thiết kế mạch đếm 8 sản phẩm (sử dụng JK FF), hiển thị trên led 7 thanh

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ

BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT XUNG SỐ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM 8 SẢN PHẨM (sử dụng JKFF), HIỂN THỊ TRẠNG THÁI TRÊN LED 7 THANH

Giáo viên hướng dẫn: Gv. Nguyễn Thị Thu Hà

Nhóm sinh viên thực hiện: Lê Nguyễn Ngọc Dũng

2018601541

Nguyễn Tất An

2018600747

Đồn Minh Đức

2018600245

Hà Nội - 2021

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ

Cộng hồ xã hội chủ nghĩa việt nam
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

PHIẾU GIAO ĐỒ ÁN MÔN HỌC
KỸ THUẬT XUNG SỐ
Họ và tên sinh viên :
1. Lê Nguyễn Ngọc Dũng

Mã sinh viên: 2018601541

2. Nguyễn Tất An

Mã sinh viên: 2018600747

3. Đồng Minh Đức

Mã sinh viên: 2018600245

Lớp: 20202FE6021001

Khoá: 13

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà
Tên đề tài: Thiết kế mạch đếm 8 sản phẩm (sử dụng JK-FF), hiển thị trên
Led 7 thanh.
NỘI DUNG THỰC HIỆN
Nội dung cần thực hiện

TT

CĐR

1

Lập kế hoạch làm việc

2

Phân tích lựa chọn ý tưởng tốt nhất và khả thi

L1.2; L1.3

3

Tính tốn thiết kế, xây dựng và phân tích mơ
hình

L1.2; L1.3

4

Chế tạo và lắp ráp

L1.2; L1.3

5

Thử nghiệm và hiệu chỉnh

L1.2; L1.3

6

Viết thuyết minh và chuẩn bị báo cáo

L1.2; L1.3

7

Báo cáo

L1.2; L1.3

L1.3

2


I. Yêu cầu thực hiện:
1. Phần thuyết minh:
* Trình bày đầy đủ các nội dung đồ án, bao gồm:
- Chương 1. Tổng quan (Nêu cơ sở lựa chọn đề tài đồ án, ứng dụng trong
thực tiễn …);
- Chương 2. Tính tốn, thiết kế mơ phỏng;
- Chương 3. Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh;
- Phụ lục (nếu có)
* Quyển báo cáo được trình bày từ 10 đến 15 trang giấy A4 với các định
dạng theo quyết định số 815/QĐ-ĐHCN ngày 15/08/2019:
2. Sản phẩm của đồ án môn
TT

Tên sản phẩm

1

Mơ hình (mạch điện)

2

Quyển báo cáo

3

Slide thuyết minh đồ án

Định dạng

Số lượng
01

Theo quyết định
815/QĐ-ĐHCN

01
01

3. Phạm vi lựa chọn đề tài
- Đề tài thuộc lĩnh vực điện tử trong phạm vi kỹ thuật xung số.
- Vật tư, trang thiết bị: dụng cụ cầm tay, vật liệu (theo đề tài của các nhóm), linh
kiện điện tử cơ bản…
- Đảm bảo an tồn lao động.
Ngày giao: 13/04/2021

Ngày hoàn thành: 15/05/2021
Hà Nội, ngày 13 tháng 04 năm 2021

Trưởng bộ môn

Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Thị Thu Hà
3


Mục lục
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN................................................................................. 5
1.1 Cơ sở lựa chọn đề tài ................................................................................. 5
1.2 Mục đích yêu cầu ....................................................................................... 5
1.3 Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 5
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐẾM,THIẾT KẾ MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN .. 6
2.1 Tính tốn ..................................................................................................... 6
2.2. Thiết kế bộ đếm, thiết kế mô phỏng ...................................................... 13
CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH...... 16
3.1 Liệt kê các linh kiện cần dùng ................................................................ 16
3.2 Chế tạo, lắp ráp mạch.............................................................................. 16
3.3

Thử nghiệm hệ thống ........................................................................... 18

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ-KẾT LUẬN ................................................................ 20
4.1. Đánh giá sản phẩm ................................................................................. 20
4.2. Tính thực tế của sản phẩm ..................................................................... 20

4.3 Đề xuất cải tiến và hướng phát triển...................................................... 20
Tài liệu tham khảo: ............................................................................................ 20

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Cơ sở lựa chọn đề tài
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó
khoa học cơng nghệ nói chung và ngành cơng nghệ kỹ thuật Điện Tử nói riêng
có nhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho thế giới ngày càng hiện đại và
văn minh hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết
bị có các đặc điểm với sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ linh hoạt và hoạt
động ổn định . Đó là những yếu tố cần thiết làm cho năng suất, hiệu quả trong
công việc được tăng cao, hoạt động của con người được giảm bớt. Xuất phát từ
thực tế, nên em chọn đề tài “Thiết kế mạch đếm 8 sản phẩm (sử dụng
JK_FF), hiển thị trạng thái đếm trên LED 7 thanh” được sử dụng đếm sản
phẩm.
1.2 Mục đích yêu cầu
Mục đích của mạch đếm sản phẩm là giúp cho nhà máy đếm được số lượng sản
phẩm của máy tao ra một cách đơn giản,chính xác mà không cần tốn sức của công
nhân.
Yêu cầu của mạch đếm sản phẩm là chạy một cách chính xác, ổn định,gọn nhẹ,dễ
lắp đặt,dễ sữa và rẽ tiền.
1.3 Phương pháp nghiên cứu
Trên phương pháp nghiên cứu và phân tích các chức năng của linh kiện, vi mạch
và áp dụng các kiến thức cùng với sự chỉ đạo của phụ trách giáo dục để xây dựng
nên một mạch có chức năng hoạt động đếm số lượng và đúng với tài nguyên yêu
cầu.

5


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐẾM,THIẾT KẾ MƠ PHỎNG,
TÍNH TỐN
2.1 Tính tốn
Ta có sơ đồ khối:

Khối nguồn

Khối tạo
xung

Khối hiển thị

Khối điều
khiển

Khối giải mã

Hình 2.1. Sơ đồ khối
Thiết kế bộ đếm: Để thiết kế bộ đếm ta tiến hành theo các bước sau:
- Bước 1: Xác định các yêu cầu của bài tốn Phân tích u cầu đầu bài tìm ra số
trạng thái trong.
- Bước 2: Lập đồ hình trạng thái Căn cứ vào yêu cầu của bộ đếm cần thiết kế
như: hệ số đếm và một số các yêu cầu khác để xây dựng đồ hình mơ tả hoạt
động của bộ đếm.
- Bước 3: Xác định số phần tử nhớ cần sử dụng, mã hóa các trạng thái trong của
bộ đếm theo mã đã cho. Số phần tử nhớ được xác định như sau:
+Mã nhị phân và mã Gray n ≥ log2 Kđ

+Mã vòng n = Kđ
+Mã Johnson n = 1/2 Kđ
- Bước 4: Xác định hàm kích của các FF và hàm ra: Dựa vào bảng chuyển đổi
trạng thái, bảng ra để xác định phương trình kích cho các FF và phương trình
hàm ra.
- Bước 5: Vẽ sơ đồ mạch thực hiện
Từ các phương trình đầu vào kích các FF và phương trình hàm ra đưa ra sơ đồ
mạch thực hiện.
6


Tính tốn: Bộ đếm 8 sản phẩm sử dụng JK-FF
2n≥9 ( có 9 trạng thái)
➔ 24≥9
➔n=4
Do đó cần sử dụng 4 phần tử nhớ JK-FF.
Đồ hình trạng thái của bộ đếm được minh họa như hình dưới đây :

Hình 2.2. Đồ hình trạng thái của bộ đếm
Bảng chuyển đổi trạng thái và giá trị đầu vào kích như sau:
S
S0
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8

S9
S10
S11

QDQCQBQA QDQCQBQA
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011

0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
0000
XXXX
XXXX
XXXX

JDKD

JCKC

JBKB

JAKA

0X
0X
0X
0X
0X
0X
0X
1X
X1
XX
XX
XX

0X
0X
0X
1X
X0
X0
X0
X1

0X
XX
XX
XX

0X
1X
X0
X1
0X
1X
X0
X1
0X
XX
XX
XX

1x
X1
1X
X1
1X
X1
1X
X1
0X
XX
XX
XX

7


S12
S13
S14
S15

1100
1101
1110
1111

XXXX
XXXX
XXXX
XXXX

XX
XX
XX
XX

XX
XX
XX
XX

XX

XX
XX
XX

Bảng 1. Bảng chuyển đổi trạng thái

JD
QBQA

00

01

11

10

QDQC
00
01

1

11

X

X

X

X

10

X

X

X

X

00

01

11

10

00

X

X

X

X

01

X

X

1

X

11

1

X

X

X

10

X

X

X

X

JD=QCQBQA
KD
QBQA
QDQC

KD=1

8

XX
XX
XX
XX


JC
QBQA

00

01

11

10

QDQC
00

1

01

X

X

X

X

11

X

X

X

X

10

X

X

X

X

00

01

11

10

X

X

X

X

JC=QAQB
KC
QBQA
QDQC
00
01

1

11

X

X

X

X

10

X

X

X

X

00

01

11

10

00

1

X

01

1

X

X

X

X

X

X

X

KC=QBQA
JB
QBQA
QDQC

11
10

X

JB=QA

9


KB
QBQA

00

01

11

10

00

X

X

1

01

X

X

1

11

X

X

X

X

10

X

X

X

X

00

01

11

10

00

1

X

X

1

01

1

X

X

1

11

X

X

X

X

X

X

X

00

01

11

10

00

X

1

1

X

01

X

1

1

X

11

X

X

X

X

10

X

X

X

X

QDQC

KB=QA
JA
QBQA
QDQC

10
JA=QD

KA
QBQA
QDQC

KA=1
10


Phương trình các đầu vào kích :
JD=QCQBQA
KD=1
JC= KC=QAQB
JB=KB=QA
JA=QD
KA=1
Sơ đồ logic:

Hình 2.3. Thiết kế mạch logic
Mơ phỏng trên phần mềm proteus:

Hình 2.4. Mô phỏng mạch trên proteus
11


Hoặc ta có thể sử dụng Reset như sau :
CLK
QD

QC
QB
0
0
0
0
1
0
0
0
2
0
0
1
3
0
0
1
4
0
1
0
5
0
1
0
6
0
1
1

7
0
1
1
8
1
0
0
9
1
0
0
10
1
0
1
11
1
0
1
12
1
1
0
13
1
1
0
14
1

1
1
15
1
1
1
Khi mạch đếm 0 -8 sản phẩm thì mạch sẽ được RESET

QBQA

QA
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1

00

01

11

10

1

1

1

1

1

1

1

QDQC
00
01
11
10

Ta được phương trình các đầu vào kích: QDQA
Ta sử dụng cổng NAND để reset về vị trí ban đầu.

12

R
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1

reset


2.2. Thiết kế bộ đếm, thiết kế mô phỏng
Sơ đồ logic:

Hình 2.5. Sơ đồ logic

Mơ phỏng trên phần mềm proteus:

Hình 2.6. Mô phỏng sơ đồ logic trên proteus

13


Ta thấy khi sử dụng Reset mạch sẽ đơn giản hóa đi nhiều nên ta sẽ đi thiết kế
mạch sử dụng Reset.
Ta có mạch ngun lý mơ phỏng trên phần mềm altium:

Hình 2.7. Sơ đồ ngun lý

Thơng số kỹ thuật của mạch in.
•
•
•
•
•
•

Kích thước BOARD mạch là : 135mm x 110mm.
Thiết kế mạch in 1 lớp BOTTOM.
Khoảng cách Clearance là: 10 mil (0.254 mm ).
Độ rộng đường GND là: 40 mil (1.106 mm ).
Độ rộng đường VCC là: 35 mil (0.889 mm).
Độ rộng đường NET là: 35 mil (0.889 mm).

14


Mạch in 2D mơ phỏng trên phần mềm Altium:

Hình 2.8. Mặt sau mạch đếm sản phẩm mô phỏng bằng altium

Mạch in 3D mơ phỏng trên phần mềm Altium:

Hình 2.9. Mặt trước mạch đếm sản phẩm mô phỏng bằng altium

15


CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU
CHỈNH
3.1 Liệt kê các linh kiện cần dùng
IC HCF4093BEY, 7SEG, IC 74LS73, IC 7447, điện trở, nút nhấn….
Tên linh kiện
IC 4093
7SEG
IC 7400

Giá trị
3-20v

IC 74LS73
IC 7447

5v
5v

Chức năng
Tạo xung cho mạch đếm
Hiển thị giá trị đếm
Cổng logic NAND, điều khiển tín
hiệu mạch đếm

Trigger JK-FF
IC giải mã cho led 7seg

5v

3.2 Chế tạo, lắp ráp mạch
Bước 1: In phần layout bảng mạch ra giấy A4 hoặc giấy bóng.
(Lưu ý mirrow lại phần mạch in trước khi in để khi là xong thì ko bị ngược)
Bước 2: Cắt phíp đồng để làm bảng mạch
Cắt phíp đồng theo kích thước bảng mạch đã do trên altium bằng dao dọc giấy.
Chà xước phần cạnh miếng đồng bằng miếng rửa chén để loại bỏ lớp oxit trên
mặt phíp đồng để dung dịch fecl3 ăn nhanh hơn. Bề mặt nhám cũng giúp cho hình
ảnh từ giấy dính tốt hơn.
Bước 3: Chuyển phần in PCB lên miếng đồng
Ủi trên giấy bóng
Đặt bảng mạch được in trên giấy bóng lên bảng đồng. Đảm bảo rằng bo mạch
được căn chỉnh chính xác dọc theo đường viền của giấy in và sử dụng băng keo
để giữ bảng và giấy in ở đúng vị trí
Sau khi in trên giấy bóng, đặt hình mạch in xuống tấm đồng và chỉnh bàn ủi lên
nhiệt độ cao nhất trong khoảng 5p là đều và ấn xuống để mực dễ ăn.
Chú ý đến phần rìa của bảng mạch, bạn cần phải ủi từ từ
Nhiệt từ bàn ủi sẽ chuyển mực in từ giấy qua tấm đồng.
Chú ý không chạm trực tiếp vào tấm đồng vì lúc này nó rất nóng.
Sau khi là xong thì để nguội trước quạt tầm 5p rồi bắt đầu bóc
16


Bước 4: Ngâm mạch
Bạn cần phải cẩn thận khi thực hiện bước này.
Lấy một cái hộp nhựa và đổ đầy nước dùng nước ấm để phản ứng xảy ra nhanh

hơn
Hòa FeCl3 vào nước pha đặc 1 chút
Nhúng bảng mạch in vào dung dịch ăn mòn trong 30 phút.
FeCl3 phản ứng với phần đồng chưa có lớp in và loại ra khỏi bảng mạch.
Q trình này được gọi là ăn mịn. Sử dụng kẹp để gắp PCB ra và kiểm tra phần
đồng khơng phủ mực in đã ăn mịn hết chưa. Nếu chưa tiếp tục bỏ nó vào trong
dung dịch.
Bước 5: Vệ sinh và khoan lỗ
Bước 6 Hàn mạch
Và đây là sản phẩm cuối cùng sau 5 lần thất bại:

Hình 3.2. Mặt trước của sản phẩm

17


Hình 3.3. Mặt sau của sản phẩm

3.3 Thử nghiệm hệ thống

Hình 3.4. Led hiển thị 0

Hình 3.5. Led hiển thị 1

18


Hình 3.5. Led hiển thị 5

Hình 3.5. Led hiển thị 8

19


CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ-KẾT LUẬN
4.1. Đánh giá sản phẩm
Ưu điểm: mạch chạy đúng yêu cầu, hoạt động ổn định, gọn nhẹ linh hoạt, chi
phí phù hợp. Nhược điểm: bố trí mạch chưa khoa học, thiết kế chưa mang tính
cơng nghiệp.
4.2. Tính thực tế của sản phẩm
Đây là đề tài rất hay và được ứng dụng rất nhiều trong đời sống cũng như trong
công nghiệp.Nhằm tăng năng suất, hiệu quả trong công việc và giảm sức lao
động của con người, MẠCH ĐẾM được đưa vào sử dụng thay thế con người
trong công việc như đếm sản phẩm, đếm thời gian, đèn giao thông, chia tần số
và điều khiển các mạch khác… Với đặc điểm tiện lợi, chính xác cao, hoạt động
ổn định, gọn nhẹ linh hoạt; MẠCH ĐẾM nhanh chóng được biết đến và được sử
dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực.
4.3 Đề xuất cải tiến và hướng phát triển
Hướng phát triển:Có thể thay thế các linh kiện, IC tạo xung, IC điều khiển, IC
giải mã… bằng các linh kiện khác trên thị trường mà vẫn đáp ứng được nhu cầu
của đề tài.
Đề xuất cải tiến: thiết kế mạch phù hợp hơn, để mạch được thống nhất, khơng bị
rối mắt vì phải câu dây nhiều.

Tài liệu tham khảo:
1. Nguyễn Thị Thu Hà-Lê Văn Thái-Nguyễn Ngọc Anh, (2013), Giáo trình
Điện tử số, Hà Nội, NXB Khoa học và Kỹ thuật.

20