Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chương trình đào tạo chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, đồ án cơ sở ngành đóng vai trò là học phần thực hành nền tảng, giúp sinh viên chuyển giao kiến thức lý thuyết về điện tử số và kỹ thuật điều khiển sang mô hình phần cứng thực nghiệm.

Về bối cảnh thực tiễn, văn bản nêu bật hai định hướng ứng dụng kỹ thuật:

  1. Nhu cầu tự động hóa các thiết bị phục vụ đời sống gia đình trước điều kiện thời tiết biến đổi (tự động thu quần áo khi trời mưa, trời tối, độ ẩm cao; tự động phơi ra khi trời sáng, không mưa, độ ẩm thấp).
  2. Yêu cầu làm chủ công nghệ bán dẫn, vi mạch tích hợp (IC số) và kỹ thuật điều khiển tuần tự ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa công cộng (mô hình điều khiển hai luồng đèn giao thông tại ngã tư và mạch đếm sản phẩm số hiển thị LED).

Theo phiếu giao nhiệm vụ và thuyết minh đồ án của sinh viên Nguyễn Đức Anh (hướng dẫn bởi ThS. Đào Thị Hằng), các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác lập như sau:

  1. Mục tiêu hệ thống:

    • Thiết kế mô hình phần cứng thực hiện chức năng thu/phơi tự động dựa theo các trạng thái cảm biến môi trường (ánh sáng, mưa, độ ẩm, nhiệt độ).
    • Thiết kế hệ thống điều khiển hiển thị chu kỳ số đếm sử dụng mạch logic số tuần tự, điều phối tín hiệu đèn theo thời gian thực (đèn đỏ 25 giây, đèn xanh 20 giây).

  2. Nhiệm vụ kỹ thuật (đánh số theo phiếu giao đề tài):

    • Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu tổng quan về hệ thống tự động thông minh, các phần mềm thiết kế và chương trình điều khiển theo sơ đồ mạch.
    • Nhiệm vụ 2: Thiết kế sơ đồ khối toàn diện của hệ thống.
    • Nhiệm vụ 3: Tra cứu bảng thông số kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện: vi điều khiển Arduino UNO R3, mô-đun cảm biến ánh sáng quang trở (MS-CDS05), mô-đun cảm biến mưa, mô-đun cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, mô-đun thu hồng ngoại MH-R38, mô-đun hiển thị LCD1602, mô-đun điều khiển động cơ cầu H L298 V3 (5–35VDC, 2A).
    • Nhiệm vụ 4: Tính toán giá trị thông số và lựa chọn linh kiện mạch tạo xung định thời (IC 555), IC đếm nhị phân/thập phân (74LS192, 4017), IC giải mã BCD sang LED 7 đoạn (74LS47, 74LS247), các cổng logic cơ bản (OR 74HC32/74LS32P, AND, NAND, NOR, NOT) và linh kiện thụ động (điện trở, tụ điện, biến trở).
    • Nhiệm vụ 5: Mô phỏng nguyên lý hoạt động của mạch trên phần mềm mô phỏng Proteus.
    • Nhiệm vụ 6: Thi công lắp ráp, hàn mạch in thực tế và viết báo cáo thuyết minh đồ án.

  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Các vi mạch tích hợp số họ TTL/CMOS (IC 555, 74LS192, 4017, 74LS47, 74HC32), mô-đun cảm biến môi trường, bộ điều khiển Arduino Uno và mạch hiển thị LED 7 đoạn catot/anode chung.
    • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm được tiến hành tại Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, phòng thí nghiệm Khoa Điện – Điện tử và môi trường mô phỏng phần mềm Proteus trong niên khóa 2024 – 2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và phân loại IC số

Đồ án thiết lập cơ sở lý thuyết dựa trên tiến trình phát triển và cấu trúc chức năng của công nghệ vi điện tử bán dẫn:

  • Lịch sử và phân loại IC số: Tổng kết từ giai đoạn linh kiện rời rạc và bóng bán dẫn (máy tính ENIAC năm 1945, phát minh transistor tại Bell Labs năm 1947), phát minh mạch tích hợp (Jack Kilby – Texas Instruments năm 1958 và Robert Noyce – Fairchild Semiconductor), đến các thế hệ vi xử lý (Intel 4004 năm 1971, Intel 386 năm 1985, Pentium năm 1993), công nghệ CMOS, vi mạch khả trình FPGA và hệ thống nhúng/IoT.
  • Phân loại cổng logic cơ bản:
    • Cổng OR: Thực hiện phép cộng logic $Y = A + B + ... + N$. Ngõ ra lên mức 1 khi có ít nhất một ngõ vào ở mức 1.
    • Cổng AND: Thực hiện phép nhân logic $Y = A \cdot B$. Ngõ ra chỉ lên mức 1 khi tất cả các ngõ vào đồng thời ở mức 1.
    • Cổng NAND: Cổng đảo của AND ($Y = \overline{A \cdot B} = \overline{A} + \overline{B}$ theo định lý De Morgan). Ngõ ra bằng 0 duy nhất khi tất cả ngõ vào bằng 1.
    • Cổng NOR: Cổng đảo của OR ($Y = \overline{A + B}$). Ngõ ra bằng 1 khi tất cả ngõ vào bằng 0.
    • Cổng NOT: Mạch đảo logic $Y = \overline{A}$.
Cổng Logic Biểu thức hàm ra Đầu vào A = 0, B = 0 Đầu vào A = 0, B = 1 Đầu vào A = 1, B = 0 Đầu vào A = 1, B = 1
OR $Y = A + B$ 0 1 1 1
AND $Y = A \cdot B$ 0 0 0 1
NAND $Y = \overline{A \cdot B}$ 1 1 1 0
NOR $Y = \overline{A + B}$ 1 0 0 0
  • Lý thuyết đèn tín hiệu điều khiển giao thông: Phân tích đặc tính vận hành của 3 nhóm đèn chính gồm hệ thống đèn 3 màu (xanh - vàng - đỏ), hệ thống đèn 2 màu dành cho người đi bộ (người đỏ đứng yên / người xanh di chuyển kèm bộ đếm lùi), và hệ thống đèn 1 màu chớp vàng cảnh báo hoạt động bằng năng lượng mặt trời.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thực nghiệm kỹ thuật:

  • Phương pháp tra cứu, phân tích tài liệu kỹ thuật chuyên ngành và bảng thông số datasheet của nhà sản xuất.
  • Phương pháp tính toán giải tích mạch định thời dao động đa hài dựa trên thời hằng nạp xả của mạch RC kết hợp IC 555.
  • Phương pháp mô phỏng mạch nguyên lý và thiết kế mạch in (PCB) trên phần mềm Proteus.
  • Phương pháp thực nghiệm đo đạc, kiểm tra mức logic và lắp ráp sản phẩm vật lý.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Phân chia cấu trúc khối chức năng

Hệ thống phần cứng được phân chia thành 6 khối chức năng đồng bộ:

  1. Khối nguồn: Biến đổi điện áp lưới qua máy biến áp, mạch chỉnh lưu, mạch lọc tụ và tầng ổn áp để cung cấp mức điện áp chuẩn 5VDC cho các IC số logic, vi điều khiển, mạch đếm 4-bit và điện áp 12VDC cấp cho các tầng đệm, mạch khuếch đại công suất và rơ-le/động cơ.
  2. Khối tạo xung dao động: Sử dụng IC định thời chuẩn 555 hoạt động ở chế độ dao động không ổn định (astable multivibrator) để tạo chuỗi xung vuông clock cấp nhịp cho toàn bộ hệ thống.
  3. Khối đếm nhịp: Nhận tín hiệu xung clock từ khối tạo xung, thực hiện các phép đếm đồng bộ hoặc không đồng bộ thông qua IC 74LS192 (đếm tiến/lùi BCD 4-bit) và IC 4017 (bộ đếm thập phân chia 10).
  4. Khối giải mã hiển thị: Tiếp nhận dữ liệu 4-bit BCD từ tầng đếm để giải mã sang tín hiệu 7 đoạn điều khiển hiển thị tương ứng thông qua IC 74LS47 hoặc 74LS247.
  5. Khối hiển thị: Bao gồm màn hình LED 7 đoạn (cấu hình catot chung hoặc anode chung có gắn điện trở hạn dòng) và hệ thống LED đơn nhiều màu đại diện cho trạng thái của cơ cấu chấp hành.
  6. Khối giao tiếp và phối hợp logic: Mạng lưới các cổng logic (OR 74HC32, AND, NOT) và tầng đệm phi tuyến kết nối đầu ra giải mã với bộ hiển thị và mạch điều khiển động cơ.

Tính toán thông số mạch tạo xung IC 555

Tần số và chu kỳ xung vuông ngõ ra tại chân số 3 của IC 555 được xác định dựa trên mạng nạp xả gồm điện trở $R_1$, biến trở $R_2$ và tụ điện $C_1$:

  • Tần số tín hiệu ngõ ra: $$f = \frac{1.4}{(R_1 + 2R_2) \cdot C_1}$$
  • Chu kỳ toàn phần của tín hiệu: $$T = \frac{1}{f} = 0.7 \cdot (R_1 + 2R_2) \cdot C_1$$
  • Thời gian xung ở mức thấp (thời gian xả qua chân 7): $$T_2 = 0.7 \cdot R_2 \cdot C_1$$
  • Thời gian xung ở mức cao (thời gian nạp từ $V_{cc}/3$ đến $2V_{cc}/3$): $$T_1 = 0.7 \cdot (R_1 + R_2) \cdot C_1$$

Sơ đồ chân và bảng chức năng các IC chuyên dụng

1. Bộ đếm nhị phân thập phân đồng bộ IC 74LS192

IC 74LS192 là vi mạch đếm thập phân BCD 4-bit (0000 đến 1001) có cấu tạo gồm 4 Flip-Flop D hoạt động đồng bộ hoàn toàn với các chân chức năng:

Chân số Tên ký hiệu Phân loại Chức năng kỹ thuật
1, 15, 10, 9 B, A, C, D Ngõ vào song song Nhận dữ liệu nạp trước nhị phân 4-bit ($A$ là LSB, $D$ là MSB)
3, 2, 6, 7 QA, QB, QC, QD Ngõ ra dữ liệu Xuất dữ liệu đếm theo chuẩn mã nhị phân BCD
4 COUNT DOWN ($\downarrow$) Ngõ vào xung clock Đếm lùi (giảm giá trị) theo sườn tích cực
5 COUNT UP ($\uparrow$) Ngõ vào xung clock Đếm tiến (tăng giá trị) theo sườn tích cực
11 $\overline{\text{LOAD}}$ Ngõ vào điều khiển Nạp dữ liệu song song $A, B, C, D$ khi ở mức thấp (Active Low)
12 $\overline{\text{TCU}}$ / CARRY Ngõ ra tràn Xuất xung khi đếm tiến vượt quá 9 để nối tầng tiếp theo
13 $\overline{\text{TCD}}$ / BORROW Ngõ ra mượn Xuất xung khi đếm lùi dưới 0 để nối tầng tiếp theo
14 MR / CLR Ngõ vào Reset Xóa toàn bộ ngõ ra về mức 0 khi kích hoạt
8 / 16 GND / Vcc Cấp nguồn Nối đất (0V) / Cấp nguồn dương (+5V)

2. Bộ đếm thập phân chia 10 IC 4017

IC 4017 tiếp nhận xung clock tại chân 14 và lần lượt kích hoạt 1 trong 10 ngõ ra độc lập (Output 0 đến Output 9) lên mức cao. Chân 12 ($\div 10\text{ Output}$) duy trì mức cao cho chuỗi đếm từ 0 đến 4 và chuyển xuống mức thấp cho chuỗi đếm từ 5 đến 9. Chân 13 (Enable) điều khiển cho phép đếm khi nối đất; chân 15 (Reset) thiết lập lại trạng thái ban đầu khi đưa lên mức cao.

3. Vi mạch giải mã hiển thị IC 74LS247 / 74LS47

IC nhận 4 đường dữ liệu BCD (chân A, B, C, D) từ bộ đếm và xuất ra 7 ngõ điều khiển các đoạn LED ($a, b, c, d, e, f, g$). Vi mạch tích hợp chân kiểm tra hiển thị $\overline{\text{LT}}$ (Lamp Test), ngõ triệt số 0 không có nghĩa $\overline{\text{RBI}}$ (Ripple Blanking Input) và ngõ phối hợp xóa $\overline{\text{BI}}/\overline{\text{RBO}}$ (Blanking Input / Ripple Blanking Output), tương thích trực tiếp với LED 7 đoạn Anode chung.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

  • Phân tích bức tranh toàn cảnh về lịch sử phát triển của công nghệ mạch tích hợp từ các bóng chân không đến kỷ nguyên vi xử lý và hệ thống vi cơ điện tử nhúng.
  • Giới thiệu chi tiết cấu trúc phần cứng, phân bố sơ đồ chân và nguyên lý chuyển dịch trạng thái bên trong của các IC chuyên dụng: IC đếm BCD 74LS192, IC đếm Johnson 4017 và IC giải mã BCD sang LED 7 đoạn 74LS247/74LS47.
  • Khảo sát các dạng tín hiệu giao thông đường bộ chuẩn (hệ thống 3 màu, 2 màu cho người đi bộ, 1 màu chớp vàng) và hệ thống biểu thức đại số logic cùng bảng chân lý của các cổng OR, AND, NAND, NOR, NOT.

Chương 2: Tính toán, thiết kế

  • Xác định nhiệm vụ chi tiết của 6 khối chức năng trong hệ thống điều khiển: khối nguồn, khối tạo xung, khối đếm, khối giải mã, khối hiển thị và khối logic liên kết.
  • Trình bày công thức giải tích xác lập chu kỳ $T$ và tần số dao động $f$ cho mạch đa hài dùng IC 555 qua mạng điện trở - biến trở - tụ điện.
  • Thiết lập sơ đồ ghép nối nguyên lý giữa tầng phát xung 555 với bộ đếm 74192/4017 và bộ giải mã 74LS47.
  • Thống kê thông số kỹ thuật của các linh kiện thụ động và linh kiện bán dẫn đi kèm:
    • Điện trở: phân loại công suất thường (0.125W – 0.5W), công suất lớn (1W, 2W, 5W, 10W) và điện trở sứ nhiệt.
    • LED phát quang: điện thế phân cực thuận $V_f$ từ 1.5V đến 3V.
    • Biến trở: cấu tạo góc quay $270^\circ$, màng than hoặc dây quấn.
    • Cổng OR 74HC32/74LS32P: thực hiện hàm gộp tín hiệu điều khiển trạng thái đèn ngã tư.

Chương 3: Thi công hệ thống

  • Xây dựng nguyên lý làm việc của sơ đồ điều khiển hai luồng tín hiệu tại ngã tư: thiết lập chu kỳ thời gian phân luồng gồm trạng thái đèn đỏ 25 giây và trạng thái đèn xanh 20 giây.
  • Triển khai quy trình thiết kế mạch in (PCB Layout) và dựng mô hình không gian 3D trên nền tảng phần mềm Proteus.
  • Thực hiện quy trình chế tạo, lắp ráp phần cứng, hàn nối linh kiện trên bo mạch sợi thủy tinh và hoàn thiện sản phẩm mô hình vật lý hoàn chỉnh.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

  • Đánh giá tổng quan mức độ hoàn thành nhiệm vụ thiết kế và thi công so với các tiêu chí kỹ thuật ban đầu.
  • Phân tích các ưu điểm về độ ổn định của mạch logic cứng kết hợp đánh giá các nhược điểm trong việc thay đổi thời gian chu kỳ.
  • Đề xuất các hướng phát triển, mở rộng hệ thống sang hướng tích hợp vi điều khiển lập trình và kết nối mạng cảm biến môi trường.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Mô hình hóa và mô phỏng hoàn chỉnh: Thiết lập thành công sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in PCB trên phần mềm Proteus, kiểm chứng chính xác giản đồ xung và sự chuyển tiếp trạng thái logic giữa các tầng đếm.
  2. Sản phẩm phần cứng thực tế:
    • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình mạch đếm và điều khiển hiển thị trên LED 7 đoạn.
    • Thiết lập mạch tạo xung dao động dùng IC 555 cho phép điều chỉnh tần số làm việc thông qua biến trở quay $270^\circ$.
    • Thi công khối giải mã hiển thị sử dụng IC 74LS47/74LS247 ghép nối an toàn với LED 7 đoạn thông qua hệ thống điện trở hạn dòng chống quá tải.
    • Vận hành thành công mô hình điều khiển phân luồng tín hiệu giao thông ngã tư với thông số chu kỳ thiết kế chuẩn xác: luồng đèn đỏ duy trì đếm lùi 25 giây, luồng đèn xanh duy trì đếm lùi 20 giây.

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp tài liệu thuyết minh chi tiết về phương pháp tính toán, ghép nối các họ IC số kinh điển (TTL 74LSxx và CMOS 4000) mà không bắt buộc phải sử dụng vi điều khiển phức tạp, giúp tối ưu chi phí phần cứng trong các ứng dụng điều khiển logic tuần tự cố định.
  • Chuẩn hóa quy trình thiết kế từ sơ đồ khối lý thuyết, tính toán công thức mạch nạp xả RC đến mô phỏng kiểm thử trên Proteus và chế tạo bo mạch thực nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Hệ thống điều khiển dựa trên IC số logic thuần túy (74LS192, 4017, cổng OR 74HC32) có cấu trúc mạch phần cứng cố định; việc thay đổi khoảng thời gian đếm lùi hoặc thêm thuật toán ưu tiên luồng giao thông đòi hỏi phải thiết kế lại mạng logic và can thiệp trực tiếp vào phần cứng.
  • Đồ án chưa tích hợp đồng bộ khối điều khiển lập trình vi xử lý (Arduino Uno R3) với toàn bộ cụm cảm biến môi trường (DHT11, MS-CDS05, cảm biến mưa) trên cùng một bo mạch thương mại hoàn chỉnh.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Ứng dụng vi điều khiển Arduino UNO R3 làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp đọc tín hiệu tương tự (Analog) và số (Digital) từ cảm biến mưa, cảm biến ánh sáng LDR và cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 để tự động điều khiển động cơ chấp hành qua cầu H L298 V3.
  • Bổ sung khối giao tiếp điều khiển từ xa hoặc nút nhấn can thiệp thủ công, tích hợp màn hình LCD1602 để hiển thị thông số môi trường theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Đồ án cơ sở ngành này là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử, Tự động hóa: Tham khảo phương pháp tính toán mạch đa hài tạo xung IC 555, kỹ thuật ghép nối tầng đếm đồng bộ BCD 74LS192 và mạch giải mã hiển thị LED 7 đoạn dùng họ 74LS47/74LS247.
  • Người nghiên cứu thiết kế mạch điện tử ứng dụng: Tham khảo quy trình thiết kế sơ đồ nguyên lý, chuyển mạch layout PCB và mô phỏng trực quan trên phần mềm Proteus.
  • Các đề tài đồ án môn học Điện tử số: Cung cấp chi tiết bảng chân lý, sơ đồ bố trí chân và bảng chức năng của các vi mạch số cơ bản phục vụ học tập và thực hành xưởng.

Câu hỏi thường gặp

1. Công thức tính tần số và chu kỳ dao động ngõ ra của khối tạo xung IC 555 được xác lập như thế nào?

Theo tính toán trong đồ án, tần số tín hiệu đầu ra tại chân số 3 của IC 555 được tính theo công thức: $$f = \frac{1.4}{(R_1 + 2R_2) \cdot C_1}$$ Chu kỳ toàn phần tương ứng là: $$T = \frac{1}{f} = 0.7 \cdot (R_1 + 2R_2) \cdot C_1$$ Trong đó, thời gian xung ở mức thấp (xả điện qua $R_2$ xuống tụ) là $T_2 = 0.7 \cdot R_2 \cdot C_1$. Người dùng có thể thay đổi chu kỳ làm việc bằng cách điều chỉnh giá trị biến trở $R_2$.

2. Sự khác biệt chính giữa IC đếm 74LS192 và IC 4017 trong hệ thống là gì?

  • IC 74LS192: Là bộ đếm nhị phân BCD 4-bit đồng bộ (đếm từ 0000 đến 1001), có hai ngõ vào xung nhịp riêng biệt cho chế độ đếm tiến (COUNT UP) và đếm lùi (COUNT DOWN), hỗ trợ nạp giá trị song song ban đầu và xuất tín hiệu Carry/Borrow để ghép tầng hiển thị số LED 7 đoạn qua bộ giải mã.
  • IC 4017: Là bộ đếm thập phân chia 10 (Johnson counter), nhận một ngõ vào xung clock và lần lượt kích hoạt 1 trong 10 chân đầu ra độc lập lên mức cao tương ứng với từng xung nhịp, thích hợp điều khiển tuần tự các cụm đèn LED đơn.

3. Khối giải mã 74LS47 và 74LS247 tương thích với loại LED 7 đoạn nào?

Cả hai IC 74LS47 và 74LS247 đều có tầng ngõ ra tích cực ở mức thấp (Active Low), do đó chúng được thiết kế chuyên dụng để điều khiển loại LED 7 đoạn có cực Anode chung (Common Anode). Khi một đoạn LED nhận tín hiệu ngõ ra mức 0 (thấp) từ IC giải mã, đoạn LED đó sẽ có dòng điện chạy qua và phát sáng.

4. Thông số thời gian thiết lập cho mô hình hai luồng đèn giao thông trong đồ án là bao nhiêu?

Trong chương thi công hệ thống, mô hình điều khiển phân luồng tín hiệu tại ngã tư được thiết lập với chu kỳ hoạt động cụ thể: trạng thái đèn đỏ duy trì đếm thời gian 25 giây và trạng thái đèn xanh duy trì đếm thời gian 20 giây.

Kết luận

Đồ án cơ sở ngành của tác giả Nguyễn Đức Anh đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết vi mạch số, tính toán thiết kế và thi công mô hình phần cứng điều khiển hiển thị. Thông qua việc kết hợp các linh kiện kinh điển như IC định thời 555, bộ đếm 74LS192, IC 4017, bộ giải mã 74LS47 cùng hệ thống cổng logic, đề tài đã chứng minh tính khả thi của việc xử lý tín hiệu tuần tự trong các hệ thống tự động hóa. Kết quả chế tạo thực tế trên phần mềm Proteus và bo mạch vật lý đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật đề ra, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các hệ thống nhúng điều khiển thông minh ứng dụng vi điều khiển và cảm biến môi trường.