Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa sản xuất, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa năng suất, giảm thiểu chi phí vận hành và nâng cao độ chính xác tại các dây chuyền gia công, đóng gói. Trong khi các doanh nghiệp quy mô lớn đã ứng dụng sâu rộng các hệ thống tự động hóa tích hợp, nhiều doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam vẫn thực hiện công đoạn đếm số lượng sản phẩm và đóng bao bì bằng phương pháp thủ công. Việc sử dụng lao động chân tay cho công đoạn đếm lặp đi lặp lại dẫn đến nhiều hạn chế: chi phí nhân công cao, tốc độ xử lý chậm, dễ xảy ra sai sót do mệt mỏi và thiếu tính đồng bộ trong việc giám sát số liệu sản xuất theo thời gian thực.

Xuất phát từ thực tiễn sản xuất và nội dung môn học CAD-CAM trong chương trình đào tạo kỹ thuật điện tử, nhóm tác giả thuộc Khoa Kỹ thuật Điện tử II, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Cơ sở tại TP. Hồ Chí Minh (niên khóa 2023 – 2024) đã thực hiện đề tài "Thiết kế mạch đếm sản phẩm". Báo cáo hướng tới việc ứng dụng lý thuyết vi mạch số và cảm biến quang học để xây dựng một mô hình phần cứng hoàn chỉnh, hỗ trợ đếm sản phẩm tự động, chính xác và có giá thành chế tạo thấp.

Văn bản xác định rõ các mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Tối ưu hóa mô hình mạch đếm sản phẩm đạt độ chính xác cao.
  2. Giảm chi phí công nhân cho doanh nghiệp thông qua mô hình mạch đếm hoàn toàn tự động hóa, hỗ trợ quản lý và cung cấp thông tin số lượng theo yêu cầu.
  3. Nâng cao kiến thức chuyên môn và kỹ năng thực hành kỹ thuật của bản thân sinh viên.
  4. Thực nghiệm, kiểm chứng các kiến thức lý thuyết và công cụ thiết kế điện tử đã được trang bị tại nhà trường.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống mạch đếm sản phẩm điện tử sử dụng cảm biến quang hồng ngoại kết hợp các vi mạch số đếm và giải mã hiển thị LED 7 đoạn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình thiết kế nguyên lý, mô phỏng hoạt động, thiết kế bo mạch in (PCB) một lớp bằng phần mềm chuyên dụng và thi công mô hình phần cứng thực tế trong khuôn khổ học phần CAD-CAM tại TP. Hồ Chí Minh (hoàn thành vào tháng 12 năm 2023).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Hệ thống được xây dựng trên nền tảng kỹ thuật điện tử số và kỹ thuật cảm biến quang bán dẫn. Cơ sở lý thuyết của đồ án bao gồm:

  • Lý thuyết điện tử và mạch số: Sử dụng định luật Ohm ($U = I \cdot R$) để tính toán phân áp và định mức dòng điện qua các linh kiện bán dẫn; công thức tính cường độ điện trường trong tụ điện phẳng ($E = \frac{\delta}{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon}$, với hằng số điện môi chân không $\varepsilon_0 = 8.854 \times 10^{-12} , \text{F/m}$ và các hệ số điện môi tương đối: không khí $\varepsilon = 1$, giấy tẩm dầu $\varepsilon = 3.6$, gốm $\varepsilon = 5.5$, mica $\varepsilon = 4.5$).
  • Nguyên lý đếm và giải mã BCD: Sử dụng mã nhị phân thập phân (Binary Coded Decimal - BCD 4-bit) để mã hóa các chữ số từ 0 đến 9, kết hợp bảng chân lý giải mã sang các đoạn $a, b, c, d, e, f, g$ của màn hình LED 7 đoạn.
  • Nguyên lý cảm biến quang học phản xạ: Dựa trên sự biến đổi nội trở của LED thu hồng ngoại khi nhận chùm tia phản xạ từ vật thể chuyển động qua vùng phát của LED hồng ngoại 5mm, phối hợp với mạch so sánh điện áp dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) LM358.
  • Mạch kích Schmitt Trigger và mạch đệm: Dùng cổng logic NAND CD4093 và transistor NPN C1815 để chuẩn hóa dạng sóng xung đếm và khuếch đại công suất kích còi báo hiệu Buzzer.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai theo 8 bước có hệ thống:

  1. Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết chuyên ngành của đề tài.
  2. Đọc hiểu, tra cứu tài liệu kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện điện tử liên quan.
  3. Thảo luận nhóm để thống nhất phương án thiết kế mạch và sơ đồ khối chức năng.
  4. Thiết kế mô hình phần cứng và vẽ sơ đồ nguyên lý mạch (Schematic).
  5. Thiết kế phần mềm, mô phỏng hoạt động trên Proteus và thiết kế mạch in trên Altium Designer.
  6. Tham khảo ý kiến chuyên môn của giảng viên hướng dẫn (ThS. Phạm Xuân Minh).
  7. Chế tạo mạch thực tế, thực nghiệm và kiểm chứng hoạt động của đối tượng đếm.
  8. Hoàn thiện báo cáo kỹ thuật và tiến hành nghiệm thu đề tài.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ nhà sản xuất của các dòng vi mạch CD4511, CD4518, CD4093, transistor 2SC1815, Op-Amp LM358 cùng các kết quả ghi nhận trực tiếp trong quá trình chạy thử mạch phần cứng.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống mạch đếm sản phẩm được cấu trúc thành 7 khối chức năng chính, liên kết đồng bộ từ khâu thu nhận tín hiệu đầu vào đến hiển thị và cảnh báo đầu ra:

Khối chức năng Linh kiện / Công nghệ chính Mục tiêu và chức năng hoạt động
1. Khối Nguồn Pin 9V / Terminal cấp nguồn Cung cấp mức điện áp DC ổn định cho toàn mạch, chống dao động điện áp.
2. Khối Phát LED phát hồng ngoại 5mm Phát liên tục bức xạ hồng ngoại bước sóng cố định với điện áp làm việc 1.6V.
3. Khối Thu LED thu hồng ngoại, LM358, Biến trở R3 Thu nhận tín hiệu quang phản xạ, biến đổi nội trở; Op-Amp LM358 so sánh với ngưỡng áp chuẩn trên biến trở R3 để xuất tín hiệu số (mức 0/1).
4. Khối Đếm IC CD4518 (Dual BCD Up-Counter) Nhận xung số từ khối thu, thực hiện đếm tiến đồng thời theo mã BCD 4-bit từ 0 đến 9.
5. Khối Giải Mã IC CD4511 (BCD-to-7 Segment Decoder) Chuyển đổi dữ liệu nhị phân BCD 4-bit thành tín hiệu điều khiển 7 đoạn tương ứng.
6. Khối Hiển Thị Màn hình LED 7 đoạn (Anode/Cathode chung) Hiển thị trực quan chữ số thập phân tương ứng với số lượng sản phẩm đếm được.
7. Khối Chuông Còi Buzzer 5VDC, Transistor NPN C1815 Phát âm thanh cảnh báo (>80 dB) mỗi khi có sản phẩm đi qua vùng cảm biến. 
[ Khối Phát IR ] ---> (Sản phẩm đi qua) ---> [ Khối Thu IR & LM358 ]
                                                    |
                                            (Tín hiệu xung logic)
                                                    v
[ Khối Nguồn 9V/5V ] ---------------------> [ Khối Đếm IC 4518 ]
        |                                           |
        |                                     (Mã BCD 4-bit)
        |                                           v
        +---------------------------------> [ Khối Giải Mã IC 4511 ]
        |                                           |
        |                                     (Tín hiệu 7 đoạn)
        |                                           v
        +---------------------------------> [ Khối Hiển Thị LED 7 Đoạn ]
        |
        +---------------------------------> [ Khối Chuông C1815 + Buzzer ]

Quy trình thiết kế và triển khai phần cứng trên môi trường CAD được tiến hành chi tiết qua hai công cụ chính:

  • Mô phỏng nguyên lý trên Proteus: Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch, kiểm tra khả năng bắt xung của cảm biến hồng ngoại và kiểm tra đáp ứng đếm tiến của bộ IC 4518 – 4511 trước khi chuyển giao sang layout PCB.
  • Thiết kế bo mạch in trên Altium Designer:
    • Tạo Project và Schematic: Thiết lập dự án, tạo file nguyên lý, lấy linh kiện từ thư viện chuẩn (TI, Microchip, Atmel), gán nhãn đường dây (Net Label), nối dây bằng công cụ Place Wire (Ctrl + W), tự động đặt tên linh kiện bằng lệnh T + A + N + Enter và kiểm tra lỗi kết nối logic bằng Compile (CC).
    • Chuyển đổi sang môi trường PCB: Đồng bộ hóa linh kiện từ Schematic sang PCB thông qua lệnh Design Update (D + U), thực thi bảng thay đổi linh kiện (Validate & Execute Changes), sử dụng tính năng Cross Probe để tra soát linh kiện lỗi.
    • Thiết lập quy tắc thiết kế (Design Rules): Đặt khoảng cách cách ly an toàn giữa các vùng đồng (Clearance) trong phần Electrical; thiết lập độ rộng đường mạch (Routing Width) gồm đường dây nguồn có độ rộng 1.0 mm và đường dây tín hiệu thường có độ rộng 0.5 mm; cấu hình lỗ xuyên chân (Routing Vias).
    • Kỹ thuật đi dây và hoàn thiện: Thực hiện sắp xếp linh kiện thẳng hàng (Ctrl + Shift + H và phím A); đi dây thủ công chỉ sử dụng các góc rẽ 45 độ (góc tù), tuyệt đối không đi đường mạch góc vuông 90 độ để tránh phản xạ tín hiệu và ăn mòn bo mạch; sử dụng phím L để chuyển lớp Bottom Layer. Do mạch là dạng mạch in 1 lớp, phần tên nhãn linh kiện và văn bản ở lớp dưới được xử lý in ngược chữ (mirror text) để hiển thị đúng chiều khi gia công thực tế. Bo mạch được phủ đồng toàn bộ bằng công cụ Polygon Pour (P + G + Tab) và kiểm tra toàn diện quy tắc thiết kế DRC (T + D + R).
  • Môi trường ISE Design Suite 14.1: Nhóm tác giả tích hợp thêm tài liệu hướng dẫn cấu hình, biên dịch mã và nạp thử nghiệm trên KIT CPLD nhằm phục vụ khả năng mở rộng giao tiếp logic khả trình.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu linh kiện

Chương này trình bày toàn bộ thông số kỹ thuật, cấu hình chân, chức năng và các phương án thay thế của các linh kiện sử dụng trong mạch:

  • IC CD4511 (Bộ giải mã BCD sang LED 7 đoạn): Vi mạch CMOS 16 chân, dải điện áp làm việc 2V – 6V, dòng tiêu thụ tối đa 6mA, dòng điện nguồn ngõ ra đạt tới 25mA, điện trở ngõ ra tối đa 40Ω, dải nhiệt độ hoạt động từ -40°C đến +85°C. IC tích hợp các chân ngõ vào BCD ($A, B, C, D$), các ngõ ra điều khiển ($a, b, c, d, e, f, g$) cùng các chân điều khiển chuyên dụng: chân kiểm tra đèn hiển thị $LT$ (chân 3), chân xóa hiển thị $BL$ (chân 4) và chân chốt dữ liệu $LE/\text{Store}$ (chân 5). IC tương đương gồm CD4513, 74LS48, CD4543, 74LS145; các dòng thay thế tương thích chân hoặc chức năng gồm 74LS47, 7446, 7447, SN74LS48.
Chân số Tên chân Mô tả chức năng
1, 2, 6, 7 B, C, D, A Đầu vào mã BCD 4-bit (A là LSB, D là MSB)
3 Display test / Lamp test (LT) Kiểm tra độ sáng tất cả các thanh LED hiển thị
4 Blank input (BL) Tắt toàn bộ các thanh LED hiển thị
5 Store / Latch Enable (LE) Lưu trữ hoặc chốt mã BCD đầu vào
8 GND Cực nối đất (Ground)
9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 e, d, c, b, a, g, f Các đầu ra điều khiển các thanh của LED 7 đoạn
16 Vcc Đầu vào nguồn dương (2V – 6V)
  • IC CD4518 (Bộ đếm BCD Up-Counter kép): Chứa hai bộ đếm BCD độc lập có khả năng đếm từ 0 đến 9, hoạt động ổn định ở điện áp lên đến 20V (với các định mức tham số tại 5V, 10V và 15V). Tần số xung nhịp điển hình đạt 6MHz tại điện áp 10V. IC hỗ trợ kích hoạt linh hoạt theo sườn xung dương hoặc sườn xung âm, dòng rò ngõ vào tối đa 1µA ở 18V (100nA ở 18V, +25°C), biên độ miễn nhiễm nhiễu là 1V tại $V_{DD}=5\text{V}$ và 2V tại $V_{DD}=10\text{V}$. Cấu hình 16 chân bao gồm 2 nhóm chân clock, enable, reset và 4 ngõ ra BCD ($Q_1$ đến $Q_4$) riêng biệt cho từng bộ đếm $A$ và $B$.
Chân số Tên chân Chức năng chi tiết
1, 10 CLOCK A, CLOCK B Chân cấp xung đồng hồ cho bộ đếm A và B
2, 9 ENABLE A, ENABLE B Chân cho phép bộ đếm hoạt động
3, 4, 5, 6 Q1A, Q2A, Q3A, Q4A Các ngõ ra BCD 4-bit của bộ đếm A
7, 15 RESET A, RESET B Chân xóa dữ liệu đếm về 0 cho bộ đếm A và B
8 VSS Cực nối đất nguồn âm
11, 12, 13, 14 Q1B, Q2B, Q3B, Q4B Các ngõ ra BCD 4-bit của bộ đếm B
16 VDD Cực cấp nguồn dương
  • IC CD4093 (Bốn cổng NAND 2 ngõ vào Schmitt Trigger): Gói 14 chân, hoạt động ở các mức điện áp 5V, 10V, 15V DC, dòng vào cực đại 1µA tại 18V, khả năng miễn nhiễm nhiễu lớn hơn 50%, điện áp trễ 0.9V tại $V_{DD}=5\text{V}$ và 2.3V tại $V_{DD}=10\text{V}$. Sử dụng làm mạch định hình dạng sóng xung và thực hiện các logic khóa.
  • Màn hình LED 7 đoạn và bảng mã BCD: Phân tích hai cấu hình LED Anode chung và Cathode chung. Khi cấp nguồn 5V, mỗi đoạn LED cần dòng 10mA – 20mA, yêu cầu sử dụng điện trở hạn dòng trong dải 270Ω – 330Ω với công suất tiêu tán danh định 1/4W.
Số thập phân Mã BCD - D Mã BCD - C Mã BCD - B Mã BCD - A Trạng thái hiển thị 7 đoạn
0 0 0 0 0 a, b, c, d, e, f sáng; g tắt
1 0 0 0 1 b, c sáng
2 0 0 1 0 a, b, d, e, g sáng
3 0 0 1 1 a, b, c, d, g sáng
4 0 1 0 0 b, c, f, g sáng
5 0 1 0 1 a, c, d, f, g sáng
6 0 1 1 0 a, c, d, e, f, g sáng
7 0 1 1 1 a, b, c sáng
8 1 0 0 0 a, b, c, d, e, f, g đều sáng
9 1 0 0 1 a, b, c, d, f, g sáng
  • Cặp cảm biến quang hồng ngoại: LED phát hồng ngoại 5mm hoạt động ở điện áp 1.6V phát bức xạ không nhìn thấy. LED thu hồng ngoại ở trạng thái bình thường có nội trở rất cao (vài trăm kΩ); khi nhận tia phản xạ từ vật cản, nội trở giảm xuống mức vài chục Ω. Mạch ghép nối với Op-Amp so sánh LM358 và hệ thống điện trở định dòng $R_1 = 150\Omega$, $R_2 = 10\text{k}\Omega$, $R_4 = 1\text{k}\Omega$ cùng biến trở vi chỉnh $R_3$ để thiết lập độ nhạy nhận diện.
  • Transistor C1815 và Còi Buzzer 5VDC: Transistor NPN C1815 đóng gói TO-92, dòng $I_C$ tối đa 150mA, $V_{CEO} = 50\text{V}$, $V_{CBO} = 60\text{V}$, $V_{EBO} = 5\text{V}$, công suất tiêu tán cực đại $P_C = 400\text{mW}$, tần số cắt $f_T = 80\text{MHz}$, hệ số khuếch đại dòng $h_{FE} = 70 - 700$, hoạt động từ -55°C đến +150°C (các mã thay thế: 2N2222, 2N3904, C945, 2SC3198). Còi Buzzer 5V có kích thước đường kính 12mm, cao 9.7mm, dòng tiêu thụ <25mA, âm lượng >80 dB và tần số cộng hưởng $2300\text{Hz} \pm 500\text{Hz}$.

Chương 2: Công cụ thiết kế và KIT giao tiếp

Chương này hướng dẫn chi tiết quy trình thực hành thiết kế mạch điện tử trên hệ thống phần mềm CAD-CAM:

  • Phần mềm Altium Designer: Trình bày các tính năng thiết kế toàn diện từ sơ đồ nguyên lý (Schematic), thiết kế mạch in nhiều lớp (PCB), hỗ trợ thiết kế FPGA đến khả năng nhập/chỉnh sửa trực tiếp file thiết kế từ OrCAD, Proteus, EAGLE và xuất chuẩn định dạng gia công cơ khí CAD/CAM, CNC.
  • Quy trình thiết kế PCB chuẩn: Hướng dẫn tuần tự từ khởi tạo project, tạo file nguyên lý, import thư viện linh kiện, đi dây, đặt tên nhãn linh kiện, chuyển đổi dữ liệu sang môi trường PCB (D + U), kiểm tra footprint 3D, thiết lập thông số cách ly đồng (Clearance), thiết lập đường dây chạy nguồn 1mm và dây tín hiệu 0.5mm, kỹ thuật đi dây góc tù, kỹ thuật in chữ ngược trên lớp Bottom của bo mạch 1 lớp, thao tác phủ đồng (P + G + Tab) và chạy trình kiểm tra lỗi mạch in (T + D + R).
  • Môi trường ISE Design Suite 14.1 và KIT CPLD: Cung cấp quy trình biên dịch mã nguồn, gán chân I/O và hướng dẫn các bước nạp dữ liệu điều khiển lên KIT CPLD để kiểm tra tương thích logic.

Chương 3: Thiết kế và sản phẩm

Chương này tổng hợp toàn bộ kết quả hiện thực hóa thiết kế từ bản vẽ nguyên lý đến sản phẩm phần cứng:

  • Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động tổng thể: Sản phẩm di chuyển trên băng chuyền cắt ngang chùm tia hồng ngoại phát ra từ LED phát. Ánh sáng phản xạ đập vào LED thu làm sụt giảm nội trở của nó, dẫn đến sự chênh lệch điện áp tại cổng đầu vào không đảo của IC so sánh LM358 so với mức điện áp ngưỡng trên biến trở $R_3$. LM358 lập tức chuyển trạng thái ngõ ra từ mức 0 lên mức 1 (+Vcc). Xung logic này được truyền đồng thời tới chân kích của transistor C1815 để kích hoạt còi Buzzer phát âm thanh báo hiệu, đồng thời đưa vào chân Clock của IC đếm CD4518. IC 4518 tăng giá trị đếm lên 1 đơn vị và xuất mã nhị phân BCD 4-bit sang IC giải mã CD4511. IC 4511 giải mã sang tín hiệu 7 đoạn tương ứng để hiển thị trực quan chữ số trên màn hình LED 7 đoạn.
  • Bản vẽ thiết kế và mô hình thực tế: Trình bày đầy đủ sơ đồ nguyên lý thiết kế trên Proteus, bản vẽ Schematic hoàn chỉnh trên Altium, bản vẽ layout mạch in PCB 2D, mô hình mô phỏng 3D mặt trước / mặt sau của bo mạch và hình ảnh chụp thực tế sản phẩm mạch in một lớp đã được hàn lắp linh kiện và thử nghiệm thành công.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được: Nhóm tác giả đã hoàn thiện thiết kế nguyên lý, chạy mô phỏng chính xác trên Proteus, thiết kế thành công bo mạch in 1 lớp trên Altium Designer theo đúng các tiêu chuẩn thiết kế dây dẫn (dây nguồn 1.0mm, dây tín hiệu 0.5mm, góc đi dây 45 độ, phủ đồng chống nhiễu) và chế tạo thành công mạch phần cứng thực tế đếm sản phẩm có phát chuông báo (>80 dB) và hiển thị số lượng chính xác qua LED 7 đoạn.
  • Giải pháp và kiến nghị: Đề xuất một mô hình mạch đếm độc lập, cấu tạo từ các vi mạch số CMOS phổ thông và cảm biến hồng ngoại giá thành thấp, dễ lắp đặt và bảo trì, có thể ứng dụng trực tiếp vào các dây chuyền đếm sản phẩm, đóng gói quy mô vừa và nhỏ để thay thế thao tác kiểm đếm thủ công.
  • Đóng góp của đề tài: Xây dựng tài liệu thực hành thiết kế hoàn chỉnh theo quy chuẩn CAD-CAM từ khâu tính toán linh kiện, lập sơ đồ nguyên lý, kiểm tra mô phỏng, thiết kế layout mạch in một lớp đến khâu gia công bo mạch thực tế và thử nghiệm kiểm chứng đối tượng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài:
    • Mô hình mạch đếm mới dừng lại ở cấu trúc mạch in 1 lớp sử dụng các vi mạch logic rời rạc (CD4518, CD4511), chưa tích hợp vi điều khiển chuyên dụng để mở rộng dung lượng đếm lên nhiều chữ số hoặc lưu trữ dữ liệu khi mất nguồn.
    • Cảm biến quang học dạng phản xạ phụ thuộc vào cự ly đặt vật thể và có thể chịu ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường xung quanh nếu chưa được che chắn quang học kín.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Tích hợp vi điều khiển (MCU) hoặc lập trình trên chip logic khả trình CPLD/FPGA thông qua phần mềm ISE Design Suite 14.1 để mở rộng tính năng quản lý dữ liệu số lượng sản phẩm.
    • Thiết kế mạch in 2 lớp chuẩn công nghiệp và bổ sung các cổng truyền thông công nghiệp để kết nối dữ liệu đếm lên máy tính quản lý dây chuyền.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị ứng dụng và tham khảo đối với:

  • Sinh viên các ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử, Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Tự động hóa và Cơ điện tử.
  • Học phần liên quan: CAD-CAM trong thiết kế điện tử, Thiết kế mạch logic số, Kỹ thuật vi mạch và Thiết kế bo mạch in (PCB Design).
  • Phần nội dung giá trị nhất: Quy trình thiết lập Design Rules chi tiết trên Altium Designer (độ rộng dây nguồn/tín hiệu, đi dây góc tù, in chữ ngược bo 1 lớp, phủ đồng) và sơ đồ phối ghép hoàn chỉnh giữa cảm biến hồng ngoại quang học với khối so sánh LM358, khối đếm CD4518 và khối giải mã CD4511.

Câu hỏi thường gặp

1. Mạch đếm sử dụng những IC chính nào để thực hiện chức năng đếm và giải mã hiển thị? Hệ thống sử dụng IC CD4518 là bộ đếm nhị phân thập phân kép (Dual BCD Up-Counter) để nhận xung đếm và xuất mã BCD 4-bit, kết hợp với IC CD4511 là bộ giải mã BCD sang LED 7 đoạn (BCD-to-7 Segment Latch/Decoder/Driver) để kích sáng các đoạn LED hiển thị số từ 0 đến 9.

2. Khối cảm biến thu - phát hồng ngoại nhận diện sản phẩm theo nguyên lý nào? LED phát 5mm phát liên tục bức xạ hồng ngoại. Ở trạng thái bình thường, LED thu có nội trở rất lớn (vài trăm kΩ). Khi có sản phẩm đi qua che chắn và phản xạ chùm tia vào LED thu, nội trở của LED thu giảm xuống mức vài chục Ω, làm thay đổi mức điện áp tại đầu vào không đảo của Op-Amp so sánh LM358. LM358 so sánh giá trị này với mức điện áp chuẩn trên biến trở vi chỉnh $R_3$ để xuất ra xung điện áp mức logic 1 kích hoạt khối đếm và khối còi.

3. Nhóm tác giả đã thiết lập các thông số kỹ thuật nào khi vẽ mạch in (PCB) trên Altium Designer? Nhóm tác giả thiết lập độ rộng đường dây cấp nguồn là 1.0 mm, đường dây tín hiệu thông thường là 0.5 mm; khoảng cách an toàn vùng đồng (Clearance) được kiểm tra kỹ; các đường mạch chỉ rẽ theo góc tù 45 độ; chữ viết ở lớp Bottom của mạch in 1 lớp được xử lý in ngược (mirror text); toàn bộ bo mạch được phủ đồng bằng lệnh Polygon Pour (P + G + Tab) và kiểm tra toàn diện lỗi bằng trình kiểm tra DRC (T + D + R).

4. Transistor C1815 đảm nhận nhiệm vụ gì trong mạch? Transistor NPN C1815 (đóng gói TO-92, dòng $I_C$ tối đa 150mA, $P_C = 400\text{mW}$) hoạt động ở chế độ khóa điện tử (đóng/ngắt), nhận tín hiệu xung kích từ ngõ ra của bộ cảm biến để cấp dòng điều khiển còi Buzzer 5VDC phát âm thanh cảnh báo (>80 dB) mỗi khi ghi nhận một sản phẩm đi qua.

5. Trong trường hợp cần thay thế linh kiện, IC CD4511 và Transistor C1815 có các linh kiện tương đương nào? Theo tài liệu của nhóm tác giả, IC CD4511 có thể thay thế bằng các IC tương đương như CD4513, 74LS48, CD4543, 74LS145 hoặc các dòng 74LS47, 7446, 7447, SN74LS48. Transistor C1815 có thể được thay thế bằng các mã transistor NPN tương đương gồm 2N2222, 2N3904, C945 hoặc 2SC3198 (cần kiểm tra lại cấu hình thứ tự chân trước khi hàn lắp).

Kết luận

Báo cáo môn học CAD-CAM đề tài "Thiết kế mạch đếm sản phẩm" của nhóm sinh viên Nguyễn Xuân Tân và Nguyễn Bá Quyết (Khoa Kỹ thuật Điện tử II, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Cơ sở TP. Hồ Chí Minh) đã trình bày hoàn chỉnh quy trình thiết kế và chế tạo một hệ thống đếm sản phẩm tự động sử dụng cảm biến hồng ngoại và vi mạch số. Công trình kết hợp thành công lý thuyết điện tử số (IC đếm CD4518, IC giải mã CD4511) với công cụ thiết kế chuyên dụng Altium Designer và Proteus để tạo ra sản phẩm phần cứng một lớp hoạt động ổn định, chính xác. Tài liệu cung cấp giá trị tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên ngành kỹ thuật điện tử trong việc nắm vững phương pháp thiết kế mạch in và triển khai các ứng dụng tự động hóa mức độ cơ sở.