BTL xung số haui nhóm 14: Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng DFF

ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
TRƯỜNG CƠ KHÍ – ƠTƠ
KHOA CƠ ĐIỆN TỬ
------

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

---

---

BÁO CÁO ĐỒ ÁN
KỸ THUẬT XUNG SỐ
BỘ CƠNG THƯƠNG

TRƯỜNG
CƠNG
NGHIỆP
NỘI
Đề tài
: ThiếtĐẠI
kếHỌC
mạch
điều
khiểnHÀ
đèn
LED
KHOA
CƠL

KHÍ
sáng lan tắt dần với chiều
dài
= 10 sử dụng D-FF



---
--Giảng viên hướng dẫn : Hà Thị Phương
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Thái Long - 2021608630
Nguyễn Văn Hưng – 2021603520

Nguyễn
Tuấn Minh - 2020600063
ĐỒCÔNG
ÁN
MÔN
BỘ
THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
ĐO
LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
KHOA CƠ KHÍ

ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO VÀ XỬ LÍ

---

---

Hà Nội:
2023PHÁT HIỆN LỬA,
TÍN HIỆU SỬ DỤNG CẢM
BIẾN

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỂ CẢNH BÁO VÀ CHỮA CHÁY
1
BỘ CÔNG THƯƠNG


MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. 2
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ 4
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 5
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 6
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ........................................................... 7
1.1 Mạch ghi dịch ........................................................................................ 7
1.2 Cơ sở lựa chọn đề tài ............................................................................. 8
1.3 Ứng dụng trong thực tiễn ...................................................................... 9
CHƯƠNG 2 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG ........................... 10
2.1 Tính tốn hệ thống .............................................................................. 10
2.2 Lựa chọn thiết kế mơ hình hệ thống ................................................... 10
2.3 Lựa chọn linh kiện điện tử .................................................................. 11
CHƯƠNG 3 THỰC HÀNH ..................................................................................... 19
3.1 Mô phỏng mạch .................................................................................. 19
3.2 Chế tạo mạch ....................................................................................... 25
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN ......................................................................................... 30

2


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 – Sơ đồ mạch ghi dịch 4 bit ................................................................. 7
Hình 2.1 – Sơ đồ khối của IC 74HC164 .......................................................... 12
Hình 2.2 – Trạng thái IC 74HC164 .................................................................. 12
Hình 2.3 – IC NE555 ........................................................................................ 14
Hình 2.4 – IC hạ áp 5V ..................................................................................... 15
Hình 2.5 – Đèn LED ......................................................................................... 16
Hình 2.6 - Domino ............................................................................................ 17
Hình 2.7 – Điện trở ........................................................................................... 18
Hình 3.1 – Mạch nguồn .................................................................................... 19
Hình 3.2 – Mạch tạo xung điều khiển .............................................................. 19
Hình 3.3 – Sơ đồ tổng thể của hệ thống ........................................................... 20
Hình 3.4 - Trạng thái đèn LED sáng dần ......................................................... 21
Hình 3.5 – Trạng thái đèn LED tắt dần ............................................................ 22
Hình 3.6 – Mơ phỏng mạch 2D ........................................................................ 23
Hình 3.7 - Mơ phỏng mạch 3D ......................................................................... 24
Hình 3.8 – Cắt mạch ......................................................................................... 25
Hình 3.9 – In mạch ........................................................................................... 25
Hình 3.10 – Tiến hành ăn mịn mạch ............................................................... 27
Hình 3.11 – Mạch sau khi ăn mịn .................................................................... 28
Hình 3.12 – Mạch hồn thiện ........................................................................... 29

3


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 – Bảng trạng thái thanh ghi dịch 4 bit ................................................. 8
Bảng 2.1 – Trạng thái thang ghi dịch 10 bit ..................................................... 10

4


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay chúng ta đã rất quen thuộc với máy vi tính, đó là 1 hệ thống vi xử lí
hồn hảo. Trong cấu trúc của VXL có 1 thành phần rất quan trọng là ALU
(Arithmetic logic unit : bộ logic và số học). Nó có thể tính tốn hàng ngàn, triệu
phép tính trong 1s. Cấu tạo nên VXL lại gồm các mạch đếm, thanh ghi, cổng logic
và cả các mạch so sánh cộng trừ nhân chia số học gọi là các mạch làm tốn. Khơng
những thế các mạch làm tốn cịn được sử dụng trong điện tử nói chung kể cả điều
khiển tự động, truyển dữ liệu chẳng hạn như khi thu nhận dữ liệu từ bên ngoài thì
cần phải có mạch tính tốn, so sánh để cho tín hiệu phản hồi.
Phần này sẽ tìm hiểu về các mạch làm toán cơ bản và giới thiệu qua về ALU.
Đây không chỉ là kiến thức cần biết khi học mạch số mà cịn là nền tảng để có thể
tiếp cận lĩnh vực máy tính và VXL mà ta sẽ gặp khi học hay tìm hiểu các mơn
VXL, vi điều khiển, cấu trúc máy tính, truyền số liệu...

5


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, chúng em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất cô
Hà Thị Phương – người đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hướng dẫn, động viên
chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án mơn học này. Chúng em
xin trân trọng cảm ơn đến tất cả các quý thầy cô trường Đại Học Công Nghiệp Hà
Nội, những người đã trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản, cũng như đã
nhiệt tình quân tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để chúng em được học tập,

nghiên cứu hoàn thành đồ án Kỹ thuật xung số này. Chúng em xin cảm ơn.

6


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1 Mạch ghi dịch
1.1.1 Nguyên lý chung
Thanh ghi còn gọi là bộ ghi dịch là các phần tử không thể thiếu được trong
CPU, trong các hệ vi xử lý,…Nó có khả năng ghi giữ và dịch thông tin (sang phải
hoặc sang trái). Bộ ghi dịch cấu tạo từ một dãy phần tử nhớ đơn bit (trigơ) được mắc
liên tiếp với nhau và một số cửa logic cơ bản hỗ trợ. Muốn ghi và truyền một từ nhị
phân n bit ta cần n phần tử nhớ (n trigơ). Trong các bộ ghi dịch thường dùng các trigơ
đồng bộ như trigơ RST, trigơ JK, trigơ D. Thông thường người ta hay dùng các trigơ
D hoặc các trigơ khác nhưng mắc theo kiểu trigơ D để tạo thành các bộ ghi.
1.1.2 Phân loại
- Ghi song song: Các bit của từ nhị phân được ghi đồng thời cùng một lúc vào
bộ ghi.
- Ghi nối tiếp: Các bit của từ nhị phân được đưa vào bộ ghi một cách tuần tự
theo thứ tự của từ nhị phân.
Trong đề tài này sẽ đề cập đến mạch ghi vào nối tiếp, ra song song.
1.1.3 Mạch ghi vào nối tiếp ra song song dịch phải
Bộ ghi nối tiếp có thể dịch phải, dịch trái và cho ra song song hoặc ra nối tiếp.

Hình 1.1 – Sơ đồ mạch ghi dịch 4 bit
Đây là sơ đồ chỉ có lối vào nối tiếp, cịn lối cả ra song song và ra nối tiếp. Khi
cho một xung kim âm tác động vào lối vào xoá, các lối ra Q của cả 4 trigơ trong bộ
ghi đều ở trạng thái 0. Muốn ghi ta phải đưa các bit thông tin nối tiếp về thời gian
7

truyền lần lượt vào lối vào nối tiếp theo sự điều khiển đồng bộ của các xung nhịp. Cứ
sau mỗi xung nhịp trạng thái của trigơ lại được xác lập theo thơng tin lối vào D của
nó. Trong sơ đồ hình 3.16 lối ra của trigơ trước lại được nối với vào lối vào D của
trigơ sau nên sau mỗi lần có xung nhịp tác động trigơ sau lại nhận giá trị của trigơ
đứng trước nó. Giả sử ta có 4 bit số liệu D1D2D3D4 được truyền liên tiếp tới lối vào
của bộ ghi trong đó bit D4 đến trước nhất. Q trình ghi thơng tin diễn ra như sau:
Bảng 1.1 – Bảng trạng thái thanh ghi dịch 4 bit
Xung nhịp
0
1
2
3
4

Q1
0
D4
D3
D2
D1

Q2
0
0
D4
D3
D2

Q3

0
0
0
D4
D3

Q4
0
0
0
0
D4

Sau 4 xung nhịp thì thơng tin được nạp xong, muốn đưa dữ liệu ra ở các lối ra
song song ta đặt mức 1 ở lối ‘Điều khiển ra”, lối ra của các cửa AND ở lối ra song
song sẽ được xác lập theo trạng thái Q1, Q2, Q3, Q4 của các trigơ trong bộ ghi. Trong
cách điều khiển dữ liệu ra song song này thông tin trong bộ ghi vẫn được duy trì. Để
điều khiển dữ liệu ra nối tiếp, ta phải tác động một nhóm 4 xung nhịp ở lối vào CLK
(điều khiển ghi). Sau 4 xung nhịp tác động 4 bit dữ liệu lần lượt được đưa ra khỏi bộ
ghi. Như vậy, quá trình điều khiển ghi nối tiếp 4 bit mới cũng là quá trình đưa 4 bit
dữ liệu cũ ra khỏi bộ ghi qua lối ra nối tiếp
1.2 Cơ sở lựa chọn đề tài
Chúng ta đã được biết đến các loại FF. Chúng đều có thể lưu trữ (nhớ 1 bit) và
chỉ khi có xung đồng bộ thì bit đó mới truyền tới ngõ ra (đảo hay không đảo). Bây
giờ nếu ta mắc nhiều FF nối tiếp lại với nhau thì sẽ nhớ được nhiều bit. Các ngõ ra sẽ
phần hoạt động theo xung nhịp ck. Có thể lấy ngõ ra ở từng tầng FF (gọi là các ngõ
ra song song) hay ở tầng cuối (ngõ ra nối tiếp). Như vậy mạch có thể ghi lại dữ liệu
(nhớ) và dịch chuyển nó (truyền) nên mạch được gọi là ghi dịch. Ghi dịch cũng có
rất nhiều ứng dụng đặc biệt trong máy tính, như chính cái tên của nó: lưu trữ dữ liệu
và dịch chuyển dữ liệu chỉ là ứng dụng nổi bật nhất.

8


1.3 Ứng dụng trong thực tiễn
Thanh ghi dịch đóng vai trị cực kì quan trọng trong việc lưu trữ, tính toán số
học và logic. Chẳng hạn trong các bộ vi xử lí, máy tính đều có cấu tạo các thanh ghi
dịch, trong vi điều khiển (8051) cũng có các ghi dịch làm nhiều chức năng hay như
trong nhân chia.
Một số ứng dụng của mạch ghi dịch:
‒ Lưu trữ và dịch chuyển dữ liệu
‒ Tạo kí tự hay tạo dạng song điều khiển
‒ Chuyển đổi dữ liệu nối tiếp sang song song và ngược lại
‒ Bus truyền dữ liệu
1.3.1 Phạm vi nghiên cứu
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.

9


CHƯƠNG 2 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG
2.1 Tính tốn hệ thống
‒ Đầu vào: xung đồng bộ CLK
‒ Đầu ra: 10 đèn LED
Mạch khơng có đầu vào nào ngồi xung đồng bộ và có đầu ra là 10 đèn LED.
Như vậy, ta chọn mạch ghi dịch có đầu vào nối tiếp và đầu ra song song và có chiều
dài là 10 bit.
2.2 Lựa chọn thiết kế mơ hình hệ thống

Bộ ghi nối tiếp có thể dịch phải, dịch trái và cho ra song song hoặc ra nối tiếp.
Đây là sơ đồ chỉ có lối vào nối tiếp, cịn lối cả ra song song và ra nối tiếp. Khi cho
một xung kim âm tác động vào lối vào xoá, các lối ra Q của cả 10 trigơ trong bộ ghi
đều ở trạng thái 0. Muốn ghi ta phải đưa các bit thông tin nối tiếp về thời gian truyền
lần lượt vào lối vào nối tiếp theo sự điều khiển đồng bộ của các xung nhịp. Cứ sau
mỗi xung nhịp trạng thái của trigơ lại được xác lập theo thông tin lối vào D của nó.
Lối ra của trigơ trước lại được nối với vào lối vào D của trigơ sau nên sau mỗi lần có
xung nhịp tác động trigơ sau lại nhận giá trị của trigơ đứng trước nó.
Bảng 2.1 – Trạng thái thang ghi dịch 10 bit
Xung

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

Q7

Q8

Q9

Q10

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

3

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

4

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

5

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

6

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

7

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

8

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

9

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

10

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

10


Giả sử ta có 10 bit số liệu D1D2D3 … D9D10 được truyền liên tiếp tới lối vào
của bộ ghi.
Sau 10 xung nhịp thì thơng tin được nạp xong, muốn đưa dữ liệu ra ở các lối
ra song song ta đặt mức 1 ở lối ‘Điều khiển ra”, lối ra của các cửa AND ở lối ra song
song sẽ được xác lập theo trạng thái của các trigơ trong bộ ghi. Trong cách điều khiển
dữ liệu ra song song này thơng tin trong bộ ghi vẫn được duy trì. Sau 10 xung nhịp
tác động (đèn sáng dần), ta đảo trạng thái lối vào của mạch ghi dịch (đèn tắt dần).
2.3 Lựa chọn linh kiện điện tử
2.3.1 IC thanh ghi dịch 74HC164
IC 74HC164 gồm 8 flip flops loại D, một cổng AND và 2 cổng NOT.
Dữ liệu đầu vào nối tiếp được nhập tại chân A hoặc chân B vì chúng được
ANDED hợp lý. Một trong hai đầu vào có thể được sử dụng như một kích hoạt mức
CAO đang hoạt động với mục nhập dữ liệu trên chân khác. Nếu mong muốn một đầu
vào duy nhất, các chân có thể được buộc lại với nhau hoặc đầu vào không sử dụng có
thể được buộc CAO.
 Nhập dữ liệu

Dữ liệu được chuyển vào Q0 từ các chân đầu vào nối tiếp trên mỗi chuyển tiếp
THẤP đến CAO của chân CP. Cũng trong cạnh CP, dữ liệu được chuyển từ mỗi Qn
sang Qn + 1. Dữ liệu nối tiếp trên các chân DSA và DSB phải ổn định trước và sau
cạnh tăng CP để đáp ứng các yêu cầu về thời gian thiết lập và giữ.
 Reset
Khi ở mức thấp, chân Master Reset (MR) sẽ đặt tất cả Qn thành mức thấp.
Hành động này không phụ thuộc vào điều kiện của đầu vào nối tiếp hoặc chân đồng
hồ. MR phải được đặt mức cao trong thời gian khơi phục trước khi có xung cạnh CP
dương tiếp theo.

11


Hình 2.1 – Sơ đồ khối của IC 74HC164

Hình 2.2 – Trạng thái IC 74HC164
 Sơ đồ chân IC 74HC164
Số chân

Tên chân

Mô tả

1

DSA

Đầu vào dữ liệu nối tiếp

2

DSB

Đầu vào dữ liệu nối tiếp

3

Q0

Đầu ra dữ liệu

4

Q1

Đầu ra dữ liệu

5

Q2

Đầu ra dữ liệu

6

Q3

Đầu ra dữ liệu

7

GND

Ground

8

CP

Xung đồng hồ – Cạnh dương được kích hoạt
12


9

MR’

Master Reset - Không đồng bộ

10

Q4

Đầu ra dữ liệu

11

Q5

Đầu ra dữ liệu

12

Q6

Đầu ra dữ liệu

13

Q7

Đầu ra dữ liệu

14

Vcc

Nguồn
Bảng 2.2. Sơ đồ chân của IC 74HC164

Hình 2.3. Sơ đồ chân IC 74HC164

13


2.3.2 IC tạo xung NE555

Hình 2.4 – IC NE555
Thơng số kỹ thuật:
‒ Điện áp đầu vào: 4.5-16V

‒ Dòng điện cung cấp: 10mA - 15mA
‒ Điện áp logic ở mức cao: 0.5 - 15V
‒ Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 - 0.06V
‒ Công suất lớn nhất là: 600mW
‒ Nhiệt độ hoạt động: 0 – 70Oc
Sơ đồ chân:

Hình 2.5. Sơ đồ chân IC NE555

14


2.3.3 IC ổn áp LM7805
LM7805 hay 7805 là IC điều chỉnh điện áp dương đầu ra 5V. Nó là IC của
dịng ổn áp dương LM78xx, được sản xuất trong gói TO-220 và các gói khác. IC này
được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị thương mại và giáo dục. Nó cũng được sử
dụng bởi nhiều người đam mê điện tử và thợ mày mò do giá rẻ, dễ sử dụng và khơng
cần nhiều linh kiện bên ngồi. IC có nhiều tính năng tích hợp lý tưởng để sử dụng
trong nhiều ứng dụng điện tử như dòng điện đầu ra 1.5A, chức năng bảo vệ quá tải,
bảo vệ quá nhiệt, dịng điện tĩnh thấp, v.v.

Hình 2.6 – IC ổn áp LM7805

Thơng số kỹ thuật:
‒ Điện áp ngõ ra: 5V
‒ Dịng ra tối đa: 1.5A
‒ Điện áp đầu vào tối thiểu: 7.3V
‒ Điện áp đầu vào tối đa: 15V
‒ Nhiệt độ hoạt động: - 40 đến +125 độ C
‒ Dạng chân: TO-220

15


Hình 2.7. Sơ đồ chân IC LM7805
2.3.4 Đèn LED
Đèn LED: dùng để hiện tín hiệu đầu ra

Hình 2.8 – Đèn LED
Thông số kỹ thuật:
‒ Điện áp vào: 1.9 – 3.7 V
‒ Kích thước bóng: Ø5
‒ Dịng điện tiêu thụ: 10-20mA
‒ Màu sắc: xanh
16


2.3.5 Tụ điện
Tụ điện có tác dụng chính là lưu trữ và giải phóng năng lượng, chia tách
tín hiệu, lọc nhiễu và ổn định điện áp.

Hình 2.9. Tụ điện

2.3.6 Jack DC
Dùng làm đầu cấp nguồn cho bo mạch.

Hình 2.10 – Jack DC
2.3.7 Điện trở
‒

Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp.

‒

Mắc điện trở thành cầu phân áp.

‒

Phân cực cho bóng bán dẫn.
17


‒

Tham gia vào các mạch tạo dao động RC.

Hình 2.11 – Điện trở

18


LED10

LED9

LED8

LED7

LED6

LED5

LED4

LED3

LED2

LED1

3.1 Mô phỏng mạch
R1

R2

R3

R4

220R Mạch
220R nguồn
220R
3.1.1

220R

R5

R6

R7

R8

R9

R11

220R

220R

220R

220R

220R

220R

Với đầu vào sử dụng pin 9V, ta cần hạ áp xuống 5V để các linh kiện trong
mạch hoạt động tốt.

R14
5k6

LED1
LED2
LED3

LED4
LED5
LED6
LED7
LED8

LED9
LED10

R12
100R

Q1
3
4
5
6
10
11
12
13

U2
Hình 3.1 – Mạch nguồn

A
B

R13

9

8

1
2

5k6

9

8

1
2

A
B

3.1.2 Mạch tạo xung

74HC164

MR

74HC164

CLK

Q0

Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7

U1

MR

CLK

Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7

3
4
5
6
10
11
12

13

C1815

Sử dụng IC NE555 để tạo xung điều khiển cho mạch ghi dịch.
C2
10uF

7805
VI

VO

3

R

OUT 5V

U3
Q
DC

GND

5

R10

3

1k2

R15
220R

7

CV

RV1

C1

GND

TR

TH

6

88%

2

1

1

4

VCC

8

U4

2

V

CHƯƠNG 3 THỰC HÀNH

50K

555

10uF

Hình 3.2 – Mạch tạo xung điều khiển
19

D1


LED10

LED9

LED8

LED7

LED6

LED5

LED4

LED3

LED2

LED1

3.1.3 Sơ đồ tổng thể

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R11

220R

220R

220R

220R

220R

220R

220R

220R

220R

220R

R14
5k6

LED1
LED2
LED3
LED4
LED5
LED6
LED7
LED8

LED9
LED10

R12
100R

Q1
3
4
5
6
10
11
12
13

3
4
5
6

10
11
12
13

C1815

U2
74HC164

MR

A
B

CLK

Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7

74HC164

MR

A
B

CLK

Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7

U1

R13

9

8

1
2

9

8

1

2

5k6

C2
10uF

U3

8

U4
4
GND

Q
DC

5

R10

3

1k2

LED-GREEN

10uF
TR

RV1
TH

6

88%

2

C1

220R

D1

C3

10uF

R15

7

CV

GND

C4

R

1

JACK

3
2
1

VO

2

J2

VI

3

VCC

7805
1

50K

555

10uF

Hình 3.3 – Sơ đồ tổng thể của hệ thống

20