Luận Văn Tốt Nghiệp: Thiết Kế Đồng Hồ Báo Giờ Sử Dụng EPROM

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Đồng Hồ Báo Giờ Sử Dụng EPROM
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM TẠ
• 1. CHƯƠNG I: SƠ ĐỒ KHỐI
• 1.1. Nhiệm Vụ Của Các Khối
• 1.2. Nguyên Lý Hoạt Động
• 2. CHƯƠNG II: THIẾT KẾ KHỐI DAO ĐỘNG TẠO TẦN SỐ 1/60 Hz
• 2.1. Giới Thiệu Linh Kiện
• 2.2. Sơ Đồ Nguyên Lý
• 2.3. Nguyên Lý Hoạt Động
• 3. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ KHỐI DAO ĐỘNG TẠO TẦN SỐ QUÉT 400 Hz
• 3.1. Giới Thiệu Linh Kiện
• 3.2. Sơ Đồ Nguyên Lý
• 3.3. Tính Toán
• 3.4. Nguyên Lý Hoạt Động
• 4. CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ KHỐI GIẢI MÃ ĐỊA CHỈ
• 4.1. Giới Thiệu Linh Kiện
• 4.2. Nguyên Lý Hoạt Động
• 5. CHƯƠNG V: THIẾT KẾ BỘ NHỚ
• 5.1. Giới Thiệu Linh Kiện
• 5.2. Sơ Đồ Nguyên Lý
• 5.3. Nguyên Lý Hoạt Động
• 6. CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ KHỐI GIẢI ĐA HỢP
• 6.1. Giới Thiệu Linh Kiện
• 7. CHƯƠNG VII: THIẾT KẾ KHỐI HIỂN THỊ
• 8. CHƯƠNG VIII: THIẾT KẾ KHỐI BÁO CHUÔNG
• 9. CHƯƠNG IX: THIẾT KẾ KHỐI BÁO THỨ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Hướng Dẫn Thiết Kế Đồng Hồ Báo Giờ Dùng EPROM Chi Tiết

Dự án thiết kế đồng hồ báo giờ sử dụng EPROM là một đề tài kinh điển trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử, thể hiện sự chuyển giao từ công nghệ analog sang kỹ thuật số. Trước khi các dòng vi điều khiển trở nên phổ biến, việc sử dụng bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình và xóa được bằng tia cực tím (EPROM) để lưu trữ logic điều khiển là một giải pháp sáng tạo và hiệu quả. Luận văn tốt nghiệp "Thiết kế và Thi công Đồng hồ Báo giờ dùng EPROM" (Trần Minh Chánh, 2000) là một minh chứng tiêu biểu cho phương pháp này, nơi EPROM không chỉ lưu trữ dữ liệu mà còn đóng vai trò như một bộ não logic, thay thế cho các mạch logic tổ hợp phức tạp. Mục tiêu chính của các đồ án điện tử dạng này là xây dựng một hệ thống tự động hóa việc báo giờ trong các môi trường như trường học, nhà xưởng, giải quyết bài toán về tính chính xác và độ tin cậy mà các đồng hồ cơ khí hay mạch analog đơn giản không đáp ứng được. Thiết kế này tập trung vào việc sử dụng các linh kiện điện tử rời rạc như IC đếm, cổng logic và bộ nhớ EPROM 27C512 (hoặc các phiên bản tương đương như 2764 trong tài liệu gốc) để tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh. Thay vì viết mã lệnh cho một CPU, các kỹ sư đã "lập trình" trạng thái hoạt động của mạch trực tiếp vào các ô nhớ của EPROM, tạo ra một bảng tra cứu (lookup table) khổng lồ. Khi các mạch đếm thời gian tạo ra một địa chỉ tương ứng với giờ và phút hiện tại, EPROM sẽ xuất ra dữ liệu đã được lập trình sẵn để điều khiển LED 7 đoạn và kích hoạt chuông báo. Đây là một phương pháp độc đáo, đòi hỏi sự tính toán tỉ mỉ về sơ đồ trạng thái và tổ chức bộ nhớ.

1.1. Lịch sử và tầm quan trọng của việc lưu trữ logic trên EPROM

Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật số, việc triển khai các hệ thống logic phức tạp thường dựa vào một số lượng lớn các cổng logic (AND, OR, NOT) rời rạc. Điều này khiến thiết kế mạch in PCB trở nên cồng kềnh và khó sửa lỗi. Sự ra đời của EPROM đã mang đến một cuộc cách mạng: thay vì kết nối vật lý hàng trăm cổng logic, người thiết kế có thể mã hóa toàn bộ bảng chân lý của hệ thống vào bộ nhớ. Mỗi tổ hợp tín hiệu đầu vào (địa chỉ) sẽ tương ứng với một tổ hợp tín hiệu đầu ra (dữ liệu) đã được định sẵn. Phương pháp này không chỉ giúp thu gọn kích thước mạch mà còn mang lại sự linh hoạt, cho phép thay đổi logic hoạt động bằng cách lập trình lại EPROM thông qua mạch nạp EPROM mà không cần thay đổi phần cứng. Đối với ứng dụng đồng hồ báo giờ, EPROM trở thành trái tim của hệ thống, chứa đựng toàn bộ logic hiển thị số và lịch trình báo chuông.

1.2. Mục tiêu chính của đồ án Tự động hóa và độ chính xác cao

Mục tiêu cốt lõi của việc thiết kế đồng hồ báo giờ sử dụng EPROM là thay thế các hệ thống báo giờ thủ công hoặc bán tự động thiếu chính xác. Tài liệu gốc nhấn mạnh ứng dụng trong trường học để tự động báo giờ vào lớp, ra chơi và tan học. Các yêu cầu cụ thể bao gồm: hiển thị thời gian (giờ, phút) rõ ràng trên LED 7 đoạn, phát chuông báo tại các thời điểm được lập trình trước, và có cơ chế không báo chuông vào cuối tuần. Đặc biệt, độ chính xác của đồng hồ là yếu tố quyết định, phụ thuộc hoàn toàn vào khối tạo dao động chuẩn. Thiết kế này phải đảm bảo hoạt động ổn định và có nguồn dự phòng để duy trì thời gian khi mất điện, một thách thức quan trọng đối với các hệ thống điều khiển thời gian thực.

II. Thách Thức Kỹ Thuật Khi Thiết Kế Đồng Hồ Báo Giờ EPROM

Việc hiện thực hóa một mạch đồng hồ nói giờ hoặc báo chuông chỉ bằng EPROM và IC logic đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Khác với các hệ thống hiện đại sử dụng vi điều khiển 8051 hay PIC16F877A, nơi logic được xử lý linh hoạt bằng phần mềm, phương pháp này đòi hỏi toàn bộ hoạt động phải được tiên liệu và "hard-code" vào phần cứng và bộ nhớ. Thách thức lớn nhất nằm ở khâu thiết kế khối giải mã địa chỉ và tổ chức bộ nhớ EPROM. Các bộ đếm (counter) phải tạo ra một chuỗi địa chỉ duy nhất cho mỗi giây hoặc mỗi phút trong ngày. Ví dụ, với 24 giờ và 60 phút, hệ thống cần quản lý 1440 trạng thái phút khác nhau. Mỗi trạng thái này phải được ánh xạ tới một vùng địa chỉ cụ thể trên EPROM. Việc tính toán và nạp chính xác hàng ngàn giá trị dữ liệu vào EPROM là một công việc tốn nhiều thời gian và dễ xảy ra sai sót. Hơn nữa, việc gỡ lỗi (debug) một hệ thống như vậy cực kỳ khó khăn. Khi mạch không hoạt động đúng, việc xác định lỗi xuất phát từ khối dao động, khối đếm, EPROM hay khối hiển thị đòi hỏi kiến thức sâu về phần cứng và các công cụ đo lường chuyên dụng. Một thách thức khác là việc tạo dao động chuẩn. Độ chính xác của toàn bộ đồng hồ phụ thuộc vào một mạch dao động duy nhất, thường là 1Hz hoặc 1/60 Hz, đòi hỏi sự ổn định cao và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ hay nhiễu điện.

2.1. Phân tích Sơ đồ nguyên lý và lựa chọn linh kiện điện tử

Việc lựa chọn linh kiện điện tử phù hợp là yếu tố tiên quyết. Tài liệu tham khảo sử dụng các IC họ CMOS 4000 series (như 4040, 4081) vì chúng tiêu thụ ít năng lượng và có khả năng kháng nhiễu tốt. EPROM 2764, với dung lượng 8KB, được chọn để chứa toàn bộ bảng tra cứu cho 1440 phút trong ngày, với mỗi phút có thể cần nhiều byte để điều khiển quét LED. Sơ đồ nguyên lý được chia thành các khối chức năng rõ ràng: khối nguồn, khối dao động tạo xung nhịp, khối đếm và giải mã địa chỉ (giờ, phút), bộ nhớ EPROM, khối giải đa hợp và hiển thị, khối điều chỉnh và khối báo chuông. Sự kết nối logic giữa các khối này phải được tính toán chính xác để đảm bảo tín hiệu địa chỉ từ bộ đếm được đưa đến EPROM một cách đồng bộ.

2.2. Vấn đề đồng bộ tín hiệu và phương pháp quét LED 7 đoạn

Để hiển thị 4 chữ số (HH:MM) trên LED 7 đoạn mà không cần 4 bộ giải mã riêng biệt, kỹ thuật quét (multiplexing) được áp dụng. Một bộ dao động tần số cao (ví dụ 400Hz trong luận văn) sẽ điều khiển bộ giải đa hợp (demultiplexer), lần lượt cấp nguồn cho từng LED một cách tuần tự. Cùng lúc đó, các chân địa chỉ thấp của EPROM cũng được điều khiển bởi dao động này để xuất ra dữ liệu tương ứng cho từng LED. Thách thức ở đây là phải đảm bảo sự đồng bộ tuyệt đối giữa việc chọn LED và việc xuất dữ liệu. Nếu tần số quét quá thấp, mắt người sẽ thấy hiện tượng nhấp nháy. Nếu quá cao, các transistor điều khiển có thể không đáp ứng kịp. Đây là một bài toán tối ưu giữa phần cứng và hiệu ứng thị giác.

III. Phương Pháp Thiết Kế Phần Cứng Cho Đồng Hồ Dùng EPROM

Quy trình thiết kế đồng hồ báo giờ sử dụng EPROM bắt đầu từ việc xây dựng phần cứng theo từng khối chức năng riêng biệt. Trái tim của hệ thống là bộ nhớ EPROM (ví dụ EPROM 27256), nơi lưu trữ toàn bộ logic. Xung quanh nó là các mạch phụ trợ. Khối tạo dao động chuẩn là thành phần quyết định độ chính xác, thường sử dụng IC 555 hoặc các mạch dao động thạch anh để tạo ra một tần số ổn định, sau đó được chia xuống 1/60 Hz bằng các IC đếm như 4040 để tạo xung phút. Tín hiệu phút này sẽ là đầu vào cho khối giải mã địa chỉ, bao gồm các IC đếm thập niên hoặc nhị phân khác để đếm phút (0-59) và giờ (0-23). Đầu ra của các bộ đếm này (ví dụ 10-12 bit) sẽ được nối trực tiếp vào các chân địa chỉ (A0-A11) của EPROM. Khối hiển thị sử dụng phương pháp quét. Một dao động tần số cao (khoảng 400Hz) điều khiển các chân địa chỉ thấp của EPROM (A0, A1) và một bộ giải mã 74138. Bộ giải mã này sẽ lần lượt kích hoạt 1 trong 4 transistor để cấp nguồn cho 4 LED 7 đoạn (đơn vị phút, chục phút, đơn vị giờ, chục giờ). Đồng bộ với đó, EPROM xuất ra mã BCD 7 đoạn tương ứng. Khối báo chuông được kích hoạt bởi một chân dữ liệu riêng của EPROM (ví dụ D7). Khi địa chỉ thời gian trùng với lịch báo chuông đã lập trình, chân D7 sẽ lên mức cao, kích hoạt một mạch dao động hoặc một thanh ghi dịch để chuông reo trong một khoảng thời gian nhất định.

3.1. Thiết kế khối dao động và khối giải mã địa chỉ chi tiết

Khối dao động tạo tần số chuẩn 1/60 Hz là nền tảng. Luận văn gốc đề xuất sử dụng một mạch đồng hồ treo tường để lấy dao động 1/2 Hz, sau đó dùng IC 4040 để chia tần số xuống còn 1/60 Hz. Đây là một giải pháp sáng tạo để đảm bảo độ chính xác cao. Khối giải mã địa chỉ gồm hai IC 4040 riêng biệt: một để đếm phút (đếm đến 60 thì reset và tạo một xung clock cho bộ đếm giờ) và một để đếm giờ (đếm đến 24 thì reset). Các ngõ ra song song của hai IC này (Q0-Q5 cho phút và Q0-Q4 cho giờ) tạo thành các đường bus địa chỉ chính cho EPROM. Một khối điều chỉnh bằng các nút nhấn và cổng logic được thêm vào để cho phép người dùng đặt lại thời gian khi cần thiết.

3.2. Thiết kế mạch in PCB và mô phỏng hoạt động trên Proteus

Sau khi hoàn thiện sơ đồ nguyên lý, bước tiếp theo là thiết kế mạch in PCB. Với số lượng lớn IC và kết nối, việc đi dây trên PCB cần được tối ưu hóa để giảm nhiễu và tiết kiệm không gian. Các đường tín hiệu clock và bus địa chỉ cần được giữ ngắn và cách xa các đường nguồn. Ngày nay, trước khi thi công thực tế, toàn bộ mạch có thể được mô phỏng Proteus. Công cụ này cho phép kiểm tra logic hoạt động của các IC đếm, sự đồng bộ của mạch quét LED, và xác minh nội dung file HEX nạp vào EPROM có xuất ra đúng dữ liệu hay không. Việc mô phỏng giúp phát hiện sớm các sai sót trong thiết kế, tiết kiệm chi phí và thời gian so với việc gỡ lỗi trực tiếp trên phần cứng.

IV. Bí Quyết Lập Trình EPROM Cho Hệ Thống Đồng Hồ Báo Giờ

Việc "lập trình" cho hệ thống thiết kế đồng hồ báo giờ sử dụng EPROM không giống với việc viết mã cho vi điều khiển. Thay vào đó, nó là quá trình tạo ra một file dữ liệu nhị phân (HEX) để nạp vào EPROM. File này hoạt động như một bảng tra cứu khổng lồ. Mỗi địa chỉ trong EPROM tương ứng với một thời điểm cụ thể, và giá trị dữ liệu tại địa chỉ đó quy định trạng thái của các ngõ ra. Cấu trúc địa chỉ được phân chia một cách logic. Ví dụ, 12 đường địa chỉ (A0-A11) có thể được tổ chức như sau: A0-A1 dùng cho việc quét 4 LED, A2-A7 (6 bit) mã hóa 60 giá trị phút, và A8-A12 (5 bit) mã hóa 24 giá trị giờ. Với mỗi địa chỉ (tức mỗi thời điểm), 8 bit dữ liệu (D0-D7) sẽ được xuất ra. Trong đó, D0-D6 có thể mang mã của LED 7 đoạn để hiển thị số tương ứng, còn D7 được dùng làm bit điều khiển chuông. Ví dụ, tại địa chỉ tương ứng với 07:00, dữ liệu có thể là 0x87. 0x07 là mã hiển thị số 7, và bit D7=1 (giá trị 8 trong hệ thập lục phân) để bật chuông. Tại địa chỉ 07:01, dữ liệu sẽ là 0x06 (hiển thị số 1) và D7=0 để tắt chuông. Quá trình này đòi hỏi việc tạo ra một file HEX với hàng ngàn dòng, mỗi dòng tương ứng với một trạng thái của đồng hồ.

4.1. Cấu trúc bảng tra cứu và ánh xạ địa chỉ dữ liệu

Việc tổ chức bảng tra cứu là bước quan trọng nhất. Cần xác định rõ mỗi bit địa chỉ đại diện cho thông tin gì (quét LED, phút, giờ). Sau đó, một chương trình trên máy tính (viết bằng C, Python, hoặc thậm chí là Excel macro) được sử dụng để tự động sinh ra file HEX. Chương trình này sẽ lặp qua tất cả các khả năng thời gian từ 00:00 đến 23:59. Với mỗi thời điểm, nó tính toán mã 7 đoạn cho từng chữ số (đơn vị phút, chục phút, v.v.) và xác định xem có cần bật chuông hay không dựa trên một lịch trình định sẵn. Kết quả là một file dữ liệu có dung lượng vài kilobyte, sẵn sàng để được nạp vào EPROM.

4.2. Quy trình và công cụ cho mạch nạp EPROM chuyên dụng

Sau khi có file HEX, bước cuối cùng là sử dụng mạch nạp EPROM. Đây là một thiết bị phần cứng chuyên dụng kết nối với máy tính. Người dùng đặt chip EPROM trắng vào đế cắm (socket), tải file HEX vào phần mềm của mạch nạp, và bắt đầu quá trình ghi. Mạch nạp sẽ tuần tự đặt điện áp và địa chỉ lên các chân của EPROM để ghi từng byte dữ liệu. Quá trình này có thể mất vài phút. Sau khi nạp, một số mạch nạp còn có chức năng xác minh (verify) để đọc lại dữ liệu từ EPROM và so sánh với file gốc, đảm bảo không có lỗi xảy ra trong quá trình ghi. Đây là bước kiểm tra chất lượng quan trọng trước khi lắp EPROM vào mạch chính.

V. So Sánh Thiết Kế Đồng Hồ EPROM Với Giải Pháp Hiện Đại

Mặc dù phương pháp thiết kế đồng hồ báo giờ sử dụng EPROM là một cột mốc quan trọng, công nghệ hiện đại đã mang đến những giải pháp hiệu quả và linh hoạt hơn rất nhiều. Sự khác biệt lớn nhất nằm ở việc thay thế toàn bộ khối logic cồng kềnh bằng một vi điều khiển 8051 hoặc PIC. Thay vì hàng chục IC logic, một con chip vi điều khiển duy nhất có thể đảm nhiệm tất cả các chức năng: đếm thời gian, điều khiển hiển thị, quản lý lịch báo chuông và xử lý tín hiệu từ nút nhấn. Việc lập trình trở nên dễ dàng hơn với các ngôn ngữ cấp cao như C hoặc thậm chí là lập trình assembly cho 8051. Để đảm bảo thời gian chính xác và không bị mất khi ngắt điện, một mạch thời gian thực DS1307 (RTC) được sử dụng. RTC DS1307 là một IC chuyên dụng có pin dự phòng riêng, liên tục đếm thời gian và giao tiếp với vi điều khiển qua bus I2C. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn khối dao động và đếm phức tạp của thiết kế cũ. Đối với việc lưu trữ âm thanh, thay vì lưu trữ âm thanh EPROM với chất lượng thấp và dung lượng hạn chế, các module MP3 và thẻ nhớ SD cho phép phát ra âm thanh chất lượng cao, thậm chí là một mạch đồng hồ nói giờ bằng giọng nói thực. Các công nghệ mới cũng đơn giản hóa việc thiết kế mạch in PCB và giảm đáng kể chi phí sản xuất.

5.1. Ưu điểm của vi điều khiển 8051 và mạch RTC DS1307

Sử dụng vi điều khiển 8051 mang lại sự linh hoạt tối đa. Lịch báo chuông có thể được thay đổi dễ dàng bằng cách cập nhật lại firmware mà không cần tháo chip ra để xóa và nạp lại như EPROM. Vi điều khiển cũng có thể xử lý các tác vụ phức tạp hơn như hiển thị nhiệt độ, độ ẩm, hoặc giao tiếp với các thiết bị khác. Việc tích hợp RTC DS1307 giải quyết triệt để bài toán duy trì thời gian. Module này hoạt động độc lập, đảm bảo đồng hồ vẫn chạy đúng giờ ngay cả khi vi điều khiển chính bị reset hoặc mất nguồn tạm thời. Giao tiếp I2C đơn giản chỉ cần hai dây tín hiệu, giúp mạch gọn gàng hơn rất nhiều.

5.2. Hướng phát triển Tích hợp module MP3 và thẻ nhớ SD

Một hướng phát triển thú vị là biến đồng hồ báo chuông thành mạch đồng hồ nói giờ. Thay vì tiếng chuông đơn điệu, hệ thống có thể phát các file âm thanh MP3 được lưu trên thẻ nhớ SD. Các module như DFPlayer Mini rất dễ giao tiếp với vi điều khiển, cho phép phát các câu thông báo như "Bây giờ là 7 giờ sáng, đã đến giờ vào lớp". Điều này mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn hơn, đặc biệt trong các hệ thống thông báo công cộng. So với việc ghi âm giọng nói vào chip EPROM thông qua bộ chuyển đổi ADC và giải mã âm thanh DAC, giải pháp module MP3 cho chất lượng vượt trội và dung lượng lưu trữ gần như không giới hạn.