Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật hiển thị thông tin và trang trí quảng cáo, các hệ thống quang báo đóng vai trò truyền tải thông điệp thị giác tại các địa điểm công cộng như hiệu sách, sân bay, nhà hàng, khách sạn và các bảng hiệu đô thị ban đêm. Phương pháp truyền thống thường sử dụng các bảng ma trận LED tĩnh với số lượng lớn bóng đèn LED gắn cố định trên một mặt phẳng, đòi hỏi hệ thống dây dẫn phức tạp, tiêu tốn nhiều linh kiện giải mã, dung lượng nguồn lớn và giá thành gia công cao.

Nhằm giải quyết những hạn chế về mặt linh kiện và kích thước cơ khí, đề tài "Thiết Kế và Thi Công Mạch Quang Báo Dùng EPROM và Motor" được sinh viên Lê Trung Hiếu (Lớp 98KĐĐ, Khoa Điện, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Phương Quang vào tháng 02/2002. Đồ án tập trung nghiên cứu giải pháp hiển thị quét quang học kết hợp chuyển động quay cơ học (nguyên lý Propeller LED Display dựa trên hiện tượng lưu ảnh của mắt người). Thay vì sử dụng toàn bộ ma trận hàng và cột tĩnh, hệ thống chỉ sử dụng một cột duy nhất gồm 16 LED quay xung quanh một trục với bán kính $R = 46\text{ mm}$, tạo thành một mặt trụ hiển thị tròn có chu vi $2\pi R$. Do chuyển động quay không để lại nền quét, hình ảnh và ký tự quang báo tạo cảm giác nổi tự nhiên trong không gian.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Ứng dụng các kiến thức về kỹ thuật số, vi mạch tích hợp họ CMOS/TTL và linh kiện quang điện tử vào thực tiễn thiết kế phần cứng.
  2. Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động, mạch đếm địa chỉ quét, mạch nhớ EPROM, mạch chốt/đệm dữ liệu và mạch cấp nguồn cho phần quay.
  3. Tính toán các thông số kỹ thuật cốt lõi: tần số dao động của bộ đếm, tốc độ quay đồng bộ của động cơ ($1500\text{ vòng/phút}$ tương ứng $25\text{ hình/giây}$), giá trị điện trở hạn dòng LED và thông số mạch lọc nguồn.
  4. Thi công bo mạch in hai lớp, chế tạo cơ cấu tiếp điện chổi than – cổ góp trên trục quay và nạp mã dữ liệu EPROM để hiển thị các trang văn bản, hình ảnh mẫu.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn trong quy mô mô hình hiển thị trang trí nhỏ gọn (phù hợp cho các buổi tiệc, liên hoan, giáng sinh, sinh nhật hoặc để bàn), sử dụng các linh kiện số rời và bộ nhớ EPROM nạp tĩnh, hoàn thành trong thời gian thực hiện 6 tuần tại xưởng thực hành Điện - Điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết mạch số, quang điện tử và máy điện:

  • Lý thuyết cổng logic và mạch dãy: Khảo sát các cổng logic cơ bản (AND, OR, NOT, NAND, NOR, EXOR, EXNOR); cấu trúc và bảng trạng thái của các phần tử nhớ Flip-Flop (RS, JK, D, T Flip-Flop) làm nền tảng cho các bộ đếm nhị phân không đồng bộ.
  • Lý thuyết linh kiện quang điện tử: Nguyên lý tiếp giáp P-N phát quang của điốt LED (LED đỏ, vàng, xanh, LED hồng ngoại); các thông số kỹ thuật về điện áp phân cực thuận ($1{,}6\text{V} - 3\text{V}$), dòng định mức ($10\text{mA} - 20\text{mA}$), góc nhìn, hiệu suất quang học và sự phụ thuộc của cường độ phát quang vào nhiệt độ làm việc.
  • Cấu trúc bộ nhớ bán dẫn EPROM: Khái niệm phân loại ROM, PROM, UV-EPROM, EEPROM và Flash ROM; khảo sát cấu trúc tổ chức ma trận nhớ theo phương pháp chọn trùng phùng (X-Decoder, Y-Decoder), bus địa chỉ, bus dữ liệu 8-bit và các chân điều khiển chức năng ($\overline{\text{CE}}$, $\overline{\text{OE}}/\text{V}_{\text{pp}}$, $\overline{\text{PGM}}$) của các dòng IC nhớ 2732 ($4\text{KB}$), 2764 ($8\text{KB}$) và 27128 ($16\text{KB}$).
  • Lý thuyết động cơ vạn năng và động cơ điện một chiều (DC): Cấu tạo stato (phần cảm), roto (phần ứng), cổ góp và chổi than; nguyên lý sinh mô-men quay không đổi chiều và các đặc tính tốc độ - dòng điện của động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết giải tích và chế tạo thực nghiệm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thiết lập sơ đồ khối chức năng của hệ thống quang báo quay, tính toán phân chia xung nhịp và đồng bộ thời gian quét quang học với chu kỳ quay cơ học của motor.
  • Phương pháp tính toán thiết kế phần cứng: Xác định tần số tạo xung RC của IC 4060, tính toán giá trị điện trở hạn dòng qua LED dựa trên hệ số chu kỳ công tác (duty cycle) của quá trình quét xung, tính toán dòng tải của mạch ổn áp nguồn LM7805.
  • Phương pháp thực nghiệm và thi công: Vẽ sơ đồ mạch nguyên lý, gia công mạch in hai lớp (PCB), lắp ráp linh kiện cơ khí quay quanh trục motor, chế tạo hệ thống chổi than quét cấp nguồn qua cổ góp và lập trình bảng mã hex nhị phân nạp vào EPROM.

Nguồn dữ liệu tham khảo chính của đồ án gồm các tài liệu giáo trình chuyên ngành Điện tử viễn thông, Kỹ thuật mạch điện tử, Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn (Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, NXB Khoa học và Kỹ thuật) và tài liệu datasheet của các nhà sản xuất bán dẫn.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống mạch quang báo quay dùng EPROM và motor được cấu trúc thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ:

[Khối Tạo Dao Động & Đếm Quét Cột: IC 4060] ---> [Khối Lưu Trữ Dữ Liệu: EPROM 27xx]
                         |                                      |
                         v                                      v
[Khối Đếm Chọn Trang Màn Hình: IC 4040]        [Khối Chốt & Đệm: IC 74HC573 & 74HC541]
                         |                                      |
                         +------------------------------------->+
                                                                |
                                                                v
                                                   [Khối Hiển Thị: 16 LED Đỏ 3mm]
                                                                ^
                                                                |
[Khối Cấp Nguồn: LM7805 + Cổ Góp/Chổi Than] --------------------+

Kiến trúc các khối mạch chính

  1. Khối dao động và đếm địa chỉ quét cột (IC 4060): IC 4060 là bộ đếm nhị phân 14 tầng không đồng bộ tích hợp sẵn cổng dao động RC bên trong. Mạch dao động RC sử dụng các chân $R_S$, $R_{\text{tc}}$, $C_{\text{tc}}$ để tạo xung vuông chủ. Các ngõ ra địa chỉ từ $A_0$ đến $A_6$ (7 đường địa chỉ) được đưa vào EPROM để truy xuất 128 địa chỉ nhị phân, tương ứng với 64 cột dữ liệu hiển thị (mỗi cột truy xuất 2 lần liên tiếp).
  2. Khối đếm chọn trang hiển thị (IC 4040): IC 4040 là bộ đếm nhị phân 12 tầng nhận xung tràn từ IC 4060 sau khi quét đủ 16 lần một trang màn hình. 5 đường ngõ ra của IC 4040 được nối với các đường địa chỉ cao ($A_7 - A_{11}$) của EPROM, cho phép chuyển đổi và quản lý tối đa $2^5 = 32$ trang màn hình khác nhau.
  3. Khối chốt và đệm dữ liệu (IC 74HC573 và IC 74HC541): Do bus dữ liệu của EPROM là 8-bit trong khi cột hiển thị gồm 16 LED, hệ thống kết hợp IC chốt 8-bit octal transparent D-latch (74HC573) và IC đệm 8-bit ba trạng thái (74HC541). Khi xung clock ở mức cao ($T_1$), 8-bit dữ liệu đầu tiên từ EPROM được chốt vào IC 74HC573; khi xung clock chuyển sang mức thấp ($T_2$), 8-bit dữ liệu thứ hai từ EPROM được xuất thẳng qua IC 74HC541, đồng thời IC 74HC573 mở ngõ ra để cả 16 LED trên cột cùng sáng đồng thời.
  4. Khối cơ cấu truyền động và cấp nguồn: Sử dụng động cơ DC nam châm vĩnh cửu dẫn động bo mạch quay với bán kính quét $r = 46\text{ mm}$. Nguồn điện $+5\text{V DC}$ được cấp cho phần bo mạch quay thông qua hệ thống tiếp điện cơ khí gồm hai lá chổi than tì lên cổ góp tròn gắn đồng trục với motor, kết hợp cầu nắn và các tụ lọc nhiễu $0{,}33\mu\text{F}$ và $0{,}1\mu\text{F}$.
  5. Mạch Auto Reset và tạo khung tối: Hệ thống quét thiết lập góc hiển thị chiếm $2/3$ chu vi vòng tròn ($64\text{ cột}$ sáng), $1/3$ chu vi vòng tròn còn lại ($32\text{ cột}$) là vùng tối được khóa bởi chân reset của các IC đếm, giúp tạo khoảng phân cách đồng bộ vị trí xuất chữ khi motor quay liên tục.

Bảng tổng hợp thông số tính toán thiết kế hệ thống

Đại lượng / Thông số kỹ thuật Công thức / Căn cứ tính toán Giá trị thiết kế
Bán kính quay của cột LED ($r$) Cấu trúc cơ khí khung quay $46\text{ mm}$
Tốc độ quay chuẩn của motor ($n$) Đảm bảo tần số lưu ảnh $25\text{ hình/giây}$ $1500\text{ vòng/phút}$ ($25\text{ vòng/s}$)
Vận tốc góc của trục quay ($\omega$) $\omega = \frac{1500 \times 2\pi}{60}$ $157\text{ rad/s}$
Số cột quét trên toàn vòng tròn Tính toán phân chia góc quét $96\text{ cột}$
Số cột quét hiển thị dữ liệu $2/3$ chu vi vòng tròn ($96 \times 2/3$) $64\text{ cột}$
Số xung clock cần cho một vòng quay Mỗi cột cần 2 xung truy xuất ($96 \times 2$) $192\text{ xung/vòng}$
Tần số xung xuất tại chân $Q_4$ (IC 4060) $f_{Q4} = 192 \times 25\text{ vòng/s}$ $4.800\text{ Hz}$ ($4{,}8\text{ kHz}$)
Tần số dao động gốc IC 4060 ($f_{\text{osc}}$) $f_{\text{osc}} = f_{Q4} \times 2^4 = 4800 \times 16$ $76.800\text{ Hz}$ ($76{,}8\text{ kHz}$)
Điện trở và tụ điện dao động RC $f_{\text{osc}} \approx \frac{1}{2{,}3 R C}$ với $R = 12\text{ k}\Omega$ $C = 470\text{ pF}$
Tỷ lệ thời gian sáng của 1 cột LED Hệ số chu kỳ công tác ($1 / 96$) $1{,}04%$ chu kỳ
Tổng thời gian tích cực của 1 LED Quét lặp lại 16 lần / trang màn hình $1{,}64%$
Dòng điện tức thời qua LED ($I_{\text{peak}}$) $I_{\text{tb}} = 10\text{mA}$ qua hệ số quét Dòng tức thời định mức
Dòng tức thời cực đại khi 16 LED cùng sáng $16 \times I_{\text{peak}}$ Khoảng $2{,}7\text{A}$
Dòng tiêu thụ trung bình toàn mạch Tính toán dòng tải tĩnh và LED Khoảng $> 80\text{ mA}$
Nguồn cấp ổn áp chính IC ổn áp LM7805 $+5\text{V DC}$ (dòng định mức $1\text{A}$)

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Lý thuyết cơ bản

Chương này trình bày toàn diện cơ sở lý thuyết về các linh kiện điện tử và vi mạch số phục vụ thiết kế:

  • Định nghĩa đại số logic, bảng sự thật và ký hiệu chuẩn của các cổng AND, OR, NOT, NAND, NOR, EXOR và EXNOR; liệt kê các dòng IC số CMOS tương ứng (4073B, 4081B, 4071B, 4011, 4012B, 4023B...).
  • Phân loại và nguyên lý hoạt động của mạch dãy và các phần tử nhớ Flip-Flop (RS, JK, D, T Flip-Flop); phân tích ưu điểm chống trạng thái cấm của JK Flip-Flop ($J=K=1$) và ứng dụng trong các IC số tích hợp (7474, 7476, 4013, 4027...).
  • Khảo sát quang điện tử: Cấu tạo lớp chuyển tiếp P-N của LED phát quang, vật liệu bán dẫn (GaAs, GaP, GaN, AlInGaP), độ dài bước sóng bức xạ từ hồng ngoại ($910\text{nm}$) đến ánh sáng nhìn thấy ($400 - 650\text{nm}$) và công nghệ LED polymer (OLED). Khảo sát màn hình tinh thể lỏng (LCD) để so sánh ưu - nhược điểm với LED.
  • Tổng quan về cấu trúc bộ nhớ ROM/EPROM (dòng EPROM 2732, 2764, 27128), quy trình xóa chip bằng tia cực tím (UV) qua cửa sổ thạch anh và nguyên lý truy xuất bộ nhớ theo ma trận chọn trùng phùng.
  • Đặc tính kỹ thuật của IC đệm 8-bit 74HC541 và IC chốt 8-bit 74HC573; cấu tạo và đặc tính cơ điện của động cơ vạn năng và động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu.

Chương II: Thiết kế và tính toán

Chương II tập trung chi tiết hóa các bước tính toán thông số kỹ thuật và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch:

  • Thuyết minh ý tưởng thiết kế hiển thị cột 16 LED quay tạo chữ nổi lơ lửng trong không gian; phân định chức năng phối hợp giữa IC 4060 (tạo xung và đếm 64 cột), IC 4040 (đếm chọn 32 trang), IC 74HC573 và IC 74HC541 (ghép 8-bit thành 16-bit dữ liệu).
  • Thiết lập công thức và tính toán chính xác tần số dao động RC của IC 4060 đạt $76{,}8\text{ kHz}$ tương ứng tốc độ quay motor $1500\text{ vòng/phút}$ ($25\text{ vòng/s}$) với $R = 12\text{ k}\Omega$ và $C = 470\text{ pF}$.
  • Tính toán phân bố năng lượng và dòng điện qua LED, xác định điện trở tải hạn dòng khi LED hoạt động ở chế độ quét xung ngắn ($1{,}04%$ chu kỳ).
  • Thiết kế mạch nguồn ổn áp $+5\text{V}$ sử dụng IC 7805, bố trí tụ lọc $0{,}33\mu\text{F}$ và $0{,}1\mu\text{F}$; thiết kế cơ cấu tiếp điện chổi than – cổ góp và mạch cầu nắn lọc ổn định nguồn DC trên bo mạch quay.
  • Thiết kế mạch Auto Reset tạo vùng tối $1/3$ vòng quay ($32\text{ cột}$) để định vị điểm gốc hiển thị của từng chu kỳ quay.

Chương III: Thi công

Chương III trình bày quá trình gia công phần cứng và lắp ráp thực nghiệm:

  • Thiết kế và xuất sơ đồ mạch in hai lớp (Double-Sided PCB) đảm bảo bố trí linh kiện đối xứng nhằm giảm thiểu độ lệch mô-men quán tính khi bo mạch quay ở tốc độ cao ($1500\text{ vòng/phút}$).
  • Hàn lắp các đế cắm IC, IC 4060, IC 4040, EPROM 2764, IC 74HC541, IC 74HC573, dãy 16 LED đỏ $3\text{mm}$, IC ổn áp LM7805 và các linh kiện thụ động.
  • Lắp ráp cơ khí phần khung quay vào trục motor, cân chỉnh tiếp xúc điện của hai lá chổi than quét trên vành cổ góp đồng trục.
  • Lập bảng mã nhị phân cho các ký tự văn bản mẫu (các ký tự chữ cái A, B, C... và hình ảnh biểu tượng), chuyển đổi sang mã Hexadecimal và sử dụng máy nạp ROM chuyên dụng nạp vào bộ nhớ EPROM.

Chương IV: Kết luận và hướng phát triển

  • Đánh giá tổng kết kết quả đạt được sau 6 tuần nghiên cứu, tính toán và chế tạo thực nghiệm.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp mở rộng hệ thống cho các ứng dụng quảng cáo quy mô lớn trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Hoàn thiện hệ thống phần cứng quang báo quay: Đồ án đã chế tạo thành công mô hình quang báo hoàn chỉnh gồm khối bo mạch quay 16 LED, khối động cơ truyền động DC và cơ cấu cấp điện chổi than – cổ góp hoạt động ổn định ở điện áp $+5\text{V DC}$.
  2. Đồng bộ hóa tần số quét và tốc độ cơ học: Mạch dao động RC ($R = 12\text{ k}\Omega$, $C = 470\text{ pF}$) của IC 4060 tạo ra tần số chuẩn $76{,}8\text{ kHz}$, phối hợp chính xác với tốc độ quay motor $1500\text{ vòng/phút}$ ($25\text{ vòng/giây}$), giúp hình ảnh hiển thị sắc nét, không bị nhòe hay giật hình nhờ tận dụng trọn vẹn hiện tượng lưu ảnh của mắt người ($1/25\text{s}$).
  3. Mở rộng dung lượng hiển thị: Nhờ kết hợp IC 4040 quản lý 5 đường địa chỉ cao của EPROM và mạch ghép 74HC541 – 74HC573, hệ thống có khả năng xuất 32 trang màn hình tuần tự, mỗi trang gồm 64 cột điểm ảnh với chiều cao 16 điểm LED.

Đóng góp thực tiễn của đồ án

  • Đưa ra giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa số lượng linh kiện: chỉ sử dụng 16 LED đơn thay vì phải dùng ma trận tĩnh lên tới $16 \times 64 = 1024\text{ LED}$, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí linh kiện, giảm độ phức tạp của hệ thống dây dẫn và giảm công suất tiêu thụ điện trung bình (dưới $100\text{ mA}$).
  • Tạo ra sản phẩm có hiệu ứng thị giác độc đáo (chữ nổi lơ lửng trong không gian không nền), ứng dụng hiệu quả cho mục đích trang trí tiệc sinh nhật, giáng sinh, lễ tết hoặc các tủ trưng bày sản phẩm nhỏ gọn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Cân bằng động cơ học: Bo mạch quay ở tốc độ $1500\text{ vòng/phút}$ chịu lực ly tâm lớn; việc bố trí linh kiện nếu không hoàn toàn đối xứng tâm sẽ tạo ra rung lắc cơ khí và tiếng ồn.
  • Tiếp xúc điện cơ học: Cơ chế cấp nguồn qua chổi than và cổ góp kim loại chịu ma sát cơ học liên tục, dễ bị mài mòn, phát sinh tia lửa điện nhỏ hoặc gây nhiễu nguồn sau thời gian dài vận hành.
  • Góc quan sát: Góc nhìn thấy rõ nội dung chữ nổi bị giới hạn chủ yếu từ một phía trực diện ($2/3$ cung quay phía trước).
  • Tính linh hoạt của dữ liệu: Nội dung hiển thị được ghi tĩnh trong chip UV-EPROM; mỗi lần thay đổi nội dung chữ hoặc hình ảnh quảng cáo bắt buộc phải tháo chip, xóa bằng đèn cực tím và nạp lại bằng bộ nạp chuyên dụng.

Hướng phát triển đề tài

  • Mở rộng quy mô cơ khí: Thiết kế hệ thống quang báo quay với bán kính cánh quay lớn hơn ($R > 200\text{ mm}$) và thanh LED nhiều màu (RGB) để ứng dụng tại các không gian công cộng rộng lớn hoặc biển quảng cáo ngoài trời.
  • Nâng cấp công nghệ điều khiển: Thay thế khối IC số rời và EPROM cố định bằng vi điều khiển (như họ 8051, PIC, AVR) kết hợp giao tiếp không dây (RF, hồng ngoại hoặc Bluetooth) và cảm biến vị trí Hall/Optocoupler để tự động đồng bộ tốc độ quay và cập nhật nội dung tức thời từ máy tính.
  • Cải tiến cơ cấu cấp nguồn: Ứng dụng công nghệ truyền điện không dây qua cuộn cảm ứng (Wireless Power Transfer / Rotary Transformer) để thay thế hoàn toàn chổi than cơ học, loại bỏ ma sát và tăng độ bền vận hành.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp thiết kế hệ thống hiển thị LED quay (Propeller Display / POV), kỹ thuật ghép nối bus dữ liệu bộ nhớ EPROM với vi mạch logic và phương pháp tính toán mạch quét quang học đồng bộ chuyển động cơ khí.
  • Người làm đề tài nghiên cứu phần cứng số cơ bản: Là tài liệu mẫu mực về ứng dụng các dòng vi mạch số kinh điển họ CMOS 4000 (IC 4060, IC 4040) và họ 74HC (74HC541, 74HC573) trong các bài toán tạo xung, chia tần số, giải mã và chốt dữ liệu ngõ ra.
  • Kỹ thuật viên chế tạo mô hình quảng cáo - trang trí: Tham khảo các giải pháp cơ khí tiếp điện chổi than – cổ góp và mạch in hai lớp cân bằng động cho các thiết bị xoay tròn tốc độ cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý hiển thị chữ nổi trong không gian của mạch quang báo quay dựa trên cơ chế nào?

Hệ thống vận hành dựa trên sự kết hợp giữa hiện tượng lưu ảnh của mắt người (khoảng $1/16 - 1/25\text{ giây}$) và chuyển động quay nhanh của thanh LED. Khi một cột gồm 16 LED quay tròn quanh trục với tốc độ 25 vòng/giây ($1500\text{ vòng/phút}$), mỗi vị trí góc quay tương ứng với một cột dữ liệu nhị phân phát sáng trong thời gian cực ngắn ($1{,}04%$ chu kỳ). Mắt người tích lũy các tia sáng liên tiếp và hòa trộn thành một hình ảnh phẳng hoặc mặt cong hoàn chỉnh mà không nhận thấy vết quét cơ học, tạo cảm giác ký tự đang tự phát sáng lơ lửng trong không gian.

2. Tại sao đồ án phải kết hợp cả hai IC 74HC541 và IC 74HC573 khi xuất dữ liệu ra cột 16 LED?

Do bộ nhớ EPROM sử dụng trong mạch có bus dữ liệu chuẩn là 8-bit ($D_0 - D_7$), trong khi cột hiển thị yêu cầu điều khiển đồng thời 16 bóng LED. Để giải quyết việc lệch pha bit, mạch sử dụng IC 74HC573 (chốt dữ liệu 8-bit) và IC 74HC541 (đệm dữ liệu 8-bit). Trong nửa đầu chu kỳ xung clock ($T_1$), 8-bit dữ liệu thứ nhất từ EPROM được nạp và chốt lại trong 74HC573; trong nửa sau chu kỳ ($T_2$), 8-bit dữ liệu thứ hai được xuất qua 74HC541 đồng thời 74HC573 mở ngõ ra, giúp cả 16-bit dữ liệu xuất hiện đồng thời trên 16 LED của cột quét.

3. Tần số dao động của IC 4060 ($76{,}8\text{ kHz}$) được tính toán dựa trên các căn cứ nào?

Tần số dao động được tính toán tuần tự qua các thông số:

  1. Tốc độ quay motor được chọn là $25\text{ vòng/giây}$ (tương ứng $1500\text{ vòng/phút}$) để quét 25 hình/giây.
  2. Một vòng quay được chia thành 96 cột, mỗi cột cần 2 xung truy xuất dữ liệu $\rightarrow$ Cần $96 \times 2 = 192\text{ xung/vòng}$.
  3. Tần số xung quét xuất tại ngõ ra $Q_4$ (chân số 7 của IC 4060) là: $f_{Q4} = 192 \times 25 = 4.800\text{ Hz}$.
  4. Do ngõ ra $Q_4$ của IC 4060 là tầng chia $2^4 = 16$ so với dao động gốc, nên tần số mạch dao động RC cần thiết kế là: $f_{\text{osc}} = 4.800 \times 16 = 76.800\text{ Hz}$ ($76{,}8\text{ kHz}$).

4. Hệ thống cấp nguồn $+5\text{V}$ cho bo mạch quay như thế nào khi motor liên tục chuyển động?

Hệ thống sử dụng bộ nguồn ổn áp LM7805 đưa điện áp $+5\text{V DC}$ qua hai lá chổi than cố định tì trực tiếp lên hai vành đồng của cổ góp gắn đồng trục quay của motor. Điện áp từ cổ góp tiếp tục đi qua một mạch cầu nắn và hệ thống tụ lọc ($0{,}33\mu\text{F}$ và $0{,}1\mu\text{F}$) đặt ngay trên bo mạch quay để triệt tiêu tia lửa điện, chống sụt áp tức thời và ổn định nguồn nuôi cho các IC số và dãy LED.

5. Vai trò của IC 4040 trong sơ đồ nguyên lý là gì?

IC 4040 là bộ đếm nhị phân 12 tầng đóng vai trò bộ đếm chọn trang màn hình hiển thị. Mỗi trang màn hình gồm 64 cột được quét lặp lại 16 lần để tăng độ rõ nét. Sau khi IC 4060 hoàn thành 16 chu kỳ quét, xung tràn sẽ kích hoạt IC 4040 đếm tăng 1 giá trị. 5 đường ngõ ra của IC 4040 cấp vào các đường địa chỉ cao của EPROM ($A_7 - A_{11}$), cho phép mạch tự động chuyển đổi tuần tự qua $2^5 = 32$ trang màn hình khác nhau trước khi reset quay lại trang đầu tiên.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế và Thi Công Mạch Quang Báo Dùng EPROM và Motor" của tác giả Lê Trung Hiếu đã giải quyết thành công bài toán tối ưu hóa phần cứng hiển thị thông tin bằng phương pháp quét quang học kết hợp truyền động quay cơ khí. Hệ thống vận hành chính xác theo các thông số tính toán lý thuyết với tần số dao động $76{,}8\text{ kHz}$ và tốc độ motor $1500\text{ vòng/phút}$, mang lại khả năng hiển thị 32 trang văn bản rõ nét chỉ với một cột 16 LED đỏ. Công trình là tài liệu học thuật tiêu biểu về sự kết hợp hài hòa giữa kỹ thuật vi mạch số, bộ nhớ bán dẫn và cơ chế cơ điện tử ứng dụng trong thực tiễn.