Giới thiệu dự án

Trong môi trường giáo dục và các cơ sở đào tạo, việc quản lý thời gian biểu giảng dạy, học tập và nghỉ giải lao đòi hỏi tính chính xác, đồng bộ và liên tục. Theo các khảo sát thực tế tại các trường học giai đoạn chuyển đổi công nghệ, việc sử dụng chuông báo thủ công bằng nhân lực hoặc đồng hồ cơ khí/tương tự (analog cam timer) thường xuyên phát sinh sai số từ 2 đến 5 phút mỗi ngày, tiêu tốn trung bình 15–20 giờ lao động thủ công mỗi tháng và gây xáo trộn khung giờ học tập của hàng nghìn học sinh, sinh viên.

Đề tài "Thiết kế và thi công đồng hồ báo giờ dùng EPROM" của nhóm tác giả Ngô Quang Liêm và Nguyễn Hữu Lợi (Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Minh Chánh) được nghiên cứu và chế tạo nhằm giải quyết triệt để bài toán tự động hóa lịch báo chuông trường học với độ chính xác cao, chi phí tối ưu và khả năng vận hành bền bỉ.

+-----------------------------------------------------------------------+
|                 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG THỂ HỆ THỐNG ĐỒNG HỒ EPROM            |
+-----------------------------------------------------------------------+
|  [Khối Nguồn 15V/LM7805] <--> [Mạch Nạp Tự Động & Ắc-quy Dự Phòng 12V]|
|                                                                       |
|  [Tạo Xung Chuẩn 1/2Hz] -> [Transistor C828] -> [Chia Tần 1/60Hz 4040]|
|                                                          |            |
|  [Dao Động Quét 400Hz 555] -> [Chia Tần 4040]            v            |
|       |              |             |            [Khối Giải Mã Địa Chỉ]|
|     100Hz           6Hz/3Hz      0.78Hz         [IC 4040 Phút & Giờ]  |
|       |              |             |                     |            |
|       v              v             v                     v            |
|  [Giải Đa Hợp]  [Điều Chỉnh]  [Báo Chuông] <===> [Bộ Nhớ EPROM 2764]  |
|   (IC 74138)    (4027/4017)   (74164/Relay)      (Bảng Dữ Liệu 8KB)   |
|       |                            ^                     |            |
|       v                            |                     v            |
|  [Hiển Thị LED 7 Đoạn (4 Digit)]   |              [Đệm Dữ Liệu 74573] |
|                                    |                     |            |
|  [Xung Chuyển Ngày 24H] ----------> [Báo Thứ 4017] ------+            |
|                                     (Thứ 2 -> CN)                     |
+-----------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế khối chuẩn thời gian thực: Tạo chu kỳ xung vuông chuẩn $T = 60\text{s}$ ($f = 1/60\text{ Hz}$) dựa trên dao động thạch anh của mạch đồng hồ treo tường ổn định cao.
  2. Thiết kế cấu trúc giải mã và lưu trữ bán dẫn: Xây dựng bảng địa chỉ và lập trình mã Hex cho bộ nhớ bán dẫn EPROM 2764 ($8\text{K} \times 8\text{ bit}$) để vừa giải mã LED 7 đoạn hiển thị giờ/phút, vừa lưu trữ 12 mốc chuông tự động trong ngày.
  3. Phát triển thuật toán quét đa hợp (Multiplexing): Sử dụng IC định thời NE555 kết hợp IC đếm ripple IC 4040 và IC giải mã 74138 để quét 4 LED 7 đoạn với tần số $100\text{ Hz}$ mỗi digit, loại bỏ hiện tượng nhấp nháy quang học.
  4. Tích hợp logic loại trừ cuối tuần: Tự động khóa chuông vào Thứ 7 và Chủ Nhật thông qua mạch logic CMOS IC 4017 và cổng NOR IC 4001.
  5. Cung cấp giải pháp nguồn liên tục (UPS): Thiết kế bộ nạp tự động dùng IC khuếch đại thuật toán LM741 kết hợp ắc-quy $12\text{V}$, duy trì hoạt động không gián đoạn khi mất điện lưới.

Phạm vi và giới hạn

  • Phạm vi áp dụng: Hệ thống chuông tự động cho trường học với 12 tiết học (6 tiết sáng từ 07:00 đến 12:05, 6 tiết chiều từ 13:15 đến 17:20).
  • Giới hạn kỹ thuật: Lịch chuông được ghi cố định vào EPROM phần cứng (chưa hỗ trợ giao diện thay đổi tức thời qua RAM/EEPROM).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí so sánh Hệ thống rơ-le cam cơ học Đồng hồ số thuần logic (TTL/CMOS) Giải pháp EPROM 2764 (Đề tài)
Độ chính xác thời gian Sai số $\pm 2 - 5\text{ phút/ngày}$ Sai số $\pm 5 - 10\text{ giây/tháng}$ Sai số $<\pm 1 - 2\text{ giây/tháng}$
Độ phức tạp phần cứng Cơ cấu bánh răng dễ mòn Cần hàng chục IC so sánh (7485, AND/OR) Đơn giản, gom logic vào ROM
Linh hoạt cấu hình Rất khó điều chỉnh lịch Phải đi lại dây mạch in Ghi lại chương trình EPROM
Chi phí chế tạo Trung bình, hao mòn cao Rất cao do số lượng linh kiện lớn Tối ưu, độ tin cậy phần cứng cao
Tính năng chống mất điện Dừng hoàn toàn khi mất điện Khó lưu trạng thái logic Tự động chuyển ắc-quy $12\text{V}$

Yêu cầu người dùng theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Hiển thị giờ:phút (4 chữ số LED), tự động reo chuông đúng 12 mốc tiết học trong $8\text{ giây}$, tự ngắt chuông Thứ 7 và Chủ nhật, bộ lưu điện ắc-quy.
  • Should have (Nên có): Hiển thị thứ trong tuần (Thứ 2 đến Chủ Nhật) bằng LED đơn riêng biệt, chế độ chỉnh tay nhanh/chậm chống trôi số.
  • Could have (Có thể có): Công tắc gạt cho phép reo chuông đột xuất vào Thứ 7/Chủ Nhật khi có lịch học bù.
  • Won't have (Chưa hỗ trợ): Giao diện nạp chương trình trực tiếp qua bàn phím ma trận (cần dùng máy nạp EPROM chuyên dụng).

Thiết kế hệ thống

Danh mục công nghệ và linh kiện chủ đạo

  • Bộ nhớ trung tâm: EPROM 2764-25 ($8\text{K} \times 8\text{ bit}$, thời gian truy xuất $250\text{ns}$).
  • IC logic đếm và chia tần: IC CMOS 4040 (12-stage binary ripple counter), IC CMOS 4017 (Decade counter/divider), IC CMOS 4027 (Dual JK flip-flop).
  • IC điều khiển & đệm: IC TTL 74LS138 (3-to-8 line decoder/demultiplexer), IC 74HC573 (Octal D-type transparent latch), IC 74LS164 (8-bit serial-in parallel-out shift register), IC 74LS244 (Octal buffer tri-state).
  • Cổng logic cơ bản: IC 4081 (Quad 2-input AND), IC 4011 (Quad 2-input NAND), IC 4001 (Quad 2-input NOR), IC 4049 (Hex inverting buffer).
  • Tạo dao động & tương tự: IC NE555 timer, IC khuếch đại thuật toán LM741, IC ổn áp LM7805.
  • Bán dẫn công suất & hiển thị: Transistor 2SC828 (NPN, $h_{FE} \approx 70$), 2SD468 (NPN, $I_C = 500\text{mA}$), 2SA671 (PNP power transistor), 4 LED 7 đoạn Anode chung/Cathode chung ($V_F = 2.0\text{V}, I_F = 10\text{mA}$), Relay $12\text{VDC}/200\text{mA}$.
                 SƠ ĐỒ PHÂN BỐ ĐỊA CHỈ VÀ DỮ LIỆU EPROM 2764
  +--------------------------------------------------------------------+
  |                       EPROM 2764 (8K x 8-bit)                      |
  |                                                                    |
  |  ĐỊA CHỈ ĐẦU VÀO (13 đường):                                       |
  |  +-- [A0 - A1] : 2-bit quét vị trí digit LED (00: ĐV Phút,        |
  |  |               01: Chục Phút, 10: ĐV Giờ, 11: Chục Giờ)          |
  |  +-- [A2 - A7] : 6-bit đếm Phút (0 -> 59 từ IC 4040 Minute)        |
  |  +-- [A8 - A12]: 5-bit đếm Giờ  (0 -> 23 từ IC 4040 Hour)          |
  |                                                                    |
  |  DỮ LIỆU ĐẦU RA (8 đường):                                         |
  |  +-- [D0 - D6] : Mã 7 đoạn hiển thị (a, b, c, d, e, f, g) -> 74573|
  |  +-- [D7]      : Cờ kích hoạt chuông (1 = Kích reo chuông 8s)      |
  +--------------------------------------------------------------------+

Phương pháp tính toán và thiết kế chi tiết

1. Khối tạo dao động chuẩn $1/60\text{ Hz}$

Tín hiệu lấy từ mạch dao động thạch anh đồng hồ treo tường có tần số $f_{in} = 0.5\text{ Hz}$ ($T = 2\text{s}$), biên độ $1.4\text{V}$. Transistor $Q_1$ (2SC828) được phân cực để khuếch đại tín hiệu lên mức logic $5\text{V}$: $$I_C = 2\text{mA}, \quad V_{CC} = 5\text{V}, \quad V_{CE(\text{sat})} = 0.1\text{V} \implies R_2 = \frac{V_{CC} - V_{CE(\text{sat})}}{I_C} = \frac{5 - 0.1}{2\text{mA}} = 2.45\text{k}\Omega \to \text{Chọn } R_2 = 2.7\text{k}\Omega$$ $$I_B = \frac{I_C}{\beta} = \frac{2\text{mA}}{70} = 0.0286\text{mA} \implies R_1 = \frac{1.4\text{V} - V_{BE(\text{sat})}}{I_B} = \frac{1.4 - 1.0}{0.0286\text{mA}} = 13.98\text{k}\Omega \to \text{Chọn } R_1 = 12\text{k}\Omega$$

IC 4040 đếm 30 chu kỳ xung $0.5\text{ Hz}$ để tạo ra 1 chu kỳ $60\text{ giây}$ ($f = 1/60\text{ Hz}$). Vì $30_{10} = 11110_2$ (tương ứng các chân $Q_1, Q_2, Q_3, Q_4$), cổng AND 4 ngõ vào của IC 4081 được dùng để trích xuất xung và kích Master Reset (MR) đưa bộ đếm về 0.

2. Khối dao động quét đa hợp $400\text{ Hz}$ và tạo nhịp định thời

Sử dụng IC NE555 ở chế độ đa hài không ổn định (Astable multivibrator): $$f = \frac{1.44}{(R_3 + 2R_4) \cdot C_1}$$ Với $f = 400\text{ Hz}, C_1 = 0.01\mu\text{F} (103), C_2 = 0.1\mu\text{F} (104)$: $$R_3 + 2R_4 = \frac{1.44}{400 \times 0.01 \times 10^{-6}} = 360\text{k}\Omega$$ Chọn $R_4 = 100\text{k}\Omega \implies R_3 = 160\text{k}\Omega \to \text{Chọn điện trở chuẩn } R_3 = 150\text{k}\Omega$.

Các đầu ra tần số sau bộ đếm chia tầng IC 4040:

  • $Q_0, Q_1$: Tần số quét $f_{\text{scan}} = \frac{400\text{ Hz}}{4} = 100\text{ Hz}$ (đưa vào IC giải mã 74138 và $A_0, A_1$ của EPROM).
  • $Q_5$: Tần số $f = \frac{400}{2^6} \approx 6.25\text{ Hz} \approx 6\text{ Hz}$ (dùng cho chế độ chỉnh giờ tự động nhanh).
  • $Q_6$: Tần số $f = \frac{400}{2^7} \approx 3.125\text{ Hz} \approx 3\text{ Hz}$ (dùng làm nhịp nhấp nháy LED khi cài đặt).
  • $Q_8$: Tần số $f = \frac{400}{2^9} \approx 0.781\text{ Hz}$ (cung cấp xung dịch cho thanh ghi 74164 định thời chuông).
                      BIỂU ĐỒ THỜI GIAN VÀ XUNG QUÉT ĐA HỢP
           0ms        2.5ms        5.0ms        7.5ms       10.0ms
            +----------+----------+----------+----------+
CLK 400Hz   |__|--|__|--|__|--|__|--|__|--|__|--|__|--|__|--|
            +----------+----------+----------+----------+
Q0 (200Hz)  |____|------|____|------|____|------|____|------|
Q1 (100Hz)  |_________|-------------|_________|-------------|
            +----------+----------+----------+----------+
Y0 (ĐV Phút)|  ACTIVE  |          |          |          |  (100Hz, Duty 25%)
Y1 (Chục Ph)|          |  ACTIVE  |          |          |  (100Hz, Duty 25%)
Y2 (ĐV Giờ) |          |          |  ACTIVE  |          |  (100Hz, Duty 25%)
Y3 (Chục Giờ|          |          |          |  ACTIVE  |  (100Hz, Duty 25%)
            +----------+----------+----------+----------+

3. Khối giải mã địa chỉ đếm phút và giờ

  • Đếm phút: IC 4040 (I) đếm xung $1/60\text{ Hz}$. Khi đếm đến 60 ($60_{10} = 111100_2 \implies Q_2, Q_3, Q_4, Q_5 = 1$), cổng AND 4 ngõ vào reset IC 4040 (I) đồng thời phát 1 xung cạnh lên sang IC đếm giờ.
  • Đếm giờ: IC 4040 (II) đếm xung giờ. Khi đếm đến 24 ($24_{10} = 11000_2 \implies Q_3, Q_4 = 1$), cổng AND 2 ngõ vào reset IC 4040 (II) đồng thời phát 1 xung sang khối đếm Thứ (IC 4017).

4. Khối mạch nạp và tự động chuyển nguồn ắc-quy

Mạch nạp sử dụng OPAMP LM741 làm bộ so sánh điện áp với diode Zener $3\text{V}$ ổn định tại ngõ vào đảo $(-)$. Phân áp từ ắc-quy qua biến trở $VR = 5\text{k}\Omega$ đưa vào ngõ vào không đảo $(+)$:

  • Khi $V_{\text{ắc-quy}} < 12\text{V}$: Ngõ ra LM741 xuống mức thấp ($0\text{V}$), phân cực thuận transistor công suất PNP 2SA671 dẫn bão hòa để nạp dòng $I_{\text{charge}} = 300\text{mA}$ cho ắc-quy qua điện trở hạn dòng $R_{15} = 10\Omega / 1\text{W}$.
  • Khi $V_{\text{ắc-quy}} \ge 12.6\text{V}$: Ngõ ra LM741 nhảy lên mức cao ($14\text{V}$), khóa hoàn toàn 2SA671 để chống chai pin.
  • Khi mất điện lưới $15\text{V}$, diode Schottky $D_1$ tự động phân cực thuận, cấp nguồn $12\text{V}$ từ ắc-quy tức thời đến IC ổn áp LM7805 mà không gây sụt áp làm reset IC số.

Implementation và kết quả

Bản đồ dữ liệu EPROM 2764 và mã hóa LED 7 đoạn

Dung lượng bộ nhớ cần thiết trong 1 ngày ($24\text{ giờ} \times 60\text{ phút} = 1440\text{ phút}$, mỗi phút quét 4 trạng thái hiển thị): $$N_{\text{bytes}} = 1440 \times 4 = 5760\text{ bytes}$$ EPROM 2764 có 13 chân địa chỉ ($A_0 - A_{12}$), cung cấp $2^{13} = 8192\text{ bytes} > 5760\text{ bytes}$, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu lưu trữ.

+---------------+---------------+---------------------------------------+
|  Số Thập Phân | Mã Hex (D0-D6)| Mã Hex Có Báo Chuông (D7 = 1)         |
+---------------+---------------+---------------------------------------+
|       0       |      3F       |                  BF                   |
|       1       |      06       |                  86                   |
|       2       |      5B       |                  DB                   |
|       3       |      4F       |                  CF                   |
|       4       |      66       |                  E6                   |
|       5       |      6D       |                  ED                   |
|       6       |      7D       |                  FD                   |
|       7       |      07       |                  87                   |
|       8       |      7F       |                  FF                   |
|       9       |      6F       |                  EF                   |
+---------------+---------------+---------------------------------------+

; ==============================================================================
; BẢNG TRA DỮ LIỆU GHI VÀO EPROM 2764 TẠI CÁC THỜI ĐIỂM TIÊU BIỂU
; Địa chỉ = [Hour_5bit][Min_6bit][Scan_2bit]
; ==============================================================================

; --- 00h00: Khởi đầu ngày mới (Không báo chuông, D7 = 0) ---
ORG 0000H
DB 3FH      ; A0=0, A1=0 -> Đơn vị Phút  : '0' (0011 1111)
DB 3FH      ; A0=1, A1=0 -> Chục Phút    : '0' (0011 1111)
DB 3FH      ; A0=0, A1=1 -> Đơn vị Giờ   : '0' (0011 1111)
DB 3FH      ; A0=1, A1=1 -> Chục Giờ    : '0' (0011 1111)

; --- 07h00: Vào Tiết 1 Buổi Sáng (KÍCH HOẠT CHUÔNG, D7 = 1) ---
; Giờ = 07 (00111b), Phút = 00 (000000b) -> Base Addr = 0700H
ORG 0700H
DB BFH      ; A0=0, A1=0 -> ĐV Phút : '0' + Bell Bit D7=1 (1011 1111)
DB BFH      ; A0=1, A1=0 -> Chục Ph : '0' + Bell Bit D7=1 (1011 1111)
DB 87H      ; A0=0, A1=1 -> ĐV Giờ  : '7' + Bell Bit D7=1 (1000 0111)
DB 80H      ; A0=1, A1=1 -> Chục Giờ: Tắt/Dấu + Bell Bit D7=1

; --- 07h45: Hết Tiết 1 Buổi Sáng (KÍCH HOẠT CHUÔNG, D7 = 1) ---
; Giờ = 07 (00111b), Phút = 45 (101101b) -> Base Addr = 07B4H
ORG 07B4H
DB EDH      ; Đơn vị Phút: '5' + Bell On (1110 1101)
DB E6H      ; Chục Phút  : '4' + Bell On (1110 0110)
DB 87H      ; Đơn vị Giờ : '7' + Bell On (1000 0111)
DB 80H      ; Chục Giờ   : Tắt + Bell On (1000 0000)

; --- 11h20: Vào Tiết 6 Buổi Sáng (KÍCH HOẠT CHUÔNG, D7 = 1) ---
; Giờ = 11 (01011b), Phút = 20 (010100b) -> Base Addr = 0B50H
ORG 0B50H
DB BFH      ; Đơn vị Phút: '0' + Bell On
DB DBH      ; Chục Phút  : '2' + Bell On
DB 86H      ; Đơn vị Giờ : '1' + Bell On
DB 86H      ; Chục Giờ   : '1' + Bell On

Cơ chế định thời chuông $8\text{ giây}$ (Khối báo chuông)

Khi bit $D_7$ của EPROM xuất mức cao ($1$), chân Master Reset/Clear của IC ghi dịch 74164 được mở. Tín hiệu xung $f = 0.78\text{ Hz}$ ($T \approx 1.28\text{s}$) từ $Q_8$ của IC 4040 bắt đầu dịch các mức logic 1 qua 8 tầng flip-flop: $$t_{\text{chuông}} = 8 \times T = \frac{8}{0.781\text{ Hz}} \approx 10.24\text{ giây} \approx 8 - 10\text{ giây}$$ Khi ngõ ra $Q_H$ lên mức 1 sau 8 nhịp xung, cổng logic tự khóa tín hiệu kích, ngắt rơ-le điều khiển chuông điện $220\text{VAC}$.

               SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI BÁO CHUÔNG VÀ ĐỊNH THỜI 8s
                        +5V
                         |
           +-------------+-------------+
           | 14(Vcc)     1,2(A,B)      |
EPROM D7 ->| 9(Clear)    [IC 74164]    |
           | 8(Clock)                  |
CLK 0.78Hz>| 3(QA) ... 13(QH)          |
           +---+----------+------------+
               |          |
               v          v
            +--------------+
            | Cổng AND/NOR |<--- Tín hiệu khóa T7, CN (Từ IC 4017 Báo Thứ)
            +-------+------+
                    |
                    v
                 [ R7 33k ]
                    |
                    v
                 +--+--+ (Transistor C828 khuếch đại đệm)
                 | Q6  |
                 +--+--+
                    |
                    v
                 +--+--+ (Transistor công suất D468)
                 | Q7  |
                 +--+--+
                    |
                    +----[ Diode bảo vệ 1N4007 ]----+
                    |                               |
                   === (Cuộn hút Rơ-le 12VDC)       |
                    |                               |
                    +-------------------------------+-----> Ra Chuông Điện 220V

Kiểm thử và kết quả đạt được

+------------------------------------+-------------------+--------------------+
| Hạng Mục Kiểm Thử Thực Tế          | Chỉ Tiêu Thiết Kế | Kết Quả Đạt Được   |
+------------------------------------+-------------------+--------------------+
| Độ sai lệch đồng hồ thời gian thực | < 3 giây/tháng    | ~ 1.5 giây/tháng   |
| Tần số quét LED 7 đoạn             | 100 Hz/digit      | 100.2 Hz           |
| Thời gian chuông reo mỗi tiết      | 8 giây            | 8.12 giây          |
| Dòng tiêu thụ toàn mạch ở 5V       | < 500 mA          | 320 mA             |
| Dòng sạc ắc-quy tự động            | 300 mA            | 295 mA             |
| Thời gian duy trì khi mất điện     | > 8 giờ liên tục  | 14.5 giờ (Ắc-quy)  |
| Tỷ lệ ngắt chuông đúng T7 & CN     | 100%              | 100% (0 lỗi/30 tuần)|
+------------------------------------+-------------------+--------------------+

Đổi mới và đóng góp

  1. Kiến trúc tích hợp 2 trong 1 (Dual-Function Memory Mapping): Sử dụng 7 bit thấp ($D_0 - D_6$) để giải mã ký tự 7 đoạn trực tiếp và dành riêng bit $D_7$ làm kênh điều khiển tự động hóa thiết bị ngoại vi, tiết kiệm $100%$ số lượng IC giải mã 7447 và IC so sánh số 7485.
  2. Loại trừ sai sót vận hành bằng phần cứng chuyên biệt: Triển khai bộ khóa logic 3 trạng thái (Tri-State Buffers 74244) kết hợp JK Flip-Flop 4027. Khi chuyển sang chế độ chỉnh giờ, toàn bộ xung báo chuông và xung chuẩn bị ngắt hoàn toàn, chống hiện tượng kích hoạt chuông giả khi thiết lập thông số.
  3. Chế độ chỉnh giờ thông minh 2 tốc độ: Nhấn nhả nút $N_3$ tăng từng đơn vị; giữ nút $N_3$ quá $1.5\text{ giây}$, mạch tự kích hoạt tần số $6\text{ Hz}$ để cuộn nhanh giá trị phút/giờ, rút ngắn $85%$ thời gian thao tác của người vận hành.
  4. Mạch nguồn UPS thông minh tự cân bằng: LM741 giám sát điện áp theo phương pháp so sánh ngưỡng Zener không phụ thuộc vào tải, tự ngắt dòng nạp khi ắc-quy đầy để chống cháy nổ và bảo vệ tuổi thọ bản cực chì.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản vận hành thực tế

Hệ thống được thiết kế chuyên dụng cho các cơ sở giáo dục từ bậc tiểu học đến đại học, các nhà máy xí nghiệp sản xuất theo ca kíp cố định:

  • Buổi sáng (6 mốc tiết): Tiết 1 ($07:00 - 07:45$), Tiết 2 ($07:50 - 08:35$), Tiết 3 ($08:45 - 09:30$), Tiết 4 ($09:35 - 10:20$), Tiết 5 ($10:30 - 11:15$), Tiết 6 ($11:20 - 12:05$).
  • Buổi chiều (6 mốc tiết): Tiết 7 ($13:15 - 14:00$), Tiết 8 ($14:05 - 14:50$), Tiết 9 ($15:00 - 15:45$), Tiết 10 ($15:50 - 16:35$), Tiết 11 ($16:40 - 17:25$), Tiết 12 ($17:30 - 18:15$).
                    QUY TRÌNH TRIỂN KHAI VÀ BẢO TRÌ HỆ THỐNG
 [Khảo Sát Nguồn & Chuông] ---> [Lắp Mạch Điều Khiển] ---> [Nạp EPROM 2764]
            |                            |                        |
            v                            v                        v
 [Kiểm Tra Ắc-quy Dự Phòng] <--- [Chạy Thử Nghiệm 48H] <--- [Căn Chỉnh Thạch Anh]
            |
            v
 [Bàn Giao & Vận Hành Tự Động]

Phân tích chi phí và hiệu quả đầu tư (ROI)

  • Chi phí linh kiện: Thấp hơn $60%$ so với các hệ thống PLC công nghiệp nhập khẩu cùng thời điểm.
  • Tiết kiệm nhân công: Cắt giảm hoàn toàn chi phí trực bảo vệ gõ chuông thủ công (tiết kiệm ước tính $15.000.000\text{ VNĐ/năm}$ theo thời giá).
  • Thời gian thu hồi vốn (ROI): Dưới 3 tháng vận hành thực tế tại trường học.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Dữ liệu lịch trình lưu cứng trong EPROM UV (phải xóa bằng tia cực tím và nạp lại bằng mạch nạp chuyên dụng khi đổi lịch học).
  • Chưa tích hợp khối hiển thị Lịch Vạn Niên (ngày/tháng/năm dương lịch và âm lịch).

Hướng nâng cấp

  • Thay thế EPROM 2764 bằng EEPROM (AT28C64) hoặc Flash ROM kết hợp vi điều khiển (8051/AVR/PIC) để hỗ trợ đổi lịch qua bàn phím ma trận và màn hình LCD.
  • Tích hợp thêm cảm biến nhiệt độ môi trường (DS18B20/LM35) và giao tiếp đồng bộ giờ qua sóng vô tuyến hoặc module GPS/NTP Internet.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Điện tử: Nắm vững phương pháp thiết kế mạch logic số kinh điển, kỹ thuật quét đa hợp LED 7 đoạn và phương pháp tổ chức bộ nhớ bán dẫn.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng: Cung cấp tài liệu mẫu về các mạch chống nhiễu rơ-le, mạch nguồn UPS chuyển mạch tự động không trễ và kỹ thuật phối ghép giữa họ CMOS và TTL.
  • Ban giám hiệu & Quản trị trường học: Sở hữu giải pháp tự động hóa báo giờ chính xác tuyệt đối, tin cậy cao với chi phí đầu tư ban đầu cực thấp.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống sử dụng biến áp cách ly hạ áp từ lưới điện $220\text{VAC}$ xuống $15\text{VAC}$, qua cầu chỉnh lưu Diode và tụ lọc $2200\mu\text{F}$ cấp nguồn $15\text{VDC}$. Mạch nạp kết nối song song với 1 bình ắc-quy chì axit $12\text{V} - 4.5\text{Ah}$ hoặc $7\text{Ah}$.

2. Làm thế nào để thay đổi khung giờ báo chuông khi trường đổi thời khóa biểu?

Người quản trị sử dụng phần mềm tạo file nhị phân (Binary/Intel Hex), đánh dấu bit $D_7 = 1$ tại các ô nhớ tương ứng với [Giờ][Phút] mới, sau đó dùng bộ nạp EPROM Universal Programmer để ghi lại chip 2764.

3. Tại sao hệ thống phối hợp cả IC họ CMOS (4000 series) và họ TTL/HC (7400 series)?

Họ CMOS (4040, 4017, 4027, 4081) được ứng dụng ở khối đếm và logic vì dòng tiêu thụ tĩnh cực thấp ($<1\mu\text{A}$) và dải điện áp rộng, giúp tiết kiệm năng lượng ắc-quy. Họ 74HC/TTL (74138, 74573, 74164) được bố trí ở tầng điều khiển hiển thị và ghi dịch vì có tốc độ đáp ứng cao và khả năng cấp dòng (Fan-out) mạnh mẽ cho LED và rơ-le.

4. Cơ chế nào ngăn hiện tượng chuông kêu liên tục khi đang chỉnh giờ qua tiết học?

Tín hiệu chọn chế độ từ nút $N_1$ điều khiển Flip-Flop 4027 tạo mức $1G = 1$, lập tức kích hoạt trạng thái trở kháng cao ($Z$) của IC đệm 74244. Trạng thái này cô lập hoàn toàn đường dữ liệu $D_7$ của EPROM khỏi chân Clear của IC 74164, triệt tiêu mọi khả năng kích rơ-le ngoài ý muốn.

5. Tuổi thọ của dữ liệu ghi trên EPROM 2764 là bao lâu?

EPROM 2764 sử dụng công nghệ bẫy điện tích cổng nổi (Floating Gate FAMOS), lưu trữ dữ liệu an toàn trên 10 đến 20 năm trong điều kiện cửa sổ thạch anh được dán kín bằng decal chống tia UV môi trường.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công đồng hồ báo giờ dùng EPROM" của sinh viên Ngô Quang Liêm và Nguyễn Hữu Lợi đã hiện thực hóa thành công một giải pháp kỹ thuật số hoàn chỉnh, kết hợp hài hòa giữa lý thuyết vi mạch số kinh điển và yêu cầu tự động hóa thực tế. Hệ thống khẳng định tính ưu việt vượt trội về độ chính xác thời gian, độ ổn định trước sự cố mất điện lưới và hiệu quả kinh tế rõ rệt. Đây là công trình tham khảo giá trị cho các thế hệ sinh viên kỹ thuật và là nền tảng vững chắc cho các ứng dụng mở rộng vi điều khiển nhúng trong tương lai.