Tài liệu Thiết kế hệ thống đèn trang trí hiển thị dòng chữ “ma quang chung” pptx

Bài làm

Thiết kế hệ thống đèn trang tríhiển thị dòng chữ

“ma quang chung”

1 V ai trò, ý nghĩa của hệ thống và yêu cầu đối với hệ thốngđèn trang trí.

Trong thực tế chúng ta thờng hay gặp các hệ thống đèn nhấp nháy rất đẹp mắt trang trí cho các biểu tợng hay các ký tự khác nhau Nhất là các biển quảng cáo hay các trung tâm vui chơi giải trí, các nơi giải trí công cộng hay những biển panô, áp phích cổ động Nhằm tập trung sự chú ý về ban đêm

Để thực hiện đợc nh vậy ngời ta phải ghép nhiều bóng với nhau , sau đó điều khiển sự sáng của chúng, để chúng nháy tắt theo một quy luật nhất định.

Một hệ thống nh vậy gồm 2 phần chính phần là phần hiển thị và điều khiển thị Phần hiển thị chính là các bóng đèn đ-ợc ghép lại thành các biểu tợng hoặc ký tự, còn phần điều khiển là phần tạo ra các quy luật đóng cắt nguồn cung cấp cho bóng đèn.

Dòng chữ “ma quang chung” đợc ghép lại từ 12 ký tự là: m, a, q, u, a, n, g, c, h, u, n, g Hệ thống đèn trang trí cho dòng chữ này phải thoả mãn hai điều kiện:

- Thứ nhất: Từng ký tự đợc sáng và giữ nguyên trạng thái cho tới ký tự cuối cùng đợc sáng.

- Thứ hai: Khi tất cả các ký tự sáng hết, tiếp theo cùng tắt rồi lại cùng sáng và lại tắt hết, sau đó tiếp tục theo yêu cầu thứ nhất.

2 Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống đèn trang trí.

Từ các yêu cầu trên ta có bảng trạng thái của các ký tự nh

Bảng 1: Trạng thái các ký tự của dòng chữ “ma quang

chung” trong một chu kỳ.

Nhìn vào bảng trên ta thấy có 15 trạng thái khác nhau của dòng chữ “ma quang chung” trong một chu kỳ, chúng đợc tạo ra bởi hai trạng thái sáng, tắt của 12 ký tự Trạng thái sáng của một ký tự khi nó nhận mức logic 1, còn trạng thái tắt của ký tự nó

Bảng 2: Trạng thái các hàm trong dòng chữ ‘ma quang chung” theo các biến Q.

Thông qua các phân tích trên ta đa ra sơ đồ khối của hệ thống đèn trang trí cho dòng chữ “ma quang chung” nh sau:

Hình 1: Sơ đồ khối của hệ thống đèn trang trí.

- Khối phát xung chủ đạo PXCĐ có chức năng tạo ra dẫy xung cung cấp cho khối đếm Khối đếm sẽ thực hiện đếm các xung và cho kết quả ở đầu ra Q3, Q2, Q1, Q0 dới dạng mã nhị phân gửi đến cho khối giải mã Nhìn trên bảng 2 ta thấy có 15 trạng thái khác nhau của tổ hợp biến Q, do đó muốn có 15 trạng thái này ta phải dùng bộ đếm 4 bit môdun 15 Khối giải mã sẽ nhận các đầu ra của bộ đếm, tiến hành giải mã tạo ra các hàm tơng ứng với 12 ký tự của dòng chữ “ma quang chung” để đa đến khối hiển thị Nhận các tín hiệu điều khiển của khối giải mã, khối hiển thị thực hiện hiển thị hay nói cách khác là điều khiển sự sáng tắt của các ký tự theo luật của tín hiệu điều khiển Nh vậy ta có thể chia sơ đồ khối thành hai phần chính là phần hiển thị và phần điều khiển hiển thị Phần hiển thị có chức năng hiển thị các ký tự theo yêu cầu của bài đặt ra.

Việc đảm bảo phần hiển thị làm việc đúng quy luật đợc phần điều khiển đảm nhiệm Để có thể hiểu rõ đợc hoạt động của hệ thống ta đi thiết kế cho từng khối.

3.Khối phát xung chủ đạo dùng vi mạch IC 555.

Khối phát xung chủ đạo có nhiệm vụ phát ra một dẫy xung liên tục cung cấp cho khối đếm Yêu cầu đặt ra đối với khối này là xung ra phải thay đổi đợc chu kỳ để từ đó có thể thay đổi đợc thời gian tồn tại trạng thái các ký tự Hình 2 là sơ đồ nguyên lý của một mạch phát xung chủ đạo đáp ứng đợc các yêu cầu

Date:1-Jan-1997 Sheet of File:C:\ADVSCH\HH03.SCHDrawn By:

cấu tạo từ hai phần tử khuyếch đại thuật toán OA1, OA2 và một Trigơ R-S Hai khuyếch đại thuật toán OA1, OA2 đợc mắc theo kiểu mạch so sánh có đầu vào không đảo nối với cầu phân áp dùng 3 điện trở R Do đó điện áp đặt tới đầu vào không đảo của OA1 là và điện áp đặt tới đầu vào không đảo của OA2 là

Đây là hai điện áp ngỡng của hai mạch so sánh Hai đầu vào đảo của OA1 và OA2 đợc đa ra ngoài qua hai chân 6 và 2 của vi mạch Chúng đợc nối với nhau và nối với tụ C Nh vậy điện áp trên tụ C đợc đa tới hai khuyếch đại thuật toán để so sánh với hai điện áp ngỡng lấy trên cầu phân áp Đầu ra của hai KĐTT đợc đa tới hai đầu vào R và S của trigơ, xung ra của mạch đợc lấy trên đầu ra  của trigơ R-S thông qua cổng NAND.

* Nguyên lý hoạt động của mạch phát xung:

Hình 4: Giản đồ thời gian của điện áp trên mạch phát xung * Giả sử tại thời điểm đầu (t = 0) điện áp trên tụ C là

thì đầu ra OA1 có mức logic1 còn đầu ra OA2 có mức logic 0 Đầu vào R của trigơ R-S có mức logic 1, còn đầu vào S có mức logic 0 dẫn đến đầu ra  có mức logic 1 làm cho

tranzitor T thông Tụ C phóng điện qua RB, qua T về mát làm cho điện áp trên nó giảm đến giá trị Ubh Điện áp ra của mạch phát xung bằng không, hay không có xung ra: Ura = 0

+Khi điện áp trên tụ giảm xuống thì đầu ra của OA1 và OA2 đều có mức logic 0 Điều này làm hai đầu vào R, S của trigơ đều có mức logic 0 nên trigơ vẫn giữ nguyên trạng thái, Tvẫn mở, tụ C tiếp tục phóng điện và Ura = 0.

+ Đến thời điểm t1 điện áp nên đầu ra OA2 có mức logic 1, còn đầu ra OA1 vẫn có mức logic 0 Lúc này đầu vào S của trigơ có mức logic 1 nên đầu ra của trigơ chuyển trạng thái và  có mức logic 0 Qua cổng NAND ta có xung điện áp ra: Ura = 1 Khi đó tranzitor T khoá tụ C đợc nạp từ +UCC  RA  RB  C  mát Trong qua trình nạp thì điện áp trên tụ tăng dần theo biểu thức sau :

.

Trong đó UC là điện áp trên tụ C, tn thời gian nạp của tụ C + Khi điện áp trên tụ tăng đến giá trị thì đầu ra của OA2 chuyển trạng thái từ mức logic 1 về mức logic 0 làm đầu vào S của trigơ có mức logic 0 Đầu ra của OA1 lúc này vẫn giữ nguyên trạng thái ở mức logic 0 nên đầu vào R của trigơ cũng ở mức logic 0 Hai đầu vào của trigơ R-S đều có mức logic 0 nên trigơ vẫn giữ nguyên trạng thái, điện áp Ura =1, tụ C tiếp tục đợc nạp

+ Cho đến thời điểm t2 điện áp trên tụ tăng đến giá trị UC  2UCC/3 thì đầu ra của OA1 chuyển trạng thái lên mức logic1 Lúc này đầu vào R của trigơ mang mức logic 1, đầu vào S vẫn giữ nguyên trạng thái ở mức logic 0 làm cho Trigơ lật trạng thái Đầu ra  của trigơ chuyển từ mức logic 0 nên mức logic 1 làm T thông bão hoà, quá trình nạp điện của tụ C kết thúc và tụ C lại phóng điện Qua cổng NAND ta có điện áp Ura = 0, kết thúc một chu kỳ của xung ra

+ Từ thời điểm t2 t3 tụ C lại phóng điện, hoạt động của mạch lặp lại quá trình từ 0 t1 Kết quả là ta thu đợc một dẫy xung vuông ở đầu ra trên chân 7 của vi mạch 555.

Trong một chu kỳ phóng nạp của tụ thì ta lấy ra đợc một xung vuông ở đầu ra Để thay đổi tần số xung ra và độ rộng xung thì thay đổi thời gian phóng nạp cho tụ bằng cách thay đổi giá trị các điện trở RA và RB.

Thời gian để điện áp trên tụ đạt đến giá trị UC = 2UCC /3 ta tính đợc theo công thức sau:

Đơn giản phơng trình ta đợc :

Trong thời gian từ 0  t1 thì tụ C phóng điện từ giá trị UC = 2UCC /3 qua RB và qua T về mát nên ta có biểu thức sau:

Với tp là thời gian phóng của tụ C.

Trong công thức này ta không kể đến nội trở của tranzitor T vì điện trở của nó rất nhỏ so với điện trở RB

Nhìn trên giản đồ thời gian ta thấy chu kỳ của xung điện áp ra là T bằng khoảng thời gian phóng điện và nạp điện của tụ C.

T = tn + tp = 0,69(RA + RB).C + 0,69RB.C = 0,69(RA + 2RB).C.

Giả sử ta mắc thêm điôt D song song với điện trở RB nh hình vẽ thì tụ C sẽ nạp điện theo đờng +Ucc  RA  D  C  mát Nếu ta bỏ qua nội trở không đáng kể của điốt D thì thời gian nạp của tụ C sẽ đợc tính: tn = 0,69.C.RA, và chu kỳ của xung ra sẽ đợc tính: T = tn + tp = 0,69.RA.C + 0,69.RB.C = 0,69.(RA +

RB).C Nếu ta chọn RA = RB thì hằng số thời gian nạp của tụ bằng hằng số thời gian phóng và:

T = 2.tn = 2.tp = 0,69.2.RA.C = 1,38.RA.C.

Nhìn vào biểu thức ta thấy khi muốn thay đổi chu kỳ  của xung ra ta có thể thực hiện bằng 2 cách là thay đổi dung l-ợng của tụ C hoặc thay đổi giá trị của điện trở RA, và RB Trên hình 1 để có thể thay đổi đợc  ta điều chỉnh hai biến trở WR1 và WR2, đây là hai biến trở đồng trục mà khi ta tăng thì chúng cùng tăng còn khi ta giảm thì chúng cùng giảm nên WR1 = WR2 = WR Với mạch nh hình 1 ta có công thức tính chu kỳ của

ra 4 ®Çu ra Víi bé

Từ giản đồ thời gian của điện áp trên bộ đếm ta đa ra đồ hình biểu diễn sự thay đổi của điện áp trên bộ đếm nh hình 6.

Ngời ta thờng xây dựng bộ đếm từ các phần tử cơ bản là các trigơ, có thể từ trigơ đếm T, trigơ D, trigơ R-S hoặc từ các trigơ J-K ở đây ta chọn phơng án bộ đếm xây dựng từ các trigơ T Nó có 2cửa vào là C, T, trong đó C là cửa vào đồng bộ, T, là cửa vào điều khiển Và nó thoả mãn

T = "0” Trạng thái trigơ giữ nguyên  Qn+1 = Qn.

T =”1” Trigơ lật trạng thái  Qn+1 = Qn

Từ bảng trạng thái hình 2 của trigơ T ta đa ra bảng kích hình 4 Trong đó n là trạng thái hiện tại, n+1 là trạng thái tơng

lai, (-) là trạng thái tuỳ chọn có thể là mức logic 0 cũng có thể là mức logic 1, (x) là trạng thái cấm Để xây dựng bộ đếm 4 bit ta cần 4 trigơ T nh trên, nếu ta coi các đầu ra Q của các trigơ là biến còn đầu vào T là hàm, thì với môđun 15 ta có bảng trạng

Hình12

III- Khối giải mã

Khối giải mã nhận các biến vào là các đầu ra của bộ đếm, tuỳ theo yêu cầu đặt ra của đề bài mà cho ra các hàm với quy luật phù hợp, các hàm đó tơng ứng với các kí tự thuộc dòng chữ ta cần trang trí Khối giải mã có thể đợc xây dựng từ các cổng lôgic cơ bản, điôt bán dẫn hoặc từ bộ nhớ chỉ đọc (ROM) Ta thiết kế mạch giải mã sử dụng

Thứ hai: khi tất cả các kí tự sáng hết thì sau đó cùng tắt rồi lại cùng sáng và lại tắt hết để sang một chu kì mới bắt đầu từ yeeu cầu thứ nhất

Xuất phát từ yêu cầu trên ta có bảng trạng thái của các kí tự trong một chu kì làm việc của bộ đếm nh sau:

H×nh 13 :BiÓu diÔn tr¸ng th¸i c¸c kÝ tù thuéc dßng ch÷ “ma quang chung”trong mét chu k×

sttQ3Q2Q1Q0m a Q u an g chuN g

Hình14: Biểu diễn các trạng thái các hàm trong dòng chữ ‘ma quang chung” theo các biến Q ứng với tổ hợp biến vào

Bằng cách lập bìa Cácnô cho từng hàm sau đó tối giản và biểu diễn dới dạng tuyển ta có quan hệ giữa hàm với biến nh

Thực hiện tối giản dùng bìa Cacnô ta nhân đợc kết quả sau:

Trên sơ đồ ta thấy các cột tơng ứng là nguồn dơng (+E) và các đầu ra Q, /Q của bộ đếm, các điện trở có trị số bằng nhau Ta nhận thấy để thực hiện phép toán nhân các điôt có Anôt nối chung (số điôt bằng số thừa số), còn phép toán cộng có Katôt nối chung (số điôt bằng số số hạng) các điôt sử dụng trong mạch giải mã là các điôt chỉnh lu thông thờng có công suất nhỏ Ta có thể chọn loại IN 4007 có rất sẵn trên thị trờng

IV- Khối khuếch đại – hiển thị

Để thực hiện hiển thị ngời ta có thể sử dụng các đèn LED công suất nhỏ hoặc cũng có thể là các đèn sợi đốt công suất lớn Tín hiệu từ mạch giải mã sau khi đợc khuếch đại sẽ cấp cho các bóng đèn trong mạch hiển thị do đó sự sáng tắt của ccác bóng đèn tuân theo quy luật của tín hiệu mạch giải mã đa ra mặt khác ta biết tín hiệu từ mạch giải mã đa ra là tín hiệu lôgic, nó chỉ tồn tại một trong hai trạng thái có hoạc không (1 hoặc 0), do đó các bóng đèn trong mạch hiển thị cũng chỉ ở một trong hai trạng thái sáng hoặc tắt

Ta muốn trang trí với quy mô lớn thì cần phải có mạch hiển thị có công suất lớn đó là mạch khuếch đại dùng Thiristor Giả sử ta cần hiển thị kí tự “N” ở quy mô nhỏ ngời ta dùng các đèn LED ghép lại, do đó mạch có công suất vừa và nhỏ Việc điều khiển kí tự (N) sáng tắt trở nên hết sức đơn giản, ta có thể sử dụng Tranzitor để thực hiện việc này Nhng nếu ta cần hiển thị ở quy mô lớn hơn htì ta không thể dùng các đèn LED ghép lại đợc vì làm nh vậy sẽ phải tốn rất nhiều LED.Cho nên ta sẽ sử dụng nhiều đèn sợi đốt có công suất lớn để ghép lại thành kí tự (N) Khi đó mạch hiển thị của chúng ta cũng có công suất rất lớn để cấp nguồn cho mạch này ta vấn có thể dùng Tranzitor công suất lớn Song ở công suất lớn các Tranzitor thờng có giá thành khá cao, mặt khác vấn đề tản nhiệt cho Tranzitor cũng rất phức tạp Lhắc phục các nhợc điểm trên của Tranzitor ta thay thế chung bằng các Tiristor có giá thành rẻ hơn mà công suất lại lớn hơn.

Nh đã biết Tiristor mở khi đợc đặt điện áp phân cực thuận (UAK>0) đồng thời cấp xung điều khiển (xung dơng) đến hai cực G và

K khi Tiristor đã mở thì nó sẽ giữ nguyên trạng thái cho dù ta đã ngừng cấp xung điều khiển, trạng thái này chỉ mất (Tiristorchỉ khoá) khi điện áp đặt lên A và K của nó bằng 0 hoặc phân cực ngợc (UAK =< 0) Dựa vào các phân tích trên ta đa ra mạch khuyếch đại công suất dùng Tiristor nh sau (ta trình bày cho kí tự ”N” và “H”, các kí tự khác có cấu tạo hoàn toàn tơng tự chỉ khác ở cách sắp xếp vị trí, số lợng các đèn sợi đốt ):

Hình 16: Giản đồ thời gian mô tả hoạt động của mạch hiển thị kí tự “N ”

*Chức năng các phần tử trong sơ đồ

+ D1, D2, D3, D4, tạo thành mạch chỉnh lu điện áp ra Ud của mạch chỉnhlu do không có phần tử lọc nên có dạng đập mạch nh giản đồ thời gian

+ Trên sơ đồ kí tự “N” và “H” đợc ghép thành từ 22 và 20 bóng đèn sợi đốt song song với nhau và chúng đợc nắc nối tiếp với Tiristor Ti khi Ti mở thì các bóng đèn sáng còn khi Ti khoá thì các bóng đèn tắt.

+ Tiristor Ti là phần tử khuyếch đại với tải là các bóng đèn trong kí tự “N” và “H”, thực chất nó hoạt động nh một khoá điện tử dùng để đóng hoặc cắt nguồn cung cấp cho các bóng đèn thuộc các kí tự

+ T1, T2: Hai Tranzitor khuyếch đại công suất

+ BAX: biến áp xung có chức năng truyền xung tới Ti, thực hiện cách li mạch điều khiển voéi mạch lực Ngoài ra nó còn có khả năng sửa lại độ rộng xung cho phù hợp khi xung đa tới cực gốc của Tranzitor có đọ rộng quá lớn.

+ Diôt D5nối tiếp R3 có nhiệm vụ dập sứ điện động tự cảm sinh ra trên cuộn thứ cấp biến áp xung, D6 có chức năng dập sức điện động tự cảm trên cuộn thứ cấp biến áp xung.

+ Xung “N” và”H” đợc lấy từ đầu ra của mạch giải mã, thực chất nó là các dãy xung có quy luật biến thiên theo quy luật của kí tự N, H trong dòng chữ “ma quang chung” Độ rộng của xung này sẽ quyết định thời gian sáng của kí tự hay nói cách khác là quyết định thời gian mở vcủa Tiristor Ti Do xung “N, H” thờng có độ rộng trất lớn, nếu ta đa xung này tới mở Tiristor thì rất có thể tiếp giáp điều khiển Tiristor sẽ bị đánh thủng, đồng thời gây tổn hao

công suất để an toàn cho Tiristor mà vẫn giữ nguyên đợc thời gian mở của Tiristor ta thực hiện băm xung “N, H” ra thành một dãy xung có chiều dài bằng độ rộng của xung “N, H” Tuy nhiên dãy xung băm phải thoả mãn là mỗi xung đơn có độ rộng đủ mở Tiristor, thông thờng độ rộng này thờng vào khoảng 200s  600s tuỳ thuộc vào loại Tiristor cần điều khiển Khi ngừng cấp xung, Tiristor sẽ khoá vào thời điểm điện áp đặt lên hai điện cực bằng 0 và giữ nguyên trạng thái này

+ Phần tử AND đóng vai trì là mạch sửa xung, băm xung “N, H” thành một dãy xung có giản đồ nh hình vẽ.

Tiristor đồng pha với điện áp trên nó và có dạng nh giản đồ thời gian

+ ở thời điểm t,

1 tuy không còn xung cấp cho Ti nhng nó vẫn mở vì điện áp trên nó vẫn > 0, đến thời điểm t3 điện áp trên Tiristor giảm về bằng 0 nên Tiristor khoá, các bóng đèn tắt

Nh vập khi đợc cấp xung điều khiển thì Tiristor nở dẫn dòng, còn khi khong có xung điều khiển Tiristor sẽ bị khoá bởi điểm 0 cảu điện áp Ud kí tự “V, N” dợc hiển thị khi Ti mở và thời gian mở đúng bằng thời gian tồn tại của dẫy xung cấp cho Tiristor.

Trên đây ta chỉ xét cho mạch hiển thị kí tự “N, H”, để hiển thị cho các kí tự khác ta thiết kế hoàn toàn tơng tự để tạo ra dãy xung băm C với độ rộng xung đủ nhỏ, tần số cao ta có thể sử dụng mạch phát xung dùng vi mạch 555.

Đây là một mạch phát xung vuông mà độ rộng xung của mạch quyết định độ rộng xung đa đến điều khiển Tiristor Giả sử xung điều khiển Tiristor mạch lực yêu cầu có độ rộng tx = 200s thì chu kì dãy xung ra T đợc tính: Khi ta chỉnh biến trở WR về giá trị min thì độ rộng xung ra của mạch trên có giá trị nhỏ nhất Với các thông số trên và khi WR = 0 thì ta có chu kì Tmin nh sau: Tmin= (WR+R).C = 10000.10-8 = 10-4 (s).

Vậy độ rộng của xung txmin = Tmin/2 = 5.10-5 = 50 (s).

Tơng tự trên khi ta chỉnh WR nên giá trị max(WR=50000) thì ta có Tmax nh sau: Tmax = (WR+R).C = (10000 + 50000).10-8 = 6.10-4(s).

 txmax = Txmax/2 = 3.10-4 = 300(s).