Thiết kế và lắp ráp mạch điều khiển đèn giao thông sử dụng IC số

Trường Đại Học
Công Nghiệp Hà Nội

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc Lập – Tự Do – Hạnh phúc

BẢN NHẬN XÉT
ĐỒ ÁN 2 CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
GVHD : Nguyễn Thị Minh Tâm
Lớp:
LT CĐ ĐH ĐT1 – K5
Khoa: Điện Tử

THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG SỬ
DỤNG IC SỐ
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn……………….............................
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………..

ngày…….tháng……..năm
GV hướng dẫn

1


Lời Mở Đầu
Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số đã trở thành quen thuộc với nhiều người,
bởi vì sự phát triển của ngành kỹ thuật số này đã có ảnh hưởng rất lớn đến ngành
kinh tế toàn cầu. Có người đã nêu lên ý tưởng gọi nền kinh tế của thời đại chúng ta
là “ nền kinh tế kỹ thuật số “, “số hóa” đã gần như vượt khỏi ranh giới của một
thuật ngữ kỹ thuật . Nhờ có ưu điểm của xử lý số như độ tin cậy trong truyền dẫn,
tính đa thích nghi và kinh tế của nhiều phần mềm khác nhau, tính tiện lợi trong
điều khiển và khai thác mạng.
Số hóa đang là xu hướng phát triển tất yếu của nhiều lĩnh vực kỹ thuật và
kinh tế khác nhau. Không chỉ trong lĩnh vục thông tin liên lạc và tin học. Ngày nay,
kỹ thật số đã và đang thâm nhập mạnh mẽ vào Kỹ thuật điện tử, Điều khiển tự
động, phát thanh truyền hình, y tế, nông nghiệp…và ngay cả trong các dụng cụ
sinh hoạt gia đình.
Ngay từ những ngày đầu khai sinh, kỹ thuật số nói riêng và ngành điện tử
nói chung đã tạo ra nhiều bước đột phá mới mẽ cho các ngành kinh tế khác và còn
đảm bảo được yêu cầu của người dùng cả về chất lượng và dịch vụ. Đồng thời
kiến thức về kỹ thuật số là không thể thiếu đối với mỗi sinh viên, nhất là sinh viên
điện tử.
Và như mọi người nhận thấy rằng, ngày nay tình hình trật tự giao nước ta,
nhất là các thành phố lớn đang rất phức tạp. Vì vậy việc sử dụng đèn giao thông tại
những giao lộ là rất cần thiết và để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và muốn
phát triển thêm về mô hình này, em đã chọn đề tài cho đồ án 2 là thiết kế và lắp
ráp mạch điều khiển Đèn Giao Thông với sự hướng dẫn của cô Minh Tâm
Do thời gian, tài liệu và trình độ còn hạn chế nên đề tài chắc chắn không thể

tránh những thiếu sót, nhầm lẫn. Kính mong sự chỉ dẫn và góp ý của cô để chúng
em hiểu sâu sắc hơn, và rút kinh nghiệm trong những lần sau.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2013

2


PHẦN 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.Tổng quan về flip-flop (FF)
Flip-Flop (viết tắt là FF) là mạch dao động đa hài hai trạng thái bền, được
xây trên cơ sở các cổng logic và hoạt động theo bảng trạng thái cho trước. Có khả
năng lưu trữ hai trang thái 0 và 1.
FF là mạch có khả năng lật lại trạng thái ngõ ra tuỳ theo sự tác động thích
hợp của ngõ vào, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu trong
mạch và xuất dữ liệu ra khi cần.
Có nhiều loại flip flop khác nhau, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều
ứng dụng. Các mạch FF thường được kí hiệu như sau

Các FF là các phần tử có 2 trang thái cân bằng ổn định Q và

.

Một FF có thể hoạt động ở hai chế độ:
+ Không đồng bộ: Đầu ra của FF thay đổi trạng thái chỉ phụ thuộc vào giá trị tín
hiệu vào.
+ Đồng bộ: Việc thay đổi trạng thái của FF tùy thuộc vào cả tín hiệu vào và tín
hiệu đồng bộ ( tín hiệu đồng bộ cho phép hoặc không cho phép chuyển trạng thái).
• Đồng bộ theo mức: Dùng mức điện áp thích hợp của tín hiệu đồng
bộ( mức tích cực) để thay đổi trạng thái của FF

3


• Đồng bộ theo sườn: thời điểm thay đổi trạng thái của FF ứng với thời
điểm xuất hiện sườn của tín hiệu đồng bộ( có thể đồng bộ theo sườn
dương hoặc sườn âm).
1.2.Các loại flip-flop
1.2.1.SR-FF
Là phần tử có 2 đầu vào điều khiển S,R và hai đầu vào Q và

Hình 1.1.Sơ đồ cấu tạo của SR-FF

Hình 1.2.Bảng trạng thái của RS-FF

Hình 1.3.Giản đồ thời gian của RS-FF

4


1.2.2.JK-FF
Là phần tử có hai đầu vào điều khiển và hai đầu ra. Đầu vào J đóng vai trò
thiết lập, đầu K đóng vai trò xóa.
+ JK=00 FF giữ nguyên trạng thái cũ.
+ JK=01 FF luôn chuyển tới trạng thái 0.
+ JK=10 FF luôn chuyển tới trạng thái 1.
+ JK=11 FF đảo trạng thái .

Hình 1.4.Sơ đồ cấu tạo của JK-FF

Hình 1.5.Bảng trạng thái của JK-FF

5


Hình 1.6.Giản đồ thời gian của RS-FF
1.2.3.D-FF
Là phần tử có 1 đầu vào điều khiển và 2 đầu ra
D-FF có khả năng thiết lập trạng thái 0 theo tín hiệu D=0, thiết lập trạng thái
1 theo tín hiệu D=1

Hình 1.7.Cấu tạo của D-FF

Hình 1.8.Bảng trạng thái của D-FF

6


Hình 1.9.Giản đồ thời gian của D-FF
1.2.4.T-FF
Là phần tử có 1 đầu vào điều khiển và 2 đầu ra.
T-FF có chức năng duy trì và chuyển đổi trạng thái tùy thuộc vào đầu vào T
trong điều kiện định thời của CLK.

Hình 1.10.Cấu tạo của T-FF

Hình 1.11.Bảng trạng thái của T-FF

7

Hình 1.9.Giản đồ thời gian của T-FF

8


PHẦN 2: THIẾT KẾ MẠCH
2.1. SƠ ĐỒ KHỐI:

Mạch gồm 5 khối:
+ Bộ nguồn
+ Bộ tạo xung
+ Bộ đếm
+ Bộ giải mã hiển thị
+ Bộ hiển thị

9


2.2. CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH:
2.2.1. BỘ TẠO XUNG DÙNG IC 555:
Cấu tạo và chức năng các chân IC 555

Hình 2.1: Sơ đồ chân IC 555
+ Chân 1 (GND): Chân cho nối masse để lấy dòng.
+ Chân 2 (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn là 1/3 mức nguồn nuôi.
+ Chân 3 (Output): Chân ngõ ra, tín hiệu trên chân 3 dạng xung, không ở mức áp
thấp thì ở mức áp cao.
+ Chân 4 (Reset): Chân xác lập trạng thái nghỉ với mức áp trên chân 3 ở mức thấp.
+ Chân 5 (Control Voltage): Chân làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555.

+ Chân 6 (Threshold): Chân so áp với mức áp chuẩn là 2/3 mức nguồn nuôi.
+ Chân 7 (Discharge): Chân có khóa điện đóng masse, thường dùng cho tụ xả điện.
+ Chân 8 (VCC): Chân nối vào đường nguồn V+. IC 555 làm việc với mức nguồn
từ 3 đến 15V.
Chức năng:
10


+ IC 555 thường được sử dụng với chức năng định giờ (Timing), tạo dao động.
+ Ứng dụng vào việc tạo dao động, định giờ, điều chế độ rộng xung (PWM), tạo
thời gian trễ...
+ Có thể định giờ từ đơn vị mili giây cho đến đơn vị giờ.
+ Làm việc ở 2 chế độ, đa hài và đơn hài.
+ Hoàn toàn có thể thay đổi được chu kỳ dao động (đa hài) và độ rộng xung (đơn
hài).
+ Nguồn cung cấp có điện áp trong khoảng từ 4,5V đến 18V.
+ Nguồn cung cấp có dòng trong khoảng từ 3mA đến 6mA khi điện áp nguồn
khoảng 5V,có dòng trong khoảng 10mA đến 15mA khi điện áp nguồn nuôi khoảng
15V.
+ Nhiệt độ có thể chịu đựng trong khoảng -65oC đến 150oC.
+ Nhiệt độ làm việc ổn định trong khoảng 0oC đến 70oC.
+ Sụt áp lối ra thấp, giá trị lớn nhất khoảng 0,35V.
+ Điện áp ngưỡng (threshold) khoảng 0,67xVCC, dòng điện ngưỡng khoảng
0,25μA.
+ Điện áp mức cao ở lối ra khi VCC bằng 5V khoảng 4V. Điện áp mức cao ở lối ra
khi VCC bằng 15V khoảng 11V.
+ Điện áp cấp cho chân reset khoảng 1V và dòng điện khoảng 0,4mA
+ Khi VCC bằng 5V thì điện áp đưa và chân trigger khoảng 1,67 V và dòng điện
khoảng 0.9μA. Khi VCC bằng 15V thì điện áp đưa và chân trigger khoảng 5V và
dòng điện khoảng 0,9μA.

11


Cấu trúc:

Hình 2.2: Cấu trúc của IC 555
Cấu trúc của IC 555 gồm : 2 OPAM, 3 điện trở, 1 transitor, 1 FF (FF- RS):
+ 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp
+ Transistor để xả điện.
+ Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần. Cấu tạo
này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và
điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2. Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3
VCC, chân S = [1] và FF được kích. Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân
R của FF = [1] và FF được reset

12


2.2. IC 74164 :
Cấu tạo và chức năng các chân IC 74164

Hình 2.3: Sơ đồ chân IC 74164
+ Vcc,GND: dùng cấp nguồn cho IC hoạt động. Vcc được nối tiếp cực dương của
nguồn , GND được nối đến cực âm của nguồn (0V)
+ A,B: ngõ vào dữ liệu nối tiếp của IC 74164, đây là 2 ngõ vào của một cổng
AND 2 ngõ vào. Dữ liệu muốn đến được flipflop đầu tiên để bắt đầu quá trình ghi
dịch thì phải qua cổng AND 2 ngõ vào này.
+ Clk: chân nhận xung clock. Dữ liệu ở 2 ngõ vào A,B được đưa đến ngõ ra
( đồng thời dữ liệu ở các ngõ ra còn lại dịch phải một bít) đồng bộ với xung đi vào

chân này. Điều này có nghĩa là IC sẽ được thực hiện việc ghi mỗi khi có cạnh lên
xung clock tác động.
+ Clr: chân reset IC, chân này tác động ở mức thấp. khi chân CLR ở mức logic
cao thì IC được phép hoạt động bình thường (ghi dịch), nhưng khi chân này được
đưa xuống mức logic thấp thì IC bị reset ngay lập tức: tất cả các ngõ ra của nó đều
bị kéo xuống mức thấp. việc reset này không đồng bộ với xung clock đưa vào IC,
nghĩa là bất kì trạng thái nào của xung clock đưa vào IC, nghĩa là ở bất kì trạng
thái nào của xung clock( dù đang ở mức logic cao hay thấp hoặc đang chuyển trạng
thái) ta đều thực hiên việc reset IC bằng cách hạ chân clr này xuống mức thấp.

13


+ QA – Qh: các ngõ ra song song của IC. Các ngõ này có thể được lấy ra cùng lúc
hoặc từng ngõ tùy vào yêu cầu người sử dụng.
Chức năng:
+ IC 74164 là một thanh ghi dich 8 bit vào nối tiếp – ra song song (serial- in
Paraller-out) làm việc được ở tần số cao nhờ sử dụng diode Schottky bên trong. Dữ
liệu nối tiếp được nhập vào thông qua cổng AND 2 ngõ vào, việc nhập này đồng
bộ với cạnh xung lên Ck.
+ Chân Clear (clr) tác động không đồng bộ với xung ck, khi chân này tác động thì
thanh ghi dịch sẽ bị xóa, tất cả các ngõ ra của nó sẽ bị kéo xuống mức thấp.

Hình 2.4: Sơ đồ nội của IC 74164
Nguyên tắc hoạt động:
+ Khi có cạnh xung clk lên đầu tiên tác động vào chân clk thì dữ liệu ở ngõ vào
(A,B) sẽ được dịch đến ngõ ra đầu tiên QA, trạng thái logic của tất cả các ngõ ra
khác không thay đổi.
+ khi xung ck thứ 2 tác động thì dữ liệu từ ngõ ra đầu tiên QA sẽ dịch đến ngõ ra
thứ 2 QB, dữ liệu từ ngõ vào được dịch đến ngõ ra đầu tiên, trạng thái logic của tất

cả các ngõ ra khác không thay đổi.
+ cứ như thế cho đến xung thứ 8 tác động thì dữ liệu đầu tiên đã dịch đến ngõ cuối
cùng QH. Dữ liệu từ ngõ vào được dịch đến ngõ ra Q A, dữ liệu từ QA dịch sang QB,
14


…Như vậy dữ liệu đưa vào nối tiếp đã được lấy ra song song ở cả 8 ngõ ra sau 8
xung ck tác động.
+ khi có xung thứ 9 tác động thì dữ liệu từ ngõ vào sẽ được chuyển đến ngõ ra đầu
tiên, trạng thái logic ở các ngõ ra khác sẽ được dịch phải một bit. Trạng thái logic ở
ngõ ra cuối cùng sẽ tự biến mất.
2.2.3. IC 7404:
Cấu tạo và chức năng chân IC 7404:
+ IC7404 là IC chứa 6 cổng NOT logic

Hình 2.5: Sơ đồ chân của IC7404

Hình 2.6: Bảng trạng thái của IC 7404
Đặc điểm:
+ Điện áp cung cấp 7V.
+ Điện áp ra 7V.
15


+ Nhiệt độ hoạt động 0oC - 70oC.

2.2.4. IC 7408:
Cấu tạo và chức năng chân IC 7408:
+ Là IC chứa 4 cổng AND logic

Hình 2.7: Sơ đồ chân của IC7408

Hình 2.8: Bảng trạng thái của IC 7408
Đặc điểm
+ Điện áp cung cấp 7V.
+ Điện áp ra 7V.
+ Nhiệt độ hoạt động 0oC - 70oC.
16


2.2.5. IC 7432:
Cấu tạo và chức năng chân IC 7423:
+ IC 7432 là IC chứa 4 cổng OR logic

Hình 2.9: Sơ đồ chân của IC7432

Hình 2.10: Bảng trạng thái của IC 7432
Đặc điểm
+ Điện áp cung cấp 7V.
+ Điện áp ra 7V.
+ Nhiệt độ hoạt động 0oC - 70oC.

17


2.2.2. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ:
X1
A

R9

R10

R11

10k

10k

10k

Q5

Q2

Q4

2N2926

2N2926

2N2926

K

R4

LED-GREEN

10

X11
A

K
LED-GREEN

V1
J1

A

U2
2
1

9

SRG8

R
8

CONN-H2

U3:C

C1/->
5

8
R

VCC

Q

GND

R2

6

1

A
11

1D

D1
7408

A

U4:C
U3:B
3

8

4

A
+

U4:A
U3:E
11

R7
Q9

3
2

A

D22

10
A

7408

4
6
5

V2

R13
10k

Q12

7408

2N2926

A

R8

V22
A

U5:A
1
3

2N2926

K
LED-YELLOW

10

2

K

LED-GREEN

U4:B

7404

K
X2

2N2926

10

Q1

K
LED-RED

D7

10k

1

K

+

LED-RED

A

R6

R12

74164

D1

C4

D11

10

7408

7404

13

10u

2N2926

10

NE555

10u

Q7

9

11

10k

K
D1

10

10

K
LED-YELLOW

13

7404

12

C3

V11

12

6

R3
TH

10

5

CV

TR

6

3

4

10k

LED-YELLOW

U4:D

-

2

&

7

DC
5

R1

3

-

4

1
2

U1

K

R5

K
LED-YELLOW

R14

D2

10k
A

7432

R

K
LED-RED

D22

10
A

K
LED-RED

18


2.2.3. SƠ ĐỒ MẠCH IN:

19


2.2.4. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG:
Ban đầu khi chưa có xung, tại tất cả các chân đầu ra đều ở mức logic “0”.

Tại chân 13 của IC U2 qua cổng đảo đưa vào chân 1 và 2 của IC U2. Tại chân 1 và
2 sẽ có mức logic “1”, khi có xung kích đưa vào chân số 8 lúc này IC sẽ thực hiện
đếm. Đèn X1 và D2 sẽ sáng, khi đếm đến chân số 13, tại chân 13 có mức logic “1”
nên U2 sẽ lật trạng thái đèn V1 và D2 sáng. Đến chân số 5 V1, D1 tắt đồng thời
D1, X2 sáng. Đến chân 13 thì X2 tắt đồng thời V2 sáng, đến chân số 3 thì V2 tắt,
X1, D2 lại sáng và quá trình đó diễn ra. Lặp đi lặp lại.

20


3. KHỐI NGUỒN:
Nguồn là khối không thể thiếu, cung cấp năng lượng cho mạch

21


2.3. KẾT LUẬN:
2.3.1. Ưu điểm:
Mạch thiết kế gọn nhẹ và dễ sử dụng.
2.3.2. Nhược điểm:
Không khả thi đối với các nút giao thông phức tạp
Mạch còn mang tính sơ sài mang và tính chất mô phỏng.Qua đó em rút ra kinh
nghiệm làm mạch, cũng như áp dụng lý thuyết vào thực hành.
2.4. TÀI LIỆU THAM KHẢO:
+ Giáo trình kỹ thuật Xung – Số (Khoa Điện Tử trường ĐHCN Hà Nội)
+ Giáo trình kỹ thuật mạch điện tử (Khoa Điện Tử trường ĐHCN Hà Nội)
+ Tài liệu từ các trang Web:

www.ebook.edu.vn
www.dientuvietnam.net

22