Trường đại học
Trường Đại Học Điện TửChuyên ngành
Điện TửNgười đăng
Ẩn danhThể loại
Luận Văn Tốt Nghiệp2023
Phí lưu trữ
30.000 VNĐMục lục chi tiết
Tóm tắt
Đề tài luận văn tốt nghiệp ngành điện tử về thiết kế và thi công đồng hồ công sở là một chủ đề phổ biến nhưng luôn có giá trị thực tiễn cao. Trong bối cảnh công nghiệp hóa, việc tuân thủ giờ giấc nghiêm ngặt tại các nhà máy, xí nghiệp là yêu cầu bắt buộc. Một hệ thống báo giờ tự động, chính xác không chỉ giúp quản lý thời gian hiệu quả mà còn góp phần nâng cao kỷ luật lao động. Luận văn này tập trung vào việc ứng dụng kiến thức lý thuyết đã học vào một sản phẩm cụ thể, giải quyết một nhu cầu thực tế. Quá trình thực hiện một đồ án vi điều khiển như thế này không chỉ là một bài kiểm tra cuối khóa, mà còn là cơ hội để sinh viên đào sâu nghiên cứu, củng cố kỹ năng và bổ sung những kiến thức còn thiếu sót. Mục tiêu chính là hoàn thành một mạch đồng hồ kỹ thuật số hoàn chỉnh, có khả năng hiển thị giờ, phút, ngày, tháng và phát chuông báo theo lịch trình định sẵn. Quá trình này đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết thiết kế mạch, kỹ năng lập trình, và khả năng thi công thực tế. Đây là nền tảng vững chắc cho các kỹ sư điện tử tương lai, những người sẽ làm việc với các hệ thống nhúng phức tạp hơn. Sản phẩm cuối cùng không chỉ là một thiết bị đo thời gian mà còn là minh chứng cho năng lực giải quyết vấn đề kỹ thuật một cách toàn diện, từ khâu lên ý tưởng, phân tích, thiết kế, thi công cho đến kiểm thử và hoàn thiện.
Trong môi trường công nghiệp và văn phòng hiện đại, sự chính xác về thời gian là yếu tố then chốt. Việc phát triển các hệ thống báo hiệu tự động là một nhu cầu không thể thiếu. Đề tài thiết kế và thi công đồng hồ công sở giải quyết trực tiếp bài toán này. Theo tài liệu gốc của Nguyễn Thành Nhơn (2000), sự phát triển của công nghệ tích hợp vi mạch đã mở ra vô vàn ứng dụng trong dân dụng và công nghiệp. Một hệ thống báo giờ chính xác giúp mọi người nắm bắt thời gian kịp thời, không ảnh hưởng đến tiến độ công việc chung. Sự chuyển dịch từ đồng hồ cơ khí sang đồng hồ điện tử cho thấy tính ưu việt về độ chính xác, độ bền và khả năng tích hợp thêm nhiều chức năng thông minh.
Mục tiêu cốt lõi của luận văn kỹ thuật điện tử này là ứng dụng kiến thức đã học để tạo ra một sản phẩm vật lý hoạt động ổn định. Sinh viên cần tìm hiểu sâu hơn về các linh kiện điện tử, mạch logic, và bộ nhớ. Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian và kiến thức, đề tài chỉ tập trung vào các chức năng cơ bản: hiển thị giờ, ngày, thứ và báo chuông theo giờ định sẵn. Các chức năng nâng cao như kết nối mạng, đồng bộ thời gian tự động hay giao diện đồ họa không nằm trong phạm vi của đồ án. Việc xác định rõ giới hạn giúp đảm bảo đề tài có tính khả thi và có thể hoàn thành đúng tiến độ, là một bước quan trọng trong quá trình làm báo cáo tốt nghiệp.
Việc hiện thực hóa một mạch đồng hồ kỹ thuật số từ lý thuyết đến thực tế luôn tiềm ẩn nhiều thách thức kỹ thuật. Một trong những vấn đề lớn nhất là đảm bảo độ chính xác của đồng hồ, đòi hỏi phải lựa chọn một bộ dao động chuẩn có độ ổn định cao và sai số thấp. Thách thức tiếp theo nằm ở việc lựa chọn linh kiện điện tử phù hợp. Thị trường có vô số loại vi điều khiển, IC nhớ, và IC logic khác nhau. Việc lựa chọn sai có thể dẫn đến thiết kế phức tạp, chi phí cao hoặc hiệu năng không đạt yêu cầu. Đặc biệt, việc giao tiếp giữa các họ linh kiện khác nhau, ví dụ như giữa TTL và CMOS, là một bài toán không hề đơn giản. Theo nghiên cứu, sự khác biệt về mức điện áp và khả năng cấp/nhận dòng giữa hai họ logic này đòi hỏi phải có các mạch đệm hoặc điện trở kéo lên (pull-up) để đảm bảo tín hiệu được truyền đi một cách chính xác. Nếu không xử lý tốt, mạch có thể hoạt động chập chờn hoặc không hoạt động. Ngoài ra, việc thiết kế một bộ nguồn ổn định, cung cấp đủ dòng và áp cho toàn bộ hệ thống cũng là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và sự ổn định của sản phẩm. Cuối cùng, việc bảo vệ đồ án đòi hỏi sinh viên phải nắm vững mọi khía cạnh của thiết kế, từ sơ đồ khối đến nguyên lý chi tiết của từng module.
Việc lưu trữ dữ liệu hiển thị (mã 7 đoạn cho các con số) và lịch trình báo chuông là một phần quan trọng. Luận văn gốc đã sử dụng EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) họ 27xxx. Đây là loại bộ nhớ không mất dữ liệu khi mất điện. Thách thức ở đây là dung lượng. Với 1440 phút trong một ngày, cần ít nhất 11 đường địa chỉ để truy xuất bộ nhớ (2^11 = 2048), do đó các EPROM như 2716 (2KB) hoặc 2764 (8KB) là lựa chọn phù hợp. Ngày nay, sinh viên có thể lựa chọn các giải pháp hiện đại hơn như Flash memory tích hợp trong vi điều khiển PIC hoặc Arduino, hoặc sử dụng EEPROM ngoài. Mỗi lựa chọn đều có ưu nhược điểm về chi phí, độ phức tạp khi lập trình và độ bền.
Trong một hệ thống phức hợp, việc sử dụng lẫn lộn các IC thuộc họ TTL (ví dụ: 74LS) và CMOS (ví dụ: 4000 series) là điều khó tránh khỏi. Vấn đề cốt lõi nằm ở sự không tương thích về mức điện áp logic và dòng điện. Cụ thể, mức logic 'CAO' tối thiểu của ngõ ra TTL (khoảng 2.4V) có thể không đủ cao để được ngõ vào CMOS nhận dạng một cách đáng tin cậy. Ngược lại, khả năng nhận dòng (sink current) của một ngõ ra CMOS ở mức 'THẤP' không đủ lớn để kéo một ngõ vào TTL xuống mức thấp. Để giải quyết, cần sử dụng các điện trở kéo lên (pull-up resistor) khi TTL lái CMOS, hoặc sử dụng các IC đệm chuyên dụng như 4049/4050 khi CMOS cần lái nhiều tải TTL. Việc tính toán và lựa chọn đúng giá trị điện trở là cực kỳ quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.
Quy trình thiết kế phần cứng cho đồ án tốt nghiệp đồng hồ công sở là một quá trình tuần tự và logic, bắt đầu từ việc phân rã hệ thống thành các khối chức năng nhỏ hơn. Mỗi khối đảm nhiệm một vai trò cụ thể và được thiết kế độc lập trước khi tích hợp lại với nhau. Cấu trúc một luận văn kỹ thuật điện tử về chủ đề này thường bao gồm các khối chính: Khối Nguồn, Khối Dao Động và Chia Tần, Khối Giải Mã Địa Chỉ, Khối Bộ Nhớ, Khối Chốt và Đệm Dữ Liệu, và Khối Hiển Thị. Khối Nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều 5V ổn định để cấp cho toàn mạch. Khối Dao Động, trái tim của đồng hồ, thường sử dụng thạch anh 32.768 Hz hoặc 1 MHz để tạo ra một tần số chuẩn cực kỳ chính xác. Tần số này sau đó được đưa qua các mạch chia tần (thường dùng IC đếm như 4060, 4040) để tạo ra các xung 1Hz (1 giây) và 1/60Hz (1 phút). Xung 1 phút này sẽ là tín hiệu clock để điều khiển việc truy xuất bộ nhớ. Sơ đồ nguyên lý là tài liệu quan trọng nhất, mô tả chi tiết cách kết nối tất cả các linh kiện điện tử với nhau. Từ sơ đồ này, sinh viên sẽ tiến hành thiết kế mạch in PCB để tối ưu hóa việc lắp ráp và tăng độ bền cho sản phẩm.
Để đảm bảo độ chính xác, khối dao động thường sử dụng thạch anh. Luận văn gốc đề cập đến thạch anh 32.768 Hz, một lựa chọn kinh điển vì khi chia cho 2^15 sẽ cho ra tần số chính xác 1 Hz. IC 4060 là một lựa chọn lý tưởng cho việc này, vì nó tích hợp cả bộ dao động và 14 tầng chia tần. Tín hiệu 1 Hz sau đó tiếp tục được đưa vào một bộ đếm khác (ví dụ IC 4040) để chia cho 60, tạo ra xung 1 phút. Xung 1 phút này đóng vai trò là nhịp đập chính của đồng hồ, mỗi khi có xung này, địa chỉ của bộ nhớ sẽ tăng lên một, và dữ liệu hiển thị giờ phút mới sẽ được đọc ra. Sự ổn định của khối này quyết định trực tiếp đến độ chính xác dài hạn của đồng hồ.
Khối này có nhiệm vụ lưu trữ và cung cấp dữ liệu hiển thị. Dữ liệu này là mã 7 đoạn tương ứng với từng phút trong ngày (từ 00:00 đến 23:59). Với 1440 phút, bộ nhớ EPROM 2764 (8KB) là đủ dùng. Mạch giải mã địa chỉ, thường là một bộ đếm nhị phân 12-bit như IC 4040, sẽ nhận xung 1 phút làm tín hiệu clock. Mỗi xung clock sẽ làm bộ đếm tăng giá trị lên 1, tương ứng với việc trỏ đến ô nhớ tiếp theo trong EPROM. Tín hiệu reset cho bộ đếm này được tạo ra khi đếm đến giá trị 1439, để đảm bảo chu kỳ lặp lại sau mỗi 24 giờ. Lập trình C cho vi điều khiển hiện đại có thể thay thế toàn bộ khối này, nhưng việc hiểu thiết kế bằng logic rời giúp củng cố kiến thức nền tảng rất tốt.
Khối hiển thị sử dụng 4 LED 7 đoạn để hiển thị giờ và phút. Để tiết kiệm chân điều khiển từ bộ nhớ (chỉ có 8 đường dữ liệu), kỹ thuật quét LED (multiplexing) được áp dụng. Tại mỗi thời điểm, chỉ có một LED 7 đoạn được bật sáng và nhận dữ liệu tương ứng. Quá trình này diễn ra với tần số rất cao (thường trên 100Hz) khiến mắt người có cảm giác cả 4 LED đều sáng đồng thời. Mạch quét thường được điều khiển bởi các ngõ ra của một bộ đếm/giải mã (ví dụ 74LS138) và các transistor để cấp dòng cho từng LED. Dữ liệu 7 đoạn từ ngõ ra của bộ nhớ sẽ được nối chung đến cả 4 LED, nhưng chỉ có LED được kích hoạt tại thời điểm đó mới hiển thị.
Phần mềm, hay firmware, là linh hồn của hệ thống nhúng, quyết định cách thức hoạt động của phần cứng. Trong khuôn khổ một luận văn tốt nghiệp thiết kế đồng hồ bằng logic rời và bộ nhớ, 'lập trình' ở đây không phải là viết code C hay Assembly cho vi điều khiển, mà là quá trình tạo ra tệp dữ liệu (thường ở định dạng mã hexa) để nạp vào EPROM. Đây là một dạng lập trình nhúng ở mức độ cơ bản nhất. Quá trình này bao gồm hai bước chính: xây dựng bảng dữ liệu (lookup table) và nạp vào chip nhớ. Bảng dữ liệu này là một tệp lớn, chứa 1440 dòng, mỗi dòng tương ứng với một phút trong ngày. Mỗi dòng chứa mã 8-bit, trong đó 7 bit quy định trạng thái sáng/tắt của 7 đoạn trên LED (từ a đến g) để hiển thị con số tương ứng, và bit còn lại có thể dùng cho các chức năng khác như điều khiển chuông. Ví dụ, để hiển thị '12:45', chương trình nạp sẽ chứa các mã hexa cho số 1, 2, 4, 5 tại các địa chỉ tương ứng. Việc tạo ra tệp hexa này có thể được thực hiện bằng một kịch bản lập trình đơn giản trên máy tính (Python, C++) hoặc thậm chí bằng tay. Sau đó, một thiết bị nạp EPROM chuyên dụng sẽ được sử dụng để ghi tệp dữ liệu này vào chip.
Đây là công việc tỉ mỉ và đòi hỏi sự chính xác. Cần định nghĩa mã hexa cho từng chữ số từ 0 đến 9. Ví dụ, với LED 7 đoạn loại Anode chung, số '0' có thể là mã 0xC0 (11000000), số '1' là 0xF9 (11111001),... Sau đó, một chương trình nhỏ trên máy tính sẽ tự động tạo ra một tệp chứa 1440 dòng dữ liệu. Chương trình này sẽ lặp qua từng phút từ 00:00 đến 23:59, tách ra 4 chữ số, tra cứu mã hexa tương ứng và ghi vào tệp. Việc này đảm bảo tính chính xác và tiết kiệm thời gian so với việc nhập liệu thủ công. Tệp cuối cùng sẽ là một bản đồ bộ nhớ hoàn chỉnh cho hoạt động của đồng hồ.
Sau khi có tệp mã hexa, bước tiếp theo là nạp vào chip EPROM 2764. Quá trình này cần một máy nạp ROM chuyên dụng. Chip EPROM đầu tiên phải được xóa sạch bằng cách chiếu tia cực tím (UV) qua cửa sổ thạch anh của nó trong khoảng 15-20 phút. Sau khi xóa, chip được đặt vào máy nạp, tệp hexa được tải lên, và quá trình ghi bắt đầu. Máy nạp sẽ đặt điện áp lập trình (Vpp, thường là 12.5V hoặc 21V) và ghi từng byte dữ liệu vào đúng địa chỉ. Sau khi ghi xong, một bước cực kỳ quan trọng là xác minh (verify). Máy nạp sẽ đọc lại toàn bộ dữ liệu từ chip và so sánh với tệp gốc để đảm bảo không có lỗi nào xảy ra trong quá trình nạp.
Từ lý thuyết đến sản phẩm là một chặng đường dài, và khâu thi công đóng vai trò quyết định. Sau khi hoàn tất thiết kế mạch in PCB bằng các phần mềm chuyên dụng như Altium hay Proteus, bước tiếp theo là gia công bo mạch. Mạch in giúp các kết nối trở nên gọn gàng, ổn định và chuyên nghiệp hơn so với việc đi dây thủ công. Quá trình lắp ráp linh kiện điện tử lên PCB đòi hỏi sự cẩn thận, đúng thứ tự và kỹ thuật hàn tốt. Các linh kiện nhạy cảm như IC cần được lắp sau cùng và sử dụng đế cắm (socket) để dễ dàng thay thế và tránh hỏng hóc do nhiệt. Khối nguồn phải được lắp ráp và kiểm tra đầu tiên, đảm bảo điện áp ra ổn định ở mức +5V trước khi cấp cho toàn mạch. Sau khi lắp ráp hoàn tất, quá trình kiểm thử hệ thống bắt đầu. Quá trình này được thực hiện từng phần. Đầu tiên, kiểm tra khối dao động bằng máy hiện sóng (oscilloscope) để chắc chắn rằng các tần số 1Hz và 1/60Hz được tạo ra chính xác. Tiếp theo, kiểm tra hoạt động của khối giải mã địa chỉ và khối hiển thị. Cuối cùng, cắm chip EPROM đã nạp chương trình vào và cấp điện cho toàn hệ thống để kiểm tra tổng thể. Mọi sai sót, nếu có, cần được phân tích, dò tìm và hiệu chỉnh cẩn thận.
Quy trình lắp ráp chuẩn bắt đầu với các linh kiện có chiều cao thấp trước, như điện trở, diode, tụ điện nhỏ, sau đó đến các linh kiện cao hơn như đế cắm IC, tụ hóa, transistor, và các cổng kết nối. Việc này giúp thao tác hàn trở nên dễ dàng hơn. Cần đặc biệt chú ý đến chiều của các linh kiện có cực tính như diode, tụ hóa, và IC. Sau khi hàn xong, cần kiểm tra kỹ lưỡng các mối hàn, đảm bảo không bị hở mạch hoặc chập mạch. Vệ sinh bo mạch bằng cồn và bàn chải mềm để loại bỏ nhựa thông thừa. Hoàn thiện phần cứng bao gồm việc lắp đặt bo mạch vào một hộp bảo vệ, thiết kế mặt hiển thị và các nút bấm điều khiển một cách hợp lý và thẩm mỹ.
Giai đoạn này nhằm xác nhận mạch hoạt động đúng như thiết kế. Cấp nguồn và quan sát. Đồng hồ có chạy không? Các số có hiển thị đúng không? Quá trình quét LED có ổn định không? Nếu có sự cố, cần sử dụng đồng hồ vạn năng (VOM) và máy hiện sóng để đo đạc, kiểm tra tín hiệu tại các điểm quan trọng trên sơ đồ nguyên lý. Ví dụ, nếu một đoạn LED không sáng, cần kiểm tra tín hiệu tại ngõ ra tương ứng của bộ nhớ, kiểm tra điện trở hạn dòng và transistor điều khiển. Sau khi mạch chạy ổn định, cần theo dõi độ chính xác của đồng hồ trong một khoảng thời gian dài (24 giờ hoặc vài ngày) để đánh giá sai số. Kết quả cuối cùng sẽ được ghi nhận trong báo cáo tốt nghiệp.
Việc hoàn thành luận văn tốt nghiệp về đề tài thiết kế và thi công đồng hồ công sở đánh dấu một cột mốc quan trọng trong quá trình học tập của sinh viên ngành điện tử. Đề tài đã thành công trong việc phân tích, thiết kế và chế tạo một sản phẩm hoạt động đúng chức năng, đáp ứng các yêu cầu ban đầu. Sinh viên đã áp dụng thành công kiến thức về mạch số, kỹ thuật vi xử lý cơ bản, và kỹ năng thi công mạch điện tử. Qua đó, sinh viên không chỉ củng cố lý thuyết mà còn tích lũy được kinh nghiệm thực tiễn quý báu. Bản báo cáo tốt nghiệp đã trình bày một cách hệ thống toàn bộ quá trình, từ cơ sở lý thuyết, phân tích thiết kế, lựa chọn linh kiện, đến thi công và kiểm thử. Tuy nhiên, bên cạnh những kết quả đạt được, sản phẩm vẫn còn một số hạn chế nhất định do giới hạn về thời gian và công nghệ tại thời điểm thực hiện. Những hạn chế này mở ra nhiều hướng phát triển tiềm năng trong tương lai, cho phép nâng cấp sản phẩm trở nên thông minh và hữu ích hơn, phù hợp với xu hướng phát triển của công nghệ hiện đại. Đây chính là tiền đề cho những đồ án vi điều khiển phức tạp và tân tiến hơn.
Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu chính: thiết kế thành công một mạch đồng hồ kỹ thuật số hiển thị giờ, phút, ngày, tháng. Hệ thống hoạt động ổn định dựa trên bộ dao động thạch anh có độ chính xác cao. Đã xây dựng được quy trình tạo và nạp chương trình cho bộ nhớ EPROM một cách hiệu quả. Kỹ năng thiết kế mạch in PCB và thi công phần cứng được nâng cao rõ rệt. Sản phẩm cuối cùng là một minh chứng rõ ràng cho khả năng ứng dụng lý thuyết vào thực tiễn, một kỹ năng cốt lõi của một kỹ sư. Quá trình thực hiện đã giúp sinh viên hiểu sâu sắc hơn về nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử cơ bản và cách chúng phối hợp với nhau trong một hệ thống nhúng.
Luận văn gốc đề cập đến một số hạn chế như chưa báo thứ bằng LED 7 đoạn và chưa tích hợp phần báo nhiệt độ. Đây là những hướng phát triển rõ ràng. Trong tương lai, có thể thay thế toàn bộ hệ thống logic rời và bộ nhớ bằng một vi điều khiển duy nhất như PIC16F877A hoặc Arduino. Giải pháp này không chỉ giúp mạch nhỏ gọn hơn, tiết kiệm năng lượng hơn mà còn cho phép dễ dàng mở rộng tính năng. Có thể tích hợp thêm cảm biến nhiệt độ độ ẩm, module thời gian thực (DS1307, DS3231) để tăng độ chính xác và giữ thời gian khi mất điện, kết nối Bluetooth hoặc Wi-Fi để đồng bộ thời gian qua Internet và điều khiển từ xa qua ứng dụng di động. Đây là những cải tiến giúp sản phẩm bắt kịp với xu hướng IoT (Internet of Things) hiện nay.
Bạn đang xem trước tài liệu:
Thiết kế và thi công đồng hồ công sở
Tài liệu "Thiết Kế và Thi Công Đồng Hồ Công Sở: Luận Văn Tốt Nghiệp Ngành Điện Tử" cung cấp cái nhìn sâu sắc về quy trình thiết kế và thi công đồng hồ công sở, một lĩnh vực quan trọng trong ngành điện tử. Luận văn không chỉ trình bày các nguyên lý cơ bản mà còn đi sâu vào các kỹ thuật và công nghệ hiện đại được áp dụng trong việc phát triển sản phẩm. Độc giả sẽ tìm thấy những lợi ích thiết thực từ việc nắm vững kiến thức này, bao gồm khả năng áp dụng vào thực tiễn, cải thiện kỹ năng thiết kế và nâng cao hiểu biết về các hệ thống điện tử phức tạp.
Để mở rộng thêm kiến thức, bạn có thể tham khảo tài liệu Đồ án hcmute thiết kế và thi công mạch nghịch lưu sin chuẩn, nơi cung cấp thông tin chi tiết về thiết kế mạch điện tử. Ngoài ra, tài liệu Đồ án tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật máy tính thiết kế và đánh giá bộ chuyển đổi giao thức apb sang uart sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các giao thức truyền thông trong thiết kế điện tử. Cuối cùng, tài liệu Luận văn chế tạo và khảo sát các tính chất phát quang quang điện và điện hóa của các lớp chuyển tiếp dị chất cấu trúc nanô sẽ mang đến cái nhìn sâu sắc về vật liệu và kỹ thuật trong thiết kế điện tử. Những tài liệu này sẽ là nguồn tài nguyên quý giá để bạn khám phá thêm về lĩnh vực này.