4 đầu ra của IC đếm ngày cho 7 đầu ra ứng với 7 ngày trong tuần.Quy ước 0 tương ứng với ngày chủ nhật. Giải mã giờ gồm 2 IC: IC thứ nhất giải mã hàng chục giờ: lấy 4 đầu ra của IC 7490 đếm hàng chục giờ cho 3 đầu ra từ 0 đến 2. IC thứ hai giải mã hàng đơn vị giờ: lấy 4 đầu ra từ IC 7490 đếm hàng đơn vị giờ cho 10 đầu ra từ 0 đến 9. Giải mã phút gồm 2 IC: IC thứ nhất giải mã hàng chục phút: lấy 4 đầu ra của IC 7490 đếm hàng chục phút cho 6 đầu ra từ 0 đến 5. IC thứ hai giải mã hàng đơn vị phút: lấy 4 đầu ra từ IC 7490 đếm hàng đơn vị phút cho 10 đầu ra từ 0 đến 9. Để tạo ra tín hiệu xung 10s và 20s ta sử dụng một IC giải mã 7442 với 4 đầu vào lấy từ IC 7490 đếm hàng chục giây(III-IC 2). VI. Khoá đóng ngắt chuông Để đóng ngắt điện lưới 220V cung cấp cho hệ thống chuông chúng ta dùng 1Thiristor được điều khiển bởi 1 khoá điện tử được mắc như sơ đồ sau: VII. Phụ lục: Bảng chân lý và sơ đồ chân của các IC được sử dụng trong bài: 1/ IC 7490 (Decade Counter) Counter truth table: Reset in | Output -------------------------------------------- R0(1) R0(2) R9(1) R9(2) | Qd Qc Qb Qa -------------------------------------------- 1 1 0 X | 0 0 0 0 1 1 X 0 | 0 0 0 0 X X 1 1 | 1 0 0 1 X 0 X 0 | COUNT 0 X 0 X | COUNT 0 X X 0 | COUNT X 0 0 X | COUNT The 7490 counts from 0 to 9 in binary. 2/ IC 7493 (4bit counter) Reset in | Output -------------------------- RO1 RO2 | Qd Qc Qb Qa -------------------------- 1 1 | 0 0 0 0 0 X | Count X 0 | Count The 7493 counts from 0 to 15 in binary. 3/ IC 7442 (BCD-to-DEC Decoder) 4-Line To 10-Line Decimal Decoder: | BCD Inputs | Decimal Outputs No. | D C B A | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -------|------------|----------------------- 0 | 0 0 0 0 | 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 | 0 0 0 1 | 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 2 | 0 0 1 0 | 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 3 | 0 0 1 1 | 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 4 | 0 1 0 0 | 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 -------|------------|------------------------ 5 | 0 1 0 1 | 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 6 | 0 1 1 0 | 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 7 | 0 1 1 1 | 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 8 | 1 0 0 0 | 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 9 | 1 0 0 1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 -------|------------|------------------------ I | 1 0 1 0 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 N | 1 0 1 1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 V | 1 1 0 0 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 A | 1 1 0 1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 L | 1 1 1 0 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I | 1 1 1 1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 D |