Thiết kế đồng hồ số

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1.Tên đề tài: THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ SỐ 2. Các số liệu ban đầu: Đồng hồ số hiển thị trên 6 led 7 đoạn, không chỉnh giờ phút giây, sai số 10 giây trong 1 ngày. Led hiển thị loại 7×12 mm. 3. Nội dung các phần thuyết minh: Khảo sát các loại vi mạch sử dụng trong đề tài gồm sơ đồ chân, sơ đồ logic, bảng trạng thái, các đặt tính điện. Các loại led 7 đoạn. Thiết kế sơ đồ khối, chức năng các khối. Thiết kế sơ đồ mạch dao động, mạch đếm giây, mạch đếm phút, mạch đếm giờ. Vẽ sơ đồ mạch đồng hồ. Vẽ sơ đồ mạch in, thi công lắp ráp, kiểm tra và chạy thực. 4. Các hình vẽ đồ thị: Bảng vẽ mạch dao động. Bảng vẽ mạch đếm giây. Bảng vẽ mạch đếm phút. Bảng vẽ mạch đếm giờ. 6.Giáo viên hướng dẫn : Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHÚ 7.Ngày giao nhiệm vụ : 19-09-2010 8.Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 08-01-2011 Ngày … tháng … năm 2011 Giáo viên hướng dẫn GVC.THS.NGUYỄN ĐÌNH PHÚ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN e&f ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ Giáo viên hướng dẫn GVC.Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHÚ  LỜI CẢM ƠN e&f Sau khoảng thời gian 4 tháng, với sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy Th.S. Nguyễn Đình Phú, ngày hôm nay, đề tài tốt nghiệp của em đã hoàn thành xong. Để đạt được kết quả như hôm nay, ngoài sự chăm chỉ và miệt mài của bản thân em, em không thể nào không nhắc đến công lao đã vạch ra hướng đi cho đề tài và hướng dẫn từng yêu cầu của đề tài mà thầy Th.S. Nguyễn Đình Phú đã truyền đạt cho em. Cũng vì lý do trên, thông qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất của em đến giáo viên hướng dẫn của em là thầy Th.S. Nguyễn Đình Phú, người đã có công lao rất lớn trong kết quả của đề tài của em ngày hôm nay. Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời chân thành cảm ơn đến công ty Texas Instrument, đã tạo điều kiện và cơ hội cho em tiếp xúc với bộ KIT thí nghiệm, cũng như lập diễn đàn trên trang web của công ty nhằm giải đáp các thắc mắc khi lập trình những ứng dụng cho sản phẩm của công ty, để em có thể lập trình thành công những ứng dụng liên quan đến thế hệ vi điều khiển mới nhất trên thế giới, tạo nền tảng vững vàng cho em có thể tiếp xúc và thao tác với các thế hệ vi điều khiển mới hơn sau này. Cuối cùng, em cũng không quên nhắc đến những đóng góp trong việc trao đổi ý kiến, chia sẻ những kiến thức cũng như kinh nghiệm của các bạn cùng nhóm đề tài lớp 061011 để em hoàn tất hiệu quả đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài. HUỲNH VĂN TIẾN MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU LINH KIỆN, THIẾT KẾ MẠCH 5 I. Giới thiệu vi mạch HEF4071 6 II. Giới thiệu vi mạch HEF4071 6 III. Giới thiệu vi mạch HEF4071 6 IV. Giới thiệu vi mạch HEF4071 6 V. Giới thiệu vi mạch HEF4071 6 I. Thiết kế sơ đồ khối 6 II. Thiết kế sơ đồ mạch 6 Phần III: THI CÔNG MẠCH (NẾU CÓ) I. Vẽ mạch in 6 II. Hàn linh kiện 6 III. kiểm tra, chạy thực 6 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU -KẾT LUẬN- HƯỚNG PHÁT TRIỂN. I. Kết quả nghiên cứu. 117 II. Kết luận . 117 III. Hướng phát triển 118 LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình H.1: Board vi điều khiển LM3S8962 H.2 Board mạng CAN sử dụng vi điều khiển LM3S2110. H.3. Sơ đồ khối của board vi điều khiển LM3S8962 H.4. Sơ đồ khối của board vi điều khiển LM3S2110 H.5:Cấu trúc bên trong của vi điều khiển LM3S8962 LIỆT KÊ BẢNG Bảng 1: Mô tả thanh ghi SysTick Control and Status Register 2: Mô tả thanh ghi SysTick Reload Value Register 3: Mô tả thanh ghi SysTick Current Value Register 4: Các ngắt trong LM3S8962 5: Mô tả thanh ghi Run-Mode Clock Configuration (RCC) LỜI MỞ ĐẦU Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Trong lĩnh vực điều khiển, từ khi công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹ thuật điều khiển hiện đại có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạch điều khiển lắp ráp bằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy, công suất tiêu thụ nhỏ. Ngày nay, trong lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ báo giờ ... đã giúp cho đời sống cuả chúng ta ngày càng hiện đại và tiện nghi hơn. Đề tài “Đồng Hồ Số” rất đa dạng và phong phú, có nhiều loại hình khác nhau dựa vào công dụng và độ phức tạp. Do tài liệu tham khảo bằng Tiếng Việt còn hạn chế, trình độ có hạn và kinh nghiệm trong thực tế còn non kém, nên đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, giúp đỡ chân thành của các thầy cô cũng như của các bạn sinh viên. Người thực hiện đề tài. HUỲNH VĂN TIẾN Chương I GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN, THIẾT KẾ MẠCH KHẢO SÁT VI MẠCH HEF4071: Vi mạch HEF4071 có 4 cổng OR, thực hiện hàm logic OR có sơ đồ logic, sơ đồ chân như hình 1. Hình 1: Sơ đồ logic và so đồ chân IC HEF4071. KHẢO SÁT VI MẠCH HEF4081: Vi mạch HEF4081 có 4 cổng AND, thực hiện hàm logic AND có sơ đồ logic, sơ đồ chân như hình 2. Hình 2: Sơ đồ logic và so đồ chân IC HEF4081. KHẢO SÁT VI MẠCH HEF4511: Vi mạch HEF4511 có chức năng giải mã số BCD sang mã 7 đoạn điều khiển led loại cathode chung có sơ đồ logic, sơ đồ chân như hình 3. Hình 3: Sơ đồ logic và so đồ chân IC HEF4511. IC HEF4511 có 4 ngõ vào DDDCDBDA nối với mạch đếm BCD, có 7 ngõ ra OGOFOEODOCOBOA nối với led 7 đoạn, có tín hiệu chốt EL tích cực mức thấp, có tín hiệu xóa số 0, có tín hiệu kiểm tra đèn 7 đoạn LT tích cực mức thấp. Chức năng của các chân được thể hiện qua bảng trạng thái Bảng 1: Bảng sự thật của HEF4511 Giải thích bảng trạng thái: nhìn vào BTT ta thấy để giải mã hiển thị thì tín hiệu EL phải nối mức logic 0 (0V), tín hiệu BI và LT phải nối mức 1 (5V). Các trạng thái còn lại không sử dụng. Kết quả giải mã hiển thị trên led 7 đoạn như hình 4: Hình 4: Số thập phân hiển thị trên led 7 đoạn. KHẢO SÁT VI MẠCH HEF4060: Vi mạch HEF4060 có chức năng dao động và chia tần số 14 bit có sơ đồ logic, sơ đồ chân như hình 5. Hình 5: Sơ đồ logic và so đồ chân IC HEF4060. IC này có chức năng đếm hay chia tần 14 bit và có thể tạo dao động. Có 2 mạch dao động: mạch dao động RC xem hình 6 và mạch dao động thạch anh xem hình 7. Hình 6: Sơ đồ mạch dao động RC dùnhg IC HEF4060. Hình 7: Sơ đồ mạch dao động thạch anh dùnhg IC HEF4060. KHẢO SÁT VI MẠCH HEF4518: Vi mạch HEF4518 có chức năng đếm BCD và có 2 mạch đếm tích hợp bên trong có sơ đồ logic, sơ đồ chân như hình 8. Hình 8: Sơ đồ logic và so đồ chân IC HEF4518. Bảng 2: Bảng sự thật của IC HEF4518: KHẢO SÁT LED 7 ĐOẠN: Bộ hiển thị có chức năng thể hiện số thập phân và linh kiện sử dụng là led 7 đoạn. Cấu tạo: Sơ đồ chân Bảng mã hiển thị các số thập phân: Led 7 đoạn là chỉ thị trong đó mỗi đoạn là một diode phát quang (Light Emiting Diode) được ký hiệu lần lượt là: a, b, c, d, e, f, g. Có hai loại đèn 7 đoạn: Loại cathode chung, dùng cho mạch giải mã có ngã ra tác động cao. Loại anode chung, dùng cho mạch giải mã có ngã ra tác động thấp. Sơ đồ chân của LED 7 đoạn: Hình 9: Sơ đồ cấu tạo của led anode chung và cathode chung. Chương II THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI, SƠ ĐỒ MẠCH ĐỒNG HỒ SỐ. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI Với mạch đồng hồ số thì sơ đồ khối được thiết kế như sau: Hình 11: 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 dao động: có chức năng tạo xung có tần số 1Hz chính xác để cung cấp cho mạch đếm thời gian và quyết định độ chính xác của đồng hồ. Khối đếm giây: có chức năng đếm đơn vị giây, chục giây từ 00 đến 59, sau khi kết thúc 1 chu kỳ đếm thì kích 1 xung cho mạch đếm phút. Khối giải mã giây: có chức năng giải mã số BCD đơn vị giây, chục giây sang mã 7 đoạn. Khối hiển thị giây: có chức hiển thị số thập phân của giây. Tương tự cho khối đếm phút – đếm từ 00 đến 59 và kết thúc 1 chu kỳ thì kích xung đếm cho hàng giờ. Tương tự cho khối đếm giờ: chỉ đếm từ 00 đến 23 giờ. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH CHO CÁC KHỐI Phần này sẽ thiết kế sơ đồ mạch điện cho từng khối. Khối dao động tạo xung 1 Hz: Chức năng là tạo xung 1 Hz chính xác. Có nhiều mạch dao động: Mạch dao động dùng RC: gồm có IC, điện trở R và tụ điện C Mạch dao động dùng tinh thể thạch anh: gồm có IC, điện trở R, tụ điện C, thạch anh Ưu điểm của mạch dao động thạch anh là tần số ổn định, chính xác nhưng chỉ hoạt động ở tần số cao, muốn có xung 1Hz thì phải dùng thêm chia tần số. Ưu điểm của mạch dao động RC là có thể hoạt động ở tần số thấp nhưng khuyết điểm thì không ổn định về tần số nên gây ra sai số. Để đếm chính xác về thời gian thì mạch dao động sử dụng vi mạch HEF4060 vừa tạo dao động dùng thạch anh vừa chia tần số. Sơ đồ mạch điện như sau: Hình 12: Sơ đồ mạch dao động dùng IC HEF4060 và HEF40193. Giải thích hoạt động của mạch: IC HEF4060 có chức năng tạo dao động thạch anh sử dụng thạch anh có tần số 32768Hz. Tín hiệu từ bộ dao động được đưa qua các mạch chi tần số ta được tần số của từng ngõ ra như trong hình, tín hiệu có tần số thấp nhất là 2Hz. Để có xung tần số 1Hz thì phải dùng thêm mạch chia 2, có thể sử dụng Flip Flop hoạt mạch đếm, … ở đây sử dụng IC đếm HEF40193. Kết quả ta được xung 1Hz. Khối đếm giây: Chức năng đếm đơn vị giây và đếm chục giây, đếm đơn vị giây từ 0 đến 9 và chục giây từ 0 đến 5, hay kết hợp lại là đếm từ 00 đến 59. Xung đếm giây lấy từ mạch dao động, sau khi đếm xong 1 chu kỳ thì phải tạo xung kích cho mạch đếm phút, đồng thời chịu sự tác động của mạch reset hệ thống. Sơ đồ khối của mạch đếm giây như sau: Hình 13: Sơ đồ khối mạch đếm giây. Mạch đếm được thiết kế sử dụng IC đếm HEF4518 và mạch giải mã sử dụng IC HEF4511, led 7 đoạn sử dụng loại cathode chung, sơ đồ mạch toàn bộ như hình 1-9. Giải thích hoạt động của mạch: xung ck 1hz lấy từ mạch dao động đưa đến ngõ vào CK2 tích cực cạnh xuống của IC3A, ngõ vào CK1 tích cực cạnh lên không sử dụng nên nối mass, ngõ vào RES được nối với mạch “RESET_ALL” của toàn bộ mạch. Ngõ ra BCD của IC3A nối với IC giải mã HEF4511 để điều khiển led 7 đoạn hiển thị số đếm. Ngõ ra Q3 (XUNG_CHUC_GIAY) của IC3A làm xung ck kích cho mạch đếm hàng chục giây IC3B – nối với ngõ vào CK2. Do hàng chục giây chỉ đếm từ 0 đến 5 nên lấy trạng thái thứ 6 = 0110 làm trạng thái reset IC3B: sử dụng 2 tín hiệu Q1 và Q2 của IC3B qua cổng AND và qua cổng OR để kết hợp với tín hiệu reset toàn mạch “RESET_ALL”. Ngõ ra Q2 của IC3B được dùng là xung CK để kích cho mạch đếm phút. Hình 14: Sơ đồ mạch đếm giây – giải mã – hiển thị. Khối đếm phút: Chức năng đếm đơn vị phút và đếm chục phút, đếm đơn vị phút từ 0 đến 9 và chục phút từ 0 đến 5, hay kết hợp lại là đếm từ 00 đến 59. Xung đếm phút lấy từ mạch đếm giây “CK_PHUT”, sau khi đếm xong 1 chu kỳ 60 phút thì phải tạo xung kích cho mạch đếm giờ, đồng thời chịu sự tác động của mạch reset hệ thống. Sơ đồ khối của mạch đếm phút như sau: Hình 15: Sơ đồ khối mạch đếm phút. Mạch đếm được thiết kế sử dụng IC đếm HEF4518 và mạch giải mã sử dụng IC HEF4511, led 7 đoạn sử dụng loại cathode chung, sơ đồ mạch toàn bộ như hình 16. Giải thích hoạt động của mạch: xung lấy từ mạch đếm giây “CK_PHUT” đưa đến ngõ vào CK2 tích cực cạnh xuống của IC8A, ngõ vào CK1 tích cực cạnh lên không sử dụng nên nối mass, ngõ vào RES được nối với mạch “RESET_ALL” của toàn bộ mạch. Ngõ ra BCD của IC3A nối với IC giải mã HEF4511 để điều khiển led 7 đoạn hiển thị số đếm. Ngõ ra Q3 (XUNG_CHUC_PHUT) của IC8A làm xung ck kích cho mạch đếm hàng chục phút IC8B – nối với ngõ vào CK2. Do hàng chục phút chỉ đếm từ 0 đến 5 nên lấy trạng thái thứ 6 = 0110 làm trạng thái reset IC8B: sử dụng 2 tín hiệu Q1 và Q2 của IC8B qua cổng AND và qua cổng OR để kết hợp với tín hiệu reset toàn mạch “RESET_ALL”. Ngõ ra Q2 của IC8B được dùng là xung CK để kích cho mạch đếm giờ. Hình 16: Sơ đồ mạch đếm phút – giải mã – hiển thị. Khối đếm giờ: Chức năng đếm đơn vị giờ và đếm chục giờ, đếm từ 00 đến 23. Xung đếm giờ lấy từ mạch đếm phút “CK_GIO”, sau khi đếm xong 1 chu kỳ 24 giờ thì phải tạo xung kích cho mạch đếm ngày nếu có, đồng thời chịu sự tác động của mạch reset hệ thống. Sơ đồ khối của mạch đếm giờ như sau: Hình 17: Sơ đồ khối mạch đếm giờ. Mạch đếm được thiết kế sử dụng IC đếm HEF4518 và mạch giải mã sử dụng IC HEF4511, led 7 đoạn sử dụng loại cathode chung, sơ đồ mạch toàn bộ như hình 18. Giải thích hoạt động của mạch: xung lấy từ mạch đếm giây “CK_GIO” đưa đến ngõ vào CK2 tích cực cạnh xuống của IC13A, ngõ vào CK1 tích cực cạnh lên không sử dụng nên nối mass. Ngõ ra BCD của IC13A nối với IC giải mã HEF4511 để điều khiển led 7 đoạn hiển thị số đếm. Ngõ ra Q3 (XUNG_CHUC_GIO) của IC13A làm xung ck kích cho mạch đếm hàng chục giờ IC13B – nối với ngõ vào CK2. Do giờ chỉ đếm từ 00 đến 23 nên lấy trạng thái thứ 24 = 0010 0100 làm trạng thái reset hai IC13A và IC13B: sử dụng 2 tín hiệu Q2 của IC13A và Q1 của IC13B qua cổng AND và qua cổng OR để kết hợp với tín hiệu reset toàn mạch “RESET_ALL”. Ngõ ra Q2 của IC8B được dùng là xung CK để kích cho mạch đếm ngày. Hình 18: Sơ đồ mạch đếm giờ – giải mã – hiển thị. Khối nguồn: Các vi mạch sử dụng nguồn 5V. Tra cứu datasheet các IC có công suất tiêu thụ khoảng hàng µW đến mW. Thiết bị tiêu thụ công suất nhiều nhất là led 7 đoạn do đó cần phải tính toán nguồn. Có 6 led 7 đoạn, mỗi led có 7 đoạn, led sáng hết thì 7 đoạn đều sáng, lấy trung bình là 5 đoạn sáng. Mỗi đoạn tương đương 1 led đơn có dòng là 10mA Dòng tổng là Chọn IC ổn áp 7805 loại 1A thì đủ dòng cấp cho mạch hoạt động. Sử dụng nguồn ổn áp 12VDC qua IC ổn áp 7805 để được nguồn 5V. Sơ đồ mạch như sau: Hình 19: Sơ đồ mạch nguồn. Mạch nguồn sử dụng IC Chương III THI CÔNG Các bước vẽ sơ đồ mạch in và kiểm tra Các bước tiến hành lắp ráp Các bước kiểm tra và chạy thử Đánh giá kết quả chạy thực – tính toán sai số Chương IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Hướng phát triển Tài liệu tham khảo