Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học và công nghệ hiện đại, kỹ thuật số đã thâm nhập sâu rộng vào các chuyên ngành kỹ thuật điện tử, điều khiển tự động, y tế, thông tin liên lạc và đời sống dân dụng. Sự phổ biến của các vi mạch tích hợp xử lý số mang lại độ tin cậy cao trong truyền dẫn, tính linh hoạt trong phối ghép phần cứng và hiệu quả kinh tế trong quá trình vận hành hệ thống. Đối với sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử và Tự động hóa, việc làm chủ nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử cơ bản và họ vi mạch số (IC số) là yêu cầu nền tảng trước khi tiếp cận các hệ thống điều khiển lập trình phức tạp.

Tại các đô thị, sự gia tăng nhanh chóng của mật độ phương tiện giao thông dẫn đến tình trạng ùn tắc và mất trật tự an toàn giao thông tại các nút giao cắt. Do đó, việc xây dựng và triển khai các hệ thống đèn tín hiệu giao thông điều khiển phân luồng phương tiện là một nhu cầu cấp thiết trong thực tế. Xuất phát từ bối cảnh đó, đồ án môn học "Thiết kế mạch đèn giao thông" được nhóm sinh viên ngành Tự động hóa thực hiện nhằm vận dụng các kiến thức lý thuyết về kỹ thuật số vào việc thiết kế một mô hình điều khiển đèn giao thông thực tế.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Làm quen và nắm vững nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử cơ bản và vi mạch số chuyên dụng.
  2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý và thực hiện mô phỏng hoạt động của toàn bộ hệ thống trên phần mềm Proteus.
  3. Tính toán chính xác các thông số kỹ thuật cơ bản của các linh kiện trong mạch nhằm đảm bảo mạch hoạt động ổn định.
  4. Thiết kế mạch in (PCB Layout) và thực hiện in mạch thực tế.
  5. Thi công hàn lắp linh kiện và tiến hành thử nghiệm, hiệu chỉnh để phần cứng hoạt động theo đúng yêu cầu thiết kế.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống mạch điều khiển đèn giao thông hoạt động trên nền tảng các vi mạch số rời (IC số chuẩn TTL và CMOS) kết hợp mạch định thời RC. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong khuôn khổ học phần Đồ án 1, chuyên ngành Tự động hóa, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Mở. Hệ thống tập trung giải quyết bài toán đếm lùi thời gian và chuyển đổi tín hiệu đèn điều khiển tại một nút giao thông, sử dụng hoàn toàn mạch logic phần cứng mà không sử dụng vi điều khiển lập trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình vi mạch ứng dụng

Đề tài vận dụng lý thuyết mạch số, đại số logic Boolean, lý thuyết chỉnh lưu nguồn tuyến tính và dao động xung định thời. Hệ thống sử dụng tập hợp các linh kiện và vi mạch số tiêu chuẩn:

  • Nguyên lý chuyển đổi và ổn áp nguồn tuyến tính: Kết hợp máy biến áp hạ áp $220\text{V} \rightarrow 9\text{V}$, mạch chỉnh lưu cầu diode 3A (chịu điện áp cực đại $700\text{V}$, dải nhiệt độ $-55^\circ\text{C}$ đến $150^\circ\text{C}$) và vi mạch ổn áp LM7812 đóng gói chuẩn TO-220 (điện áp vào cực đại $35\text{V}$, điện áp vào tối thiểu $14\text{V}$, dòng định mức $1.5\text{A}$, có cơ chế tự ngắt ngắn mạch và bảo vệ quá nhiệt).
  • Nguyên lý dao động và định thời xung nhịp: Sử dụng IC định thời NE555. Vi mạch này gồm hai bộ khuếch đại thuật toán so sánh điện áp (Op-Amp) với các ngưỡng chuẩn $1/3 V_{CC}$ và $2/3 V_{CC}$, một mạch lật RS Flip-Flop và một transistor phóng điện xả qua chân số 7 (DISCHARGE). Chu kỳ dao động và tần số xung được xác lập thông qua mạng tụ điện và điện trở nạp/xả bên ngoài.
  • Nguyên lý đếm số học: Sử dụng IC 74LS192, là bộ đếm BCD thập phân thuận/nghịch (Up/Down Counter) đồng bộ. Vi mạch tích hợp đường xung đếm lên (chân 5 - COUNT UP), đếm xuống (chân 4 - COUNT DOWN) riêng biệt, các chân nạp dữ liệu song song (DATA INPUT: $1, 9, 10, 15$), ngõ vào nạp song song không đồng bộ (chân 11 - PL) và chân reset chính không đồng bộ (chân 14 - MR). IC hoạt động ở dải điện áp $2\text{V} - 6\text{V}$, tần số điển hình $40\text{MHz}$, công suất tiêu thụ $90\text{mW}$.
  • Nguyên lý logic và so sánh trạng thái: Sử dụng các cổng logic cơ bản bao gồm IC 74LS04 (tích hợp 6 cổng đảo NOT), IC 74HC32 (tích hợp 4 cổng OR 2 ngõ vào, điện áp $2\text{V} - 6\text{V}$, công suất $500\text{mW}$), IC CD4011 (tích hợp 4 cổng NAND chuẩn CMOS, tối ưu ở $5\text{V}$) và IC CD4081 (tích hợp 4 cổng AND 2 ngõ vào chuẩn CMOS, dải nguồn $3\text{V} - 15\text{V}$).
  • Nguyên lý giải mã và hiển thị số: Sử dụng IC giải mã 74LS247 (chuyển đổi mã nhị phân BCD 4-bit từ ngõ vào $A, B, C, D$ sang tín hiệu điều khiển LED 7 đoạn Anot chung với các ngõ ra $Q_A - Q_G$ tích cực mức thấp). Vi mạch có các chân chức năng đặc biệt: chân kiểm tra đèn $\text{LT}$ (Lamp Test), chân xóa $\text{BI/RBO}$ (Blanking Input / Ripple Blanking Output), và chân xóa số 0 vô nghĩa $\text{RBI}$ (Ripple Blanking Input). Bộ hiển thị sử dụng màn hình LED 7 đoạn Anot chung cấu tạo từ 8 đoạn phát quang riêng biệt (7 đoạn hiển thị số $a - g$ và 1 đoạn dấu chấm thập phân $DP$).

Phương pháp nghiên cứu

Nhóm tác giả đã sử dụng phối hợp các phương pháp kỹ thuật thực nghiệm:

  • Phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống: Phân rã cấu trúc hệ thống thành 8 khối chức năng độc lập, xác định giao tiếp tín hiệu logic giữa các khối từ nguồn, tạo xung, đếm, so sánh đến hiển thị.
  • Phương pháp tính toán thông số mạch: Tính toán thời hằng nạp xả của mạch RC kết hợp vi mạch 555 để tạo ra chu kỳ xung chuẩn điều khiển đếm lùi: $$\text{Tần số: } f = \frac{1}{\ln(2) \cdot (R_1 + 2R_2) \cdot C}$$ $$\text{Chu kỳ: } T = \frac{1}{f} = t_1 + t_2$$ $$\text{Thời gian mức cao: } t_1 = \ln(2) \cdot (R_1 + R_2) \cdot C$$ $$\text{Thời gian mức thấp: } t_2 = \ln(2) \cdot R_2 \cdot C$$
  • Phương pháp mô phỏng số trên máy tính: Sử dụng phần mềm chuyên ngành Proteus để vẽ sơ đồ nguyên lý toàn mạch, gán thông số linh kiện và chạy mô phỏng kiểm thử trạng thái logic, đếm thời gian và chuyển trạng thái đèn tín hiệu.
  • Phương pháp chế tạo và thực nghiệm phần cứng: Thiết kế mạch in 2 mặt (PCB Layout), tiến hành in chuyển nhiệt lên phíp đồng, ăn mòn hóa học, khoan lỗ chân linh kiện, hàn lắp và kiểm tra thông mạch thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển đèn giao thông được cấu trúc thành sơ đồ 8 khối chức năng, đảm bảo tính tuần tự và liên tục trong quá trình xử lý tín hiệu.

Khối chức năng Linh kiện / Thiết bị chính Chức năng kỹ thuật chi tiết
1. Bộ nguồn Biến áp $220\text{V}/9\text{V}$, Cầu Diode 3A, IC LM7812, Tụ lọc $1000\mu\text{F}$ Biến đổi điện áp xoay chiều $220\text{V AC}$ thành điện áp một chiều $12\text{V DC}$ ổn định cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống.
2. Khối tạo xung IC 555, Điện trở $10\text{k}\Omega$, $6.5\text{k}\Omega$, Tụ điện $1\mu\text{F}$ Phát ra chuỗi xung vuông dao động liên tục với tần số xác định đóng vai trò xung nhịp chuẩn (Clock) cho bộ đếm.
3. Khối đếm IC 74LS192 (4 IC) Nhận xung nhịp từ khối tạo xung để thực hiện quá trình đếm lùi thời gian theo chuẩn mã nhị phân BCD cho các pha đèn.
4. Khối so sánh IC 74LS04 (5 IC), 74HC32 (10 IC), 4081 (1 IC), 4011 (1 IC) Nhận tín hiệu logic từ khối đếm để giải mã trạng thái, xác định các mốc chuyển pha đèn giao thông (Đỏ, Vàng, Xanh).
5. Khối cài đặt 3 Nút ấn (Push Button), Công tắc bit (Switch) Thiết lập giá trị đếm ban đầu, cấu hình chu kỳ thời gian sáng của các pha đèn và can thiệp điều khiển hệ thống.
6. Khối giải mã IC 74LS247 (2 IC) Chuyển đổi mã BCD 4-bit từ bộ đếm 74LS192 thành mã điều khiển 7 đoạn tích cực mức thấp để lái màn hình hiển thị.
7. Khối hiển thị 4 LED 7 đoạn (Anot chung), Hệ thống LED màu Hiển thị chữ số đếm ngược thời gian (giây) và sáng các đèn tín hiệu giao thông tương ứng theo từng làn đường.
8. Khối điều chỉnh Mạch nút nhấn nhả / giữ và điện trở phân áp Hỗ trợ nạp trước trạng thái đếm thông qua chân Preset của bộ đếm BCD.

Quy trình triển khai thực nghiệm phần cứng được tiến hành tuần tự qua 4 bước:

  1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý: Thiết lập liên kết logic hoàn chỉnh giữa khối dao động 555, mạng phân tầng đếm lùi 74LS192, hệ thống cổng logic tổ hợp (NOT, AND, OR, NAND) và vi mạch giải mã 74LS247.
  2. Mô phỏng chức năng trên Proteus: Chạy mô phỏng kiểm tra chu trình chuyển đổi màu đèn (Xanh $\rightarrow$ Vàng $\rightarrow$ Đỏ), kiểm tra tính chính xác của chu kỳ đếm lùi và trạng thái xóa số 0 không hợp lệ.
  3. Thiết kế mạch in PCB: Xây dựng bản vẽ bố trí linh kiện và định tuyến đường mạch 2 lớp (mặt trước và mặt sau) trên phân hệ PCB Layout của Proteus, tối ưu hóa kích thước đường mạch nguồn và tín hiệu.
  4. Chế tạo và hàn lắp phần cứng: Gia công mạch in, khoan lỗ cơ khí, hàn các đế IC, linh kiện thụ động (điện trở, tụ điện) và cắm thử nghiệm các vi mạch số lên bo mạch hoàn thiện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 1 trình bày tổng quan về tầm quan trọng của kỹ thuật số trong thời đại kinh tế số và lý do lựa chọn đề tài thiết kế đèn giao thông phục vụ trật tự an toàn giao thông đô thị. Tác giả tiến hành phân tích, so sánh hai giải pháp kỹ thuật chính trong thiết kế mạch điện tử:

  • Phương án sử dụng vi điều khiển: Ưu điểm là mạch phần cứng nhỏ gọn, sử dụng ít vi mạch, đường mạch layout đơn giản, hệ thống dễ dàng nâng cấp mở rộng tính năng thông qua sửa đổi phần mềm; nhược điểm là đòi hỏi người thực hiện phải có kỹ năng lập trình chuyên sâu cho vi điều khiển.
  • Phương án sử dụng vi mạch số rời (IC số): Ưu điểm là không đòi hỏi kiến thức lập trình vi xử lý, bám sát các kiến thức nền tảng về linh kiện và mạch logic số cơ bản; nhược điểm là mạch điện cồng kềnh, số lượng linh kiện lớn, việc thiết kế đường mạch in layout phức tạp, khả năng mở rộng hoặc thay đổi thuật toán hoạt động bị hạn chế.

Dựa trên yêu cầu của học phần Đồ án 1 (tập trung vào kỹ năng nắm bắt linh kiện, phân tích mạch số, thiết kế và thi công mạch in cơ bản), nhóm tác giả đã quyết định lựa chọn giải pháp thiết kế sử dụng hoàn toàn các IC số rời. Chương này cũng công bố 5 mục tiêu cụ thể cần đạt được của đồ án.

Chương 2: Thiết kế mạch

Chương 2 chiếm dung lượng lớn nhất trong tài liệu, tập trung mô tả chi tiết sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động, cấu trúc chân và thông số kỹ thuật của từng linh kiện trong 8 khối mạch:

  • Bộ nguồn: Phân tích nguyên lý hạ áp qua biến áp $220\text{V} \rightarrow 9\text{V}$, chỉnh lưu toàn kỳ bằng cầu diode 3A (ghép 4 diode bán dẫn), lọc phẳng điện áp bằng tụ điện $1000\mu\text{F}$ và ổn áp ngõ ra $12\text{V DC}$ bằng IC LM7812. Chương trình bày chi tiết sơ đồ chân của LM7812 (chân 1 - Input, chân 2 - GND, chân 3 - Output) và các giải pháp thay thế tương đương như LM340-12, LM1084-12, LM317.
  • Khối tạo xung (IC 555): Phân tích chi tiết sơ đồ cấu tạo 8 chân của NE555, cơ chế chia áp $1/3 V_{CC} - 2/3 V_{CC}$ bằng 3 điện trở nội, hoạt động kích hoạt và reset của RS Flip-Flop, hoạt động của chân xả điện số 7 (DISCHARGE) cùng công thức toán học tính tần số dao động và độ rộng xung.
  • Khối đếm (IC 74LS192): Mô tả cấu trúc vi mạch đếm BCD lên/xuống 16 chân. Trình bày chức năng các chân cấp xung độc lập (chân 4, chân 5), chân nạp dữ liệu song song ($D_0 - D_3$), ngõ ra dữ liệu mã nhị phân BCD ($Q_0 - Q_3$), chân nạp tải song song không đồng bộ $\text{PL}$ và chân reset tổng $\text{MR}$.
  • Khối so sánh và điều khiển logic: Trình bày sơ đồ chân, bảng chân lý và thông số vận hành của IC cổng đảo 74LS04 (6 cổng NOT), IC 74HC32 (4 cổng OR 2 đầu vào), IC CD4011 (4 cổng NAND CMOS) và IC CD4081 (4 cổng AND 2 đầu vào).
  • Khối cài đặt và hiển thị: Trình bày cấu tạo cơ cấu tiếp điểm cơ học của nút ấn (tiếp điểm thường đóng, thường mở, lò xo hồi vị); phân tích vi mạch giải mã 74LS247 với 4 trạng thái vận hành (chế độ sáng bình thường giải mã $0 - 9$, chế độ kiểm tra đèn qua chân $\text{LT}$, chế độ xóa toàn bộ qua chân $\text{BI/RBO}$, chế độ xóa số 0 đầu qua chân $\text{RBI}$); trình bày sơ đồ phân đoạn của LED 7 đoạn Anot chung (chân cực dương chung nối nguồn và các đoạn phát quang $a, b, c, d, e, f, g$ nối qua điện trở hạn dòng).
  • Tổng hợp danh mục linh kiện: Bảng thống kê toàn bộ linh kiện sử dụng trong đồ án.
STT Tên linh kiện Ký hiệu / Mã hiệu Số lượng
1 IC hẹn giờ / định thời NE555 01
2 IC cổng đảo NOT 74LS04 05
3 IC 4 cổng AND 2 ngõ vào CD4081 01
4 IC 4 cổng NAND 2 ngõ vào CD4011 01
5 IC ổn áp nguồn tuyến tính LM7812 01
6 IC 4 cổng OR 2 ngõ vào 74HC32 10
7 IC đếm BCD thuận nghịch 74LS192 04
8 IC giải mã LED 7 đoạn 74LS247 02
9 Biến áp nguồn $220\text{V} \rightarrow 9\text{V AC}$ 01
10 Điện trở $330\Omega$ 01
11 Điện trở $10\text{k}\Omega$ 07
12 Điện trở $6.5\text{k}\Omega$ 01
13 Tụ hóa lọc nguồn $220\mu\text{F}$ 01
14 Tụ hóa định thời $1\mu\text{F}$ 03
15 Nút ấn điều khiển Nút nhấn nhả / giữ 03
16 Màn hình hiển thị LED LED 7 đoạn Anot chung 04

Chương 3: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của mạch

Chương 3 trình bày việc tổng hợp toàn bộ các khối chức năng thành một sơ đồ nguyên lý mạch đèn giao thông hoàn chỉnh. Nội dung chương tập trung vào:

  • Nguyên lý hoạt động tổng thể: Xung nhịp $1\text{Hz}$ tạo ra từ IC 555 được đưa vào chân đếm lùi của tầng đếm IC 74LS192. Dữ liệu BCD từ bộ đếm được truyền đồng thời đến IC 74LS247 để giải mã hiển thị số giây đếm ngược trên LED 7 đoạn, và đưa vào mạng cổng logic (74LS04, 74HC32, 4081, 4011) để so sánh ngưỡng, kích hoạt chuyển đổi trạng thái giữa các đèn tín hiệu Xanh, Vàng, Đỏ của hai trục đường giao thông.
  • Mô phỏng trên Proteus: Trình bày hình ảnh sơ đồ mạch vẽ trên Proteus và kết quả kiểm tra dạng sóng, hoạt động đếm lùi thời gian thực trên môi trường mô phỏng.
  • Thiết kế mạch in PCB: Trình bày các bản vẽ layout mạch in trên phần mềm Proteus bao gồm lớp mạch in mặt trước (Top Layer) và lớp mạch in mặt sau (Bottom Layer).
  • Kết quả gia công thực tế: Minh họa kết quả sau khi in, ăn mòn phíp đồng và sản phẩm mạch phần cứng sau khi hàn linh kiện hoàn thiện.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra ban đầu với các sản phẩm và dữ liệu kỹ thuật cụ thể:

  • Thiết kế thành công sơ đồ nguyên lý mạch đèn giao thông sử dụng 25 vi mạch số rời kết hợp các linh kiện thụ động.
  • Mô phỏng hoàn chỉnh và kiểm chứng độ chính xác của logic điều khiển trên phần mềm Proteus trước khi thi công phần cứng.
  • Xuất bản vẽ và gia công thành công bo mạch in PCB 2 mặt trên phần mềm Proteus.
  • Lắp ráp, hàn hoàn thiện phần cứng với 16 hạng mục linh kiện, mạch vận hành ổn định chức năng đếm lùi thời gian và điều khiển hệ thống đèn tín hiệu giao thông.

Đóng góp và bài học kinh nghiệm

Về mặt học thuật và kỹ năng thực hành, đồ án mang lại các đóng góp chính:

  • Hệ thống hóa toàn diện phương pháp thiết kế mạch logic điều khiển tuần tự và tổ hợp bằng các vi mạch số họ 74xx và 40xx.
  • Giúp sinh viên nắm vững kỹ năng sử dụng phần mềm Proteus trong cả hai khâu: mô phỏng tương tác mạch nguyên lý (ISIS) và thiết kế mạch in chuyên nghiệp (ARES).
  • Rèn luyện kỹ năng thực hành chế tạo bo mạch, hàn linh kiện chân cắm (DIP) và kỹ năng đo kiểm, phát hiện lỗi phần cứng trên mạch thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Dựa trên phân tích thực tế của nhóm tác giả trong văn bản, đồ án tồn tại các hạn chế:

  • Do sử dụng hoàn toàn vi mạch số rời (IC số), hệ thống yêu cầu số lượng vi mạch lớn (25 IC các loại), dẫn đến kích thước bảng mạch cồng kềnh.
  • Sơ đồ mạch in PCB có mật độ đường dây dày đặc, việc thiết kế layout và gia công thủ công phức tạp, tiềm ẩn rủi ro chạm chập đường mạch.
  • Tính linh hoạt của hệ thống thấp: khi cần thay đổi chu kỳ đếm, đổi thời gian sáng của các pha đèn hoặc bổ sung tính năng ưu tiên làn đường, người thực hiện phải thiết kế lại toàn bộ phần cứng và mạch logic so sánh chứ không thể cấu hình mềm.

Hướng phát triển tiếp theo

Từ những phân tích so sánh ở Chương 1, hướng phát triển tự nhiên của đề tài được xác định:

  • Chuyển đổi giải pháp điều khiển từ vi mạch số rời sang sử dụng các dòng vi điều khiển chuyên dụng (như vi điều khiển họ 8051, PIC, AVR hoặc ARM).
  • Tinh gọn tối đa kích thước phần cứng, giảm thiểu số lượng IC trên bo mạch, đơn giản hóa mạch in PCB và nâng cao tính mở rộng thông qua lập trình phần mềm điều khiển.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu học tập và tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Tự động hóa, Kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Máy tính đang thực hiện học phần Đồ án môn học 1, Kỹ thuật số, hoặc Thực hành Điện tử cơ bản.
  • Người học cần tài liệu tra cứu chi tiết về sơ đồ chân, nguyên lý hoạt động và công thức tính toán của các linh kiện kinh điển: IC định thời NE555, IC đếm BCD 74LS192, IC giải mã LED 7 đoạn 74LS247, IC ổn áp LM7812 và các cổng logic cơ bản (74LS04, 74HC32, CD4011, CD4081).
  • Người mới bắt đầu làm quen với quy trình thiết kế phần cứng: từ khâu phân tích sơ đồ khối, vẽ mạch nguyên lý, chạy mô phỏng trên Proteus đến khâu xuất bản vẽ layout PCB và gia công mạch in.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn phương án thiết kế bằng IC số thay vì sử dụng vi điều khiển?

Theo phân tích của nhóm ở Chương 1, dù vi điều khiển giúp mạch nhỏ gọn, ít IC và dễ nâng cấp, nhưng yêu cầu kiến thức lập trình vi xử lý phức tạp. Đồ án 1 có mục tiêu chính là giúp sinh viên nắm vững kiến thức nền tảng về linh kiện điện tử cơ bản, cấu trúc hoạt động của các IC số và rèn luyện kỹ năng thi công, hàn mạch in thủ công. Do đó, việc sử dụng thuần IC số là phương án phù hợp nhất với yêu cầu học phần.

2. Vi mạch định thời 555 hoạt động dựa trên các ngưỡng điện áp chuẩn nào để tạo dao động?

Cấu tạo bên trong của IC 555 sử dụng cầu phân áp gồm 3 điện trở bằng nhau mắc nối tiếp để chia điện áp nguồn $V_{CC}$ thành các mức chuẩn: $1/3 V_{CC}$ (nối vào đầu vào không đảo của Op-Amp 1) và $2/3 V_{CC}$ (nối vào đầu vào đảo của Op-Amp 2). Trong quá trình hoạt động, điện áp trên tụ điện $C$ chỉ dao động tuần hoàn trong khoảng từ $1/3 V_{CC}$ đến $2/3 V_{CC}$, từ đó xác lập thời gian đóng/cắt của transistor xả chân số 7 và tạo ra chuỗi xung vuông ở ngõ ra chân số 3.

3. Vi mạch 74LS192 đóng vai trò gì và có những đặc tính kỹ thuật cơ bản nào?

Trong đồ án, 4 vi mạch 74LS192 đóng vai trò là bộ đếm lùi thời gian cho các pha đèn giao thông. Đây là bộ đếm BCD thập phân thuận/nghịch đồng bộ, có tần số hoạt động điển hình $40\text{MHz}$, dải điện áp $2\text{V} - 6\text{V}$, dòng ngõ ra cực đại $8\text{mA}$, công suất tiêu thụ $90\text{mW}$, dải nhiệt độ $0 - 75^\circ\text{C}$, hỗ trợ nạp dữ liệu song song không đồng bộ (chân 11 - PL) và reset tổng không đồng bộ (chân 14 - MR).

4. IC giải mã 74LS247 điều khiển màn hình hiển thị bằng cách nào và hỗ trợ các chế độ đặc biệt nào?

IC 74LS247 nhận mã nhị phân BCD 4-bit ($A, B, C, D$) từ bộ đếm 74LS192 và giải mã sang tín hiệu điều khiển 7 đoạn ($Q_A - Q_G$) tích cực ở mức thấp ($0\text{V}$) để kéo sáng các đoạn tương ứng trên LED 7 đoạn Anot chung. IC hỗ trợ 4 chế độ: (1) Sáng bình thường giải mã ký số $0 - 9$; (2) Kiểm tra đèn (chân $\text{LT}$ nối đất làm sáng toàn bộ 7 đoạn); (3) Xóa hiển thị toàn bộ (chân $\text{BI/RBO}$ nối đất); (4) Xóa số 0 vô nghĩa ở đầu (chân $\text{RBI}$ ở mức thấp khi ngõ vào bằng 0).

5. Hệ thống sử dụng nguồn cấp như thế nào để đảm bảo điện áp cho toàn mạch?

Hệ thống sử dụng biến áp chuyển đổi điện lưới $220\text{V AC}$ xuống $9\text{V AC}$, sau đó đi qua cầu diode 3A để chỉnh lưu thành điện áp một chiều nhấp nháy, kết hợp tụ hóa $1000\mu\text{F}$ để lọc phẳng. Điện áp này được đưa vào IC ổn áp LM7812 (thuộc dòng LM78xx, vỏ TO-220) để tạo ra điện áp $12\text{V DC}$ cố định (hoặc điều chỉnh qua phân áp) cung cấp cho toàn bộ các khối vi mạch và màn hình hiển thị của hệ thống.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế mạch đèn giao thông" của nhóm sinh viên ngành Tự động hóa, Trường Đại học Mở đã hoàn thành tốt mục tiêu nghiên cứu và hiện thực hóa mô hình điều khiển tín hiệu giao thông bằng công nghệ vi mạch số. Thông qua việc tích hợp 8 khối chức năng sử dụng các dòng vi mạch kinh điển như NE555, 74LS192, 74LS247 và các cổng logic chuẩn, công trình đã chứng minh tính khả thi của giải pháp điều khiển phần cứng không lập trình. Kết quả thiết kế, mô phỏng trên Proteus và gia công mạch in thực tế không chỉ đáp ứng chuẩn đầu ra của học phần Đồ án 1 mà còn cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị cao cho việc học tập, thực hành kỹ thuật số cơ sở.