Báo cáo tốt nghiệp: Thiết kế mạch chuông tự động

Báo cáo tốt nghiệp

Thiết kế mạch chuông tự động
1
Đề tài:
Thiết kế mạch chuông tự động






I - CáC YÊU CầU:
- Thiết bị phải hiển thị chính xác thời gian, ngày tháng hiện tại, phải tự động biết
được năm nhuận cũng như số ngày trong từng tháng.
- Thiết bị có thể báo giờ theo thời gian đã lập trình sẵn. Có hai chế độ chuông báo
giờ: Trường học và công sở.
+ Chế độ trường học được cài đặt như sau:
Một ngày có hai buổi học (sáng, chiều), mỗi buổi học có sáu tiết, mỗi tiết 45
phút, sau tiết chẵn có ra chơi 10 phút, sau tiết lẻ có ra chơi 5 phút.Yêu cầu chuông
vào giờ kéo dài 10 giây, chuông ra kéo dài 5 giây.
Ta có bảng bố trí các tiết học trong một ngày như sau:


Tiết Bắt đầu Kết thúc Nghỉ
1 6h45’ 7h30’ 5’

2 7h35’ 8h20’ 10’
3 8h30’ 9h15’ 5’
4 9h20’ 10h5’ 10’
5 10h15’ 11h 5’
6 11h5’ 11h50’ Nghỉ
7 12h15’ 13h 5’
8 13h5’ 13h50’ 10’
9 14h 14h45’ 5’
10 14h50’ 15h35’ 10’
11 15h45’ 16h30’ 5’
12 16h35’ 17h20’ Nghỉ

+Chế độ công sở được cài đặt như sau:
Một ngày có hai buổi làm sáng và chiều. Giờ cụ thể như sau:

Buổi Bắt đầu Kết thúc
Sáng 7h30’ 11h30
Chiều 1h 5h

II- Cơ sở lý thuyết để thực hiện

1- Sơ đồ khối của hệ thống


2


.

Chức năng của từng khối như sau:
* Khối nguồn: cung cấp năng lượng hoạt động cho các khối.
* Khối đồng hồ: là đồng hồ thời gian thực, cung cấp thời gian trong một ngày(24
giờ).
* Khối chuyển đổi chế độ: làm nhiệm vụ chuyển giữa hai chế độ: chế độ trường
học và chế độ công sở.
* Khối điều khiển báo chuông: là 1 otomat có nhớ, ở chế độ trường học khối sẽ
nhớ 24 thời điểm cần báo chuông còn ở chế độ công sở là 4 thời điểm. Khối này lấy
tín hiệu thời gian từ khối đồng hồ, khi đến đúng thời điểm cần báo chuông nó sẽ
phát tín hiệu xung ra đến khối khuyếch đại âm tần.
* Khối khuyếch đại âm tần: Có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu nhận được từ khối
điều khiển chuông. Ví dụ như ở chế độ trường học, tín hiệu báo hiệu vào giờ sẽ
được khuyếch đại kéo dài trong 10s còn tín hiệu ra chơi sẽ kéo dài trong 5s.
* Khối chuông: Nhận tín hiệu từ khối khuyếch đại âm tần và phát ra chuông có độ
dài đúng bằng tín hiệu xung nhận được.


2- Phân tích các khối

a- Khối chuyển chế độ

Khối điều khiển sử dụng một chuyển mạch (công tắc) gồm 2 trạng thái để đáp ứng
yêu cầu thực hiện công việc.

Khối nguồn
Khối tạo xung
Khối đồng hồ
Khối điều khiển
độ dài chuông
Điều khiển
báo chuông
Chuông
a
Khối chuyển
đổi chế độ
3


Chuyển mạch gồm 2 trạng thái: 1 và 2. Khi chuông báo phục vụ cho trường học thì
chuyển mạch ở trạng thái 1, còn khi dùng trong công sở thì chuyển mạch ở trạng
thái 2. Việc chuyển đổi giữa các trạng thái được thực hiện bằng một cần gạt hay
công tắc.
Công tắc ở trạng thái 1
E
1
= L; E
2
= H
Khi d
ùng trong công sở (trạng thái 2)
E
1
= H; E
2

= L


b- Khối tạo xung
Để tạo được dãy xung clock ta dùng vi mạch định thời 555 (Timer 555). Timer
555 là một vi mạch định thời rất thông dụng. Nó có thể sử dụng theo nhiều chức
năng: làm mạch đa hài đơn ổn hoặc đa hài phiếm định, để tạo một xung đơn hay
một dãy xung vuông góc lặp lại, hoặc một dãy xung tam giác. Thời gian định thời
có thể thay đổi từ vài às đến vài trăm giây (s) nhờ một mạch RC đơn giản, với độ
chính xác điển hình là ±1%.

Khái niệm về mạch định thời 555:
Có 2 loại mạch định thời thông dụng nhất là Timer 555 chế tạo theo công nghệ
transistor lưỡng cực (BJT) và Timer 7555 chế tạo theo công nghệ CMOS. Điện áp
cung cấp cho IC 555 là 5 ÷ 15V, cho IC 7555 là 2 ÷ 18V. Công suất tiêu thụ và
dòng cung cấp cho IC 7555 cũng nhỏ hơn nhiều so với ở IC 555. Với nguồn +15V,
IC 555 yêu cầu dòng cung cấp cỡ 10mA. Dòng đầu ra cực đại củ
a IC 555 có thể đạt
tới 200mA ( ở IC 7555 chỉ bằng khoảng 1/2 ).

Sơ đồ khối chức năng và vỏ của IC 55





E1
E2
1
2

1
2
+V
V1
10V
S4
S3
4













7
3
1
2
4
6
5
8
U4

IDEAL
U3
IDEAL
Q1
NPN
S
R Q
_
Q
U2
U1A
R3
1k
R2
1k
R1
1k
1
2
3
4
8
7
6
5
Gnd
Trg
Out
Rst Ctl
Thr

Dis
Vcc
U1
555
5
Hai hình trên tương ứng là sơ đồ khối chức năng vả vỏ kiểu hai hàng
chân song song của IC 555. ở đây ta chỉ xét vai trò của tám chân (1 ÷ 8)
trên vỏ IC ở hình 2: Chân số 8 để đặt nguồn cung cấp U
cc
= 5 ÷ 15V.
Chân số 1 là chân nối “mát”. Chân số 2 là đầu vào kích khởi (trigger),
dùng để dặt xung kích thích bên ngoài khi mạch làm việc ở chế độ đa
hài đơn ổn. Chân số 3 là đầu ra của IC. Chân số 4 là chân xoá (Reset);
nó có thể điều khiển xoá điện áp đầu ra khi điện áp đặt vào chân này từ
0,7 V trở xuống. Vì vậy, để có thể phát ra xung ở đầu ra, chân số 4 phải
đặt ở mức cao H. Chân số 5 là chân điện áp điề
u khiển (Control
Voltage). Ta có thể đưa một điện áp ngoài vào chân này để làm thay
đổi việc định thời của mạch, nghĩa là làm thay đổi tần số xung phát ra.
Khi không được sử dụng thì chân số 5 nối xuống “mát” thông qua 1 tụ
khoảng 0,01àF. Chân số 6 là chân điện áp ngưỡng (Threshold). Chân 7
là chân phóng điện (Discharge).
Để tạo được dãy xung vuông thì IC 555 phảI làm việc như một mạch
dao động đa hài phiếm định. Chân ra số 3 sẽ phát ra một dãy xung
vuông lặ
p lại.

+V
V2
10V
C4
1uF
C3
1uF
R4
1k
R3
1k
D1
DIODE
Gnd
Trg
Out
Rst Ctl
Thr
Dis
Vcc
U2
555
C2
1uF
C1

1uF
+V
V1
10V
Gnd
Trg
Out
Rst Ctl
Thr
Dis
Vcc
U1
555
R2
1k
R1
1k
Hình a Hình b
6
Từ hình vẽ a) ta thấy: Thời gian tồn tại xung t
1
(độ rộng xung) phụ
thuộc tốc độ nạp của tụ C từ nguồn cung cấp, nghĩa là tỉ lệ với hằng số
thời gian nạp
τ
n
= (R
1
+ R
2

)C, ta có :
t
1
= (R
1
+ R
2
)Cln2 ≈ 0,7( R
1
+ R
2
)C (1)
Thời gian không có xung t
2
(thời gian nghỉ) phụ thuộc sự phóng đIện
của tụ C qua chân phóng điện số 7, nghĩa là tỉ lệ với hằng số thời gian
phóng
τ
p
= R
2
C và:
t
2
= R
2
Cln2 ≈ 0,7R
2
C (2)
Vậy, tần số của dãy xung ở đầu ra:

f = 1/T = 1/(t
1
+t
2
) ≈ 1,44/(R
1
+2R
2
)C
Muốn nhận được dãy xung vuông góc đối xứng, nghĩa là t
1
= t
2
=T/2
ta có thể làm theo 2 cách sau:
+ Chọn R
1
ô R
2
. Lúc đó, theo (1) và (2) có thể coi t
1
≈ t
2
= 0,7R
2
C.
Tuy hiên không thể chọn R
1
quá nhỏ được, ví dụ R
1

= 100Ω, vì khi đó
dòng đi từ nguồn +U
cc
vào chân 7 khi transistor T dẫn là +U
cc
/R
1
sẽ quá
lớn, phá hỏng transistor.
+ Sử dụng thêm 1 diode mắc song song với R
2
( hình b )và chọn R
1
=
R
2
=R. ở hình vẽ, đường nạp cho tụ C từ nguồn +U
cc
có đi qua diode;
điện trở R nối song song với diode khi đó coi như bị ngắn mạch và
hằng số thời gian của mạch nạp τ
n
=τ
p
nên t
1
= t
2
≈ 0,7RC
Dãy xung ở đầu ra là đối xứng, với tần số

f = 1/T = 1/(t
1
+t
2
) = 1/1,4RC
Do yêu cầu mạch chuông báo giờ học phải chính xác, sai số chỉ cho
phép khoảng 5 giây trong toàn bộ buổi học khoảng 5 giờ, do đó việc
thiết kế mạch đồng hồ cần có độ chính xác cao.
Khi cần dãy xung vuông góc với độ chính xác tần số rất cao, tần số
dãy xung cũng cao ( thường là 1MHz ÷ 10 MHz), người ta hay dùng
mạch phát xung thạch anh. ở đây, tinh thể thạch anh áp điện được sử
dụng như mạ
ch cộng hưởng cơ điện với độ chính xác rất cao.



7





Hình a) dùng 2 phần tử đảo họ TTL của IC 74LS04 để tạo thành
mạch phát xung thạch anh có tần số ở trong dải từ vài trăm kHz đến
10MHz. Tinh thể thạch anh loại hoạt động kiểu nối tiếp. Tụ C khoảng
vài nF và phải chỉnh định theo tần số của dãy xung ra.
Hình b) dùng hai phần tử đảo của vi mạch họ CMOS ( IC 4049B )
để họp thành với tinh thể thạch anh hoạt động kiể
u song song, tạo thành
mạch phát dãy xung vuông góc với tần số cỡ MHz.

c- Khối đồng hồ
ở đây ta thiết kế 1 đồng hồ báo thức 24 giờ. Do đó ta cần có:
- 1 bộ đếm 24.
- 2 bộ đếm 60
Để thiết kế bộ đếm 24 ta nối ghép bộ đếm 3 và bộ đếm 10. Sau đó sử
dụng các mạch logic để khử 6 trạng thái thừa.
Để thiết kế bộ đếm 60 ta nối ghép bộ đếm 6 và bộ đếm 10.
Cụ thể như sau:
XTAL2
1.000MHZ
XTAL1
1.000MHZ
C1
1uF
C2
1uF
U1D
U1C
U1B
U1A
R3
1k
R2

1k
R1
1k
Hình a


Hình b
8

* Thiết kế bộ đếm 3:

Dùng đồ hình Mealy để biểu diễn hệ thống
X ={0, 1}
S ={0, 1, 2}
Bảng hoạt động:

x
S(t)
S(t+1)
0 1
0 0 1
1 1 2
2 2 0

Rút gọn: bài toán đã ở dạng otomat min
Mã hoá : P
max
=3 ⇒ số bít dùng: m=2
Dùng 2 bit để mã hóa hệ thống
Dùng JK–FF để thực hiện

Gọi s(t): y
1
y
0
s(t+1): Y
1
Y
0

J
0
K
0
: y
0
→

Y
0

J
1
K
1
: y
1
→ Y1

Dùng mã BCD để mã hoá hệ thống : 0: 00 1: 01 2: 11

Ta có bảng mã hoá hệ thống sau:






x
y
1
y
0

Y
1
Y
0

0 1
00 00 01
01 01 11
11 11 00
10 -- --

Bảng kích JK:

9
y Y JK
0 0 0 -

0 1 1 -
1 0 - 1
1 1 - 0







Bảng kích hệ thống:

x
y
1
y
0

0 1
J
1
K
1
J
0
K
0
J
1
K

1
J
0
K
0

00 0 - 0 - 0 - 1 -
01 0 - - 0 1 - - 1
11 - 0 - 0 - 1 - 1
10 - - - - - - - -


Lập hệ phương trình kích:












J
1

x
y

1
y
0

0 1
00
10
01
1
11
− −
10
− −
J
1
= y
0
x

K
1



x
y
1
y
0

0 1
00

− −
01

− −
11

1
10

− −
K
1
= x













J

0

x
y
1
y
0

0 1
00


1
01
− −
11

11

− −
10

− −
J
0
= x

K
0

x
y
1
y
0

0 1
00

− −
01

1
11

1
10

− −
K
0
= x

Sơ đồ bộ đếm cơ số 3:




*Thiết kế bộ đếm 5

Dựng mụ hỡnh Moore
X = {0,1}
S = {0,1,2,3,4}


x
S(t+1)
S
J
CP
K
R
Q
_
Q
S
J
CP
K
R
Q
_
QCP1
CP2
Q1
Q2
V2

12

s(t+1)
0 1
0 0 1
1 1 2
2 2 3
3 3 4
4 4 0

∏ = {0,1,2,3,4} là phõn hoạch thế tương đương
⇒ hệ thống cú otomat min
Mó hoỏ:
P
max
= 5 ⇒ số bớt cần dựng để mó hoỏ là m = 3
Dựng JK-FFđể thực hiện hệ thống
Gọi s(t): y
2
y
1
y
0

S(t+1): Y
2
Y
1
Y
0

J

0
K
0
: y
0
→Y
0

J
1
K
1
: y
1
→Y
1

J
2
K
2
: y
2
→Y
2

Dựng mó BCD để mó hoỏ hệ thống
Ta cú bảng mó hoỏ hệ thống sau:
x
y

2
y
1
y
0

Y
2
Y
1
Y
0

0 1
000 000 001
001 001 010
010 010 011
011 011 100
100 100 101
101 - - - - - -
110 - - - - - -
111 - - - - - -

Bảng kớch JK



y Y JK
0 0 0-
0 1 1-

1 0 -1
1 1 -0

Bảng kớch hệ thống



13

x

y
2
y
1
y
0

0 1
J
2
K
2
J
1
K
1
J
0
K

0
J
2
K
2
J
1
K
1
J
0
K
0

000
0 − 0 − 0
− 0 − 0 − 1 −
001
0 − 0 −
− 0 0 − 1 − − 1
010
0 − − 0 0 − 0 − − 0 1 −
011
0 − − 0
− 0 1 − − 1 − 1
100
− 0 0 − 0 − − 0 0 − 1 −
101
− − − − − − − − − − − −
110

− − − − − − − − − − − −
111
− − − − − − − − − − − −

Phương trỡnh kớch hệ thống:
J
2
= xy
1
y
0

J
1
= xy
0

J
0
= x
K
2
= 0
K
1
= xy
0

K
0

=⎯y
2
x








K
2

y
0
x

y
2
y
1

00 01 11 10
00
− − − −
01
− − − −
11
− − − −

10 0 0
− −

14






J
2

y
0
x

y
2
y
1

00 01 11 10
00


01
1

11

−

−

−

−
10
−

−

−

−






K
1

y
0
x

y
2

y
1

00 01 11 10
00
−

−

−

−
01
1

11
−

−
−

−
10
−

−
−

−

15


J
1

y
0
x

y
2
y
1

00 01 11 10
00
1

01
−

−

−

−

11
−

−

−

−
10
−

−






K
0

y
0
x

y
2
y
1

00 01 11 10
00
−

−

1

0
01
−

−

1

0
11
−

−

10
−

−

16




J
0

y
0
x

y
2
y
1

00 01 11 10
00
1

−

−
01

−

−

−
11
−

−

−

−
10
1

−

−




Sơ đồ bộ đếm 5:

S
J
CP
K
R
Q
_
Q
S
J
CP
K
R
Q
_
Q
S
J
CP
K
R
Q
_
Q
CP1
CP2
Q1
Q2

V1
17




* Thiết kế bộ đếm 2
Bộ đếm 2 gồm có 2 trạng thái :( 0 1 ) do đó cần số triger là:N=log
2
2,hay N=1
Dùng 1 con Triger ta có thể mã hoá 2 trạng thái .



Bảng mã hoá hệ thống




y X
Y
0 1
0 0 1
1 1 0


Bảng kích JK

y Y JK
0 0 0-

0 1 1-
1 0 -1
1 1 -0


Bảng kích hệ thống
x
y

0 1
J K J K
0 0 - 1 -
1 - 0 - 1

Hệ phương trình kích
J = x
K = x



Sơ đồ thực hiện

18


*Thiết kế bộ đếm 6

Dùng đồ hình Mealy để biểu diễn hệ thống
X = {0,1}
S = {0,1,2,3,4,5}

Ta có bảng hoạt động

x
S(t)
S(t+1)
0 1
0 0 1
1 1 2
2 2 3
3 3 4
4 4 5
5 5 0

Bộ đếm 6 không rút gọn được, bộ đếm là otomat min.
Ta có:
P
max
= 6 ⇒ số bít cần m = 3
⇒ dùng 3 bít để mã hoá hệ thống ⇒ dùng JK- FF để thực hiện
Gọi s(t): y
2
y
1
y
0

s(t+1): Y
2
Y
1

Y
0

J
2
K
2
: y
2
→ Y
2

J
1
K
1
: y
1
→ Y
1

J
0
K
0
: y
0
→ Y
0

- Dùng mã nhị phân
s
0
: 000 s
2
: 010 s
4
: 100
s
1
: 001 s
3
: 011 s
5
: 101
Bảng mã hoá hệ thống:




x
y
2
y
1
y
0

Y
2

Y
1
Y
0

0 1
CP1
CP2
Q1
Q2
V3
S
J
CP
K
R
Q
_
Q
19
000 000 001
001 001 010
010 010 011
011 011 100
100 100 101
101 101 000
110 - - - - - -
111 - - - - - -

Bảng kích JK

y →Y
JK
0 → 0
0 -
0 → 1
1 -
1 → 0
- 1
1 → 1
- 0

Bảng kích hệ thống:
x
y
2
y
1
y
0

0 1
J
2
K
2
J
1
K
1

J
0
K
0
J
2
K
2
J
1
K
1
J
0
K
0

000 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 1 -
001 0 - 0 - - 0 0 - 1 - - 1
010 0 - - 0 0 - 0 - - 0 1 -
011 0 - - 0 - 0 1 - - 1 - 1
100 - 0 0 - 0 - - 0 0 - 1 -
101 - 0 0 - - 0 - 1 0 - - 1
110 - - - - - - - - - - - -
111 - - - - - - - - - - - -

Hệ phương trình kích:

20




J
2
K
2

J
1
K
1

J
0
K
0
y
1
y
0
xy
2

00

01

11

10
00


01

− − − −
11

− − − −
10

1
y
1
y
0
xy
2

00

01

11

10
00

− − − −
01


− −
11


1

−

−
10

− − − −
y
1
y
0
xy
2

00

01

11

10
00

− −

01

− − − −
11

− − − −
10

− −
1
y
1
y
0
xy
2

00

01

11

10
00


− −
01


− −
11

− −
10


1

−

−
21













Ta có các hệ hàm như sau:
J
2
=xy
1
y
0

=K
2
y
1
J
1
=x⎯y
2
y
0
= K
2
⎯y
2

J
0
=x
K
2
=y
0
x
K
1
=y
0
x
K
0

= x

Sơ đồ thực hiện:



*Thiết kế giải mã bộ đếm 6:

Từ yêu cầu ta có bảng hoạt động:


S
J
CP
K
R
Q
_
Q
S
J
CP
K
R
Q
_
Q
S
J
CP

K
R
Q
_
Q
CP1
CP2
Q1
Q2
V4
y
1
y
0
xy
2

00

01

11

10
00


− −

01

− − −
11


1

−

−

−
10

1
− −
1
y
1
y
0
xy
2

00

01

11

10
00

−

−
01

−

− −

11


−

1

−

−
10

−
1 1
−
22
Đầu vào Đầu ra

Y
2
Y
1
Y
0

a b c d e f g
0 0 0 1 1 1 1 1 1 0
0 0 1 0 1 1 0 0 0 0
0 1 0 1 1 0 1 1 0 1
0 1 1 1 1 1 1 0 0 1
1 0 0 0 1 1 0 0 1 1
1 0 1 1 0 1 1 0 1 1
1 1 0
− − − − − − −
1 1 1
− − − − − − −









a b

c d
Y
1
Y
0


Y
2

00
01 11 10
0
1

1

1

1 1 1

− −

Y
1
Y
0


Y
2

00
01 11 10
0

1



1


1
1 1
− −
Y
1
Y
0

Y
2

00
01 11 10
0





1


1


1


1
1


1
− −
Y
1
Y

0


Y
2

00
01 11 10
0
1

1

1

1
1

−

−
23







e g

Y
1
Y
0


Y
2

00
01 11 10
0
1

1
1
−

−


f
Y
1
Y
0

Y
2

00 01 11 10
0


1

1


1

1

−

−






a=⎯Y
0
+Y
1
b= Y
0
+⎯Y
2

c= Y
1
+Y
0
d= Y
1
+Y
2
.⎯Y
0
+Y
2
.Y
0
e=⎯Y
2
.⎯Y
0
f= Y
2
+⎯Y
1
.⎯Y
0
g= Y
2
+Y
1

Y
1
Y
0


Y
2

00
01 11 10
0
1

1
1
1

1

−

−
24


Sơ đồ thực hiện hệ thống

* Thiết kế giải mã bộ đếm 10


Bảng hoạt động:

đầu vào đầu ra
y
3
y
2
y
1
y
0
a b c d e f g
0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0
0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0
0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1
0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1
0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1
g
f
e
d
c

b
a
y0y1y2