Thiết kế hệ thống đèn ngã tư giao thông | Báo cáo bài tập lớn môn Điện tử số

lOMoAR cPSD| 41632112
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
________________________
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
Môn : Điện Tử Số
Đề tài : Thiết kế hệ thống đèn ngã tư giao thông
Giảng viên hướng dẫn : Th.s : Trần Thị Thúy Hà
Nhóm sinh viên thực hiện :
Nhóm lí thuyết 01 – Nhóm bài tập 11
1) Nguyễn Ngọc Hưng
2) Nguyễn Văn Hà
3) Nguyễn Đăng Hiếu 4) Trần Thanh Tùng lOMoAR cPSD| 41632112 Hà Nội, 2018 lOMoAR cPSD| 41632112
A. Phân tích bài toán
Tại nút giao ngã tư, ta thấy có 4 hướng di chuyển chính sau :
Trong đó : Hướng 1 và hướng 3 di chuyển độc lập không ảnh
hưởng gì đến nhau, hướng 2 và hướng 4 tương tự như hướng 1 và
hướng 3. Nên ta sẽ cho di chuyển đồng thời cặp hướng (1,3), trong khi
đó cặp hướng (2,4) sẽ dừng lại. Và ngược lại, khi cặp hướng (2,4) di
chuyển thì cặp hướng (1,3) sẽ dừng lại. Khi chuyển tín hiệu từ di
chuyển sang dừng lại sẽ có 1 tín hiệu yêu cầu giảm tốc độ cho hướng đang di chuyển.
B. Ý tưởng thực hiện
Sử dụng bộ đèn báo tín hiệu Đỏ - Vàng – Xanh, bộ hiển thị thời gian
bằng Led 7 đoạn và hệ thống đếm lùi chuyển trạng thái.
• Bộ đèn tín hiệu
Gồm 3 loại đèn Đỏ - Vàng – Xanh. Trong đó :
- Đèn đỏ : Tín hiệu dừng lại
- Đèn vàng : Tín hiệu giảm tốc độ
- Đèn xanh : Tín hiệu di chuyển lOMoAR cPSD| 41632112
• Công thức thời gian :
Time đỏ = Time xanh + Time vàng
Giản đồ thời gian :
• Bộ đếm lùi chuyển trạng thái. - Sử dụng IC
74192 để thực hiện đếm - IC NE555 tạo xung đếm.
C. Sơ đồ khối, cấu tạo và chức năng của từng khối. I. Sơ đồ khối
Chức năng của từng khối
- Khối tạo xung : Sử dụng IC NE555 tạo xung Clock để cấp
cho khối đếm thực hiện đếm lOMoAR cPSD| 41632112
- Khối đếm : Sử dụng IC 74192 để đếm lùi. Chu kì đếm phụ
thuộc vào chu kì xung Clock từ khối tạo xung gửi đến
- Khối lưu trạng thái : Sử dụng IC 4017. Lưu thời gian 3
trạng thái Đỏ - Vàng – Xanh để cấp cho khối đếm.
- Khối Reset : Sử dụng IC 74145, reset, preset khối đếm khi đếm lùi về 0.
- Khối hiển thị : Sử dụng Led 7 thanh và Led đơn hiển thị
trạng thái và thời gian còn lại của trạng thái.
II. Giới thiệu linh kiện 1. IC NE555 a. Chức năng.
Tạo xung clock với tần số 1 Hz để cấp cho khối đếm thực hiện đếm với chu kì 1s. b. Cấu tạo • IC NE555 • Sơ đồ chân :
Chân 1 (GND): Chân cho nối masse để lấy dòng. lOMoAR cPSD| 41632112
Chân 2 (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn là 1/3 mức nguồn nuôi.
Chân 3 (Output): Chân ngả ra, tín hiệu trên chân 3 c1 dạng xung,
không ở mức áp thấp thì ở mức áp cao.
Chân 4 (Reset): Chân xác lập trạng thái nghĩ với mức áp trên chân 3 ở
mức thấp, hay hoạt động.
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. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động - Cấu tạo
Cấu tạo của IC 555 bao gồm OP-amp so sánh điện áp, mạch lật
và transistor để xả điện. Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động rất
tốt. 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 được nối với 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. - Sự dao động
Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC. Mạch lOMoAR cPSD| 41632112 FF là loại RS Flip-flop,
Khi S = [1] thì Q = [1] và QB = [ 0].
Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và QB= [0].
Khi R = [1] thì QB= [1] và Q = [0].
Tóm lại, khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì QB=
[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.
- Giai đoạn ngõ ra ở mức 1 :
Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0.
Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở
mức 1 nên S = [1], Q = [1] và QB= [0]. Ngõ ra của IC ở mức 1. Khi
QB= [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng.
Khi nhấn công tắc lần nữa Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ
ra của Op-amp 1 ở mức 0, S = [0], Q và QB vẫn không đổi. Trong khi
điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó.
- Giai đoạn ngõ ra ở mức 0
Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- = 2/3 VCC, R = [1]
nên Q = [0] và QB= [1]. Ngõ ra của IC ở mức 0.
Vì QB= [1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+ = [0] bé hơn V-, ngõ
ra của Op-amp 2 ở mức 0. Vì vậy Q và QB không đổi giá trị, tụ C xả
điện thông qua transistor.
Kết quả cuối cùng : Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động sóng hình vuông, có chu kì ổn định.
Tần số tín hiệu đầu ra :
f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2)) Thời gian
xung ở mức H (1) trong 1 chu kì t1 = ln2 .(R1 + R2).C
Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì t2 = ln2.R2.C 2. IC 74192 a. Sơ đồ chân lOMoAR cPSD| 41632112 IC 74192 là IC đếm BCD.
Các giá trị ra được thể hiện ở các chân QA , QB , QC , QD trong đó QA là LSB còn QD là MSB .
Các chân A , B , C , D là các chân để điều khiển giá trị bắt đầu đếm.
Chân DOWN là chân khi có xung kích vào thì giá trị ra được đếm xuống .
Chân UP là chân khi có xung kích vào thì giá trị ra được đếm lên.
Chân VCC là chân cấp nguồn còn chân GND là chân nối mass.
Chân CO và chân BO dùng để liên kết với IC 74192 khác để đếm được giá trị cao hơn
Chân CLR dùng để xóa giá trị về 0 .
b. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt độngCấu tạo : lOMoAR cPSD| 41632112
- Nguyên lí hoạt động
IC 74192 là IC đếm tiến/lùi 4-bit
Chân MR là Master Clear, để lên High là reset, Low là chạy bình thường.
Chân PL là chân Preset (là chân đặt trước giá trị), khi lên High
thì ko làm gì, Low thì nhận dữ liệu từ P0 đến P3 làm giá trị
đếm đầu tiên (giá trị đặt trước).
Bình thường, 2 chân CPU và CPD đặt lên High, nếu có xung
cạnh lên ở CPU thì đếm tiến, nếu xung cạnh lên ở CPD thì đếm
lùi (chi tiết cách đếm trong datasheet)
Các chân TCU và TCD là các chân carry, dùng để nối tiếp các IC khác. lOMoAR cPSD| 41632112
Các chân Q0 đến Q3 là chân ngõ ra. Giản đồ xung. Bảng trạng thái lOMoAR cPSD| 41632112 3. IC 4017 a) Chức năng
Sử dụng IC đếm thập phân 4017 lưu trữ 3 trạng thái thời gian gửi
đến đầu vào A,B,C,D của khối đếm. b) Cấu tạo
IC 4017 có 10 ngõ ra riêng biệt tuần tự là 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11.
Chân 16 là chân cấp nguồn. Chân số 8 là chân GND
Chân 12 là chân chia hệ 5
Chân 14 là ngõ vào xung Clock Chân 13 là chân Enable Chân 15 là chân Reset lOMoAR cPSD| 41632112
c) Nguyên lí hoạt động
Biểu diễn dạng tín hiệu ngõ ra theo tín hiệu vào xung clock 4. IC 7447 a) Chức năng
Sử dụng IC 7447 giải mã BCD hiển thị Led 7 đoạn Anode chung. b) Cấu tạo lOMoAR cPSD| 41632112
Chân 16 là chân cấp nguồn Chân 8 là chân GND
Chân 7, 1, 2, 6 là ngõ vào BCD
Chân 13, 12, 11, 10, 9, 15, 14 là ngõ ra 7 đoạn
Chân 3 kiểm tra các đoạn của Led
Chân 4 kéo lên mức cao thì cho tín hiệu xuất ra, kéo xuống mức thấp thì cấm. c) Hoạt động Bảng trạng thái lOMoAR cPSD| 41632112 5. IC 74145 a) Chức năng
Sử dụng 74145 giải mã BCD sang thập phân b) Cấu tạo lOMoAR cPSD| 41632112
Chân 16 là chân cấp nguồn Chân 8 là chân GND
Chân 12, 13, 14, 15 là các ngõ vào BCD (chân 15 là LSB)
Chân 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11 là các ngõ ra thập phân (mức thấp) c) Hoạt động Bảng trạng thái D. Mạch nguyên lí 1. Mạch nguyên lí (File đính kèm)
2. Nguyên lí hoạt động
Khối tạo xung cấp xung CLOCK có tần số 1 Hz cho khối đếm thực
hiện đếm lùi với chu kì 1s. Trạng thái bắt đầu đếm lấy từ đầu vào
D0, D1, D2, D3 thông qua việc kích mức 0 vào chân Preset của
74192 thực hiện bởi IC 74145 khi 74192 đếm lùi qua 0. Đồng thời
lúc đó cũng đã tạo ra 1 xung CLOCK cấp cho IC 4017 đếm để lOMoAR cPSD| 41632112
chuyển giao lần lượt giữa 3 trạng thái. IC 4017 sẽ bị Reset khi đếm
vượt quá 3 trạng thái thực hiện bởi trạng thái thứ 4 (chân 7 của
4017) được nối với chân MR (chân 15 của 4017).
Bảng chuyển và ghim trạng thái
Ở đây ta chọn lần lượt thời gian Xanh – Vàng – Đỏ là 22-03-25. Vì
đếm cả số 0 nên time-max hiển thị sẽ là 21-02-24.
Sẽ có 1 bộ đếm lùi Xanh – Vàng – Đỏ (21-02-24) và 1 bộ đếm lùi
Đỏ - Xanh – Vàng (24-21-02)
Xanh – Vàng – Đỏ
Hàng đơn vị : 1 – 2 - 4 Trạng thái U15-4017 U14-74192 Q0 Q1 Q2 D0 D1 D2 D3 1 – Xanh 1 0 0 1 0 0 0 2 – Vàng 0 1 0 0 1 0 0 3 – Đỏ 0 0 1 0 0 1 0  D3 = 0 D2 = Q2 D1 = Q1 lOMoAR cPSD| 41632112 D0 = Q0 Hàng chục : 2 – 0 -2 Trạng thái U19-4017 U18-74192 Q0 Q1 Q2 D0 D1 D2 D3 1 – Xanh 1 0 0 0 1 0 0 2 – Vàng 0 1 0 0 0 0 0 3 – Đỏ 0 0 1 0 1 0 0  D3 = 0 D2 = 0 D1 = Not Q1 D0 = 0 Đỏ - Xanh – Vàng
Hàng đơn vị : 4 – 1 - 2 Trạng thái U2-4017 U1-74192 Q0 Q1 Q2 D0 D1 D2 D3 1 – Đỏ 1 0 0 0 0 1 0 2 – Xanh 0 1 0 1 0 0 0 3 – Vàng 0 0 1 0 1 0 0  D3 = 0 D2 = Q0 D1 = Q2 lOMoAR cPSD| 41632112 D0 = Q1 Hàng chục : 2 – 2 - 0 Trạng thái U6-4017 U4-74192 Q0 Q1 Q2 D0 D1 D2 D3 1 – Đỏ 1 0 0 0 1 0 0 2 – Xanh 0 1 0 0 1 0 0 3 - Vàng 0 0 1 0 0 0 0  D3 = 0 D2 = 0 D1 = Not Q2 D0 = 0
Led 7 thanh hiển thị thời gian trạng thái thông qua IC giải mã led 7 đoạn 7447.
Led đơn hiển thị trạng thái tín hiệu thông qua 3 Q0, Q1, Q2 của IC
4017 kết hợp với Transistor để kích dòng cho Led. lOMoAR cPSD| 41632112
Để Reset về trạng thái ban đầu sẽ kích mức 1 vào toàn bộ các chân
Reset của các IC 74192 và IC 4017 thông qua nút nhấn và cổng OR.
E. Ưu nhược điểm • Ưu điểm :
- Mạch thiết kế nhỏ gọn, đơn giản, dễ hiểu, linh kiện dễ tìm mua, chi phí tối thiểu. • Nhược điểm :
- Mạch dùng trong môi trường thử nghiệm lí tưởng, chưa áp
dụng được vào thực tế The End