Đề tài Mạch đồng hồ số hiển thị bằng 6 led 7 đoạn

MỤC LỤC
Chương 1:GIỚI THIỆU YÊU CẦU – GIỚI HẠN
Giới thiệu:
Thế giới hiện nay đang ngày càng hiện đại với những công nghệ tiên tiến giúp cho cuộc sống thuận tiện hơn cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử thông minh đã, đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội.
Trong số đó đồng hồ là một công cụ được ra đời để giúp mọi người quản lí tốt thời gian của mình. Đồng hồ dùng để đo đạc những mốc thời gian nhỏ hơn một ngày. Hiện nay, hầu hết mọi người đều cần sử dụng đồng hồ để xem thông tin về thời gian giờ phút giây trong ngày, xem ngày tháng năm, dùng để quản lý về thời gian ví dụ như tính cước điện thoại: căn cứ vào thời gian để biết cuộc gọi vào thời điểm nào, dùng để điều khiển như báo chuông giờ học, tính phí cho các hoạt động thể thao theo giờ, 
Công nghệ đồng hồ ngày càng được mở rộng và phát triển trên thế giới, cũng như ở Việt Nam. Với nhu cầu tìm hiểu về lĩnh vực đồng hồ ứng dụng trong cuộc sống, em xin thực hiện đề tài “Mạch đồng hồ số hiển thị bằng 6 led 7 đoạn”.
Giới hạn:
Mạch chỉ hiển thị giờ, phút, giây trên 6 led 7 đoạn.
Mỗi led 7 đoạn có kích thước: rộng 8.1mm, dài 14.2mm.
Mạch dùng nguồn 5VDC để cung cấp cho toàn mạch.
Vì mạch điều khiển bằng các IC số chỉ có 2 nút nhấn chỉnh giờ và phút tăng lên theo yêu cầu.
Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Giới thiệu:
Đồng hồ là thiết bị gồm nhiều bộ kết nối với nhau tạo khi hoạt động tạo nên những tính năng cần thiết như hiển thị giờ phút giây cho người sử dụng xem, chỉnh giờ và phút tương ứng với các muối giờ. Ngày nay có nhiều loại đồng hô, nhưng đồng hồ kỹ thuật số với độ chính xác cao và ít bị hư hại vì đó mạch điện được tích hợp bởi nhiều IC kết nối chắc chắn với nhau. Để tạo được một mạch đồng hồ kỹ thuật số ta cần cần phải ghép các khối mạch điện với những chức năng khác nhau như: khối tạo xung, khối đếm, khối giải mả,
Thiết kế sơ đồ khối:
Với các yêu cầu đặt ra ở phần đầu, đồng hồ kỹ thuật số gồm có các khối như sau: 
KHỐI TẠO XUNG CLOCK CHÍNH XÁC 1S
KHỐI ĐẾM
KHỐI GIẢI MÃ
KHỐI HIỂN THỊ
KHỐI CÀI ĐẶT GIỜ BẰNG NÚT NHẤN
KHỐI NGUỒN
 Hình 2-1: Sơ đồ khối mạch đồng hồ số hiển thị bằng 6 led 7 đoạn
Chức năng và nhiệm vụ của từng khối:
Khối tạo xung clock chính xác 1s: có chức năng tạo 1 xung đúng bằng 1 giây.
Khối đếm: có chức năng đếm xung.
Khối giải mã: có chức năng giải mã số xung đếm được từ khối đếm sang mã 7 đoạn.
Khối hiển thị: có chức hiển thị kết quả đếm dạng số thập phân.
Khối so sánh: có chứa năng so sánh giá trị đếm với giá trị cài đặt để reset lại mạch đếm.
Khối cài đặt giờ bằng nút nhấn: có chức năng cài đặt thời gian do người sử dụng muốn.
Khối nguồn: cung cấp nguồn nuôi cho toàn bộ hệ thống, để hệ thống hoạt động được.
Thiết kế sơ đồ nguyên lý:
Khối tạo xung clock chính xác 1 giây:
Khối tạo xung clock chính xác 1s có chức năng tạo xung 1Hz cung cấp cho các khối tiếp theo xử lý.
Đối với mạch tạo xung ta có thể dùng IC555 hoặc thạch anh dao động, mà trong đối với mạch đồng hồ ta cần tạo xung 1Hz có độ chính xác cao. Ta nên sử dụng thạch anh vì mạch tạo xung từ IC4060 có sai số nhỏ.
Khảo sát IC4060:
IC 4060 là một bộ đếm/bộ chia (Counter/Divider) nhị phân không đồng bộ với 14 tầng Flip-Flop. Mạch dao động của nó gồm 3 chân được nối ra ngoài là: RS, RTC, CTC, tất cả các ngõ ra (10 ngõ ra từ O3~O9, O11~O13) đều được đệm sẵn từ bên trong trước khi đưa ra ngoài. Quan trọng hơn hết là chân Master Reset (MR) dùng để cấm mạch dao động làm việc và reset mạch đếm. Khi chân MR ở mức logic cao, nó sẽ reset mạch đếm làm tất cả các ngõ ra của bộ đếm đều ở mức logic thấp, việc reset này hoàn toàn độc lập với các ngõ vào khác (bất chấp trạng thái logic ở các ngõ vào còn lại).
Sơ đồ chân: 
Hình 2.2: Sơ đồ chân của IC 4060
Hình 2.3: Sơ đồ chức năng IC 4060
VDD, VSS: cung cấp nguồn cho IC (ở mạch này VDD được nối đến +5V, VSS nối đến 0V).
MR: master reset, dùng khóa mạch dao động bên trong IC và reset các bộ đếm. Khi chân này tác động thì tất cả các ngõ ra của IC đều bị kéo về mức logic thấp.
RS: clock input/oscillator pin, chân này có hai chức năng: khi dùng mạch dao động từ bên ngoài IC thì nó có nhiệm vụ nhận xung, khi dùng mạch dao động bên trong IC thì nó là một thành phần của mạch dao động (kết hợp với các chân RTC, CTC).
RTC: oscillator pin, chân tạo dao động (kết hợp với các chân khác). Khi dùng mạch dao động R-C thì một đầu điện trở được nối với chân này.
CTC: external capacitor connection, chân tạo dao động (kết hợp với các chân khác).
Khi IC4060 dao động với mạch R-C (dùng dao động bên trong IC) thì chân này được nối với một đầu của tụ điện.
O3 - O9, O11 - O13: counter outputs, các ngõ ra của IC. Các ngõ ra này không liên tục mà bị nhảy cấp hai lần: ngõ ra đầu tiên của nó là O3 chứ không phải O0 (nhảy bỏ 3 tầng Flip-Flop đầu tiên, không đưa các tầng này ra ngoài), ngõ ra từ O9 rồi đến O11 (không có chân O10 ).
IC4060 có Vcc trong khoảng 4,5-10V ta chọn áp vào Vcc=5V, công suất: 500-700mW.
IC4013 có Vcc trong khoảng 3-18V ta chọn áp vào Vcc=5V, công suất: 500-700mW.
Hình 2.4: Sơ đồ cổng logic IC 4060
Thiết kế khối tạo xung clock:
Hình 2.5: Sơ đò nguyên lý mạch tạo xung clock 1Hz
Ta sử dụng thạch anh 32768Hz tạo dao động, IC4060 để đếm và chia tần và 1 Flip Flop D để tạo được Q14 vì thạch anh tạo dao động 32768 xung mỗi giây, mà IC4060 chỉ có 10 ngõ ra và tới Q13 nên ta thêm Flip Flop D để tạo ra Q14 phù hợp với thạch anh.
Khối đếm:
Các mạch đếm thường sử dụng các IC đếm BCD như 74LS90,74LS192, mà trong đó IC74LS90 có cấu trúc phần cứng đếm được đếm đến 9 sẽ tự động quay về 0 nên không cần dùng thêm cổng logic. Vì thế sử dụng IC 74LS90 ít làm trễ xung.
Khảo sát IC74LS90:
Hình 2.6: Sơ đồ chân và sơ đồ kí hiệu của IC 74LS90
IC 7490 gồm 2 bộ chia: bộ chia 2 và bộ chia 5:
Bộ chia 2 do ngõ vào CK0 điều khiển ngõ ra Q0.
Bộ chia 5 do ngõ vào CP1 điều khiển ngõ ra Q1,Q2,Q3.
CP0 và CP1 điều tích cực mức thấp.
Chân NC bỏ trống.
Để tạo bộ đếm mod 10 ta nối ngõ ra Q0 và input chân CP1.
Chân MR1 và MR2 là chân Reset cho bộ đếm về 0.
Chân MS1 và MS2 là chân thiết lâp trạng thái cao của đầu ra: Q0 = Q3 = 1, Q2 = Q1=0.
 Sơ đồ logic và bảng trạng thái:
Hình 2.7 : Sơ đồ cổng logic IC 74LS90
Bảng 2.1: Bảng trạng thái IC 74LS90
RESET/SET INPUT
OUTPUTS
MR1
MR2
MS1
MS2
Q0
Q1
Q2
Q3
H
H
L
X
L
L
L
L
H
H
X
L
L
L
L
L
X
X
H
H
H
L
L
H
L
X
L
X
ĐẾM
X
L
X
L
ĐẾM
L
X
X
L
ĐẾM
X
L
L
X
ĐẾM
Bảng 2.2 : Thông số kỹ thuật của IC 74LS90
Thiết kế:
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý mạch đếm phút dùng IC74LS90N
Thời gian của bộ đếm giây là 60: đếm từ 00 à 59, ta lấy số 6 của hàng chục để reset giây về 0. Ta làm tương tự đối với bộ đếm phút, và đối với giờ thì ta lấy số 24 để reset giờ về 0 bằng cách cho số 2 hàng chục vào MR2 và số 4 hàng đơn vị vào MR1 của cả hai IC 74LS90 để tiết kiệm cổng logic.
Ta lấy số 4 của hàng chục bộ đếm giây đề làm xung cạnh xuống kích cho bộ đếm phút và số 4 của hàng chục bộ đếm phút làm xung cạnh xuống kích cho bộ đếm giờ.
Khối cài đặt giờ bằng nút nhấn:
Để cài đặt giờ bằng nút nhấn ta có thể sử dụng các cổng logic để chỉnh cài đặt giờ như mong muốn. Trong đó ta có thể sử dụng các cổng and, or, ex-or, ex-nor. Tùy vào bảng trạng thái mà ta sẽ chọn cổng logic.
Qui ước khi nhấn nút thì sẽ xuất ra mức 0 và không nhấn nút thì sẽ ra mức 1.
Từ yêu cầu ngõ ra ta lập được bảng trạng thái:
Bảng 2.3: Bảng trạng thái ngõ ra làm xung kích
Qra
Button
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
Ta sử dụng cổng EX-OR, có các IC EX-OR : 74LS86, 74LS136, 74LS386. Trong đó ta chọn IC74LS86 vì nó phổ biến trên thị trường.
Thiết kế : 
Hình 2.9 : Sơ đồ nguyên lý kết nối 74LS86
Mạch thiết kế sử dụng trở 10k kết hợp nút nhấn để tạo xung cạnh lên hay xuống cho IC74LS86, ta thêm vào tụ 104 để chống dội cho nút nhấn.
Khối giải mã:
Mạch giải là mạch có chúc năng đưa tín hiệu ra các đèn để hiển thị kết quả ở dạng chữ số. Do có nhiều loại đèn hiển thị và có nhiều loại mã số khác nhau nên có nhiều mạch giải mã khác nhau. Mạch giải mã thường sử dụng các loại IC giải mã BCD như: 74LS247, 74LS47, 4511, Trong đó ta sử dụng dụng loại 74LS47 giá thành thấp và thực hiện điều khiển dễ dàng.
IC74LS47 là loại IC giải mã BCD sang led 7 đoạn, được tác động ở mức thấp có ngõ ra cực thu để hở và có khả năng nhận dòng cao để đưa đến trực tiếp các led 7 đoạn loại anode chung.
Khảo sát IC74LS47:
Sơ đồ chân:
Hình 2.10: Sơ đồ chân IC74LS47.
Chân 1: BCD B Input.
Chân 2: BCD C Input.
Chân 3: Lamp Test.
Chân 4: RB Output.
Chân 5: RB Input.
Chân 6: BCD D Input.
Chân 7: BCD A Input.
Chân 8: GND.
Chân 9: 7-Segment e Output.
Chân 10: 7-Segment d Output.
Chân 11: 7-Segment c Output.
Chân 12: 7-Segment b Output.
Chân 13: 7-Segment a Output.
Chân 14: 7-Segment g Output.
Chân 15: 7-Segment f Output.
Chân 16: VCC.
Sơ đồ logic:
Hình 2.11: Sơ đồ dùng cổng logic của IC7447
Bảng trạng thái:
Bảng 2.4: Bảng trạng thái hoạt động của IC74LS47
-Nguyên lý hoạt động:
+ IC 74LS47 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt, mức 0 là sáng, tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn loại anode chung, trạng thái ngõ ra cũng tương ứng với các số thập phân (các số từ 10 đến 15 không được dùng tới.).
+ Ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên mức 1 cho hoạt động giải mã bình thường. Nếu nối lên mức 0 thì các ngõ ra đều tắt bất chấp trạng thái ngõ ra.
+ Ngõ vào RBI được để không hay nối lên mức 1 dùng để xoá số 0 (số 0 thừa phía sau số thập phân hay số 0 trước số có nghĩa). Khi RBI và các ngõ vào D, C, B, A ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xoá dạng sóng RBO xuống mức thấp.
+ Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng.
Thiết kế:
Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch giải mã BCD của các IC74LS47
Ta kết nối ngõ vào BCD từ IC74LS90, các chân LT, RBI, BI/RBO nối vào Vcc để tích cực mức 1, ngõ ra của IC7447 nối với với các điện trở 220ohm để bảo vệ khối hiển thị mắc với nguồn.
Khối hiển thị:
Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 8 led đơn có dạng thanh xếp theo hình 2.13, trong đó 7 đoạn led đơn hợp thành dạng số hay những chữ , đoạn led còn lại hiển thị dấu chấm. 
Có 2 loại Led 7 đoạn là Anode (cực dương) và Cathode (cực âm). 
	+ Led 7 đoạn có Anode chung: đầu A của 8 led đơn được nối với +Vcc, các chân K dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0.
	+ Led 7 đoạn có Cathode chung: đầu K của 8 led đơn được nối với GND, các chân A dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1.
Ta sử dụng led 7 đoạn loại anode chung do đầu ra của IC 7447 có mức tích cực là mức 0 ( mức thấp).
Hình 2.13: Sơ đồ led 7 đoạn anode chung
Khảo sát led 7 đoạn anot chung:
Bảng 2.5: Bảng trạng thái hoạt động của Led 7 đoạn anode chung
Thiết kế:
Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý mạch khối hiển thị với các LED 7 đoạn
Ta kết nối ngõ ra của mạch giải mã với led 7 đoạn thông qua 1 các điện trở để hạn dòng cho led.
Khối nguồn:
 Giới thiệu:
Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch và các thiết bị điện tử hoạt động. Năng lượng một chiều của nó tổng quát được lấy từ nguồn xoay chiều của lưới điện thông qua một quá trình biến đổi được thực hiện trong nguồn một chiều. Ta sử dụng IC số mắc song song nên áp ra là 5V biến đổi từ nguồn 220V.
Sơ đồ khối nguồn:
Hình 2.15: Sơ đồ khối của khối nguồn
 Tính toán công suất mạch:
Khối hiển thị: 
Loại led 0.56 inch (14.20mm)
Áp rơi trên mỗi đoạn từ 1,8÷2.3V với dòng 30mA. Do vậy cần phải có điện trở hạn dòng cho LED. Để cho hiển thị tốt ta chọn dòng là 10mA. Ta có:
VR= VCC – Vled = 5 – 2 = 3 (V)
=> R = 310.10-3= 300 (Ω)
 => Chọn R = 330 (Ω)
Riêng LED báo nguồn chọn dòng là 14mA nên trở của LED là 220 (Ω)
Ta có 6 LED 7 đoạn và 4 LED đơn, giả sử 7 đoạn đều sáng hết và 1 LED xanh báo nguồn. Mỗi LED đơn có dòng là 10mA 
Dòng tổng là :
	It = 6 7 10 + 4 10 + 14 = 474 (mA)
 Áp rơi trên LED là 2V => Pl = 2 490 mA = 948 (mW)
Khối tạo xung ta sử dụng IC4060 và IC4013 có công suất 700mW : Pd = 2 700 = 1400 (mW)
Khối đếm gồm: có IC74LS90 có công suất 45mW, mạch sử dụng 6 IC74LS90 : Pd=45x6=270 (mW)
Khối giải mã gồm : có IC74LS47 có công suất 35mW, mạch sử dụng 6 IC7447 : Pm=35x6=210mW.
Tổng công suất mạch : P = 980 + 1400 + 270 + 210 = 2860 (mW)
Dòng cung cấp cho mạch : I=P/5V= 566 (mA)
Vậy mạch nguồn có áp ra là 5VDC và dòng 1A đủ để cấp dòng và áp cho toàn mạch.
Thiết kế: 
Hình 2.16: Sơ đồ mạch khối nguồn
Ta thiết kế bộ nguồn gồm jack cấm, LED báo nguồn và tụ gốm 104 để lọc nhiễu tần số cao cho các IC.
 Sơ đồ nguyên lý:
Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý mạch đồng hồ kỹ thuật số
Chương 3: THI CÔNG MẠCH
3.1. Thi công PCB:
Bảng 3.1. Các linh kiện sử dụng trong mạch nguyên lý
STT
Tên linh kiện
Thông số - Giá trị
Loại vỏ
1
IC2,4,5,6,7
IC đếm số BCD 74LS90, 45mW
DIP14 
2
IC17A
IC cổng XOR 74LS896
DIP14
3
IC9 à 14
IC giải mã số BCD ngõ ra mức thấp 74LS247, 35mW
DIP16
4
IC2, 4 à 8 
IC đếm BCD 74LS90, 45mW
5
Q1
Thạch anh 32768Hz
TC26V
6
IC1
IC đếm 15 bit 4060 , 700mW
DIP16
7
S1 ,S2
Nút nhấn 4 chân
B3F-10XX
8
R50
Điện trở 220Ω
0204/7
9
R3 à R44, R47, R48
Điện trở 330Ω
0204/7
10
C4, C5
Tụ hóa 10µF
C025-024X044
11
C2,C3
Tụ gốm 22pF
C025-024X044
12
D1à D6
Led 7 đoạn 0.56 Inch, 5V
7SEG-56
13
LED6à LED8
Led đỏ 5mm, 2V
AXIAL-0.5
14
LED1 
Led xanh lá 5mm, 2V
AXIAL-0.5
15
X2-1,X2-2
2 jack cấm ngõ vào
W237-132
16
IC3A
IC Flip Flop D
DIP14
17
C2, C7, C8, C10 à C20
Tụ gốm 0.1µF
C025-024X044
Sơ đồ mạch in:
Hình 3.1: Sơ đồ mạch in lớp dưới 
Hình 3.2: Sơ đồ mạch 3D
3.2. Mạch thực tế:
Hình 3.3: Mạch gia công
Hình 3.4: Mạch hoàn chỉnh
Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1. Kết quả thực hiện:
Sau 15 tuần thiết kế, thi công mạch đồng hồ số hiển thị bằng 6 led 7 đoạn đã hoàn thành: 
Tạo xung clock chính xác 1Hz.
Khống chế các IC đếm theo giờ, phút, giây.
Thiết lập thời gian bằng nút nhấn.
Hiển thị giờ phút giây chính xác.
Sản phẩm hoạt động ổn định tuy nhiên phần giờ còn sai số.
Sản phẩm thi công gọn, sắp xếp linh kiện hợp lý, có quét lớp nhựa thông cách điện đảm bảo an toàn cho mạch và người sử dụng.
Mạch dễ dàng sử dụng và điều khiển.
4.2. Hướng phát triển:
Sản phẩm cần phải nhỏ gọn nên ta có thể các IC dán để thực hiện hoặc tốt hơn ta có thể sử dụng các bộ vi xử lý để thực hiện mạch một cách chính xác, hiển thị được nhiều thông tin hơn như ngày tháng, năm và còn có nhiều chức năng hơn cho người sử dụng.
Giao diện ta cần thêm các hộp để bảo vệ cho mạch, chống oxy hóa mạch điện.
Ta có thể thêm vào điều khiển loa để hẹn giờ báo hoặc báo thức.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
HD_DAMH1_01_2016_NGUYENDINHPHU_VIET_BAOCAO
Th.S Nguyễn Đình Phú, Giáo trình thực tập kỹ thuật số, Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, tháng 8/2015.