Báo cáo đồ án mạch đếm sản phẩm thu phát hồng ngoại

BẢNG THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Họ và tên: Trần Trung Hiếu
Lớp: 55K-ĐTTT
Tên đồ án: Mạch đếm sản phẩm sử dụng thu phát hồng ngoại
Lần

Thời gian

Nội dung

Nhận xét

1

Phân nhóm và giới thiệu
đề tài

2

Giao đề tài cho các
nhóm thực hiện

3

Thông qua cơ sở lý
thuyết và chỉnh sửa báo
cáo

4

Hướng dẫn thiết kế và

thi công đề tài

5

Kết luận, đánh giá mức
độ hoàn thành đề tài

Chữ ký của
GVHD

Nhận xét chung:
…………………………………………………………...................................................
..........................................................................................................................................
...................................................................................
Vinh, ngày

tháng

năm 2017

Giảng viên hướng dẫn


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số đã trở nên quen thuộc với nhiều người. Sự phát
triển của nó đã ảnh hưởng đến ngành kinh tế của đất nước và toàn cầu. Nhờ có những
ưu điểm về tốc độ xử lý, độ tin cậy cao trong truyền dẫn, sự đa thích nghi của phần
mềm điều khiển khác nhau nên các thiết bị kỹ thuật số đang được khai thác sử dụng
mạnh mẽ.
Một trong những ứng dụng rất phổ biến của kỹ thuật số hiện nay tại các nhà

máy, xí nghiệp là việc đếm số lượng sản phẩm. Từ xa xưa việc đếm sản phẩm được
thực hiện một cách thủ công bằng chính con người với hiệu quả không cao và độ tin
cậy thấp.
Để giải quyết vấn đề này, người ta đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo các bộ đếm
sản phẩm tự động sử dụng kỹ thuật số. Với hệ thống này, hiệu suất đếm nhanh với độ
tin cậy cao và tốn ít tiền cho nhân công.
Với mong muốn ứng dụng các kiến thức đã được học về điện tử số và các nội
dung kiến thức khác, em đã lựa chọn đề tài “Mạch đếm sản phẩm sử dụng thu phát
hồng ngoại” nhằm tìm hiểu rõ hơn về hệ thống này, cũng như kiểm chứng các kiến
thức lý thuyết đã được học. Mạch đếm là hệ thống đếm đơn giản, sử dụng tia hồng
ngoại nhưng có thể đếm ở tốc độ cao, khả năng tin cậy chấp nhận được.
Mặc dù đã cố gắng để hoàn thành đồ án, nhưng chắc chắn không tránh khỏi
những sau sót. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy, cô và các bạn để
đề tài được hoàn thiện hơn.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Giới thiệu chung về mạch…………………………………………3
1.2. Sơ đồ khối và thiết kế các khối mạch……………………………..
1.2.1. Sơ đồ khối và chức năng của các khối…………………………..
1.2.2. Thiết kế các khối chức năng của mạch………………………….
a. Khối tạo xung và cấp nguồn………………………………………….
b. Khối mô phỏng…………………………………………………….
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ KHẢO SÁT MẠCH
2.1. Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt động của mạch
2.1.1. Sơ đồ nguyên lý
2.1.2. Nguyên tắc hoạt động của mạch
2.2. Mô phỏng hoạt động của mạch
2.3. Thi công và khảo sát mạch

2.3.1. Thiết kế sơ đồ mạch in
2.3.2. Dụng cụ và vật tư tiêu hao
2.3.3. Khảo sát hoạt động của mạch
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Giới thiệu chung về mạch
Hiện nay là thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, các nhà máy xí nghiệp sản xuất sản
phẩm của mình trên các băng chuyền hiện đại, sản phẩm xuất ra rất nhanh và nhiều vì
vậy việc đếm xem có bao nhiêu sản phẩm đã hoàn tất xuất ra từ băng chuyền cuối
cùng thì người công nhân khó có thể thực hiện chính xác được. Vì vậy mạch đếm sản
phẩm sẽ giúp ta kiểm soát được sản lượng cho ra tại mỗi băng chuyền. Mục đích của
mạch đếm sản phẩm là giúp cho nhà máy đếm được số lượng sản phẩm của máy tạo ra
một cách đơn giản, chính xác mà không tốn nhiều công sức lao động của công nhân.
Yêu cầu của mạch đếm sản phẩm là phải chạy một cách chính xác, ổn định, gọn nhẹ,
dễ lắp đặt, dễ sửa chữa và rẻ tiền.
1.2. Sơ đồ khối và thiết kế các khối mạch
1.2.1. Sơ đồ khối và chức năng của các khối
Khối
tạo tín
hiệu

Khối
đếm

Khối
giải
mã

Khối nguồn
Hình 1.1 Sơ đồ khối toàn mạch
- Khối nguồn: Cấp nguồn cho các khối
- Khối tạo tín hiệu: Tạo xung tín hiệu
- Khối đếm: Đếm giá trị

Khối
hiển
thị


- Khối giải mã: Giải mã giá trị đưa đến khối hiển thị
-Khối hiển thị: Hiển thị kết quả
1.2.2. Thiết kế các khối chức năng của mạch
a. Khối tạo xung và cấp nguồn

Hình 1.2 Khối tạo xung và cấp nguồn

- IC 7414

Hình 1.3 Sơ đồ chân của IC 7414


IC 7414 có chức năng đảo giá trị vào.
Chân 7 nối mass và chân 14 nối với Vcc.
7414 là IC được sử dụng rộng vào nhiều mục đích như: Tạo xung vuông, đảo
trạng thái xung ….
Schmitt-Trggers inverters có nghĩa là IC 7414 có thể biến một xung không vuông
thành một xung vuông.

b. Khối mô phỏng

Hình 1.4 Khối mô phỏng


- IC đếm BCD 74LS192
Cấu tạo bên trong

Hình 1.5 Cấu tạo bên trong IC 74LS192
Sơ đồ chân và chức năng

Hình 1.6 Sơ đồ chân IC
P0, P1, P2, P3 (15, 1, 10, 9): Các đầu vào đặt trước dữ liệu.
Q0, Q1, Q2, Q3(3, 2, 6, 7): Các đầu ra nhị phân của bộ đếm BCD.
PL(11): Đầu vào cho phép đặt dữ liệu ở mức tích cực thấp.


MR (14): Đầu vào xóa dữ liệu ở đầu ra về 0000, hoạt động ở mức tích cực
cao.
CPU, CPD (4, 5): Đầu vào cho phép đếm thuận, đếm nghịch.
TCU, TCD (12, 13): Tín hiệu ra của bộ đếm khi đếm thuận, đếm nghịch.
GND (8): Nối mass.
VCC (16): Nối nguồn cấp dòng và áp.
- IC giải mã 74LS47
Đây là IC giải mã dành riêng cho LED 7 đoạn Anode chung vì nó có các ngõ ra
cực thu để hở và khả năng nhận dòng đủ lớn.

Hình 1.6 Cấu trúc bên trong IC

Hình 1.7 Sơ đồ chân IC
Chức năng các chân:
A, B, C, D: Các ngõ vào mã BCD
RBI: Ngõ vào xóa gợn sóng
LT: Ngõ thử đèn
BI/RBO: Ngõ vào xóa
a, b, c, d, e, g: Các ngõ ra (cực thu để hở)
- Led 7 đoạn

Hình 1.8 Biểu diễn các led trong led 7 đoạn
GND, VCC là các chân cấp nguồn chung.
Các chân a, b, c, d, e, g, dp là các chân cấp nguồn cho các thanh tương ứng a, b, c,
d, e, g, dp.


- Trong led 7 đoạn, thì mỗi đoạn là một điốt phát quang và khi có dòng điện đi qua
đủ lớn (5 ÷ 30 mA) thì đoạn LED sẽ sáng. Ngoài 7 đoạn sáng chính, mỗi con led còn
có thêm một điốt để hiển thị dấu phân số khi cần thiết. LED có hai loại chính: LED
Anot chung và LED Katot chung nên logic của 2 loại LED này là ngược nhau.
Để có tín hiệu vào Led 7 đoạn thì ta phải có mạch giải mã từ mã BCD 8421
sang led 7 đoạn.
Tín hiệu đầu vào a, b, c, d, e, f, g để kích thích cho Led sáng tương ứng hiển thị
7 đoạn. Với Led Anot chung thì tín hiệu đầu vào phải ở mức logic thấp thì Led mới
sáng.
Bảng 1.1 Bảng chức năng của led 7 đoạn
Số hiển

A

B

C

D

E

F

G

L

L

L

L

L

L

H

0

H

L

L

H

H

H

H

1

L

L

H

L

L

H

L

2

L

L

L

L

H

H

L

3

H

L

L

H

H

L

L

4

L

H

L

L

H

L

L

5

L

H

L

L

L

H

L

6

L

L

L

H

H

L

H

7

L

L

L

L

L

L

L

8

L

L

L

L

H

L

L

9

thị


- Tính toán lựa chọn linh kiện.
Led phát-thu có 2 loại 2 chân và 3 chân. Trong đề tài này em chọn Led loại 2 chân
vè giá thành rẻ, hiệu quả cao và dễ sử dụng. Led phát màu trắng, led thu màu đen.
Dòng qua led phát dao động trong khoảng 10mA, sụt áp là khoảng 2V.

 Dùng trở R=220 Ohm để hạn dòng giúp cho led hoạt động tốt.
Các tụ C1 và C3 có chức năng lọc nhiễu và giữ điện áp chuẩn được ổn định.
Để thay đổi độ nhạy cho tín hiệu ra, ta cần thay đổi độ rộng xung ra:

Nguyên lý hoạt động của mạch tạo tín hiệu
Ở trên mạch trên H: mức cao và gần bằng Vcc; L là mức thấp và bằng 0V. Sử
dụng FF – RS
Khi S = [1] thì Q = [1] và = Q- = [ 0].
Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và =Q- = [0].
Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0].
Khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì Q-= [1], transisitor mở dẫn,
cực C nối đất. Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá
V2. Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset.
Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra+Rb)C.
* Tụ C nạp từ điện Áp 0V -> VCC/3:
- Lúc này V+1(V+ của Opamp1) > V-1. Do đó O1 (ngõ ra của Opamp1) có mức
logic 1(H).
- V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3). Do đó O2 = 0(L).


- R = 0, S = 1 --> Q = 1, /Q (Q đảo) = 0.
- Q = 1 --> Ngõ ra = 1.
- /Q = 0 --> Transistor hồi tiếp không dẫn.
* Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp VCC/3 -> 2VCC/3:
- Lúc này, V+1 < V-1. Do đó O1 = 0.
- V+2 < V-2. Do đó O2 = 0.
- R = 0, S = 0 --> Q, /Q sẽ giứ trạng thái trước đó (Q=1, /Q=0).
* Tụ C nạp qua ngưỡng 2VCC/3:
- Lúc này, V+1 < V-1. Do đó O1 = 0.
- V+2 > V-2. Do đó O2 = 1.

- R = 1, S = 0 --> Q=0, /Q = 1.
- Q = 0 --> Ngõ ra đảo trạng thái = 0.
- /Q = 1 --> Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V
- Tụ C xả qua Rb. Với thời hằng Rb.C
- Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C
nhảy xuống dưới 2Vcc/3.
* Tụ C tiếp tục "XẢ" từ điện áp 2Vcc/3 --> Vcc/3:
- Lúc này, V+1 < V-1. Do đó O1 = 0.
- V+2 < V-2. Do đó O2 = 0.
- R = 0, S = 0 --> Q, /Q sẽ giứ trạng thái trước đó (Q=0, /Q=1).
- Transistor vẫn dẫn
* Tụ C xả qua ngưỡng Vcc/3:
- Lúc này V+1 > V-1. Do đó O1 = 1.
- V+2 < V-2 (V-2 = 2VCC/3). Do đó O2 = 0.


- R = 0, S = 1 --> Q = 1, /Q (Q đảo) = 0.
- Q = 1 --> Ngõ ra = 1.
- /Q = 0 --> Transistor không dẫn -> chân 7 không = 0V nữa và tụ C lại được
nạp điện với điện áp ban đầu là VCC/3.
==>Tóm lại:
- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là VCC/3, và kết thúc nạp ở
thời điểm điện áp trên C bằng 2VCC/3. Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C.
- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2VCC/3, và kết thúc xả ở thời
điểm điện áp trên C bằng VCC/3. Xả điện với thời hằng là Rb.C.
- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện.

- Thiết kế bộ đếm
Xung đếm

Tín hiệu chuyển vị
BỘ ĐẾM

Vì 2n ≥ N = 10
Vậy n = 4, chọn Trigger JK
Xây dựng đồ hình trạng thái:
Bộ đếm có 10 trạng thái.

Xây dựng bìa Karnaugh để tối thiểu hóa để tìm ra phương trình kích và phương
trình ra như sau:


Bảng 1(Q3n+1)

Bảng 2 (Q2n+1)

Bảng 3(Q1n+1)


Bảng 4(Q0n+1):

Phương trình đặc trưng của Trigger JK:
Đồng nhất các hệ số của phương trình trạng thái của Trigger được sử dụng trong
bộ đếm và phương trình của Trigger JK ta tìm được phương trình đầu vào điều khiển
của các Trigger được sử dụng trong bộ đếm:
J 0 = K0 = 1
J1 = Q3nQ0n

K1 = Q0n

J2 = K2 = Q1nQ0n
J3 = Q2nQ1nQ0n

K3 = Q0n


-Vậy nên em lựa chọn IC đếm đồng bộ 74192 là bộ đếm nhị phân chia 10 mã hóa
ra BCD.
- Khối giải mã và hiển thị
Bảng 1.2. Bảng trạng thái của bộ giải mã
D

B

C

A

A

B

c

d

e

f

g

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

1

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

0

1

0

0

1

1

0

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

- IC 74LS47: Nó nhận tín hiệu từ ngõ vào QA, QB, QC, QD của IC 74LS192 để
giải mã ra led 7 đoạn.
Khối hiển thị:
- Chúng ta sử dụng loại led 7 đoạn Anode chung vì đầu ra của IC 74LS47 ở
mức thấp.
- Dòng để led 7 đoạn hoạt động tốt là 20mA.
- Vậy ta lựa chọn trở hạn dòng cho led R=220 Ohm


Hình 1.9. Khối hiển thị


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ KHẢO SÁT MẠCH
2.1. Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt động của mạch
2.1.1. Sơ đồ nguyên lý mạch

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch đếm sản phẩm
2.1.2. Nguyên tắc hoạt động của mạch

Khi có một sản phẩm đi qua giữa led thu và led phát thì led thu nhận được một
xung và cấp vào chân số 13 của IC7414. Lúc này mạch IC7414 ở phần thu nhận được
một xung âm hẹp (do tín hiệu phát ra ở led phát ở mức cao) tác động tức thời ở ngõ
vào làm mạch thay đổi trạng thái và tại ngõ ra chân 12 sẽ có xung dương ra. Lúc này
chân 5 của IC74192 nhận được một xung từ chân 12 của phần thu, tức là có xung kích
cạnh lên lúc đó IC74192 nhận được một xung thì tín hiệu ngõ ra A=1, B=0, C=O,
D=O. Các tín hiệu dạng số này qua IC giải mã 7447 thì hiển thị thành số 1, như vậy
khi có một xung kích hay một sản phẩm đi qua thì led sẽ hiển thị tăng dần lên.


Khi hàng đơn vị đếm được số 9 nếu có thêm một xung nữa thì cờ báo tràn ở
chân 14 ở mức cao đồng thời reset led ở hàng đơn vị từ số 9 về số 0 lúc này nếu có
thêm một xung nữa thì led hàng chục tăng lên một cứ thế nếu hàng đơn vị tăng đến 9
thi hàng chục lại tăng thêm 1 do chân 14 của hàng đơn vị nối với chân 11 của hàng
chục.
2.2. Mô phỏng hoạt động của mạch

Hình 2.2 Mô phỏng hoạt động của mạch
2.3. Thi công và khảo sát mạch
2.3.1. Thiết kế sơ đồ mạch in
Quá trình vẽ mạch in trên phần mềm Proteus.


Hình 2.2 Sơ đồ bố trí linh kiện


Hình 2.3 Hình ảnh 3D của mạch


Hình 2.4 Mạch in

Hình 2.4 Hình ảnh thực tế của mạch đếm (mặt trên)


Hình 2.5 Hình ảnh thực tế của mạch đếm (mặt dưới)
2.3.2. Dụng cụ và vật tư tiêu hao
Dụng cụ, thiết bị
- Nguồn cung cấp một chiều +9V
- Mỏ hàn
Vật tư tiêu hao
Tên vật tư
IC7414

Số lượng
2

Đơn vị
Con


IC74LS192
IC74LS47
IC7805
Điện trở 220
Điện trở 330
Điện trở 10k
Điện trở 1k
Công tắc
Tụ hóa 100u

Tụ hóa 220u
Tụ gốm 100nF
Transistor C828
Thiếc
Dây điện để nối mạch
Điốt Zenner
Led hồng ngoại
Led thường

4
4
2
40
5
5
5
2
5
5
5
5
1
2
2
4
2

Con
Con
Con

Con
Con
Con
Con
Con
Con
Con
Con
Con
Cuộn
Mét
Con
Con
Con

2.3.3. Khảo sát hoạt động của mạch
- Mạch hoạt động ổn định, số đếm chính xác và thay đổi số đếm một cách linh
hoạt. Mạch chỉ đếm được từ 00 đến 99 nên khi đếm đến 99 mà vẫn có tín hiệu đi
qua thì sẽ bị tràn bit và đếm vòng tiếp theo.
- Bộ phận hiển thị rõ ràng.
- Khối đếm và khối giải mã: Chúng tôi quan sát số thay đổi được hiển thị trên led 7
đoạn. Kết quả khối đếm và khối giải mã hoạt động ổn định đúng với lý thuyết.