Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp được thực hiện tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 03/2000) trong bối cảnh hạ tầng bưu chính viễn thông và lưới điện quốc gia đang được ưu tiên đầu tư phát triển phục vụ công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Sự mở rộng của mạng lưới cáp điện thoại kết hợp cùng mạng lưới truyền tải điện đến các vùng sâu, vùng xa đã tạo tiền đề kỹ thuật cho việc xây dựng các hệ thống điều khiển từ xa. Nhu cầu thực tiễn đặt ra là cần có thiết bị đóng ngắt các thiết bị điện đặt tại những vị trí hiểm trở, độc hại hoặc không có người trực thông qua hạ tầng mạng viễn thông sẵn có.

Đề tài xuất phát từ việc kế thừa và phát triển hai công trình nghiên cứu trước đó tại trường:

  • Luận văn của sinh viên lớp 94TTC (Khóa 22, hướng dẫn: TS. Trần Thu Hà): "Mạch điều khiển từ xa bằng điện thoại", chỉ điều khiển được 4 tải bóng đèn, ngắt đồng thời mà không điều khiển riêng lẻ từng tải, mật mã đơn giản (chỉ có 1 chữ số cố định là số 1) và không kiểm tra được trạng thái làm việc của tải.
  • Luận văn của sinh viên lớp 6A95KĐĐ (Phạm Đình Huy và Võ Đình Vĩnh Định, hướng dẫn: TS. Trần Thu Hà, đoạt giải Eureka của Thành Đoàn TP. Hồ Chí Minh): "Điều khiển thiết bị điện từ xa bằng điện thoại", đã tích hợp báo trạng thái bằng tiếng nói và đóng ngắt từng tải, nhưng số lượng tải quá ít (chỉ điều khiển được 2 tải), mật mã cố định 2 chữ số (số 35) không thay đổi được, thiếu tính năng ngắt khẩn cấp đồng loạt và phương thức thông báo tiếng nói đồng loạt gây nhầm lẫn khi số lượng tải gia tăng.

Trên cơ sở khắc phục các hạn chế trên, nhóm tác giả xác định 7 nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Thiết kế thiết bị có khả năng tự động kết nối thuê bao sau mười hồi chuông (tạo tải giả nhấc máy) và cho phép người dùng điều khiển bằng bàn phím điện thoại thông dụng (DTMF).
  2. Thiết kế hệ thống bảo mật bằng mật mã gồm 3 chữ số (từ 000 đến 999), người dùng có thể thay đổi tùy ý; mật mã vẫn được duy trì an toàn khi mất điện và có điện trở lại.
  3. Thiết kế mạch điều khiển đóng ngắt độc lập từng thiết bị điện, nâng tổng quy mô quản lý lên từ 6 đến 8 tải.
  4. Tích hợp chức năng phản hồi trạng thái làm việc của từng tải về cho người sử dụng kiểm tra theo yêu cầu (thông qua tín hiệu âm thanh/tiếng nói hoặc tiếng nhạc quy định).
  5. Thiết kế tính năng ngắt khẩn cấp đồng loạt tất cả các tải đang hoạt động ra khỏi lưới điện.
  6. Thiết kế khối tự động ngắt kết nối thuê bao sau 30 giây nếu không nhận được tín hiệu tone bấm phím từ người gọi.
  7. Thiết kế cơ chế tự động cài đặt lại trạng thái ban đầu (auto-reset) cho toàn hệ thống sau khi ngắt kết nối thuê bao cũng như khi có điện trở lại sau sự cố mất điện.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là tín hiệu thoại, tín hiệu chuông, tín hiệu đa tần kép (DTMF) trên đường dây thuê bao điện thoại cố định và các mạch logic điều khiển thiết bị điện. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc thiết kế, chế tạo mạch phần cứng thử nghiệm kết nối vào mạng điện thoại tương tự (mạch vòng thuê bao PSTN) tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử trong khoảng thời gian từ tháng 01/2000 đến tháng 02/2000.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài bao quát hai mảng kiến thức chuyên ngành: mạng viễn thông đường dây thuê bao và kỹ thuật mạch điện tử số:

  • Lý thuyết mạng và thiết bị điện thoại: Hệ thống phân cấp mạng tổng đài gồm 5 cấp (Cấp 1: Cửa ngõ quốc tế Gateway; Cấp 2: Liên tỉnh Toll Exchange; Cấp 3: Nội hạt Local Exchange; Cấp 4: Nông thôn Rural Exchange; Cấp 5: Nội bộ PABX). Dải thông tín hiệu thoại quy định từ 300 Hz đến 3400 Hz. Các đặc tính truyền dẫn gồm suy hao tín hiệu (dao động 10 dB – 25 dB), tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N \ge 30\text{ dB}$, tương đương 39,5 dB), mức công suất truyền cho phép nhỏ hơn 0 dB (1 mW), công suất phát vào mạng không vượt quá -9 dB (ở trở kháng 600 $\Omega$, đo trung bình trong 3 giây, dải tần dưới 3995 Hz) theo quy chuẩn của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-T). Tín hiệu chuông được cấp từ tổng đài là sóng hình sin có điện áp 75 $V_{\text{rms}}$ đến 90 $V_{\text{rms}}$, tần số 25 Hz, nhịp chuông thông thường 3 giây có và 4 giây không. Trở kháng một chiều (DC) của máy điện thoại khi gác máy lớn hơn 20 k$\Omega$ (hở mạch), khi nhấc máy giảm xuống dưới 1 k$\Omega$ (trong khoảng 150 $\Omega$ đến 1500 $\Omega$), dòng điện nuôi từ tổng đài đạt từ 25 mA đến 40 mA (trung bình 15 mA; dòng nguồn 20 mA đến 100 mA). Bảng tần số đa tần kép DTMF (Dual Tone Multi-Frequency) bao gồm nhóm tần số thấp (697 Hz, 770 Hz, 852 Hz, 941 Hz) và nhóm tần số cao (1209 Hz, 1336 Hz, 1477 Hz, 1633 Hz).
  • Lý thuyết kỹ thuật số và IC logic rời: Cấu trúc các mạch đếm bất đồng bộ, bộ đếm đồng bộ thuận nghịch, bộ đếm vòng Johnson; các cổng logic cơ bản (AND, OR, NAND, NOR, NOT Schmitt Trigger); các mạch chốt trạng thái (mạch chốt cổng NAND, cổng NOR, Flip-Flop D); mạch định thời và dao động dùng IC 555; nguyên lý giải mã DTMF. Nhóm tác giả thực hiện tra cứu các dòng IC số: IC đếm 4017, 7490, 74192, 74190; IC giải mã 4514, 74154, 74138; IC so sánh 7485; IC đa hợp 74251, 74151, 74152; IC giải mã hiển thị LED 7 đoạn 74247; IC thu giải mã DTMF chuyên dụng MT8870; các IC cổng logic dòng TTL 7400, 7402, 7408, 7432, 7414, 74244, 7474.

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm hai phương pháp chính:

  1. Phương pháp tham khảo tài liệu: Phân tích các luận văn khóa trước về điều khiển từ xa qua điện thoại; khảo sát các tài liệu về báo hiệu và truyền dẫn mạch vòng thuê bao, thiết bị đầu cuối bưu điện, giáo trình vi mạch số và sổ tay tra cứu linh kiện bán dẫn, vi mạch số CMOS/TTL.
  2. Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Thiết kế và thử nghiệm trực tiếp từng module chức năng trên bo mạch thử nghiệm (breadboard/test-board) với nguồn cấp chuẩn +5V DC. Các bước tiến hành bao gồm chọn mẫu thử nghiệm, vẽ sơ đồ nguyên lý, lắp ráp linh kiện, đo đạc và ghi nhận trạng thái ngõ ra theo bảng sự thật của từng IC, khảo sát tính phổ biến và giá thành của linh kiện trên thị trường Việt Nam năm 2000 trước khi quyết định đưa vào mạch in chính thức.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống thuộc loại đồ án thiết kế và chế tạo phần cứng kỹ thuật. Ban đầu, tác giả đặt ra hai phương án kiến trúc hệ thống để lựa chọn:

Tiêu chí Phương án 1: Dùng vi xử lý Phương án 2: Dùng vi mạch số (TTL/CMOS)
Cấu trúc phần cứng Gọn nhẹ, số lượng linh kiện ít, dễ thiết kế mạch in. Cồng kềnh, phức tạp, gồm nhiều khối IC rời liên kết.
Tính mềm dẻo / Chức năng Rất cao; cấu hình và mở rộng chức năng qua phần mềm. Hạn chế; khó thay đổi hoặc bổ sung thêm tính năng mới.
Khả năng sản xuất hàng loạt Khả thi cao, giá thành hạ khi sản xuất quy mô lớn. Giá thành cao, không phù hợp cho sản xuất đại trà.
Yêu cầu đối với nhóm thiết kế Cần năng lực lập trình và thời gian viết mã hệ thống. Chỉ yêu cầu thiết kế phần cứng, không cần lập trình.
Đánh giá lựa chọn Không chọn (do thời gian ngắn, kiến thức lập trình hạn chế). Được chọn (khả thi với điều kiện và thời gian thực hiện).

Hệ thống được thiết kế theo Phương án 2 gồm các khối mạch chức năng chính:

1. Khối cảm biến tín hiệu chuông

Khối được mắc song song với hai dây Tip và Ring của đường dây điện thoại. Nhiệm vụ là nhận diện điện áp chuông xoay chiều (75 $V_{\text{rms}}$ – 90 $V_{\text{rms}}$, 25 Hz), chuyển đổi thành tín hiệu xung số 0 – 5V và cách ly hoàn toàn điện áp cao khỏi khối mạch logic:

  • Tụ điện $C_1 = 0{,}68,\mu\text{F} / 250\text{V}$ (tụ không phân cực) có nhiệm vụ chặn thành phần một chiều 48 $V_{\text{DC}}$ khi máy gác, đồng thời tạo dung kháng $Z_{C1} = \frac{1}{\omega C_1} \approx 9{,}4\text{ k}\Omega$ ở tần số 25 Hz nhằm sụt áp xoay chiều của tín hiệu chuông.
  • Cầu diode 1A chỉnh lưu toàn kỳ điện áp chuông, nhân đôi tần số gợn sóng lên 50 Hz. Tụ $C_2 = 10,\mu\text{F} / 50\text{V}$ lọc phẳng điện áp nhấp nhô.
  • Diode Zener $D_{Z1}$ ($V_Z = 15\text{V}$) có chức năng chặn các xung nhiễu có biên độ thấp hơn 15V.
  • Bộ cách ly quang (Optron) 4N35 có điện áp cách điện $V_{\text{iso}} = 3350\text{V}$, dòng định mức qua LED optron $I_F = 4\text{ mA}$, sụt áp $V_F = 1{,}1\text{V}$. Điện trở hạn dòng tính toán $R_1 = 2{,}2\text{ k}\Omega$. Điện trở cực thu Optron $R_{1\text{op}} = 2{,}2\text{ k}\Omega$ nối nguồn +5V. Tín hiệu tại cực phát (chân E) của 4N35 dao động từ 0V đến +5V theo nhịp tín hiệu chuông.

2. Khối kết nối thuê bao

Khối có nhiệm vụ đếm hồi chuông và tự động đóng tải giả sau chuỗi chuông quy định:

  • Để đếm hồi chuông, tác giả so sánh IC 7490 (bộ đếm thập phân cần kết hợp cổng logic để giải mã ngõ ra) và IC 4017 (bộ đếm vòng Johnson 10 ngõ ra). Tác giả chọn IC 4017 vì khi đếm đến xung quy định, ngõ ra tương ứng tự động lên mức 1 đơn lẻ, dễ chốt trạng thái mà không cần thêm mạch giải mã ngoài.
  • Xung từ ngõ ra của Optron được đưa qua cổng đảo Schmitt Trigger (IC 7414) để định hình dạng sóng vuông chuẩn, cấp vào chân xung clock $CP_0$ (chân 14) của IC 4017.
  • Sau 9 hồi chuông, ngõ ra $O_9$ (chân 11) của IC 4017 chuyển lên mức 1 (+5V). Mức logic này được đưa ngược về chân cho phép đếm $CP_1$ (chân 13) để khóa bộ đếm, đồng thời kích dẫn transistor công suất $Q_1$, đóng cuộn dây relay $K_1$ (12V).
  • Cuộn dây relay $K_1$ được mắc song song với diode dập xung ngược $D_{d1}$ để khử sức điện động tự cảm bảo vệ mối nối B-E của $Q_1$. Tiếp điểm thường hở của $K_1$ đóng mạch nối tải giả vào đường dây.
  • Mạch tải giả tạo trở kháng tương đương máy điện thoại nhấc máy, gồm: transistor $Q_2$ (C2383, $P_{C\max} = 900\text{ mW}$, $I_{C\max} = 1\text{A}$, $\beta = 60 \div 320$), điện trở $R_{11X} = 220,\Omega$, $R_{10} = 22\text{ k}\Omega$, tụ lọc xoay chiều $C_{11X} = 47,\mu\text{F} / 50\text{V}$ và tụ $C_{13} = 100\text{ nF} / 50\text{V}$. Dòng tĩnh DC qua tải giả được thiết lập $I_{\text{DC}} = 10\text{ mA}$ tại điện áp 9V. Một cầu diode 1A mắc phía trước đường dây Tip/Ring để chống hiện tượng đảo cực tính khi tổng đài cấp dòng đảo cực hoặc đấu nhầm dây. Hai diode zener $D_{Z2}, D_{Z3}$ làm nhiệm vụ ghim áp an toàn ở mức +5V trước khi dẫn vào IC giải mã DTMF.

3. Khối điều khiển ngắt thuê bao

Khối đảm bảo ngắt tải giả giải phóng đường dây sau 30 giây nếu người dùng không thao tác phím:

  • Mạch dao động đa hài tạo xung clock sử dụng IC định thời 555. Chu kỳ xung được tính toán $T = 3{,}33\text{ s}$ ($R_3 = R_4 = 22\text{ k}\Omega$, $C = 0{,}1,\mu\text{F}$) dựa trên công thức $T \approx 0{,}7(R_3 + 2R_4)C$. Chân Reset (chân 4) của IC 555 được điều khiển bởi ngõ ra $O_9$ của IC 4017 khối kết nối thuê bao; mạch chỉ bắt đầu dao động khi thuê bao đã kết nối thành công.
  • Chuỗi xung 3,33 giây được đưa vào chân clock của một IC 4017 thứ hai. Sau 9 chu kỳ xung (tương đương khoảng $9 \times 3{,}33\text{ s} \approx 30\text{ giây}$), ngõ ra $O_9$ của IC này lên mức cao, gửi tín hiệu ngắt thông qua cổng OR (IC 7432) về chân Master Reset (chân 15) của IC 4017 khối kết nối thuê bao, làm nhả relay $K_1$, đưa máy về trạng thái gác máy hở mạch.
  • Tự động gia hạn thời gian: Tín hiệu từ chân $StD$ của IC giải mã DTMF MT8870 (chân báo hiệu nhận diện phím bấm hợp lệ) phát xung cạnh lên mỗi khi người dùng ấn một phím trên điện thoại. Xung này được đưa qua cổng logic OR để reset IC 4017 của khối ngắt về trạng thái đếm 0, giúp người dùng không bị ngắt đường dây khi đang gửi lệnh điều khiển.
  • Mạch Auto-reset dùng mạch vi phân RC tạo xung mức cao khi cấp nguồn để đưa toàn bộ hệ thống về trạng thái ban đầu khi có điện lưới trở lại.

4. Quy trình thi công mạch in

Quá trình triển khai thực tế gồm 3 giai đoạn:

  1. Chuẩn bị đầy đủ linh kiện bán dẫn, IC logic, relay và dụng cụ gia công mạch.
  2. Thiết kế bản vẽ mạch in hai mặt (mặt đỉnh và mặt đáy) cho mạch kiểm soát mật mã và mạch điều khiển tải công suất; tiến hành ăn mòn, khoan lỗ chân linh kiện.
  3. Lắp ráp linh kiện theo sơ đồ bố trí mặt trên, hàn chì và kiểm tra từng khối mạch độc lập trước khi liên kết toàn hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Bố cục khóa luận gồm 7 chương được phân bổ trên 70 trang nội dung:

CHƯƠNG I: DẪN NHẬP

Tác giả trình bày bối cảnh công nghiệp hóa - hiện đại hóa, tầm quan trọng của việc kết hợp mạng viễn thông và lưới điện; phân tích ưu điểm và tồn tại kỹ thuật của các đề tài khóa 94 và 95; xác định các mục tiêu chế tạo: tự động kết nối sau 10 hồi chuông, mật mã 3 chữ số có thể thay đổi (000 - 999), điều khiển độc lập từ 6 đến 8 tải, ngắt khẩn cấp đồng loạt, kiểm tra trạng thái tải theo yêu cầu, tự ngắt thuê bao sau 30 giây không thao tác và auto-reset khi khôi phục nguồn điện. Liệt kê danh mục tài liệu tham khảo cốt lõi.

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ LUẬN

Trình bày hai phương pháp nghiên cứu khoa học được áp dụng: phương pháp tham khảo tài liệu kỹ thuật chuyên ngành và phương pháp thực nghiệm trên breadboard. Tổng hợp các thông số kỹ thuật của các đề tài trước; phân loại và khảo sát các họ IC logic TTL, CMOS (bộ đếm, giải mã địa chỉ, so sánh, đa hợp, chốt cổng NAND/NOR, Trigger 7414, IC giải mã DTMF MT8870, định thời 555) và linh kiện bán dẫn rời (transistor, optron, diode zener, relay). Xác lập bảng sự thật và tiêu chí chọn lựa IC tối ưu về chức năng và tính phổ dụng thương mại.

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ ĐIỆN THOẠI

Cung cấp bức tranh tổng thể về mạng viễn thông: phân cấp 5 cấp tổng đài điện thoại; các đặc tính truyền dẫn (dải thông âm thoại 300 - 3400 Hz, cơ chế suy hao, tiếng dội và phương pháp triệt tiếng dội theo chuẩn ITU-T, các dạng nhiễu nhiệt, xuyên âm, nhiễu xung); phân loại tổng đài nhân công, cơ điện và điện tử (phương thức ghép kênh SDM, TDM, FDM). Trình bày thông số kỹ thuật đường dây thuê bao hai dây Tip/Ring, cơ chế quay số xung (Pulse) và quay số tần số kép (DTMF), các âm hiệu mạng (mời quay số Dial Tone 425 Hz, báo bận Busy Tone 425 Hz nhịp 0,5s/0,5s, tín hiệu chuông 90 $V_{\text{rms}}$ 25 Hz nhịp 3s/4s, hồi chuông Ring Back Tone) và chu trình trao đổi tín hiệu giữa tổng đài và máy điện thoại.

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠCH

Trọng tâm kỹ thuật của đồ án. So sánh hai phương án thiết kế (dùng vi xử lý và dùng vi mạch số rời), lập luận chọn phương án vi mạch số. Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống gồm các khối liên kết. Thiết kế chi tiết từng khối mạch: tính toán thông số khối cảm biến tín hiệu chuông (tụ $C_1$, diode zener, optron 4N35), khối kết nối thuê bao (so sánh IC 7490 và 4017, mạch kích relay, mạch tải giả với transistor C2383), khối điều khiển ngắt thuê bao tự động sau 30 giây (mạch dao động 555 chu kỳ 3,33s, IC 4017 và cơ chế reset từ chân $StD$ của MT8870). Trình bày nguyên lý khối giải mã DTMF MT8870, khối giải mã hiển thị, khối mật mã 3 chữ số (sử dụng IC đếm 74192, IC so sánh 7485, IC đa hợp 74151, IC giải mã 4514 và mạch chốt cổng NAND/NOR), khối kiểm tra trạng thái làm việc của tải và sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh.

CHƯƠNG V: THI CÔNG

Mô tả quy trình chế tạo phần cứng qua 3 giai đoạn: chuẩn bị danh mục dụng cụ và linh kiện; sử dụng phần mềm vẽ mạch in, thiết kế layout mạch in mặt đỉnh và mặt đáy cho khối mật mã và khối điều khiển tải công suất; tiến hành lắp ráp linh kiện, hàn chì và quy trình kiểm thử từng module chức năng trước khi ghép nối tổng thể nhằm kịp thời phát hiện, xử lý các sai sót kỹ thuật.

CHƯƠNG VI: HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG

Hướng dẫn chi tiết quy trình vận hành hệ thống điều khiển: cách thức quay số gọi đến thuê bao lắp mạch, chờ mạch tự động nhấc máy sau chuỗi hồi chuông, nhập mật mã 3 chữ số cài đặt trước, sử dụng các phím số quy định trên bàn phím điện thoại để đóng/ngắt từng tải điện, kiểm tra trạng thái hoạt động của từng tải và kích hoạt chế độ ngắt khẩn cấp toàn bộ tải ra khỏi lưới điện. Hướng dẫn các bước thao tác trên phần cứng để cài đặt và thay đổi mật mã mới (000 - 999).

CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra; tổng kết các kỹ năng chuyên môn về thiết kế mạch số, xử lý tín hiệu viễn thông và kỹ thuật thi công mạch in mà nhóm sinh viên tích lũy được; thẳng thắn nhìn nhận những hạn chế của hệ thống phần cứng rời; vạch ra các hướng nghiên cứu nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình phần cứng điều khiển thiết bị điện qua mạng điện thoại sử dụng toàn bộ vi mạch số rời. Bảng đối chiếu các chỉ số kỹ thuật thực nghiệm giữa đề tài với các nghiên cứu tiền nhiệm:

Chỉ số kỹ thuật Luận văn khóa 94 (lớp 94TTC) Luận văn khóa 95 (lớp 6A95KĐĐ) Đồ án tốt nghiệp (năm 2000)
Số lượng hồi chuông tự kết nối 5 hồi chuông Không nêu cụ thể 9 hoặc 10 hồi chuông
Cấu trúc mật mã bảo vệ 1 chữ số cố định (số 1) 2 chữ số cố định (số 35) 3 chữ số (000 – 999), thay đổi được
Khả năng lưu mật mã khi mất điện Không hỗ trợ Không hỗ trợ Có (mật mã duy trì khi mất nguồn)
Số lượng tải điều khiển 4 tải (bóng đèn) 2 tải 6 đến 8 tải độc lập
Chế độ điều khiển tải Đóng/ngắt đồng thời Đóng/ngắt từng tải riêng biệt Đóng/ngắt độc lập từng tải
Chế độ ngắt khẩn cấp toàn bộ Có Không có Có (ngắt đồng loạt tức thời)
Kiểm tra trạng thái tải Không có Báo đồng loạt bằng tiếng nói Kiểm tra riêng từng tải theo yêu cầu
Thời gian tự ngắt khi không thao tác Sau 5 giây Không nêu cụ thể Sau 30 giây (có tự gia hạn khi bấm phím)
Cơ chế khôi phục ban đầu Không nêu cụ thể Không nêu cụ thể Tự động Auto-reset khi ngắt hoặc có điện lại

Các giải pháp kỹ thuật chính được nhóm tác giả đề xuất và hoàn thiện:

  • Mạch tải giả kết hợp transistor công suất C2383 và mạch cầu diode chống đảo cực, giải quyết vấn đề tương thích trở kháng với đường dây bưu điện và chống sự cố đảo cực tính khi tính cước.
  • Giải pháp bảo mật dùng vi mạch số logic cho phép người dùng tự đổi mật khẩu 3 chữ số từ 000 đến 999 mà không làm mất thông tin khi mất điện lưới.
  • Cơ chế giải phóng đường dây an toàn bằng mạch định thời 555 và IC đếm 4017 kết hợp đường phản hồi $StD$ từ IC MT8870, ngăn chặn hiện tượng giữ máy gây nghẽn mạch hoặc phát sinh cước phí ngoài ý muốn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận thẳng thắn nêu rõ các hạn chế kỹ thuật do giải pháp thiết kế bằng vi mạch số rời mang lại:

  • Mạch điện có kết cấu cồng kềnh, mật độ đường mạch và số lượng linh kiện lớn, độ phức tạp phần cứng cao, dẫn đến giá thành sản xuất gia công đơn chiếc còn đắt đỏ, không có tính khả thi khi muốn đưa vào sản xuất thương mại hàng loạt.
  • Khả năng tùy biến và mở rộng thêm các tính năng điều khiển thông minh bị giới hạn nghiêm ngặt bởi cấu trúc phần cứng cố định; mỗi khi muốn thay đổi giải thuật điều khiển phải can thiệp thiết kế lại mạch in.
  • Thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài ngắn (2 tháng: 01/01/2000 đến 28/02/2000), kinh nghiệm thực tiễn và kiến thức chuyên môn của sinh viên tại thời điểm thực hiện còn hạn chế.

Hướng phát triển được tác giả xác định trong Chương VII:

  • Ứng dụng hệ thống vi xử lý hoặc vi điều khiển (như họ vi điều khiển 8051/PIC) để thay thế toàn bộ khối vi mạch số rời (khối mật mã, khối đếm chuông, khối ngắt và khối điều khiển tải), giúp thu nhỏ tối đa kích thước bo mạch, hạ giá thành và nâng cao độ ổn định.
  • Phát triển phần mềm điều khiển linh hoạt trên vi xử lý nhằm dễ dàng lập trình mở rộng số lượng tải điều khiển lên mức không giới hạn và tùy biến kịch bản phản hồi trạng thái bằng giọng nói số hóa chất lượng cao.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Viễn thông và Tự động hóa, đặc biệt là những người nghiên cứu các đề tài liên quan đến giao tiếp thiết bị đầu cuối với mạng viễn thông công cộng (PSTN).

Các phần có giá trị tham khảo kỹ thuật cao trong đồ án gồm:

  • Chương III: Cung cấp hệ thống thông số điện áp, dòng điện, trở kháng, tiêu chuẩn suy hao và dải tần DTMF trên mạng điện thoại tương tự theo khuyến nghị ITU-T.
  • Mục 4.1 và 4.2 (Chương IV): Thiết kế chi tiết khối cảm biến tín hiệu chuông (tính toán trở kháng tụ chặn AC $C_1$, cách ly bằng Optron 4N35) và khối tạo tải giả (mạch nguồn dòng transistor C2383, cầu diode chống đảo pha), có thể ứng dụng trực tiếp cho mọi mạch điện tử cần giao tiếp nhấc máy tự động với đường dây bưu điện.
  • Mục 4.3 (Chương IV): Thiết kế mạch tự ngắt thuê bao bằng IC 555 và IC 4017 có cơ chế gia hạn thời gian tự động thông qua chân nhận diện phím $StD$ của IC MT8870.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả không chọn phương án sử dụng vi xử lý mà lại sử dụng toàn bộ vi mạch số rời?
Trong mục 4.1 của Chương IV, nhóm tác giả đã phân tích và thừa nhận phương án dùng vi xử lý có ưu điểm vượt trội về độ gọn nhẹ, tính mềm dẻo và giá thành hạ khi sản xuất đại trà. Tuy nhiên, tại thời điểm thực hiện (đầu năm 2000), do thời gian hoàn thành luận văn quá ngắn (chỉ trong 2 tháng) và năng lực lập trình hệ thống vi xử lý của sinh viên còn hạn chế, nhóm đã quyết định chọn phương án dùng vi mạch số rời để đảm bảo tính khả thi về mặt thi công phần cứng.

2. Khối kết nối thuê bao sử dụng IC nào để đếm chuông và tại sao không dùng IC 7490?
Khối kết nối thuê bao sử dụng IC đếm vòng Johnson 4017 thay vì IC 7490. Mặc dù IC 7490 có thể đếm 10 xung nhưng 4 ngõ ra ở dạng mã nhị phân BCD ($Q_0, Q_1, Q_2, Q_3$), đòi hỏi phải mắc thêm cổng logic phụ để giải mã trạng thái dừng đếm. Trong khi đó, IC 4017 xuất trực tiếp mức cao tại chân duy nhất ($O_9$ - chân 11) khi đếm đến hồi chuông quy định, giúp đưa thẳng tín hiệu vào transistor kích relay đóng tải giả và khóa xung đếm một cách đơn giản, tin cậy.

3. Cơ chế tự động gia hạn thời gian 30 giây khi người dùng đang bấm phím điều khiển hoạt động như thế nào?
Mạch định thời ngắt thuê bao gồm IC 555 phát xung chu kỳ 3,33 giây và IC 4017 đếm 9 xung để đạt mốc 30 giây. Mỗi khi người dùng bấm một phím bất kỳ trên điện thoại, chân $StD$ của IC giải mã DTMF MT8870 sẽ xuất một xung vuông cạnh lên báo hiệu có tín hiệu tone hợp lệ. Xung này được đưa qua cổng OR (IC 7432) nối vào chân Master Reset (chân 15) của IC 4017 khối ngắt, đưa bộ đếm về 0 để đếm lại từ đầu, đảm bảo không ngắt máy khi người dùng vẫn đang thao tác.

4. Mạch tải giả mô phỏng trạng thái nhấc máy được cấu tạo bởi những linh kiện nào và có chức năng gì?
Mạch tải giả được cấu thành từ transistor $Q_2$ (C2383), các điện trở $R_{11X} = 220,\Omega$, $R_{10} = 22\text{ k}\Omega$, tụ lọc $C_{11X} = 47,\mu\text{F} / 50\text{V}$, tụ cách ly DC $C_{13} = 100\text{ nF} / 50\text{V}$, đi kèm cầu diode chống đảo cực và cặp diode zener $D_{Z2}, D_{Z3}$ ghim áp 5V. Mạch này đóng vai trò một nguồn dòng, đưa trở kháng một chiều của mạch vòng thuê bao xuống mức dưới 1 k$\Omega$ (tương đương máy thật nhấc tổ hợp), làm xuất hiện dòng DC 10 mA để tổng đài nhận biết kết nối thông thoại và kích hoạt tính cước.

5. Khóa luận giải quyết nhược điểm thông báo trạng thái bằng tiếng nói của đề tài khóa trước như thế nào?
Ở đề tài khóa trước (lớp 6A95KĐĐ), hệ thống tự động phát thông báo bằng tiếng nói trạng thái của tất cả các tải cùng lúc ngay sau khi nhập mã, khiến người dùng bị rối loạn thông tin khi số lượng tải nhiều lên. Đồ án này khắc phục bằng cách thiết kế chức năng kiểm tra trạng thái độc lập từng tải theo nhu cầu: người dùng muốn biết tình trạng thiết bị nào chỉ cần bấm phím kiểm tra tương ứng với thiết bị đó để hệ thống gửi tín hiệu âm thanh phản hồi riêng cho tải được chọn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển từ xa các thiết bị điện bằng điện thoại" của sinh viên Nguyễn Vũ Anh và Phạm Trọng Anh (Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, năm 2000) đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế phần cứng giao tiếp mạng điện thoại công cộng phục vụ điều khiển công nghiệp và dân dụng. Bằng việc phối hợp các họ vi mạch số rời CMOS/TTL cùng IC chuyên dụng DTMF MT8870, hệ thống đã hiện thực hóa thành công các tính năng tự động nhấc máy, bảo mật mật mã 3 số có lưu trữ, đóng ngắt độc lập tối đa 8 tải, ngắt khẩn cấp và tự giải phóng đường dây sau 30 giây. Dù mang hạn chế về kích thước phần cứng do chưa tích hợp vi điều khiển, đồ án là công trình thực nghiệm mẫu mực về kỹ thuật mạch số và chuẩn hóa giao tiếp đường dây thuê bao viễn thông giai đoạn 2000.