Đèn Giao Thông Thực hiện bằng các IC 555,4017 kết hợp một số đèn led để hiển thị

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, tín đa thích nghi và kinh tế của nhiều phần mềm khác nhau, tín 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 thang 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 ngàng 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 mội người nhận thấy rằng, ngày nay trật tự giao thông nước ta đang rối ren. 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 1 là nghiên cứu về Đèn Giao Thông .Thực hiện bằng các IC 555,4017 kết hợp một số đèn led để hiển thị và một số tụ cũng như điện trở để tạo xung nhịp. Với việc sử dụng các bộ IC trên ta có thể thực hiện đèn giao thông với các bộ đếm bất kỳ. I.Sơ đồ nguyên lý mạch: 1/Sơ đồ khối Bộ hiển thị Bộ giải mã hiển thị Bộ đếm Bộ tạo xung Bộ nguồn Mạch gồm có 5 khối: Bộ tạo xung Bộ đếm Bộ giải mã hiển thị Bộ hiển thị Bộ nguồn 2/ Chức năng các khối 2.1/ Bộ nguồn: Bộ nguồn cung cấp cho toàn bộ mạch ở đây ta dùng nguồn một chiều khoảng 5V cung cấp cho bộ tạo xung IC555 và bộ đếm IC 74190 . 2.2 / Bộ tạo xung: Dùng IC 555 để tạo ra xung nhịp. Cấu tạo IC 555 *Sơ đồ tạo xung nhịp: *Chu kỳ tạo xung: Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian ngưng dẫn của transistor là : T = RCln2 =0.693 RC è Thời gian ngưng dẫn ở mức áp cao cũng là lúc tụ C2 nạp d.ng qua R1+R2 Tn = 0.693*(R1+R2)*C2 Thời gian ngưng dẫn ở mức áp thấp cũng là lúc tụ C2 xả d.ng qua R2 Tx = 0.693*R2*C2 Như vậy chu kỳ của tín hiệu sẽ là : T = Tn+Tx T = 0.693*(R1+2*R2)*C2 . Vi mạch định thì LM 555 là mạch tích hợp Analog- digital. Do có ngõ vào là tín hiệu tương tự và ngõ ra là tín hiệu số. Vi mạch định thì LM555 được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển, vì nếu kết hợp với các linh kiện R, C thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như: định thì, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất như Transistor, SCR, Triac… *Sơ đồ chân LM555 Chân số 1 : (GND) Cho nối mass để lấy dòng cấp cho IC , dòng điện từ mas chảy vào IC. Chân sô 2: (Trigger Input ) Ngõ vào của một tầng, ở đây mức áp chuẩn bằng 1/3 Vcc, lấy cầu phân áp tạo bởi ba điện trở 5K.Khi mức áp chân 2 xuống đến mức (1/3)Vcc thì chân 3 sẽ chuyển lên mức cao, lúc này khóa điện tử trên chân số 7sẽ hở. Chân số 3: (Output) Ngõ ra tín hiệu ở dạng xung (mức áp không thấp thì cao). Chân số 4 :(Reset) Xác lập trạng thái ngõ ra .Khi chân số 4 cho nối mass thì chân số 3 chốt ở mức áp thấp , chỉ khi chân số 4 đặt ở mức áp cao thì ngõ ra chân 3 mới được tự do và mới có thể lúc cao lúc thấp. Chân số 5:(Control Voltage) Chân điều khiển ,chân này làm thay đổi các mức điện áp chuẩn trên trên cầu chia volt. Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào của một tầng so với áp 1.Có mức áp chuẩn bằng 2/3 Vcc. Chân số 7: (Dirchange) Chân xả điện, chân này là ngõ ra của một khóa điên (tranistor) khóa điện này đóng mở theo mức áp chân số 3. Khi chân 3 ở mức áp cao thì khóa điện đóng lại và cho dòng chay qua, ngược lại thì khóa điện hở và cắt dòng. Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC 555. Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở thực hiện các chức năng như hình 2 gồm có: a) Cầu phân áp gồm ba điện trở 5k nối từ nguồn +Vcc xuống mass cho ra hai điện áp chuẩn là 1/3 Vcc và 2/3 Vcc. b) OP-AMP (1) Là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In- nhận điện áp chuẩn 2/3 Vcc, còn ngõ In+ thì nối ra ngoài chân 6. Tùy thuộc điện áp của chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3 Vcc mà OP-AMP (1) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu R (reset), điều khiển Flip- Flop (F/F). c) OP-AMP (2) Là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In+ nhận điện áp chuẩn 1/3 Vcc, còn ngõ In- thì nối ra ngoài chân 2. Tùy thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 Vcc mà OP-AMP (2) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu S(set), điều khiển Flip – Flop (F/F). d) Mạch Flip-Flop(F/F) là loại mạch lưỡng ổn kích một bên. Khi chân set (S) có điện áp cao thì thiện áp này kích đổi trạng thái của F/F ở ngõ Q lên mức cao và ngõ xuống mức thấp. Khi ngõ set đang ở mức cao xướng mức thấp thì mạch F/F không đổi trang thái. Khi chân Reset(R) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F làm ngõ lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp. Khi ngõ Reset đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không đổi trạng thái. hình 2 : Cấu trúc bên trong của LM 555 e) Mạch Output là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải. Đây là mạch khuếch đại đảo, có ngõ vào là chân của F/F, nên khi ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp ( 0V), và ngược lại, khi ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao ( Vcc). f) Transistor T1 có chân E nối vào điện áp chuẩn khoảng 1,4 V, là loại Transistor PNP. Khi cực B nối ra ngoài bởi chân 4, có điện áp cao hơn 1.4V, thì T1 ngưng dẫn, nên T1 không ảnh hưởng đếm hoạt động của mạch. Khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối mass thì T1 dẫn bão hòa, đồng thời cũng làm mạch OUTPUT dẫn bão hòa, và ngõ ra xuống thấp. Chân 4 được gọi là chân Reset có nghĩa là nó Reset IC 555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác. Do đó, chân Reset dùng để kết thúc xung ra sớm khi cần. Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên Vcc để tránh mạch bị Reset do nhiễu. g) Transistor T2 là transistor có cực C để hở nối ra chân 7 ( Discharge = xả ). Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra của F/F, nên khi ở mức cao thì T2 bão hòa và cực C của T2 coi như nối mass. Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp. Khi ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn cực C của T2 bị hở, lúc đó, ngõ ra chân 3 có điện áp cao. Theo nguyên lý trên, cực C của T2 ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ có mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân 4. *Nguyên lý hoạt động:Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC. Mạch FF là loại RS Flip-flop,Khi S = [1] thì Q = [1] và  = [ 0].Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = [0].Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0].Tóm lại, khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì = [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 = [0]. Ngõ ra của IC ở mức 1.Khi = [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 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 = [1]. Ngõ ra của IC ở mức 0. Vì = [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 không đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua transistor.Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn định 2.3 /Bộ đếm: Dùng IC 74190 bộ đếm thập phân *Sơ đồ cấu tạo: : 2.4/Bộ giải mã: 2.5/Bộ hiển thị: Bộ hiển thị là thiết bị thể hiện số đếm, và thiết bị hiển thị bộ đèn giao thông Sơ đồ thể hiện số đếm Hiển thị đèn giao thông *Sơ Lược Về Các Linh Kiện Chính Trong Mạch. a) Máy biến áp Máy biến thế hay máy biến áp là thiết bị điện gồm hai hoặc nhiều cuộn dây, hay 1 cuộn dây có đầu vào và đầu ra trong cùng 1 từ trường. Cấu tạo cơ bản của máy biến thế thường là 2 hay nhiều cuộn dây đồng cách điện được quấn trên cùng 1 lõi sắt hay sắt từ ferit. Máy biến thế có thể thay đổi hiệu điện thế xoay chiều, tăng thế hoặc hạ thế, đầu ra cho 1 hiệu điện thế tương ứng với nhu cầu sử dụng. Máy biến thế đóng vai trò rất quan trọng trong truyền tải điện năng. Máy biến thế hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lí: dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từ trường) sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện) Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp, và 1 từ trường biến thiên trong lõi sắt. Từ trường biến thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp. Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường. Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt. Khi NP, UP, IP, ΦP và NS, US, IS, ΦS là số vòng quấn, hiệu điện thế, dòng điện và từ thông trong mạch điện sơ cấp và thứ cấp (primary và secondary) thì theo Định luật Faraday ta có:   và   Nếu ΦS = ΦP thì , ngoài ra Như vậy b) Tụ điện: Tụ điện một chiều, hay tụ phân cực (Electrolytic Capacitor): Khi đấu nối phải đúng cực âm - dương. Thường trên tụ quy ước cực âm bằng cách sơn một vạch màu sáng dọc theo thân tụ, hoặc khi tụ chưa cắt thì chân dài hơn là cực dương. Tụ điện xoay chiều: hay tụ không phân cực Tụ điện là một linh kiện thụ động cấu tạo của tụ điện là hai bản cực bằng kim loại ghép cách nhau một khoảng d ở giữa hai bản tụ là dung dịch hay chất điện môi cách điện có điện dung C. Đặc điểm của tụ là cho dòng điện xoay chiều đi qua, ngăn cản dòng điện một chiều. Công thức tính điện dung của tụ: C = ε.S/d ε là hằng số điện môi S là điện tích bề mặt tụ m2 d là bề giày chất điện môi Tụ điện phẳng gồm hai bàn phẳng kim loại diện tích đặt song song và cách nhau một khoảng d. Cường độ điện trường bên trong tụ có trị số E = = 8.86.10-12 C2/ N.m2 là hằng số điện môi của chân không. là hằng số điện môi tương đối của môi trường; đối với chân không = 1, giấy tẩm dầu = 3,6, gốm = 5,5; mica = 4 5 c) Điện trở: Điện trở là linh kiện thụ động có tác dụng cản trở cả dòng và áp. Điện trở đựơc sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử. R =ρℓ/S hoặc R=U/I Trong đó ρ là điện trở suất của vật liệu S là thiết diện của dây. ℓ là chiều dài của dây. d) Diode: Diode được cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn p-n được ghép với nhau. Diode chỉ hoạt động dẫn dòng điện từ cực anot sang catot khi áp trên hai chân được phân cực thuận (VP>VN) và lớn hơn điện áp ngưỡng. Khi phân cực ngược (VP<VN) thì Diode không dẫn điện. e) IC ổn áp (LM 78xx) Trong mạch điện tử thì khối nguồn là quan trọng nhất, nó quyết định sự hoạt động hay không của cả mạch . một bộ nguồn tốt sẽ làm cho mạch hoạt động ổn định và đảm bảo sự bền vững lâu dài cho các linh kiện có trong mạch . Chức năng chính của khối nguồn là biến đổi dòng điện AC thàn dòng điện DC để nuôi mạch hoạt động.Có thể dùng nhiều loại IC nhưng thông dụng nhất là họ IC 78xx loại IC này có 3 chân rất tiện cho việc thiết kế bộ nguồn nhỏ và ổn định hay các ổn áp trên xe ô tô . Họ IC 78xx chân 1 là ngõ vào , chân 2 là ngõ ra, điện áp ngõ ra ở chân 2 có giá trị là xx vnhu7 được ghi trên IC (ví dụ như IC 7805,7812,...thì điện áp ngõ ra có giá trị là 5v, 12v,..). Tùy vào dòng điện ngõ ra người ta thêm vào để chỉ như là: 78 L xx : dòng chỉ danh định là 100mA 78 xx : dòng điện ra là 1A 78H xx : dòng điện ra danh định là 5A Các tụ 0.33uF và 0.1uF dùng chống nhiễu và cải thiện đáp ứng quá độ của ổn áp . các tụ này đặt càng gần IC càng tố 78xx là dòng họ điện tử dùng để biến đổi hiệu điện thế từ cao xuống thấp tùy thuộc vào đặc tính của từng loại họ 78 ví dụ 7805,7812… Ta xét nguyên lý hoạt động của họ 78: Ta thấy họ 78 có 3 chân 2 chân vào và 1 chân ra (có chung cực âm) Khi đặt hiệu điện thế nhất định vào chân 1 (hiệu điện thế chân vào phải lớn hơn chân ra).Khi đó tại chân ra sẽ cho ta hiệu điện thế chúng ta cần theo từng loại chức năng mà của họ 78. f) Phần tử đảo (NOT) Chức năng: Thực hiện phép toán logic ĐẢO (NOT) Cổng ĐẢO chỉ có 1 đầu vào: ký hiệu: 0 1 1 0 out A Bảng thật: Biểu thức: out = A g) Phần tư AND Chức năng thực hiện phép nhân logic Cổng AND gồm hai đầu vào và một hàm ra Ký hiệu : *Bảng hoạt động: 1x 2x y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 X1 Y X2 h) Phần tử OR: cổng OR gồm hai tín hiệu vào một tín hiệu ra chức năng thực hiện cộng logic sơ đồ ic 7432 : * Bảng hoạt động: 1x 2x y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 XUNG C *Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Nguồn Và Mạch Tạo Xung: Nguồn Ac hoặc Dc 15V đuợc lấy từ con 3 (máy biến áp) dẫn qua cầu diode nén điện dẫn qua tụ lọc gợn sóng qua IC ổn áp 78xx qua tụ chống nhiễu 104 qua IC 741 tạo xung vuông đơn cực. -Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Nguồn: Nguồn và xung được lấy từ mạch nguồn và mạch xung, xung được cung cấp cho IC 74190 đếm chạy đuổi sau mỗi chu kì xung từ Q0-Q9. Nhiệm vụ của diode từ D1-D9 chống dòng điện quay ngược trở về IC 4017.Khi Q0-Q3 lần lược tích cực mức cao và đưa vào cực b của U2, điện trở Rb phân cực cho C1815 bây giờ BJT dẫn đèn Xanh_1 sáng đồng thời kích cho U3 dẫn đèn đỏ 2 sáng.Nhiệm vụ của các điện trở cực E của BJT là hạ áp cho Led. Đến lúc Q4 tích cục mức cao kích cho U4 dẫn làm cho đèn Vàng 1 và đèn Đỏ 2 sáng.Tương tự cho chu kì tích cực mức cao của IC4017.Đèn giao Thông này hoạt động theo nguyên lý đèn Đỏ = Đèn Vàng + Đèn Xanh. Để đèn sáng nhanh hay chậm ta chỉnh chu kì xung ở mạch tạo xung. Mạch này có hai trụ riêng biệt,để 4 trụ ta gắn các led song song với nhau. -Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Tạo Xung: Mạch dùng IC 555 được lắp theo sơ đồ nguyên lý như hình vẽ *Thiết kế bộ hiển thị đèn giao thông: Nguyên lý: các trạng thái chuyển tiếp theo thứ tự lặp tuần hoàn Đ V X (t)s (1+t)s 1Z 2Z 3Z 0s 1s 1 0 0 1s 2s 0 1 0 2s 0s 0 0 1 Bảng trạng thái tổng quát: Đ V X Bảng mã hóa trạng thái: Ÿ Bảng trạng thái mã hóa: s 1y2y 0s 00 1s 01 2s 10 1y2y 1Y2Y 3Z2Z1Z 00 01 100 01 10 010 10 00 001 * Chọn JKFF lập bảng kích: 1y2y 1K1J 2K2J 3Z2Z1Z 00 X1 X0 100 01 1X X1 010 10 X0 1X 001 Tối thiểu hàm ra theo bìa cacno ta có: J2= y2 ; K2= 1 ; J1 = y2 ; K1= 1 Z1= y2 y1 ; Z2=y1 ; Z3=y2 * Sơ đồ thiết kế bộ xung kích trạng thái hiển thị đèn giao thông: * Sơ đồ nguyên lý bộ đêm thập phân ngược đồng bộ: II. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của mạch dùng IC số điều khiển đèn giao thông ở ngã tư: III.Kết Luận: Mạch đèn giao thông này 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.