Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành Kỹ thuật Điện tử đóng vai trò thiết yếu trong đời sống và sản xuất. Sự phát triển của kỹ thuật số đã tạo ra bước tiến quan trọng cho các hệ thống tự động hóa. Tại các cơ sở giáo dục, nhu cầu chuẩn hóa thời gian biểu thông qua hệ thống báo giờ học và giải lao tự động là một bài toán thực tiễn cần giải quyết nhằm thay thế các phương thức vận hành thủ công.
Trước thời điểm đề tài được thực hiện, các thiết bị đồng hồ báo giờ chủ yếu ứng dụng kỹ thuật tương tự. Mặc dù cấu trúc mạch tương tự tương đối đơn giản nhưng lại bộc lộ nhiều nhược điểm lớn như độ chính xác không cao, dễ bị trôi dạt thông số theo thời gian, độ tin cậy hạn chế và kích thước mạch cồng kềnh. Nhằm khắc phục các hạn chế này, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công đồng hồ báo giờ dùng EPROM" do sinh viên Ngô Quang Liêm và Nguyễn Hữu Lợi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Minh Chánh tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 03/2000), đã lựa chọn giải pháp ứng dụng kỹ thuật số kết hợp vi mạch nhớ EPROM để quản lý hiển thị và lập lịch điều khiển chuông tự động.
Theo nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp được giao, đề tài tập trung vào ba yêu cầu kỹ thuật và nhiệm vụ cốt lõi sau:
- Thiết kế và thi công hoàn chỉnh hệ thống đồng hồ số hiển thị thời gian thực (giờ, phút) và thứ trong tuần.
- Tự động phát tín hiệu điều khiển chuông báo tiết học theo thời gian biểu xác định, đồng thời tích hợp tính năng tự động khống chế không báo chuông vào các ngày Thứ Bảy và Chủ Nhật.
- Thiết kế khối nguồn dự phòng sử dụng acqui tự động sạc và chuyển mạch liên tục khi xảy ra sự cố mất điện lưới, bảo đảm hệ thống vận hành không gián đoạn.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mạch điện tử số điều khiển logic kết hợp bộ nhớ bán dẫn cố định EPROM 2764, các khối khuếch đại, đếm chia tần và giao tiếp ngoại vi. Phạm vi ứng dụng được giới hạn trong việc quản lý thời gian biểu gồm 12 tiết học (6 tiết buổi sáng và 6 tiết buổi chiều/tối) tại các trường học hoặc cơ sở đào tạo.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài sử dụng nền tảng lý thuyết mạch số kinh điển kết hợp với công nghệ linh kiện bán dẫn rời rạc phổ biến tại thời điểm năm 2000. Các cơ sở lý thuyết và công nghệ tác giả sử dụng bao gồm:
- Họ vi mạch số CMOS và TTL: Các vi mạch đếm và logic họ CMOS Series 4000 (IC 4040, IC 4081, IC 4049, IC 4001, IC 4017, IC 4011, IC 4027) nhờ ưu điểm tiêu thụ công suất thấp, dải điện áp rộng; kết hợp với các IC họ TTL/CMOS tương thích (IC 74138, IC 74164, IC 74244, IC 74HC573/74573) để thực hiện chức năng giải mã địa chỉ, thanh ghi dịch, đệm ba trạng thái và chốt dữ liệu.
- Bộ nhớ bán dẫn EPROM 2764: Ứng dụng lý thuyết bảng tra cứu dữ liệu (Look-Up Table - LUT) được lập trình cố định trong EPROM dung lượng 64 Kbit (8 Kbyte) để vừa giải mã tín hiệu hiển thị LED 7 đoạn, vừa đồng thời xuất lệnh điều khiển chuông mà không cần sử dụng khối vi xử lý trung tâm (CPU).
- Mạch định thời và khuếch đại thuật toán: Sử dụng IC định thời NE555 trong cấu hình đa hài phi ổn (astable multivibrator) để tạo tần số quét, và IC khuếch đại thuật toán $\mu\text{A}741$ làm mạch so sánh điện áp phục vụ việc quản lý nạp acqui tự động.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật được triển khai qua các bước:
- Phương pháp tính toán và thiết kế mạch: Phân chia hệ thống thành các khối chức năng độc lập; tính toán thông số phân cực tĩnh cho các tầng transistor (C828, D468, A671), định thời hằng $RC$, cân bằng dòng tải cho LED hiển thị và cuộn dây rơ-le 12V.
- Phương pháp tạo tần số chuẩn: Tận dụng dao động chuẩn 0,5 Hz (chu kỳ 2 giây) sẵn có từ mạch thạch anh của đồng hồ treo tường thương mại, sau đó khuếch đại biên độ và đưa qua bộ đếm chia tần số để thu được xung chuẩn có chu kỳ chính xác 60 giây (tần số 1/60 Hz).
- Phương pháp lập trình mã EPROM: Tính toán không gian địa chỉ dựa trên tổng số phút trong ngày (1440 phút), nhân với 4 trạng thái quét hiển thị để xác định dung lượng bảng mã nhị phân, sau đó biên dịch thành chuỗi dữ liệu hệ thập lục phân (Hexadecimal) nạp vào bộ nhớ qua thiết bị nạp chuyên dụng.
- Phương pháp chế tạo và thử nghiệm phần cứng: Thiết kế bản vẽ mạch in (PCB), lắp ráp linh kiện, đo đạc dạng sóng và kiểm tra chức năng kích hoạt rơ-le trong điều kiện vận hành thực tế.
Nguồn tài liệu tham khảo chính của nghiên cứu bao gồm giáo trình "Mạch số" (Tập 1 và 2) của tác giả Nguyễn Hữu Phương (Đại học Tổng hợp TP.HCM), giáo trình "Kỹ thuật điện tử" của nhóm tác giả Lưu Phú Yến - Lưu Phú - Nguyễn Như Anh (Đại học Bách Khoa TP.HCM), tài liệu tra cứu "Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn" của Dương Minh Trí (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 1997) và tài liệu ứng dụng của Vương Khánh Hưng.
Thiết kế và triển khai hệ thống
Đồ án xây dựng hệ thống phần cứng hoàn chỉnh gồm 10 khối chức năng liên kết đồng bộ thông qua các bus địa chỉ, bus dữ liệu và đường điều khiển.
| Tên khối chức năng |
Linh kiện chủ đạo |
Vai trò kỹ thuật chính |
| Khối dao động 1/60 Hz |
IC 4040, IC 4081, Q1 (C828) |
Nhận xung 0,5 Hz từ mạch đồng hồ thạch anh, đếm 30 xung để tạo xung chuẩn có chu kỳ 60 giây (1/60 Hz). |
| Khối dao động quét 400 Hz |
IC 555, IC 4040, C1 (103), C2 (104) |
Phát tần số 400 Hz; chia tần thành 100 Hz quét LED, 6 Hz chỉnh nhanh, 3 Hz nhấp nháy hiển thị, 0,78 Hz đếm thời gian chuông. |
| Khối giải mã địa chỉ |
IC 4040 (I & II), IC 4081, IC 74244 |
Đếm 60 phút và 24 giờ; cung cấp đường địa chỉ $A_2 - A_{12}$ cho EPROM; có cổng đệm 3 trạng thái cách ly khi chỉnh giờ. |
| Bộ nhớ |
EPROM 2764, IC 74573 |
Lưu trữ 5760 byte dữ liệu quét và mã chuông; xuất dữ liệu LED 7 đoạn qua chốt đệm $D_0 - D_6$ và lệnh chuông qua $D_7$. |
| Khối giải đa hợp |
IC 74138, IC 4049 |
Giải mã 2 đường địa chỉ $A_0, A_1$ thành 4 đường tích cực mức cao điều khiển dẫn từng LED 7 đoạn đồng bộ với EPROM. |
| Khối hiển thị |
4 LED 7 đoạn Cathode chung, Q2–Q5 (D468) |
Hiển thị 4 chữ số: Chục giờ, Đơn vị giờ, Chục phút, Đơn vị phút theo phương pháp quét tần số 100 Hz. |
| Khối báo chuông |
IC 74164, IC 4001, Q6 (C828), Q7 (D468) |
Nhận lệnh từ $D_7$ EPROM, ghi dịch 8 xung nhịp 0,78 Hz để rơ-le đóng chuông chính xác 8 giây; khóa chuông thứ 7, CN qua cổng NOR. |
| Khối báo thứ |
IC 4017, IC 74573, 7 LED đơn |
Nhận xung chuyển ngày từ khối đếm 24h, hiển thị Thứ Hai đến Chủ Nhật, gửi tín hiệu T7 và CN sang khối báo chuông. |
| Khối điều chỉnh |
IC 4027, IC 4017 (I & II), IC 4011 |
Chuyển chế độ chạy/chỉnh bằng nút N1, chọn thông số chỉnh bằng nút N2, tăng giá trị bằng nút N3 (có chế độ tự tăng nhanh 6 Hz). |
| Khối nạp acqui |
OPAMP 741, Zener 3V, Q (A671), 7805 |
So sánh áp acqui với chuẩn 3V, tự động nạp thả nổi dòng 300 mA khi $V_{acqui} < 12\text{V}$, tự ngắt khi đầy, chuyển nguồn acqui tức thời. |
Quá trình tính toán thông số linh kiện được xác định cụ thể trong thiết kế:
- Điện trở định dòng anode LED 7 đoạn được tính theo công thức:
$$R_5 = \frac{V_{out(74HC573)} - V_{LED} - V_{CE(sat)}}{I_{LED}} = \frac{4{,}5\text{V} - 2\text{V} - 0{,}1\text{V}}{10\text{ mA}} = 240,\Omega \quad (\text{chọn } 220,\Omega)$$
- Điện trở cực B điều khiển transistor cathode D468 (dòng collector qua 7 thanh $I_C = 70\text{ mA}$, hệ số $\beta = 70$, dòng kích $I_B = 1\text{ mA}$):
$$R_6 = \frac{V_{out(AND)} - V_{BE(sat)}}{I_B} = \frac{4{,}5\text{V} - 1\text{V}}{1\text{ mA}} = 3{,}5\text{ k}\Omega \quad (\text{chọn } 3{,}3\text{ k}\Omega)$$
- Tầng kích rơ-le báo chuông sử dụng cặp transistor Darlington C828 và D468 với tổng hệ số khuếch đại dòng $\beta = 50 \times 50 = 2500$, dòng cuộn dây rơ-le $I_C = 200\text{ mA}$, dòng kích $I_B = 0{,}08\text{ mA}$:
$$R_7 = \frac{V_{out} - V_{BE(Darlington)}}{I_B} = \frac{4{,}5\text{V} - 1{,}6\text{V}}{0{,}08\text{ mA}} = 36\text{ k}\Omega \quad (\text{chọn } 33\text{ k}\Omega)$$
- Bộ định thời 555 hoạt động tại 400 Hz với tụ điện $C_1 = 0{,}01,\mu\text{F}$ và $C_2 = 0{,}1,\mu\text{F}$:
$$R_3 + 2R_4 = \frac{1{,}44}{f \times C_1} = \frac{1{,}44}{400 \times 0{,}01 \times 10^{-6}} = 360\text{ k}\Omega$$
Tác giả chọn $R_4 = 100\text{ k}\Omega$, suy ra $R_3 = 160\text{ k}\Omega$ (thực tế sử dụng $150\text{ k}\Omega$).
- Mạch nạp acqui chọn điện trở hạn dòng nạp cho acqui 12V từ nguồn 15V:
$$R_{15} = \frac{15\text{V} - 12\text{V} - 0{,}7\text{V} - 0{,}2\text{V}}{300\text{ mA}} = 7,\Omega \quad (\text{chọn } 10,\Omega / 1\text{W})$$
Nội dung chính theo từng chương
Luận văn được tổ chức thành hai phần nội dung kỹ thuật chính gồm Phần Thiết kế (11 chương) và Phần Sơ đồ nguyên lý - Chương trình EPROM (2 chương).
Chương I: Sơ đồ khối
Chương này đưa ra sơ đồ liên kết tổng thể của 10 khối trong hệ thống. Luận văn phân định rõ ràng nhiệm vụ của từng khối chức năng và mô tả nguyên lý đồng bộ giữa khối giải đa hợp, khối hiển thị và bộ nhớ EPROM. Quy trình kích hoạt chuông và nguyên lý chuyển mạch điều khiển khi vào chế độ chỉnh giờ cũng được thiết lập tại đây.
Chương II: Thiết kế khối dao động tạo tần số 1/60 Hz
Trình bày cấu tạo vi mạch đếm nhị phân 12 tầng IC 4040 và cổng logic AND IC 4081. Mạch nhận xung nhịp 0,5 Hz từ mạch đồng hồ thạch anh thương mại qua transistor Q1 (C828) khuếch đại biên độ từ 1,4V lên 5V. Để tạo chu kỳ 60 giây, IC 4040 đếm 30 xung nhịp ($30_{10} = 11110_2$). Cổng AND 4 ngõ vào nối với các đầu ra $Q_1, Q_2, Q_3, Q_4$ để phát xung Master Reset đưa IC về trạng thái 0, đồng thời trích xuất xung chuẩn 1/60 Hz tại điểm A.
Chương III: Thiết kế khối dao động tạo tần số quét 400 Hz
Khảo sát chi tiết cấu trúc vi mạch định thời NE555 và vi mạch chia tần IC 4040. Mạch tạo ra dao động chủ 400 Hz, sau đó IC 4040 thực hiện phân chia tần số thành các mức tín hiệu phục vụ toàn mạch: ngõ ra $Q_0, Q_1$ cấp tần số 100 Hz cho khối quét hiển thị; $Q_5$ tạo tần số 6 Hz phục vụ chỉnh nhanh; $Q_6$ tạo tần số 3 Hz tạo hiệu ứng nhấp nháy đèn; ngõ ra $Q_8$ cung cấp tần số $0{,}78\text{ Hz}$ ($400 / 2^9$) cho mạch định thời báo chuông.
Chương IV: Thiết kế khối giải mã địa chỉ
Sử dụng hai IC đếm 4040 riêng biệt: IC 4040 (I) đếm 60 phút ($60_{10} = 111100_2$, reset qua cổng AND nối các chân $Q_2, Q_3, Q_4, Q_5$); IC 4040 (II) đếm 24 giờ ($24_{10} = 11000_2$, reset qua cổng AND nối các chân $Q_3, Q_4$). Tín hiệu reset của tầng đếm phút được dùng làm xung đếm cho tầng đếm giờ; tín hiệu reset của tầng đếm giờ (điểm B) được đưa sang khối báo thứ. Vi mạch đệm ba trạng thái 74244 giữ vai trò ngắt cách ly đường xung đếm chuẩn khi hệ thống chuyển sang chế độ chỉnh tay bằng tín hiệu điều khiển 1G.
Chương V: Thiết kế bộ nhớ
Tính toán dung lượng lưu trữ: một ngày có $24 \times 60 = 1440$ phút, mỗi phút cần 4 ô nhớ phục vụ quét hiển thị 4 LED, tổng cộng cần $1440 \times 4 = 5760$ ô nhớ. EPROM 2764 có 13 đường địa chỉ ($2^{13} = 8192$ byte) hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu. Các đường địa chỉ $A_0, A_1$ nối với xung quét $Q_0, Q_1$; $A_2 - A_7$ nối với 6 đầu ra đếm phút; $A_8 - A_{12}$ nối với 5 đầu ra đếm giờ. Dữ liệu xuất ra qua vi mạch chốt đệm 74573 để cấp dòng cho LED và mạch chuông.
Chương VI: Thiết kế khối giải đa hợp
Sử dụng IC giải mã 3 sang 8 đường 74138 kết hợp vi mạch đảo 4049. Hai ngõ vào A, B của 74138 nhận xung quét $Q_0, Q_1$. Bốn đầu ra tích cực mức thấp $Y_0 - Y_3$ qua 4 cổng NOT của 4049 được đảo thành mức cao lần lượt kích mở các transistor điều khiển 4 LED 7 đoạn: $Y_0$ hiển thị đơn vị phút, $Y_1$ hiển thị chục phút, $Y_2$ hiển thị đơn vị giờ, $Y_3$ hiển thị chục giờ.
Chương VII: Thiết kế khối hiển thị
Thiết kế chi tiết mạch ghép nối 4 LED 7 đoạn cathode chung qua 4 transistor D468 (Q2–Q5). Mạch tích hợp các cổng AND logic để kết hợp tín hiệu quét từ khối 74138 với tín hiệu điều khiển D và E từ khối chỉnh. Ở chế độ bình thường, các LED quét sáng liên tục ở tần số 100 Hz; ở chế độ chỉnh, các cổng AND nhận xung 3 Hz làm chữ số tương ứng nhấp nháy.
Chương VIII: Thiết kế khối báo chuông
Sử dụng thanh ghi dịch 8 bit vào nối tiếp - ra song song IC 74164, vi mạch cổng NOR IC 4001 và cặp transistor Darlington C828 - D468 điều khiển rơ-le 12V. Khi bit dữ liệu $D_7$ của EPROM lên mức 1, chân Clear của 74164 mở cho phép thanh ghi nhận xung nhịp 0,78 Hz từ khối quét. Sau 6 đến 8 chu kỳ xung nhịp (tương đương $(1/0{,}78) \times 6 \approx 8$ giây), ngõ ra $Q_H$ lên mức cao kích ngắt mạch AND, rơ-le nhả, chuông ngừng reo. Tín hiệu thứ 7 (T7) và Chủ Nhật (CN) đưa vào cổng NOR để khóa hoàn toàn hoạt động của chuông vào cuối tuần.
Chương IX: Thiết kế khối báo thứ
Sử dụng vi mạch đếm thập phân Johnson IC 4017 và IC đệm 74573. Chân CP0 nhận xung chuyển ngày từ điểm B của khối đếm 24h. Các ngõ ra $1Q$ đến $7Q$ tương ứng kích sáng các LED chỉ thị từ Thứ Hai đến Chủ Nhật. Các đường xuất tín hiệu $6Q$ (Thứ Bảy) và $7Q$ (Chủ Nhật) được đấu nối trực tiếp sang khối chuông để thực hiện chức năng ngắt chuông tự động.
Chương X: Thiết kế khối điều chỉnh
Sử dụng vi mạch Flip-Flop JK IC 4027, hai bộ đếm IC 4017 và vi mạch cổng NAND IC 4011. Nút N1 điều khiển 4027 chuyển đổi trạng thái giữa chạy bình thường và chỉnh thời gian. Nút N2 kích IC 4017 (II) chọn đối tượng cần chỉnh (phút, giờ, thứ). Nút N3 kích IC 4017 (I) để tăng giá trị. Nếu người dùng nhấn giữ nút N3 quá 1,5 giây, mạch tự động kích hoạt đường xung 6 Hz từ khối quét qua cổng OR, làm bộ đếm tăng nhanh với tốc độ 6 đơn vị/giây, tạo sự tiện lợi khi cài đặt.
Chương XI: Thiết kế khối nạp acqui
Sử dụng IC khuếch đại thuật toán $\mu\text{A}741$, biến trở tinh chỉnh $VR = 5\text{ k}\Omega$, diode Zener chuẩn 3V, transistor PNP công suất A671 và vi mạch ổn áp 7805. Khi điện áp acqui tụt dưới 12V, ngõ vào không đảo của OPAMP thấp hơn 3V, ngõ ra OPAMP xuống mức thấp (0V) làm transistor A671 dẫn bão hòa, cấp dòng nạp 300 mA cho acqui. Khi acqui đạt điện áp danh định, ngõ ra OPAMP nhảy lên mức cao (14V) khóa transistor A671. Khi mất nguồn chính 15V, diode D1 tự động phân cực thuận cấp nguồn acqui liên tục cho hệ thống qua IC 7805.
Phần D - Chương I: Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động
Tổng hợp toàn bộ các khối chức năng thành một sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh; trình bày chi tiết sự tương tác tín hiệu giữa các linh kiện trong hai trạng thái: đồng hồ chạy bình thường và đồng hồ ở chế độ điều chỉnh; giải thích cơ chế dập xung ngược bảo vệ transistor bằng diode mắc song song với rơ-le.
Phần D - Chương II: Chương trình EPROM
Chương trình nạp được lập trình bằng hệ số Hexadecimal. Bit $D_7$ quy định trạng thái chuông ($D_7 = 0$: không báo, $D_7 = 1$: báo chuông).
| Chữ số hiển thị |
Mã Hex không chuông ($D_7 = 0$) |
Mã Hex có chuông ($D_7 = 1$) |
| 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 |
Thời gian biểu 12 tiết học cố định được mã hóa vào bảng dữ liệu EPROM:
- Buổi sáng: Tiết 1 (07h00 - 07h45), Tiết 2 (07h50 - 08h35), Tiết 3 (08h45 - 09h30), Tiết 4 (09h35 - 10h20), Tiết 5 (10h30 - 11h15), Tiết 6 (11h20 - 12h05).
- Buổi trưa/chiều: Tiết 7 (13h15 - 14h00), Tiết 8 (14h05 - 14h50), Tiết 9 (15h00 - 15h45), Tiết 10 (14h50 - 15h35), Tiết 11 (15h45 - 16h30), Tiết 12 (16h35 - 17h20).
Toàn bộ bảng dữ liệu nạp chiếm dải địa chỉ liên tục từ 0000H đến 17EFH (tương ứng 5760 trạng thái bộ nhớ).
Kết quả và đóng góp
Đề tài đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế và thi công phần cứng được giao theo nhiệm vụ tốt nghiệp với các kết quả cụ thể:
- Thi công thành công mạch in hoàn chỉnh vận hành ổn định, hiển thị chính xác các giá trị giờ, phút trên 4 LED 7 đoạn và thứ trong tuần trên giàn LED đơn.
- Tần số quét hiển thị 100 Hz triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nhấp nháy đối với thị giác người xem.
- Chuông báo giờ tự động kích hoạt chính xác tại thời điểm bắt đầu và kết thúc của 12 tiết học với thời gian reo được duy trì ổn định xấp xỉ 8 giây nhờ mạch định thời thanh ghi dịch 74164.
- Chức năng vô hiệu hóa chuông vào Thứ Bảy và Chủ Nhật vận hành chính xác thông qua logic cổng NOR nhận tín hiệu từ IC 4017.
- Hệ thống chỉnh giờ thông minh với 3 nút bấm cung cấp tính năng nhấp nháy 3 Hz để nhận diện vị trí điều chỉnh và tính năng tự động tăng tốc 6 đơn vị/giây khi nhấn giữ quá 1,5 giây.
- Mạch nạp acqui tự động duy trì dòng nạp 300 mA khi điện áp nguồn giảm và chuyển mạch nguồn liên tục qua diode D1, bảo đảm hệ thống không bị reset hay sai lệch thời gian khi mất điện lưới 15V.
Về mặt đóng góp giải pháp kỹ thuật, đề tài đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng bộ nhớ bán dẫn cố định EPROM để thay thế khối vi xử lý phức tạp trong bài toán điều khiển tự động trường học tại thời điểm năm 2000, giúp tiết kiệm chi phí linh kiện nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy và độ chính xác cao.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Các tác giả đã thẳng thắn ghi nhận những mặt hạn chế trong phần kết luận của luận văn:
- Do giới hạn về thời gian nghiên cứu và nguồn lực, hệ thống chưa tích hợp được khối mạch hiển thị lịch ngày và tháng.
- Lịch trình báo chuông được nạp cố định trong bộ nhớ EPROM (chỉ đọc), người sử dụng không thể trực tiếp thay đổi hoặc lập trình lại thời gian báo tiết học trực tiếp trên bàn phím của thiết bị.
Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo được nhóm tác giả đề xuất:
- Cải tiến phần cứng bằng cách ứng dụng bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM) có pin nuôi hoặc bộ nhớ xóa ghi bằng điện (EEPROM) kết hợp mạch giao diện điều khiển để cho phép người dùng tùy ý cài đặt, lưu trữ và thay đổi lịch báo chuông linh hoạt theo nhu cầu thực tế.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực đối với:
- Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Máy tính, Tự động hóa và Điện tử Viễn thông khi thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận về thiết kế mạch số rời rạc.
- Những người nghiên cứu kỹ thuật số muốn tìm hiểu phương pháp ứng dụng bộ nhớ EPROM làm bảng tra cứu dữ liệu (Look-Up Table) cho việc giải mã hiển thị và tạo hàm logic điều khiển phối hợp.
- Người làm kỹ thuật cần tài liệu tham khảo thực tế về các sơ đồ mạch ứng dụng kinh điển như: mạch định thời quét hiển thị đa hợp, mạch nạp acqui tự động ngắt dùng OPAMP 741 và kỹ thuật chống rung phím bấm logic.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án sử dụng EPROM 2764 mà không dùng loại EPROM dung lượng nhỏ hơn?
Một ngày có 1440 phút, mỗi phút cần 4 ô nhớ để quét hiển thị lần lượt 4 LED 7 đoạn (đơn vị phút, chục phút, đơn vị giờ, chục giờ), do đó tổng số ô nhớ tối thiểu cần dùng là $1440 \times 4 = 5760$ byte. Các loại EPROM nhỏ hơn như 2716 (2 Kbyte) hay 2732 (4 Kbyte) không đủ dung lượng. EPROM 2764 có 13 đường địa chỉ với dung lượng $2^{13} = 8192$ byte ($> 5760$ byte), hoàn toàn đáp ứng đủ không gian lưu trữ của hệ thống.
2. Tần số dao động chuẩn 1/60 Hz được tạo ra bằng phương pháp nào?
Hệ thống trích xuất xung nhịp 0,5 Hz (chu kỳ 2 giây) từ mạch thạch anh của đồng hồ treo tường thông thường, khuếch đại biên độ qua transistor Q1 (C828) rồi đưa vào chân xung clock của IC đếm nhị phân 4040. Bộ đếm đếm đủ 30 chu kỳ ($30 \times 2\text{s} = 60\text{s}$, ứng với mã nhị phân $11110_2$ tại các chân $Q_1, Q_2, Q_3, Q_4$). Cổng AND 4 ngõ vào của IC 4081 nhận diện trạng thái này để reset IC 4040 về 0, đồng thời trích xuất xung vuông chuẩn có chu kỳ đúng 60 giây (tần số 1/60 Hz).
3. Cơ chế nào giúp chuông tự động ngắt sau 8 giây mà không cần người ngắt thủ công?
Khi đến giờ báo chuông, bit $D_7$ của EPROM xuất mức cao (1) mở chân Clear của thanh ghi dịch 8 bit 74164. Tần số nhịp 0,78 Hz từ ngõ ra $Q_8$ của IC 4040 được đưa vào chân Clock của 74164. Khi xung clock vào, mức logic 1 dịch dần qua các ngõ ra từ $Q_A$ đến $Q_H$. Sau khoảng 6 đến 8 chu kỳ xung nhịp (thời gian tính toán: $(1/0{,}78) \times 6 \approx 8$ giây), ngõ ra $Q_H$ lên mức 1 làm ngắt cổng AND điều khiển rơ-le, cuộn dây rơ-le mất điện và chuông tự động ngắt.
4. Khối điều chỉnh thời gian hỗ trợ người dùng thao tác nhanh như thế nào?
Khi nhấn nút N3 để chỉnh tăng giờ, phút hoặc thứ, mạch của IC 4017 (I) tạo ra một xung đơn lẻ. Nếu người dùng giữ nút N3 liên tục quá 1,5 giây, ngõ ra $Q_9$ của 4017 (I) lên mức 1, mở cổng cho phép xung tần số 6 Hz (lấy từ ngõ ra $Q_5$ của bộ dao động quét 4040) đi thẳng vào bộ đếm. Tốc độ đếm sẽ tự động tăng nhanh 6 đơn vị trong 1 giây, giúp người dùng không phải bấm nhả nút nhiều lần.
5. Mạch nạp và nguồn dự phòng chuyển đổi trạng thái khi mất điện lưới ra sao?
Biến trở VR được cân chỉnh để áp đặt vào ngõ vào không đảo của OPAMP 741 là 3V (bằng mức Zener). Khi acqui dưới 12V, ngõ ra OPAMP ở mức thấp (0V) làm transistor PNP A671 dẫn, nạp dòng 300 mA cho acqui. Khi acqui đầy ($> 12\text{V}$), ngõ ra OPAMP lên mức cao (14V) khóa A671. Khi có điện lưới 15V, diode D1 bị phân cực nghịch nên ngắt nguồn acqui; khi mất điện lưới 15V, diode D1 lập tức phân cực thuận, tự động chuyển tải sang nguồn acqui 12V cấp cho vi mạch 7805 mà không làm sụt áp gây gián đoạn hệ thống.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Ngô Quang Liêm và Nguyễn Hữu Lợi đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế và thi công hệ thống đồng hồ báo giờ tự động phục vụ trường học bằng kỹ thuật số rời rạc và bộ nhớ EPROM. Hệ thống tích hợp đầy đủ các chức năng hiển thị thời gian thực, báo thứ, tự động kích hoạt chuông theo lịch học 12 tiết cố định, khóa chuông cuối tuần và duy trì nguồn liên tục qua acqui dự phòng. Mặc dù còn hạn chế về tính linh hoạt khi thay đổi lịch trình do bản chất bộ nhớ ROM cố định, công trình là một điển hình mẫu mực về phương pháp phân tích, tính toán tham số linh kiện bán dẫn và thiết kế hệ thống logic số kinh điển trong giai đoạn chuyển giao công nghệ đầu những năm 2000.
