Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống các thiết bị điện tử hiện đại, thiết bị đo lường và hiển thị thời gian đóng vai trò thiết yếu trong việc quản lý sinh hoạt, điều khiển tự động hóa cũng như định lượng các dịch vụ xã hội như tính cước viễn thông, báo giờ học đường hay tính phí dịch vụ thể thao theo khung thời gian. Mặc dù công nghệ vi điều khiển và vi xử lý hiện nay đã rất phổ biến, việc nghiên cứu và ứng dụng trực tiếp các vi mạch tích hợp số (IC số chuyên dụng) để chế tạo đồng hồ thời gian thực vẫn là nội dung cốt lõi giúp củng cố kiến thức nền tảng về điện tử cơ bản và kỹ thuật số.

Đồ án môn học 1 với đề tài "Thiết kế mạch đồng hồ số" do sinh viên Nguyễn Anh Tiến thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Trương Ngọc Anh tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành ngày 21 tháng 6 năm 2022). Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:

  1. Vận dụng kiến thức lý thuyết về mạch logic, kỹ thuật số và linh kiện điện tử rời vào thiết kế một hệ thống đồng hồ số hoàn chỉnh không sử dụng vi điều khiển.
  2. Xây dựng mạch đếm thời gian có khả năng hiển thị đồng thời các thông số giờ, phút, giây trên hệ thống hiển thị LED 7 đoạn.
  3. Thiết kế khối giao tiếp cho phép người sử dụng hiệu chỉnh các thông số thời gian (giờ và phút) thông qua các nút nhấn cơ học.
  4. Tích hợp mạch xử lý logic định thời để thực hiện chức năng phát chuông báo thức tại hai thời điểm cố định theo yêu cầu thiết kế là 12 giờ 30 phút và 5 giờ 50 phút.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết kế nguyên lý, tính toán tham số linh kiện, mô phỏng và thi công bảng mạch in (PCB) cho hệ thống đồng hồ số dựa trên các vi mạch đếm và logic họ CMOS/TTL rời.
  • Phạm vi chức năng: Giới hạn ở việc hiển thị thời gian 24 giờ (định dạng giờ:phút:giây) qua 6 LED 7 đoạn cathode chung, tích hợp 2 nút bấm điều chỉnh giờ và phút, cùng cơ chế hẹn giờ cố định tại 12h30 và 5h50.
  • Phạm vi nguồn cấp và thời gian: Mạch sử dụng nguồn điện một chiều DC 5V (từ củ sạc AC/DC thông qua cáp chuyển đổi USB sang jack DC); toàn bộ quá trình thiết kế, chế tạo mạch và thực nghiệm diễn ra trong khoảng thời gian hơn 2 tháng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Hệ thống được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật điện tử số tổ hợp và tuần tự, khai thác các đặc tính của họ vi mạch CMOS tiêu chuẩn cùng các mạch định thời tương tự:

  • Khung lý thuyết và mô hình vi mạch ứng dụng:

    • Bộ đếm và giải mã LED 7 đoạn CD40110: Vi mạch tích hợp bộ đếm thập phân hai chiều (Up/Down), bộ chốt dữ liệu (latch) và bộ giải mã lái LED 7 đoạn cathode chung. IC này có các ngõ ra công suất dòng cực đại lên đến 25 mA, có chân ngõ ra xung mượn (BORROW) và xung nhớ (CARRY) tích cực mức thấp để dễ dàng ghép nối tầng mà không cần thêm cổng logic phụ trợ.
    • Mạch tạo dao động và chia tần số IC 4060: Vi mạch đếm nhị phân 14 tầng kết hợp bộ dao động RC/thạch anh. Mạch tận dụng bộ dao động nội của IC ghép cùng thạch anh tần số $32{,}768\text{ kHz}$ để chia tần số xuống ngõ ra bậc cao nhất $Q_{14}$ tương ứng tần số $2\text{ Hz}$.
    • Mạch chia tần bổ trợ IC 4013: Vi mạch chứa 2 phần tử Flip-Flop D độc lập, được mắc ở chế độ chia đôi tần số ($f/2$) để biến đổi xung $2\text{ Hz}$ từ ngõ ra $Q_{14}$ của IC 4060 thành xung chuẩn $1\text{ Hz}$ (chu kỳ đúng 1 giây).
    • Cổng logic bổ trợ: Sử dụng IC đệm đảo 4049 (cổng NOT) và IC cổng AND 4081 để giải mã điều kiện xóa (reset) các chu kỳ đếm 60 (giây, phút) và chu kỳ đếm 24 (giờ).
    • Mạch định thời đơn ổn IC 555: Được cấu hình dưới dạng mạch dao động đơn ổn (Monostable Multivibrator) nhằm khống chế thời gian phát chuông cảnh báo.

  • Phương pháp nghiên cứu và triển khai kỹ thuật:

    • Phương pháp phân tích và tính toán tham số giải tích: Xác định giá trị điện trở phân cực hồi tiếp $R_2 = 10\text{ M}\Omega$, điện trở giới hạn dòng $R_1 = 220\text{ k}\Omega$ và các tụ tải $C_1 = C_2 = 220\text{ pF}$ bảo đảm điều kiện dao động ổn định cho thạch anh dòng HC-49/S (tải điện dung $C_L = 20\text{ pF}$). Tính toán giá trị điện trở hạn dòng LED ($220\ \Omega$) và điện trở kéo xuống (pull-down $300\ \Omega$) cho nút bấm cơ học.
    • Phương pháp thiết kế mạch tự động (EDA): Sử dụng công cụ trực tuyến EasyEDA để vẽ sơ đồ nguyên lý (Schematic), tạo chân linh kiện (Footprint), sắp xếp và chạy đường mạch in (PCB Layout), sau đó dùng công cụ kiểm tra quy tắc thiết kế (DRC - Design Rule Check).
    • Phương pháp gia công bán thủ công: Chuyển đổi bản vẽ mạch in ra giấy in nhiệt, sử dụng phương pháp ủi nhiệt chuyển mực sang phíp đồng, ăn mòn lớp đồng thừa bằng dung dịch sắt ba clorua ($\text{FeCl}_3$), khoan lỗ chân linh kiện và tiến hành hàn lắp thủ công các phần tử rời.

Thiết kế và triển khai hệ thống phần cứng

Hệ thống phần cứng đồng hồ số được chia thành 5 khối chức năng chính phối hợp đồng bộ với nhau:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                                   SƠ ĐỒ HỆ THỐNG                                  |
|                                                                                   |
|  [Khối Nguồn 5V DC]                                                               |
|         |                                                                         |
|         v                                                                         |
|  [Khối Tạo Xung 1Hz]  ---> [Khối Đếm Giây] ---> [Khối Đếm Phút] ---> [Khối Đếm Giờ]|
|  (Thạch anh + 4060 + 4013)       |                     |                  |       |
|                                  v                     v                  v       |
|                        +----------------------------------------------------+     |
|                        |          [Khối Hiển Thị (6 LED 7 đoạn)]            |     |
|                        +----------------------------------------------------+     |
|                                                ^                                  |
|                                                |                                  |
|  [Khối Cài Đặt & Hẹn Giờ] ---------------------+                                  |
|  - 2 Nút nhấn chỉnh giờ/phút                                                      |
|  - Mạng diode trích xuất mốc 12h30 & 5h50                                         |
|  - Cổng DTL NAND + Mạch trễ RC (1.65s) + Đơn ổn 555 (10s) -> Chuông 5V            |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

1. Khối nguồn

Khối nguồn chuyển đổi điện áp xoay chiều lưới điện AC $100\text{--}240\text{ V}$ ($50/60\text{ Hz}$, dòng danh định $0{,}5\text{ A}$) sang điện áp một chiều DC $5\text{ V}$ với khả năng cấp dòng từ $1\text{ A}$ đến $2{,}4\text{ A}$ thông qua củ sạc có hiệu suất hoạt động đạt 95%. Điện áp được dẫn vào bo mạch qua dây cáp USB sang đầu cắm chuẩn jack DC đường kính $5{,}5\text{ mm}$ (tương thích $5{,}1\text{ mm}$).

2. Khối tạo xung chuẩn 1Hz

Khối tạo xung sử dụng phần tử dao động thạch anh hình trụ kích thước $2 \times 6\text{ mm}$, kiểu chân cắm DIP 2 chân với tần số định mức $32{,}768\text{ kHz}$. Mạch dao động thạch anh ghép nối với IC 4060 để thực hiện quá trình chia tần liên tiếp qua các tầng nhị phân:

  • Ngõ ra $Q_4$: $2048\text{ Hz}$ (chia 16)
  • Ngõ ra $Q_5$: $1024\text{ Hz}$ (chia 32)
  • Ngõ ra $Q_6$: $512\text{ Hz}$ (chia 64)
  • Ngõ ra $Q_7$: $256\text{ Hz}$ (chia 128)
  • Ngõ ra $Q_8$: $128\text{ Hz}$ (chia 256)
  • Ngõ ra $Q_9$: $64\text{ Hz}$ (chia 512)
  • Ngõ ra $Q_{10}$: $32\text{ Hz}$ (chia 1024)
  • Ngõ ra $Q_{11}$: $16\text{ Hz}$ (chia 2048)
  • Ngõ ra $Q_{12}$: $8\text{ Hz}$ (chia 4096)
  • Ngõ ra $Q_{13}$: $4\text{ Hz}$ (chia 8192)
  • Ngõ ra $Q_{14}$: $2\text{ Hz}$ (chia 16384)

Tín hiệu $2\text{ Hz}$ tại chân $Q_{14}$ được đưa tiếp vào ngõ vào đồng hồ CLK của IC 4013 (Dual D Flip-Flop) để chia đôi tần số lần cuối (tương đương hệ số chia tổng cộng 32768), tạo ra xung vuông chuẩn tần số $1\text{ Hz}$ (chu kỳ 1 giây) cấp trực tiếp cho chân Clock-Up của tầng đếm giây đầu tiên. Các giá trị linh kiện được tính toán bao gồm: điện trở hồi tiếp $R_2 = 10\text{ M}\Omega$, điện trở hạn dòng $R_1 = 220\text{ k}\Omega$, điện dung tải tính toán $C_p = \frac{C_1 \times C_2}{C_1 + C_2} + C_s$, trong đó tính tới tụ ký sinh $C_s \approx 2{,}5\text{ pF}$, cho nghiệm điện dung cần mắc là $C_1 = C_2 = 220\text{ pF}$.

3. Khối đếm và giải mã hiển thị

Khối đếm gồm 6 vi mạch CD40110 ghép nối tiếp:

  • Tầng đếm giây và phút (00 đến 59): Xung đếm đưa vào chân CLK-UP (chân 9). Khi hàng đơn vị đếm từ 9 về 0, ngõ ra CARRY (chân 10) phát một xung mức thấp tác động trực tiếp vào chân CLK-UP của IC hàng chục kế tiếp. Để thiết lập chu kỳ đếm từ 00 đến 59, ngõ ra mã 7 đoạn của IC hàng chục được giải mã trạng thái khi chạm số 6 (mã $abcdefg = 1011111$). Đoạn $b$ (mức 0) được đưa qua cổng NOT để chuyển lên mức 1, sau đó đưa vào cổng AND cùng với đoạn $e$ (mức 1). Ngõ ra cổng AND được nối đồng thời vào chân Reset (chân 5) của cả hai IC hàng đơn vị và hàng chục, đưa số đếm lập tức từ 60 về 00.
  • Tầng đếm giờ (00 đến 23): Khi hàng phút tràn từ 59 về 00, tín hiệu kích được gửi đến chân CLK-UP của tầng đếm giờ. Khối đếm giờ cần xóa khi đạt trạng thái 24. Trạng thái số 2 ở hàng chục có mã 7 đoạn $1101101$ với đặc trưng duy nhất là đoạn $c$ ở mức 0. Trạng thái số 4 ở hàng đơn vị có mã $0110011$ với đặc trưng là đoạn $a$ mức 0 và đoạn $f$ mức 1. Tín hiệu đoạn $a$ qua cổng NOT kết hợp với đoạn $f$ qua cổng AND, sau đó kết hợp với tín hiệu từ đoạn $c$ của hàng chục qua một cổng AND trung gian để đưa vào chân Reset của hai IC đếm giờ, hoàn tất chu trình quay về 00 khi chạm mốc 24.
  • Khối hiển thị: Sử dụng 6 LED 7 đoạn loại cathode chung model 3611AS kích thước hiển thị $0{,}36\text{ inch}$. Nhằm giải quyết hiện tượng độ sáng không đồng đều khi số lượng thanh LED phát sáng thay đổi (nếu chỉ dùng điện trở ở cực chung), thiết kế bố trí các điện trở rời $220\ \Omega$ nối tiếp vào từng đoạn riêng biệt từ $a$ đến $g$. Với điện áp nguồn $5\text{ V}$ và sụt áp trên LED đỏ là $2{,}2\text{ V}$, dòng điện qua mỗi đoạn LED được khống chế ổn định ở mức: $$I = \frac{5 - 2{,}2}{220} \approx 12{,}7\text{ mA} \approx 13\text{ mA}$$

4. Khối cài đặt thời gian và mạch báo chuông hẹn giờ

  • Hiệu chỉnh thời gian: Sử dụng 2 nút nhấn cơ học 4 chân kích thước $12 \times 12 \times 6\text{ mm}$ nối theo kiểu kéo lên (pull-up) kết hợp điện trở kéo xuống (pull-down) nối mass để chống hiện tượng thả nổi chân ngõ vào. Giá trị điện trở kéo xuống được tính toán theo thông số dòng rò ngõ vào $I_{OL} = 2\text{ mA}$ và điện áp ngưỡng logic thấp $V_{IL(\max)} = 1{,}5\text{ V}$, cho giá trị điện trở lựa chọn là $300\ \Omega$. Mỗi lần nhấn nút, số đếm tại hàng đơn vị của phút hoặc giờ sẽ tăng 1 đơn vị.
  • Mạch hẹn giờ cố định (12h30 và 5h50): Thay vì dùng các bộ so sánh số phức tạp, tác giả trích xuất tổ hợp các đoạn phát sáng đặc trưng trên các LED 7 đoạn thông qua mạng diode 1N4007 kết hợp điện trở nối đất để hoạt động như các cổng OR nhiều ngõ vào. Khi thời gian thực trùng khớp với mốc 12h30 hoặc 5h50, đường tín hiệu tổng tương ứng sẽ chuyển từ mức logic cao (1) về mức logic thấp (0).
  • Cổng DTL NAND: Nhằm giảm số lượng IC số và tối ưu chi phí, hai đường tín hiệu hẹn giờ được đưa vào một cổng NAND chế tạo bằng linh kiện rời theo công nghệ logic diode - transistor (DTL NAND) gồm 2 diode 1N4007, 1 transistor NPN 2N3904 cùng các điện trở $100\text{ k}\Omega$ và $1\text{ k}\Omega$. Khi một trong hai mốc hẹn giờ kích hoạt (ngõ vào bằng 0), ngõ ra của cổng DTL NAND sẽ chuyển lên mức logic 1.
  • Mạch tạo trễ và mạch đơn ổn điều khiển chuông:
    • Mạch tạo trễ (tạo xung): Dòng điện từ ngõ ra cổng DTL NAND đi qua nhánh điện trở $R = 33\text{ k}\Omega$ nạp cho tụ hóa $C = 100\ \mu\text{F}$. Thời gian nạp xác định theo công thức $T = \frac{1}{2} R C = 0{,}5 \times 33 \times 10^3 \times 100 \times 10^{-6} = 1{,}65\text{ giây}$. Quá trình nạp và xả tụ điều khiển 2 transistor để tạo ra một xung kích có độ rộng $1{,}65\text{ giây}$ đưa vào chân kích hoạt (chân số 2) của IC 555.
    • Mạch dao động đơn ổn IC 555: Khi chân 2 nhận cạnh xuống, ngõ ra $Q$ của IC 555 nhảy lên mức cao điều khiển chuông còi DC 5V reo. Khoảng thời gian reo chuông được quyết định bởi mạng RC ngoài ($R = 91\text{ k}\Omega$, $C = 100\ \mu\text{F}$) theo công thức: $$T = 1{,}1 \times R \times C = 1{,}1 \times 91 \times 10^3 \times 100 \times 10^{-6} \approx 10\text{ giây}$$ Sau 10 giây duy trì, mạch đơn ổn tự động ngắt ngõ ra, chuông dừng kêu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương trong báo cáo Trọng tâm nội dung và dữ liệu kỹ thuật thực tế
Chương 1: GIỚI THIỆU – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Trình bày nhu cầu theo dõi thời gian trong đời sống và kỹ thuật. Đặt mục tiêu vận dụng kiến thức kỹ thuật số chế tạo đồng hồ thời gian thực dùng IC chuyên dụng. Xác định phạm vi: 6 LED 7 đoạn hiển thị giờ/phút/giây, nguồn 5V, 2 nút nhấn hiệu chỉnh, hẹn giờ cố định 12h30 và 5h50.
Chương 2: THIẾT KẾ (HOẶC KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI) Phân tích chức năng và thiết kế chi tiết 5 khối chức năng. Tính toán mạch dao động thạch anh $32{,}768\text{ kHz}$ qua IC 4060 và IC 4013 ra $1\text{ Hz}$. Lập bảng trạng thái chân và bảng mã giải mã 7 đoạn của IC CD40110. Thiết kế mạng logic xóa chu kỳ 60 và 24 bằng cổng NOT (4049) và AND (4081). Tính toán điện trở hạn dòng LED ($220\ \Omega$) cho LED cathode chung 3611AS. Thiết kế mạch nút nhấn chống thả nổi ($R = 300\ \Omega$). Thiết kế mạch hẹn giờ dùng mạng diode giải mã, cổng DTL NAND, mạch tạo xung trễ RC ($1{,}65\text{s}$) và mạch đơn ổn IC 555 định thời phát chuông ($10\text{s}$). Cung cấp sơ đồ nguyên lý toàn mạch.
Chương 3: THI CÔNG MẠCH Giới thiệu công cụ EDA trực tuyến EasyEDA và các bước thao tác (tạo dự án, lấy linh kiện thư viện, sắp xếp, nối dây). Thống kê chi tiết danh mục linh kiện thi công. Thiết kế layout mạch in PCB với kích thước $19\text{ cm} \times 12\text{ cm}$, kiểm tra lỗi DRC thành công. Thiết lập in tên trên lớp TopSilkLayer. Mô tả quy trình gia công thực tế: in nhiệt lớp mạch dưới (Bottom Layer), ủi chuyển mạch lên phíp đồng, ăn mòn hóa học bằng dung dịch $\text{FeCl}_3$, khoan chân linh kiện, hàn linh kiện và lắp ráp thành phẩm.
Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ KẾT LUẬN Tổng kết sau hơn 2 tháng thực hiện đề tài. Đánh giá hoạt động thực tế của mạch đồng hồ: hệ thống chạy đúng chu kỳ 24 giờ, 60 phút, 60 giây. Ghi nhận các khiếm khuyết kỹ thuật thực tế: nút bấm bị hiện tượng dội phím, chuông báo chưa kích hoạt tuyệt đối chính xác tại mốc thiết kế do sai lệch thông số mạch rời, mạch tự động hiển thị mốc 11:11:11 khi vừa cấp điện. Đề xuất hướng phát triển mở rộng.

Dưới đây là bảng thống kê toàn bộ linh kiện được tác giả lập và sử dụng để thi công phần cứng của đồ án trong Chương 3:

STT Tên linh kiện Thông số / Quy cách kỹ thuật Số lượng
1 IC CD40110 Bộ đếm thập phân lên/xuống kèm giải mã 7 đoạn 6
2 IC 4013 Dual D-type Flip-Flop 1
3 IC 4060 Bộ đếm nhị phân 14 tầng và dao động 1
4 IC 4049 Cổng đệm đảo (Inverter/NOT) 3
5 IC 4081 Cổng logic AND 2 ngõ vào 2
6 IC 555 Vi mạch định thời 1
7 Chuông báo Còi báo điện áp DC 5V 1
8 Transistor NPN model 2N3904 5
9 Diode tiếp mặt Model 1N4007 42
10 Thạch anh dao động Tần số $32{,}768\text{ kHz}$ dạng chân cắm DIP 1
11 Điện trở $1\text{ k}\Omega$ 9
12 Điện trở $330\ \Omega$ 42
13 Điện trở $10\text{ M}\Omega$ 1
14 Điện trở $2{,}2\text{ k}\Omega$ 3
15 Điện trở $220\text{ k}\Omega$ 1
16 Tụ gốm $220\text{ pF}$ 2
17 LED đơn Màu đỏ 1
18 LED đơn Màu trắng 3
19 Điện trở $4{,}7\text{ k}\Omega$ 3
20 Điện trở $5{,}6\text{ k}\Omega$ 14
21 Điện trở $91\text{ k}\Omega$ 1
22 Điện trở $10\text{ k}\Omega$ 1
23 Điện trở $100\text{ k}\Omega$ 2
24 Điện trở $33\text{ k}\Omega$ 1
25 Điện trở $470\ \Omega$ 1
26 Điện trở $10\ \Omega$ 1
27 Đầu cắm nguồn Jack nguồn DC chuẩn 1
28 Tụ hóa $100\ \mu\text{F}$ 3
29 Tụ gốm $10\text{ nF}$ 1

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả thực nghiệm:

    • Chế tạo thành công bảng mạch in phần cứng hoàn chỉnh với kích thước hình học $19\text{ cm} \times 12\text{ cm}$ sau hơn 2 tháng nghiên cứu và lắp ráp.
    • Mạch đồng hồ số chạy ổn định chu kỳ đếm thời gian thực theo cấu trúc tiêu chuẩn: giây đếm từ 00 đến 59, phút đếm từ 00 đến 59 và giờ đếm từ 00 đến 23 trước khi quay vòng về 00:00:00.
    • Khối hiển thị 6 LED 7 đoạn cathode chung hoạt động rõ ràng, các nhánh phát quang sáng đồng đều nhờ mạng điện trở hạn dòng độc lập cho từng phân đoạn.
    • Cơ chế tạo xung nhịp đạt độ ổn định cao nhờ ứng dụng thạch anh $32{,}768\text{ kHz}$ qua mạch chia tần số nhiều tầng, tạo xung $1\text{ Hz}$ chính xác cho khối đếm.

  • Đóng góp kỹ thuật của đề tài:

    • Minh chứng rõ ràng tính khả thi của việc thiết kế hệ thống thời gian thực hoàn toàn dựa trên các linh kiện số rời rạc và mạch logic thuần túy mà không phụ thuộc vào mã lập trình hay vi điều khiển.
    • Đề xuất giải pháp tiết kiệm chi phí linh kiện và không gian mạch bằng cách tự thiết kế cổng logic tương đương DTL NAND (Diode-Transistor Logic) từ transistor 2N3904 và diode 1N4007 kết hợp mạng diode giải mã tín hiệu để thay thế các vi mạch logic số chuyên dụng đắt tiền hơn.
    • Cung cấp tài liệu quy trình đầy đủ từ khâu phân tích toán học các tham số mạch dao động, mạch nạp xả RC đến thao tác thiết kế trên phần mềm EasyEDA và quy trình thi công mạch in thủ công bằng hóa chất $\text{FeCl}_3$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo tự đánh giá của tác giả trong chương kết luận, đồ án còn tồn tại các hạn chế kỹ thuật thực tế sau:

  • Nút bấm điều chỉnh thời gian cơ học chưa được tích hợp mạch chống dội phím (chống rung phần cứng hoặc mạch chốt), dẫn tới việc đôi khi một lần nhấn nút làm số đếm nhảy tăng vọt hơn 1 đơn vị.
  • Mạch báo chuông hẹn giờ chưa kích hoạt chính xác tại mốc đặt ra trên thực tế; nguyên nhân do việc sử dụng quá nhiều linh kiện rời (42 diode và các transistor) gây ra sai lệch điện áp rơi và nhiễu phân cực khác biệt đáng kể so với mô phỏng lý thuyết.
  • Khi cấp nguồn ban đầu cho mạch, hệ thống tự động khởi tạo hiển thị ở trạng thái 11 giờ 11 phút 11 giây (chưa tích hợp mạch tự động xóa Power-on Reset để đưa về 00:00:00).

Về hướng phát triển, tác giả đề xuất hai nội dung cải tiến:

  1. Nâng cấp khối cài đặt hẹn giờ sang cơ chế điều chỉnh linh hoạt thông qua nút bấm và bộ nhớ lưu trữ, thay vì chỉ cố định ở hai mốc định sẵn, nhằm nâng cao độ chính xác khi báo thức.
  2. Tích hợp thêm các mạch cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường, bổ sung tính năng hiển thị đa năng lên hệ thống LED của đồng hồ.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu thực hành có giá trị tham khảo hữu ích đối với sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử, Kỹ thuật Máy tính và Tự động hóa khi tiếp cận các môn học Kỹ thuật số, Mạch điện tử và Đồ án thiết kế phần cứng:

  • Phần đáng tham khảo nhất: Phương pháp chia tần số dùng chuỗi IC 4060 kết hợp Flip-Flop D 4013 để lấy xung nhịp chuẩn $1\text{ Hz}$ từ thạch anh $32{,}768\text{ kHz}$, cùng các công thức tính toán tụ tương đương tải thạch anh $C_p$ và điện trở hồi tiếp họ CMOS.
  • Giá trị thực hành: Tài liệu cung cấp chi tiết từng bước quy trình triển khai vẽ mạch in trên nền tảng EasyEDA, danh mục chi tiết 29 hạng mục linh kiện cùng các kỹ thuật gia công mạch in thủ công tại xưởng thực hành (in nhiệt, ăn mòn $\text{FeCl}_3$, khoan và hàn chân linh kiện).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài phải kết hợp cả IC 4060 và IC 4013 để tạo xung 1Hz thay vì dùng một IC duy nhất?

Thạch anh tạo dao động có tần số $32{,}768\text{ kHz}$ (tương đương $32{,}768\text{ xung/giây}$). Vi mạch IC 4060 chỉ có 14 tầng đếm nhị phân với ngõ ra chia tần số lớn nhất tại chân $Q_{14}$ tương ứng hệ số chia $2^{14} = 16{,}384$. Do đó, ngõ ra thấp nhất của IC 4060 chỉ đạt tần số $2\text{ Hz}$ ($32{,}768 / 16{,}384 = 2$). Tác giả bắt buộc phải mắc thêm một tầng Flip-Flop D của IC 4013 để chia đôi tần số ($2\text{ Hz} / 2 = 1\text{ Hz}$), tạo chu kỳ chuẩn 1 giây cho bộ đếm.

2. Vi mạch CD40110 đóng vai trò gì và có ưu điểm gì nổi bật trong thiết kế này?

CD40110 đóng vai trò là bộ đếm xung thập phân đồng thời giải mã trực tiếp ra mã LED 7 đoạn cathode chung. Ưu điểm nổi bật của CD40110 là tích hợp sẵn bộ chốt (latch), có khả năng cấp dòng lái trực tiếp lên đến $25\text{ mA}$ cho các phân đoạn LED mà không cần vi mạch đệm ngoài, và cung cấp sẵn hai ngõ ra mượn (BORROW) và nhớ (CARRY) giúp việc ghép nối tiếp giữa các tầng hàng đơn vị và hàng chục được thực hiện trực tiếp mà không cần thêm cổng logic điều khiển phụ.

3. Phương pháp reset số đếm từ 59 về 00 ở khối giây và khối phút được thực hiện như thế nào?

Để khối đếm giây và phút đếm từ 00 đến 59 rồi quay về 00, mạch bắt trạng thái số 6 ở hàng chục. Trong bảng mã 7 đoạn của CD40110, số 6 có mã $abcdefg = 1011111$, trong đó duy nhất vị trí đoạn $b$ mang mức 0 và đoạn $e$ mang mức 1. Tín hiệu đoạn $b$ được đưa qua cổng NOT để chuyển lên mức 1, sau đó đưa vào cổng AND cùng tín hiệu đoạn $e$ để tạo ra ngõ ra mức 1. Mức logic cao này được nối thẳng vào chân Reset của cả hai IC hàng chục và hàng đơn vị, khiến số đếm vừa chạm 60 sẽ lập tức quay về 00.

4. Tại sao tác giả không dùng IC cổng logic NAND chuẩn mà lại dùng mạch DTL NAND ở khối báo thức?

Tác giả tự thiết kế cổng logic Diode-Transistor (DTL NAND) sử dụng 2 diode 1N4007, 1 transistor 2N3904 cùng 2 điện trở ($100\text{ k}\Omega$ và $1\text{ k}\Omega$) nhằm mục đích tối ưu hóa chi phí và giảm bớt số lượng vi mạch trên bảng mạch in. Khi một trong hai ngõ vào ở mức 0V (khi chạm đúng giờ hẹn), diode tương ứng thông xuống đất, làm mất dòng phân cực chân B của transistor khiến transistor tắt, đẩy điện áp ngõ ra lên mức cao ($+5\text{ V}$) để kích hoạt mạch đơn ổn.

5. Chuông báo thức kêu trong thời gian bao lâu và phần tử nào quyết định khoảng thời gian này?

Chuông báo DC 5V reo trong thời gian khoảng 10 giây mỗi khi đến mốc báo thức. Khoảng thời gian này do mạch dao động đơn ổn sử dụng IC 555 khống chế, được tính toán thông qua cấu kiện định thời gồm điện trở $R = 91\text{ k}\Omega$ và tụ hóa $C = 100\ \mu\text{F}$ theo biểu thức giải tích $T = 1{,}1 \times R \times C = 1{,}1 \times 91 \times 10^3 \times 100 \times 10^{-6} \approx 10\text{ giây}$.

Kết luận

Đồ án môn học 1 của sinh viên Nguyễn Anh Tiến đã thiết kế và chế tạo thành công một mạch đồng hồ số hoàn chỉnh với 6 LED 7 đoạn hiển thị giờ, phút, giây dựa trên nền tảng kỹ thuật số thuần túy không dùng vi điều khiển. Hệ thống khai thác hiệu quả các vi mạch CD40110, 4060, 4013 cùng các khối chức năng nút bấm hiệu chỉnh và báo chuông đơn ổn định thời bằng IC 555. Mặc dù còn gặp phải hiện tượng dội phím cơ học, sai số mạch báo thức do ghép nối nhiều linh kiện rời và tình trạng khởi động ngẫu nhiên ở mốc 11:11:11, công trình đã thể hiện đầy đủ quy trình kỹ thuật chuẩn xác từ tính toán lý thuyết, thiết kế mô phỏng trên EasyEDA đến chế tạo mạch in thực tế.