Thiết Kế và Thi Công Mạch Quang Báo Dùng EPROM

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế và Thi Công Mạch Quang Báo Dùng EPROM
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU MẠCH QUANG BÁO
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC IC SỐ LIÊN QUAN ĐẾN MẠCH
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ EPROM
• 3.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ CÁC IC NHỚ
• 3.2. CÁCH TRUY XUẤT DỮ LIỆU CỦA EPROM
• 3.3. KHẢO SÁT VÀ EPROM THÔNG DỤNG
• 4. CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT LỚN
• 4.1. DIODE CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN (SCR)
• 4.2. SOLID STATE RELAY
• PHẦN II: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
• 1. CHƯƠNG 1: BỘ NGUỒN VÀ MẠCH AUTO RESET
• 1.1. BỘ NGUỒN
• 1.2. MẠCH AUTO RESET
• 2. CHƯƠNG 2: BỘ DAO ĐỘNG - TẠO ĐỊA CHỈ
• 3. CHƯƠNG 3: BỘ QUÉT CỘT
• 4. CHƯƠNG 4: BỘ CHỐT DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN MÀU
• 4.1. MẠCH CHỐT DÙNG IC 74241
• 4.2. MẠCH CHỐT DÙNG IC 74573
• 5. CHƯƠNG 5: BỘ ĐẾM DỮ LIỆU
• 6. CHƯƠNG 6: BỘ THÚC CÔNG SUẤT
• 6.1. GIỚI THIỆU VỀ BỘ THÚC CÔNG SUẤT
• 6.2. BỘ THÚC CÔNG SUẤT HÀNG
• 6.3. BỘ THÚC CÔNG SUẤT CỘT
• 6.4. TÍNH TOÁN CHO BỘ THÚC CÔNG SUẤT
• 7. CHƯƠNG 7: BẢNG ĐÈN
• 7.1. GIỚI THIỆU VỀ MA TRẬN LED
• 7.2. BẢNG KIỂU KÝ TỰ
• 8. CHƯƠNG 8: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH
• PHẦN IV: TỔNG KẾT
• 4.1. ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA MẠCH THI CÔNG
• 4.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• PHẦN PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Mạch Quang Báo Dùng EPROM Cổ Điển

Thiết kế và thi công mạch quang báo là một lĩnh vực quan trọng trong ngành điện tử ứng dụng, đặc biệt là trong quảng cáo và hiển thị thông tin. Trước khi các vi điều khiển hiện đại trở nên phổ biến, việc sử dụng EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) là một giải pháp kỹ thuật hiệu quả và kinh tế. Mạch quang báo dùng EPROM về cơ bản là một hệ thống hiển thị số, sử dụng EPROM để lưu trữ dữ liệu ký tự hoặc hình ảnh (font chữ) và các mạch logic số để điều khiển việc hiển thị trên một mạch quang báo ma trận LED. Nguyên lý cốt lõi dựa trên thuật toán quét LED ma trận, nơi các cột của ma trận được kích hoạt tuần tự với tần số cao, trong khi dữ liệu cho các hàng tương ứng được xuất ra từ EPROM. Sự lưu ảnh của mắt người sẽ tổng hợp các hình ảnh rời rạc này thành một thông điệp hoặc hình ảnh hoàn chỉnh, liên tục. Cấu trúc của mạch thường bao gồm các khối chức năng chính: khối nguồn cung cấp năng lượng ổn định, khối dao động tạo xung nhịp, khối đếm tạo địa chỉ tuần tự cho EPROM, khối giải mã địa chỉ để chọn cột LED, khối bộ nhớ EPROM (ví dụ EPROM 27C256) chứa dữ liệu hiển thị, và khối đệm công suất để cung cấp đủ dòng điện cho các đèn LED. Việc hiểu rõ từng khối và sự tương tác giữa chúng là nền tảng để thiết kế và thi công thành công một bảng quảng cáo điện tử sử dụng công nghệ này. Đây là một đồ án điện tử kinh điển, giúp người học nắm vững các khái niệm về bộ nhớ, logic số và kỹ thuật hiển thị.

1.1. Khám phá nguyên lý hoạt động EPROM trong bảng quảng cáo

Trong một mạch quang báo, EPROM đóng vai trò như một bộ nhớ chỉ đọc, chứa toàn bộ dữ liệu mã hóa của các ký tự hoặc hình ảnh cần hiển thị. Nguyên lý hoạt động EPROM trong ứng dụng này là nhận một địa chỉ từ bộ đếm và xuất ra một byte dữ liệu tương ứng. Byte dữ liệu này quy định trạng thái sáng/tắt của các LED trong một cột tại một thời điểm. Bằng cách thay đổi địa chỉ đầu vào một cách tuần tự, mạch có thể truy xuất lần lượt dữ liệu của từng cột, tạo ra hiệu ứng hiển thị động như chữ chạy hoặc hình ảnh chuyển động. Việc truy xuất dữ liệu từ EPROM là trực tiếp và không cần thông qua chương trình phức tạp như vi xử lý, giúp đơn giản hóa thiết kế và tăng tốc độ hiển thị.

1.2. Các linh kiện điện tử cơ bản cấu thành mạch quang báo

Một mạch quang báo EPROM hoàn chỉnh được cấu thành từ nhiều linh kiện điện tử cơ bản. Ngoài EPROM 27C256 hoặc EPROM 27C512 làm trung tâm, mạch cần có: IC tạo dao động và đếm như 4060, 4040 để tạo địa chỉ cho EPROM; IC giải mã 74LS138 để quét các cột của ma trận LED; IC chốt 74HC573 để giữ dữ liệu và điều khiển màu sắc; và các IC đệm dòng ULN2803 hoặc transistor để khuếch đại công suất, đảm bảo LED sáng đủ. Việc lựa chọn và kết hợp chính xác các linh kiện này là yếu tố quyết định sự ổn định và hiệu quả của toàn bộ hệ thống.

II. Thách Thức Khi Thi Công Mạch EPROM So Với Vi Xử Lý

Việc lựa chọn công nghệ để thi công mạch quang báo là một bài toán cân bằng giữa chi phí, độ phức tạp và tính linh hoạt. Tài liệu gốc đã phân tích sâu sắc các phương án khác nhau, từ IC rời, EPROM, đến vi xử lý và máy tính. Sử dụng IC rời (giải mã đa hợp và diode) để tạo ROM tuy khả thi nhưng rất cồng kềnh, chi phí cao và cực kỳ khó thay đổi nội dung hiển thị. Đây là thách thức lớn nhất của phương pháp này. Ngược lại, vi điều khiển 8051 hoặc các kit vi xử lý mang lại sự linh hoạt tối đa, cho phép thay đổi chương trình hiển thị dễ dàng qua phần mềm mà không cần can thiệp phần cứng. Tuy nhiên, theo phân tích, "khi sử dụng vi xử lý để làm mạch quang báo thì giá thành của mạch lại tăng lên nhiều so với khi sử dụng EPROM vì kit vi xử lý cần phải có EPROM lưu chương trình điều khiển, các IC ngoại vi, RAM để nhớ chương trình...". Hơn nữa, việc giao tiếp với các IC ngoại vi làm tăng độ phức tạp của cả phần cứng và phần mềm. Trong bối cảnh đó, phương án thiết kế và thi công mạch quang báo dùng EPROM nổi lên như một giải pháp tối ưu. Nó khắc phục được sự cứng nhắc của IC rời và giảm thiểu chi phí cũng như độ phức tạp so với vi xử lý. EPROM cho phép thay đổi nội dung bằng cách lập trình EPROM lại, đơn giản hơn nhiều so với việc đi lại dây cho ma trận Diode. Mặc dù không linh hoạt bằng vi điều khiển, giải pháp này vẫn đáp ứng tốt yêu cầu của một bảng quảng cáo điện tử thông thường với chi phí hợp lý.

2.1. So sánh ưu nhược điểm của EPROM và mạch ROM IC rời

So với mạch ROM tạo từ IC rời và Diode (Made Home ROM), EPROM có ưu điểm vượt trội về kích thước và khả năng thay đổi chương trình. Tài liệu gốc chỉ rõ: "Khi thay các IC rời ở trên bằng EPROM thì kích thước mạch và giá thành sẽ giảm đáng kể... Khi muốn thay đổi chương trình hiển thị thì ta chỉ việc viết chương trình mới nạp vào EPROM". Nhược điểm duy nhất của EPROM là cần có máy nạp EPROM chuyên dụng, trong khi mạch ROM rời có thể được "lập trình" bằng cách thay đổi vị trí Diode thủ công.

2.2. Đánh giá chi phí khi thi công mạch quang báo không dùng vi điều khiển

Một mạch quang báo không dùng vi điều khiển mà chỉ dựa trên các IC logic số và EPROM có chi phí thấp hơn đáng kể. Giải pháp này loại bỏ sự cần thiết của các thành phần đắt tiền như CPU, RAM, và các IC giao tiếp phức tạp. Toàn bộ logic điều khiển được thực hiện bởi các mạch đếm và tạo địa chỉ đơn giản, giúp giảm giá thành sản phẩm cuối cùng. Tuy nhiên, sự đánh đổi là mạch kém linh hoạt hơn và khó nâng cấp các tính năng phức tạp như kết nối mạng hay tương tác thời gian thực.

III. Hướng Dẫn Thiết Kế Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Quang Báo EPROM

Việc thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch quang báo là bước quan trọng nhất, quyết định toàn bộ hoạt động của hệ thống. Một sơ đồ nguyên lý chuẩn bao gồm nhiều khối chức năng được kết nối logic với nhau. Khối nguồn cung cấp điện áp 5V ổn định cho các IC số. Khối dao động và tạo địa chỉ, thường sử dụng IC 4060 kết hợp thạch anh, tạo ra xung nhịp đồng bộ và các tín hiệu địa chỉ tuần tự từ A0 đến A1x để đưa vào EPROM. Khối giải mã hiển thị, trung tâm là EPROM 27C256, nhận địa chỉ và xuất ra dữ liệu 8-bit tương ứng với trạng thái của 7 hoặc 8 LED trong một cột. Một bit còn lại (thường là D7) có thể được dùng để điều khiển màu sắc. Khối quét cột, sử dụng các IC giải mã 74LS138, nhận các bit địa chỉ cao hơn từ bộ đếm để lần lượt kích hoạt từng cột của ma trận LED. Khối chốt dữ liệu và điều khiển màu, dùng IC chốt 74HC573, nhận tín hiệu điều khiển từ bit D7 của EPROM để quyết định màu nào (xanh hay đỏ) sẽ được hiển thị. Cuối cùng, khối đệm và thúc công suất sử dụng transistor hoặc IC chuyên dụng như ULN2803 để khuếch đại dòng, đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho LED sáng rõ. Việc mô phỏng toàn bộ mạch trên phần mềm Proteus mô phỏng trước khi thi công là một bước cần thiết để kiểm tra lỗi và tối ưu hóa thiết kế.

3.1. Phân tích Sơ đồ khối mạch quang báo dùng EPROM chi tiết

Sơ đồ khối trong tài liệu gốc chia mạch thành các phần rõ ràng: "Dao động - tạo địa chỉ", "Giải mã địa chỉ" (quét cột), "Giải mã hiển thị (EPROM)", "Chốt dữ liệu & Điều khiển màu", "Thúc công suất" và "Bảng đèn". Mỗi khối thực hiện một nhiệm vụ chuyên biệt. Sự đồng bộ giữa khối tạo địa chỉ (cung cấp địa chỉ cho EPROM) và khối quét cột (chọn cột để hiển thị) là chìa khóa để dữ liệu được hiển thị đúng vị trí, tạo nên hình ảnh chính xác trên bảng đèn.

3.2. Vai trò của IC giải mã 74LS138 và IC chốt 74HC573

IC giải mã 74LS138 đóng vai trò là bộ giải mã 3 sang 8, nhận 3 bit địa chỉ và kích hoạt 1 trong 8 ngõ ra ở mức thấp. Bằng cách ghép nối nhiều IC 74138, ta có thể điều khiển hàng chục cột LED một cách tuần tự. Trong khi đó, IC chốt 74HC573 hoạt động như một bộ nhớ đệm. Nó nhận tín hiệu quét cột và chỉ cho phép tín hiệu này đi qua để kích hoạt LED khi được chân điều khiển màu cho phép. Việc sử dụng hai IC chốt riêng biệt cho hai màu giúp việc đổi màu trở nên đơn giản và hiệu quả.

IV. Phương Pháp Thi Công và Lập Trình EPROM Cho Mạch Hiển Thị

Quá trình thi công mạch quang báo đòi hỏi sự cẩn thận và tuân thủ đúng thiết kế. Bước đầu tiên là thiết kế mạch in PCB (Printed Circuit Board). Mạch in cần được bố trí hợp lý, đường mạch đủ lớn để chịu tải, đặc biệt là các đường cấp nguồn và đường dẫn đến khối công suất. Các linh kiện nên được sắp xếp khoa học để giảm nhiễu và dễ dàng sửa chữa. Sau khi hoàn thành phần cứng, bước tiếp theo là chuẩn bị phần mềm, tức là dữ liệu cho EPROM. Việc này bao gồm tạo font chữ cho LED ma trận, tức là mã hóa từng ký tự thành một chuỗi các byte. Mỗi byte đại diện cho một cột của ký tự đó. Các byte này sau đó được tập hợp thành một file .HEX. Sử dụng một máy nạp EPROM, file .HEX này sẽ được ghi vào chip EPROM 27C256 hoặc EPROM 27C512. Quá trình nạp cần được thực hiện đúng quy trình của nhà sản xuất để đảm bảo dữ liệu được ghi chính xác và chip không bị hỏng. Sau khi nạp, EPROM được gắn vào mạch. Cuối cùng là bước kiểm tra và hiệu chỉnh. Cần kiểm tra kỹ lưỡng các kết nối, điện áp nguồn trước khi cấp điện lần đầu. Nếu mạch hoạt động không đúng, cần kiểm tra lại quá trình đồng bộ giữa bộ đếm và bộ quét cột, cũng như dữ liệu đã nạp vào EPROM. Đây là một hướng dẫn làm mạch điện tử thực tiễn và giá trị.

4.1. Kỹ thuật tạo dữ liệu font và cách lập trình EPROM

Để tạo font chữ cho led ma trận, người thiết kế cần vẽ ký tự trên một lưới (ví dụ 5x7). Mỗi cột của lưới được chuyển thành một giá trị nhị phân (sáng là 1, tắt là 0), sau đó đổi sang mã hexa. Một chuỗi các mã hexa này sẽ đại diện cho một ký tự. Để tạo hiệu ứng chữ chạy, các chuỗi ký tự được nối tiếp nhau trong bộ nhớ EPROM. Việc lập trình EPROM được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng trên máy tính, kết nối với máy nạp qua cổng song song hoặc USB để ghi file dữ liệu đã chuẩn bị vào chip.

4.2. Lắp ráp và tính toán bộ thúc công suất cho ma trận LED

Bộ thúc công suất có nhiệm vụ khuếch đại dòng điện từ các IC logic (vốn rất yếu) lên mức đủ để làm sáng hàng loạt LED. Tài liệu gốc đã thực hiện tính toán chi tiết cho Transistor thúc hàng (PNP) và thúc cột (NPN). Việc tính toán điện trở hạn dòng cho cực B (Base) và điện trở kéo cho cực C (Collector) là rất quan trọng để đảm bảo Transistor hoạt động ở chế độ bão hòa, giảm thiểu tổn hao công suất và tối đa hóa hiệu quả. Lựa chọn Transistor có dòng Ic và công suất chịu đựng phù hợp là điều kiện tiên quyết để mạch hoạt động bền bỉ.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Cho Mạch Quang Báo Dùng EPROM

Đề tài Thiết kế và thi công mạch quang báo dùng EPROM đã hoàn thành mục tiêu đề ra, trình bày một cách hệ thống từ lý thuyết cơ bản đến thi công thực tế. Mạch sau khi hoàn thiện đã hoạt động ổn định, chữ hiển thị rõ ràng và có khả năng đổi màu theo lập trình, chứng tỏ tính đúng đắn của phương pháp thiết kế. Ưu điểm chính của mạch là chi phí thấp, cấu trúc tương đối đơn giản, hoạt động ổn định và là một bài tập thực hành tuyệt vời về điện tử số. Tuy nhiên, nhược điểm cố hữu là việc thay đổi nội dung hiển thị đòi hỏi phải tháo EPROM ra để xóa và nạp lại, khá bất tiện so với các hệ thống dùng vi điều khiển hiện đại. Hướng phát triển của đề tài có thể đi theo hai hướng chính. Thứ nhất, nâng cấp bộ nhớ bằng cách thay thế EPROM bằng EEPROM và Flash memory. Các loại bộ nhớ này cho phép ghi xóa bằng điện, mở ra khả năng cập nhật nội dung trực tiếp trên mạch mà không cần tháo gỡ. Thứ hai, thay thế toàn bộ khối logic điều khiển bằng các giải pháp hiện đại hơn như Arduino thay thế EPROM và các khối logic. Arduino hay các vi điều khiển khác không chỉ đơn giản hóa phần cứng mà còn cung cấp khả năng lập trình các hiệu ứng phức tạp, kết nối cảm biến, hoặc giao tiếp với máy tính một cách dễ dàng. Mặc dù công nghệ EPROM đã cũ, những nguyên lý về quét ma trận, tổ chức bộ nhớ, và điều khiển công suất vẫn còn nguyên giá trị học thuật và ứng dụng.

5.1. Tổng kết ưu và nhược điểm của mạch thi công thực tế

Tài liệu gốc kết luận rằng mạch có ưu điểm là "Chữ hiển thị rõ ràng, tốc độ di chuyển vừa phải. Mạch hoạt động ổn định". Nhược điểm lớn nhất là "phải đổi màu bằng phần mềm (chương trình nạp vào EPROM) nên khi không cần đổi màu thì phải sửa chương trình lại". Điều này cho thấy sự thiếu linh hoạt trong vận hành so với các công nghệ mới, vốn có thể điều khiển mọi thứ qua giao diện phần mềm một cách tức thời.

5.2. Tương lai của bảng quảng cáo điện tử Từ EPROM đến vi điều khiển

Sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã đưa các bảng quảng cáo điện tử lên một tầm cao mới. Các vi điều khiển giá rẻ, mạnh mẽ như ESP32, STM32 hay các bo mạch như Arduino, Raspberry Pi đã thay thế hoàn toàn vai trò của EPROM và các IC logic rời. Chúng cho phép tạo ra các bảng quảng cáo có độ phân giải cao, hiển thị video, kết nối Wi-Fi để cập nhật nội dung từ xa, và tích hợp nhiều tính năng thông minh khác. Tuy nhiên, việc nghiên cứu các mạch EPROM cổ điển vẫn là nền tảng quan trọng để hiểu sâu hơn về kiến trúc phần cứng cấp thấp.