Đồ án Xung số thiết kế mạch đếm 00-99 dùng ic tích hợp hc192

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

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
KĨ THUẬT XUNG SỐ

Giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thị Thu Hà
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Anh

2018603336

Giáp Hải Bình

2018604533

Nguyễn Trọng Vũ

2018602588

Hà Nội-2021

1


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

----------------------

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
KĨ THUẬT XUNG SỐ

Giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thị Thu Hà
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Anh

2018603336

Giáp Hải Bình

2018604533

Nguyễn Trọng Vũ

2018602588

Hà Nội-2021

2


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. Nguyễn Văn Anh
2. Giáp Hải Bình
3. Nguyễn Trọng Vũ
Lớp: 20202FE6021001

Mã sinh viên: 2018603336
Mã sinh viên: 2018604533
Mã sinh viên: 2018602588
Khoá: 13

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà
Tên đề tài: Thiết kế mạch đếm 100 sản phẩm, sử dụng IC đếm tích hợp, kết
quả 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

3


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

4


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

Hà Nội, ngày tháng

năm 2020

Giáo viên hướng dẫn

5


ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

Hà Nội, ngày tháng

năm 2020

Giáo viên chấm phản biện

6


MỤC LỤC

MỤC LỤC .............................................................................................................7
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................8
DANH MỤC BẢNG..............................................................................................9
LỜI NÓI ĐẦU .....................................................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...........................................................................11
1.1

LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI ........................................................................11

1.2

ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN ...............................................................12

CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ PHỎNG ................................13
2.1

U CẦU CỦA THIẾT BỊ ..........................................................................13

2.2

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ............................................................................13

2.2.1

Sơ đồ khối ......................................................................................13

2.2.2

Khối đếm ........................................................................................14

2.2.3

Mạch giải mã .................................................................................17

2.2.4

Khối hiển thị ..................................................................................19

2.2.5

Khối tạo tín hiệu đếm ....................................................................21

2.2.6

Khối reset.......................................................................................23

2.3

THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN ........................................................................24

2.3.1

Ngun lý hoạt động ......................................................................24

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ............28
3.1

CHẾ TẠO, LẮP RÁP ..................................................................................28

3.2

THỬ NGHIỆM, HIỆU CHỈNH .....................................................................30

KẾT LUẬN ..........................................................................................................33
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................34

7


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Sơ đồ khối ................................................................................................13
Hình 2 Sơ đồ chuân IC CD74HC192E .................................................................14
Hình 3 Chức năng cấc chân của IC IC CD74HC192E .........................................15
Hình 4: Bảng sự thật của IC CD74HC192E .........................................................16
Hình 5: Giản đồ xung của IC IC CD74HC192E ..................................................16
Hình 6: Sơ đồ kết nối chân của mạch giải mã ......................................................17
Hình 7: Bảng sự thật của mạch giải mã ................................................................18
Hình 8: Led 7 thanh ..............................................................................................19
Hình 9: Sơ đồ chân LED 7 thanh Anode chung ...................................................20

Hình 10: Mắt thu hồng ngoại ................................................................................21
Hình 11: LED phát hồng ngoại .............................................................................21
Hình 12: Sơ đồ chân IC 4093 ...............................................................................22
Hình 13 Sơ đồ nguyên lý khối thu phát hồng ngoại .............................................24
Hình 14: Khối đếm ...............................................................................................25
Hình 15: Khối giải mã ..........................................................................................25
Hình 16: Khối hiển thị ..........................................................................................26
Hình 17: Khối reset ...............................................................................................27
Hình 18: Mơ phỏng trên phần mềm Proteus .........................................................28
Hình 19: Thiết kế mạch trên phần mềm Altium ...................................................28
Hình 20: Hình 3D của mạch đểm sản phẩm .........................................................29
Hình 21: Ảnh thử nghiệm có sản phẩm đi qua .....................................................30
Hình 22 Ảnh thử nghiệm khơng có sản phẩm đi qua ...........................................31

8


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Bảng sự thật IC4093 ................................................................................22

9


LỜI NĨI ĐẦU
Trải qua q trình học tập với các môn học Kĩ thuật xung số, và với yêu
cầu của mơn Đồ án mơn học , nhóm sinh viên đã đăng kí đề tài : Thiết kế mạch
đếm sản phẩm dùng IC tích hợp .
Hiện nay , trong các xí nghiệp , đối với cơng việc đóng gói các sản phẩm
thì độ chính xác là cần thiết .Vì vậy , biết chính xác số lượng sản phẩm đóng gói
là một công việc quan trọng. Với mạch đếm sản phẩm và đặt trước số sản phẩm

đóng gói sẽ giúp chu trình tự động hóa hoạt động nhanh chóng và tiện lợi.
Hiện nay trên thị trường có một số sản phẩm Counter do một số nhà phân
phối cung cấp như XC410/10, hay XC22B ,XC200NX,XC1200 ,…… có tích
hợp sensor XC410/XC10B của hãng SELECT .Tuy nhiên , đối với sinh viên có
kiến thức hạn hẹp thì thực hiện mạch đếm sản phẩm dùng IC số là có thể thực
hiện và việc thực hiện mạch cảm biến hồng ngoại là khơng q khó khăn.

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

Lý do lựa chọn đề tài
Việc đếm sản phẩm là công việc quan trọng trong bất cứ dây truyền nào. Nó

cho phép thống kê và kiểm sốt số lượng sản phẩm một cách dễ dàng. Cùng với
sự phát triển của cơng nghệ điện tử, các mơ hình đếm ra đời hỗ trợ đắc lực cho
dây truyền sản xuất, giảm chi phí nhân cơng, quản lý với độ chính xác cao.
IC tiếng anh là integrated circuit hay cịn gọi là chip hay vi mạch điện tử, vi
mạch tích hợp,..là một tập hợp của nhiều các linh kiện bán dẫn và linh kiện thụ
động (như transistor và điện trở). Chúng được kết nối với nhau để thực hiện một
số chức năng xác định, nó được thiết kế, tạo ra để đảm nhiệm một chức năng như
một linh kiện kết hợp.
IC hay mạch tích hợp có vai trị rất quan trọng trong đời sống, nó ứng dụng
vào hầu hết các thiết bị cơng nghệ, Mạch tích hợp (IC) giúp làm giảm kích thước
của mạch đi rất nhiều (cỡ vài micromet), hơn nữa chúng cịn làm độ chính xác
tăng lên. IC cũng là phần tử quan trọng nhất trong mạch logic, điều khiển.
Qua tìm hiểu và được sự đồng ý của giảng viên hướng dẫn Th Nguyễn Thị
Thu Hà nhóm đã lựa chọn đề tài “Thiết kế mạch đếm 100 sản phẩm, sử dụng IC

đếm tích hợp, kết quả hiển thị trên LED 7 thanh” thực hiện đồ án cho môn học Kĩ
thuật xung số với nhu cầu thu thập nhiều thông tin khoa học, công nghệ và ứng
dụng thực tế của IC để phục vụ cho việc học và dạy sau này của mình được tốt
hơn.

11


1.2

Ứng dụng trong thực tiễn

Các ưu điểm sau:
- Cho phép tăng hiệu suất lao động
- Đảm bảo độ chính xác cao
- Tần số đáp ứng của mạch nhanh, cho phép đếm với tần số cao
- Khoảng cách đặt phần phát và phần thu xa nhau cho phép đém những
sản phẩm lớn
- Tổn hao cơng suất bé, mạch có thể sử dụng pin hoặc ác quy
- Khả năng đếm rộng
- Giá thành hạ
- Mạch đơn giản dễ thực hiện
Với việc sử dụng kỹ thuật số khó có thể đáp ứng được việc thay đổi số
đếm, Muốn thya đổi một yêu cầu nào đó của mạch thì buộc lịng phải thay
đổi phần cứng. Do đó mỗi lần phải lắp lại mạch dẫn đến tốn kém về kinh
tế mà nhiều khi yêu cầu đó khơng thực hiện được bằng phương pháp này.
Với sự phát triền mạnh của ngành kỹ thuật số đặc biệt là cho ra đời các họ
vi xử lý và vi điều khiển rất đa chức năng do đó việc dùng kỹ thuật vi xử
lý, kỹ thuật vi điều khiển đã giải quyết những bế tắc và kinh tế hơn mà
phương pháp dùng IC rời kêt nối lại không thực hiện được

12


CHƯƠNG 2: Tính tốn, thiết kế mơ phỏng
2.1

u cầu của thiết bị








2.2

Về phần cứng
IC đếm CD74HC192E
IC giải mã IC 74LS47
IC NAND 4093 và AND 4081
LED 7 thanh dùng trong đề tài là loại Anode chung
Các bo mạch được được thiết kế với phần mềm Altium
LED thu và phát hồng ngoại

Thiết kế phần cứng

2.2.1 Sơ đồ khối

Hình 1: Sơ đồ khối

Khối tạo tín hiệu đếm: Tạo tín hiệu xung lên xuống
Khối đếm: là các FF nhận xung dao động để xử lý đưa ra tín hiệu mã hố
BCD.
Khối giải mã: Giải mã BCD sang mã của LED 7 thanh
Khối hiển thị: Dùng LED 7 thanh để hiển thị

13


2.2.2 Khối đếm
Khối đếm sử dụng IC CD74HC192E
IC này là IC đếm mã BCD không đồng bộ.
Thông số kĩ thuật:
 Điện áp hoạt động: từ 2V đến 6V
 Nhiệt độ hoạt động: từ -550C đến 1250C
Sơ đồ chân:

Hình 2 Sơ đồ chuân IC CD74HC192E

14


Hình 3 Chức năng cấc chân của IC IC CD74HC192E

Chức năng các chân
Chân P0 đến P3: các chân tín hiệu đầu vào đặt trước giá trị (mã BCD)
Chân PL: Cho phép đặt trước giá trị đếm
Mức LOW: cho phép

Mức High: không cho phép
Chân MASTER RESET (MR): Đặt lại giá trị đếm về 0
Chân CLOCK UP (CPU), chân ClOCK DOWN (CPD): các chân đếm
Chân Q0 đến Q3: các chân tín hiệu đầu ra (mã BCD)
Chân Terminal Count up: ở mức LOW một nửa chu kì xung trước khi đếm được
giá trị 0 và trở lại mức HIGH khi đếm được giá trị 0

15


Chân Terminal count down: ở mức LOW một nửa chu kì xung trước khi đếm
được giá trị lớn nhất và trở lại mức HIGH khi đếm được giá trị lớn nhất.
Bảng sự thật:

Hình 4: Bảng sự thật của IC CD74HC192E

Giản đồ xung

Hình 5: Giản đồ xung của IC IC CD74HC192E
16


2.2.3 Mạch giải mã
Khối giải mã sử dụng IC 74LS47 là mạch giải mã BCD ra led 7 thanh
IC tích cực ở mức 1 thì ta sẽ dùng led 7 thanh loại Anot chung
Thông số kĩ thuật
Đầu ra: Chịu được 15V
Sơ đồ kết nối

Hình 6: Sơ đồ kết nối chân của mạch giải mã

Trong đó







A, B, C, D: Đầu vào BCD
𝑅𝐵𝐼: Đầu vào Ripple-Blanking
𝐿𝑇: Đầu vào thử đèn
𝐵𝐼/𝑅𝐵𝑂: Đầu vào Blanking hoặc đầu vào Ripple-Blanking
𝑎 to 𝑔 : Đầu ra
𝐶ℎâ𝑛 𝐺𝑁𝐷
17


 Chân VCC
Nguyên lý hoạt động
Mạch nhận 4-bit BCD, và phụ thuộc vào trạng thái của đầu vào trên, mạch
sẽ giải mã dữ liệu và chuyển sang chỉ số hiển thị cho led 7 thanh. Mức logic đầu
ra tương ứng với điều kiện đầu vào, được thể hiện ở bảng sự thật dưới đây:

Hình 7: Bảng sự thật của mạch giải mã

Đầu ra của IC đã được thiết kế để có thể chịu được điện áp cao tương
ứng với yêu cầu cho led 7 thanh.
LT(Lamp test ) như tên gọi của nó chân 3 này là chân kiểm tra led 7
đoạn,nếu ta cắm chân này xuống mass thì bộ giải mã sẽ sáng cùng lúc với 7

18


đoạn.Chân này chỉ phục vụ để kiểm tra xem có led nào bị hỏng hay không và
trong thực tế không sử dụng nó.
Các chế độ hoạt động
1. Sáng bình thường đủ các trạng thái từ 0 ÷ 9 (thường dùng nhất). Chân
BI/RBO phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao, chân RBI phải bỏ trống hoặc
nối lên mức cao, chân LT phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao.
2. Chân BI/RBO nối xuống mức thấp thì tất các các đoạn của LED đều
không sáng bất chấp trạng thái của các ngõ vào còn lại.
3. Bỏ trạng thái số 0 (khi giá trị BCD tại ngõ vào bằng 0 thì tất cả các đoạn
của LED 7 đoạn đều tắt). Chân RBI ở mức thấp và chân BI/RBO phải bỏ
trống (và nó đóng vai trị là ngõ ra).
4. Chân BI/RBO phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao và chân LT phải nối
xuống mức thấp. Tất cả các thanh của LED 7 đoạn đều sáng, bất chấp các
ngõ vào BCD. Dùng để Kiểm tra các đoạn của LED 7 đoạn (còn sáng hay
đã chết).
2.2.4 Khối hiển thị
Sử dụng LED 7 thanh Anode chung

Hình 8: Led 7 thanh

19


Cấu tạo
Mỗi đèn led 7 đoạn có chân đưa ra khỏi hộp hình vng. Mỗi một chân sẽ
được gán cho một chữ cái từ a đến g tương ứng với mỗi led. Những chân khác

được nối lại với nhau thành một chân chung.
Như vậy bằng cách phân cực thuận (forward biasing) các chân của led theo
một thứ tự cụ thể, một số đoạn sẽ sáng và một số đoạn khác không sáng cho phép
hiển thị ký tự mong muốn. Điều này cho phép chúng ta hiển thị các số thập phân
từ 0 đến 9 trên cùng một led 7 đoạn.
Nguyên lý hoạt động
Loại CA (common anode): Tất cả các chân anode được nối với nhau với
logic là 1. Mỗi phân đoạn được chiếu sáng bằng cách sử dụng điện trở tín hiệu
logic 0 (hay low) vào các cực cathode (từ a đến g) .

Hình 9: Sơ đồ chân LED 7 thanh Anode chung

20


2.2.5 Khối tạo tín hiệu đếm
1. Sử dụng led thu và led phát
Photodiode là một loại diode tiếp giáp P-N có thể chuyển đổi năng lượng ánh
sáng thành dịng điện. Hoạt động của nó là ngược lại với đèn LED.

Hình 10: Mắt thu hồng ngoại

Hình 11: LED phát hồng ngoại

Mỗi diode bán dẫn bị ảnh hưởng bởi các hạt mang điện quang. Đó là lý do
tại sao chúng được đóng gói trong một vật liệu chặn ánh sáng.
Trong photodiode, có một lỗ mở đặc biệt cho phép ánh sáng đi vào phần cảm
biến của nó.
21

Khi ánh sáng (hạt Photon) chiếu vào tiếp giáp P-N, nó sẽ tạo ra cặp lỗ
electron. Những electron và lỗ trống chảy ra như dòng điện. Để tăng hiệu quả, cần
sử dụng thêm một diode tiếp giáp PIN.
Photodiode được sử dụng trong phân cực ngược và chúng có thể được sử
dụng trong pin mặt trời.
2. IC 4093
Cấu tạo bên trong ic số 4093 có bốn cổng logic NAND, mỗi cổng có 2 ngõ
vào và 1 ngõ ra

Hình 12: Sơ đồ chân IC 4093

Input A

Input B

Output Y

0

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

0

Bảng 1: Bảng sự thật IC4093

22


2.2.6 Khối reset
Để tạo ra độ chính xác cho số đếm thì số đếm ban đầu được reset về 0 nhờ mạch
tự Reset thông qua nút nhấn Reset và tụ C. Khi mới cấp điện thì tụ C chưa nạp,
mức áp vào chân MR của IC 1,2 ở mức 1 tác động làm Reset số đếm về 0. Khi tụ
C nạp đầy thì mức áp vào chân MR trở về 0 ngưng tác động, mạch thực hiện đếm.
Reset khi mạch đếm đến 99. Khi mạch đếm đến 99 thì Q0 Q3 và H0 H3 đều
mang giá trị 1, sử dụng IC AND 4081 để thiết đặt điều kiện. Khi mạch đếm đến
99 thì sẽ tự động reset

Hình 13. Khối reset

23

2.3

Thiết kế và tính tốn

2.3.1 Ngun lý hoạt động
Mạch đếm sản phẩm bao gồm các khối nhận biết sản phẩm bằng hồng ngoại,
khối đếm và hiển thị số đếm.
Khối thu phát hồng ngoại sẽ ln có tia hồng ngoại, khi có sản phẩm tia
hồng ngoại bị ngắt làm giảm áp hồng ngoại sẽ kích khối nhận biết so sánh ở khối
hồng ngoại làm xuất hiện xung vuông nảy.
Xung vuông nảy này tác động tới khối đếm, đặt trước đếm lên , và số đếm
được hiển thị trên LED 7 đoạn .
A.Khối thu phát hồng ngoại:

Hình 14 Sơ đồ nguyên lý khối thu phát hồng ngoại

Nhận biết sản phẩm đi qua bằng sóng hồng ngoại. Khi có sản phẩm đi qua thì
sóng hồng ngoại bị ngắt, điện áp ở chân 1,2 ở mức thấp. Bình thường điện áp chân
1, 2 NAND 4093 mang điện áp cao, áp ra chân 3 mang giá trị thấp , khi có sản
phẩm đi qua thì LED thu dẫn nên điện áp chân 1,2 ở mức thấp, áp ra chân 3 ở mức
cao, điều này tạo ra xung nảy cấp cho mạch đếm.
Led 4 thể hiện có sản phẩm đi qua hay khơng. Khi có sản phẩm đi qua led
4 sẽ sáng, nếu không led này sẽ tắt.
24


B. Mạch đếm và hiển thị dùng IC 74HC192 & 7447:
Khối đếm nhận xung đếm từ mạch thu phát hồng ngoại, và chuyển xung đó
thành xung đếm lên cho mạch đếm. Mạch đếm dùng IC 74192 với chân vào Up

được kích mức ca, để thực hiện đếm lên theo mã BCD. Mã BCD tạo được giải mã
qua IC 7447 để giải mã sang LED 7 đoạn Anode chung, hiển thị số đếm thập phân
2 chữ số.

Hình 15: Khối đếm

Hình 16: Khối giải mã

25