Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp quảng cáo phát triển mạnh mẽ vào giai đoạn cuối những năm 1990 và đầu năm 2000, các hình thức thông tin thị giác như pano, bảng hiệu và bảng đèn điện tử dần thay thế các bản tin in giấy truyền thống tại các hiệu sách, sân bay, bến bãi và cửa hiệu thương mại. Mạch quang báo ma trận LED nổi lên như một giải pháp truyền tải thông tin ngắn gọn, sinh động và có khả năng thu hút sự chú ý cao. Tuy nhiên, việc ứng dụng các bộ điều khiển dựa trên vi xử lý hoặc máy vi tính tại thời điểm đó thường kéo theo chi phí phần cứng đắt đỏ và cấu trúc mạch phức tạp. Từ thực tiễn trên, đề tài "Thiết kế và thi công mạch quang báo dùng EPROM" do sinh viên Vương Kiến Hưng thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Phương Quang tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 3/2000) đã tập trung nghiên cứu phương án xây dựng bảng quang báo sử dụng bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa và lập trình lại (EPROM).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động tổng quát của hệ thống hiển thị quang báo điện tử quét ma trận.
  2. Khảo sát cấu trúc, đặc tính kỹ thuật và phương pháp định địa chỉ, truy xuất dữ liệu trong bộ nhớ EPROM.
  3. So sánh các phương án điều khiển mạch quang báo để lựa chọn giải pháp tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật phần cứng.
  4. Tính toán thiết kế chi tiết từng khối chức năng: khối nguồn, mạch tự động tái lập trạng thái ban đầu (Auto Reset), khối tạo dao động và địa chỉ, khối quét cột, khối chốt dữ liệu và điều khiển màu, khối đệm logic, khối thúc công suất và bảng đèn ma trận LED.
  5. Thi công mạch in thực tế, lập bảng mã hóa ký tự chữ tiếng Việt có dấu dạng 5x7, nạp dữ liệu vào EPROM và kiểm nghiệm sự vận hành của toàn mạch.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mạch điều khiển quang báo hiển thị ma trận LED hai màu sử dụng các vi mạch số chuẩn (họ TTL và CMOS) kết hợp EPROM. Phạm vi không gian của đề tài giới hạn tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Về mặt kỹ thuật, đề tài giới hạn ở việc hiển thị các dòng chữ chạy ngang, chớp tắt với hai trạng thái màu (xanh và đỏ) thay đổi theo dữ liệu lập trình; quy mô bảng đèn thực nghiệm gồm 30 cột LED kích thước ma trận 5x8 (sử dụng vùng hiển thị 5x7), chưa đi vào hiển thị các hình ảnh đồ họa cử động phức tạp trên phần cứng thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên các nguyên lý kỹ thuật vi mạch số và quang điện tử:

  • Nguyên lý quét ma trận hiển thị (Time-division Multiplexing): Dựa trên hiện tượng lưu ảnh quang học của mắt người (thời gian lưu ảnh khoảng 0,1 giây), hệ thống điều khiển kích hoạt tuần tự từng cột LED tại một thời điểm với tần số quét đủ cao, kết hợp đồng bộ hóa dữ liệu đưa vào các hàng để tạo ra cảm nhận về một khung hình liên tục, không bị chớp giật.
  • Nguyên lý tổ chức ma trận nhớ EPROM: Khảo sát cơ chế truy xuất ô nhớ theo phương pháp chọn trùng phùng (ma trận giải mã hàng X và cột Y). Dữ liệu tại từng địa chỉ được kích hoạt xuất ra bus dữ liệu khi các chân cho phép chọn chip ($\overline{\text{CE}}$) và cho phép xuất ngõ ra ($\overline{\text{OE}}$) ở mức logic thấp.
  • Nguyên lý đóng/ngắt bão hòa của Transistor lưỡng cực (BJT): Ứng dụng Transistor PNP (B562) cho các đường hàng cực dương (Anode) và NPN (D468) cho các đường cột cực âm (Cathode) hoạt động ở chế độ khóa (chế độ bão hòa sâu - Saturation Switch) để cấp dòng tức thời lớn cho các LED sáng rõ ràng.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết, so sánh kỹ thuật và tính toán thực nghiệm thi công:

  • Phương pháp so sánh lựa chọn giải pháp: Đồ án đặt ra 4 phương án thiết kế mạch điều khiển quang báo để phân tích:
Phương án thiết kế Đặc điểm phần cứng Khả năng thay đổi nội dung Chi phí và độ phức tạp Đánh giá lựa chọn
Dùng IC rời làm ROM ("Made Home") Dùng IC giải đa hợp kết hợp ma trận Diode rời Phải thay đổi cấu trúc phần cứng (hàn lại Diode) Rất cồng kềnh, giá thành tăng cao khi mở rộng bộ nhớ Không khả thi cho mạch quang báo thương mại
Dùng vi xử lý (Kit vi xử lý) Gồm CPU, RAM, EPROM chương trình, IC ngoại vi (8255A), bàn phím Nhập và đổi nội dung trực tiếp qua bàn phím và RAM Giá thành cao, kích thước mạch lớn, quét hình ảnh tuần tự phức tạp Tính năng cao nhưng quá tốn kém cho nhu cầu cơ bản
Dùng máy vi tính Máy tính cá nhân kết nối cáp điều khiển Rất linh hoạt qua phần mềm máy tính Chi phí đầu tư rất đắt đỏ, chiếm diện tích lớn Không phù hợp cho các bảng tin độc lập, nhỏ gọn
Dùng EPROM EPROM chứa trực tiếp dữ liệu hiển thị, kết hợp IC đếm và giải mã Ghi/xóa bằng bộ nạp ROM chuyên dụng qua tia cực tím Mạch điện đơn giản, giá thành rẻ, giao tiếp trực tiếp Được lựa chọn làm trọng tâm nghiên cứu và thi công
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật: Xác định các thông số linh kiện thông qua công thức mạch phóng nạp RC, mạch chia tần số và các điều kiện phân cực Transistor:
    • Mạch Auto Reset: Chọn thời gian trễ $t = 10\text{ ms}$, với nguồn cấp $V_{CC} = 5\text{V}$, mức logic CMOS ngưỡng $V_{th} = 1\text{V}$ (tụ nạp đạt $V_C \ge 4\text{V}$), hệ số nạp $t/\tau = 1,6$. Chọn tụ $C = 4,7,\mu\text{F}$ dẫn đến $R = 1,33\text{ k}\Omega$; thực tế chọn điện trở chuẩn $R = 1,2\text{ k}\Omega$, thời gian trễ xác lập trạng thái ban đầu đạt $9\text{ ms}$.
    • Tần số dịch chữ: Xung dao động thạch anh tần số $36\text{ kHz}$ qua bộ đếm 14 tầng IC 4060 được chia qua $2^{12}$ tầng thành tần số dịch chuyển chữ $9\text{ Hz}$ (chữ dịch 1 cột sau xấp xỉ $0,1\text{ s}$), hoặc qua $2^{13}$ tầng thành tần số $4,4\text{ Hz}$ (chữ dịch 1 cột sau xấp xỉ $0,2\text{ s}$).
    • Phân cực bộ thúc Transistor: Tính toán chế độ quét 32 cột với chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) là $1/32 \approx 3%$. Chọn dòng trung bình qua LED $I_{tb} = 10\text{ mA}$, dòng tức thời đỉnh $I_{tc} = 382\text{ mA}$ (tính toán an toàn với sụt áp LED đỏ $1,8\text{V} - 2\text{V}$, sụt áp bão hòa $V_{CE(sat)} = 0,2\text{V}$). Hệ số khuếch đại dòng chọn $\beta_{min} = 25$, suy ra dòng cực B cần thiết $I_B > 15,28\text{ mA}$. Điện trở hạn dòng tính được: điện trở cực C hàng $R_C = 6,8,\Omega$, điện trở cực B hàng $R_{BH} = 120,\Omega$, điện trở cực B cột $R_{BC} = 270,\Omega$. Khi cả 7 LED trên một cột cùng sáng, dòng cực C qua transistor cột đạt $2,674\text{ A}$ tức thời, dòng cực B yêu cầu $I_B \ge 107\text{ mA}$, tính ra điện trở phân cực cực B của transistor cột được chọn là $R_{BC} = 39,\Omega$.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu tra cứu đặc tính dòng, áp, sơ đồ chân và giản đồ xung trích xuất từ các tài liệu chuẩn kỹ thuật bán dẫn của Motorola, National Semiconductor, các giáo trình kỹ thuật vi mạch số của Trường Đại học Tổng hợp TP. Hồ Chí Minh (Nguyễn Hữu Phương, 1986), NXB Khoa học và Kỹ thuật (Dương Minh Trí, 1997, 1998) và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (Trần Thanh Mai).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống phần cứng mạch quang báo dùng EPROM được thiết kế theo cấu trúc khối hoàn chỉnh gồm 8 khối liên kết chặt chẽ:

[Khối Nguồn 7805 & Auto Reset]
        (Tín hiệu quét cột)                            (Bus địa chỉ)
     [Giải Mã Địa Chỉ Cột]                       [Giải Mã Hiển Thị (EPROM 2764)]
     [Bộ Đệm Cột (IC 7404)]                         [Bộ Đệm Hàng (IC 7404)]
  [Bộ Thúc Công Suất Cột (D468)]                [Bộ Thúc Công Suất Hàng (B562)]
                             (Ma Trận LED 5x8)

Thông số chi tiết và giải pháp lựa chọn linh kiện của các khối chức năng được tổng hợp như sau:

Khối chức năng Vi mạch / Linh kiện sử dụng Vai trò kỹ thuật và cơ sở lựa chọn
Khối nguồn ổn áp IC 7805, tụ $0,33,\mu\text{F}$ và $0,1,\mu\text{F}$ Cung cấp điện áp ổn định $5\text{V} \pm 5%$ cho toàn bộ vi mạch họ TTL và CMOS. Dòng định mức $1\text{A}$, có cánh tản nhiệt.
Khối Auto Reset Tụ $4,7,\mu\text{F}$, trở $1,2\text{ k}\Omega$, nút nhấn Tạo xung mức cao thời gian $9\text{ ms}$ đưa vào chân Master Reset của IC 4060 và 4040 khi cấp nguồn hoặc nhấn nút nhằm đồng bộ trạng thái ban đầu.
Khối dao động - địa chỉ IC 4060, IC 4040, thạch anh $36\text{ kHz}$ Tạo nhịp xung cơ sở và đếm chia tần để tạo bus địa chỉ quét lặp lại (5 đường địa chỉ thấp) và địa chỉ chuyển khung hiển thị cho EPROM.
Khối quét cột 5 vi mạch IC 74138 1 IC điều khiển phân phối tín hiệu cho 4 IC bên dưới để giải mã thành 32 đường quét tích cực mức thấp. Chọn 74138 vì dòng ngõ ra $I_{OL} = 8\text{ mA}$, cao hơn nhiều so với thanh ghi dịch 74164 ($0,4\text{ mA}$).
Khối chốt & đổi màu 2 vi mạch IC 74573 Nhận tín hiệu quét và chốt dữ liệu đưa đến Cathode LED xanh hoặc LED đỏ dựa vào chân $\overline{\text{OE}}$ điều khiển bởi bit dữ liệu từ EPROM. Chọn 74573 thay vì 74241 do sơ đồ chân vào/ra tách biệt ở hai hàng, thuận tiện cho việc thiết kế mạch in.
Khối đệm ngõ ra IC 7404 (cổng NOT) Cách ly tải và tầng điều khiển logic, đảo mức logic để kích thích bộ thúc công suất. Chọn 7404 thay vì IC cực thu để hở (7406, 7407) hoặc CMOS (4049, 4050) để tránh phải lắp thêm 60 điện trở kéo lên hoặc điện trở hồi tiếp.
Khối thúc công suất Transistor B562 (PNP) và D468 (NPN) Dẫn bão hòa khi có tín hiệu điều khiển. Chịu dòng $I_C$ danh định tới $1\text{A}$, đáp ứng mức dòng tức thời tối đa $2,674\text{ A}$ khi cả 7 LED trên một cột cùng sáng.
Bảng đèn hiển thị Ma trận LED 5x8 hai màu (xanh - đỏ) Gồm các mô-đun tích hợp có độ đồng đều về độ sáng cao hơn LED rời, bước cực Anode chung cho các hàng ($a \to h$), Cathode riêng cho từng cột màu ($K_{xn}$ và $K_{dn}$).

Quá trình triển khai và kiểm thử phần cứng được thực hiện qua các bước thực nghiệm:

  1. Kiểm thử khối nguồn và xung khởi động: Đo điện áp ngõ ra của IC 7805 đạt chuẩn 5V, kiểm tra xung tác động trên chân Reset đạt thời gian trễ $9\text{ ms}$ khi đóng mạch hoặc ấn nút.
  2. Kiểm tra tín hiệu xung quét: Dùng dao động ký (Oscilloscope) kiểm tra dạng sóng xung vuông $36\text{ kHz}$ tại chân dao động của IC 4060, kiểm tra sự chuyển đổi mức logic tuần tự trên 32 đường quét của tầng IC 74138.
  3. Kiểm tra phân cực công suất: Kiểm tra sụt áp $V_{CE}$ trên transistor B562 và D468 đạt trạng thái dẫn bão hòa (dưới $0,2\text{V}$), đảm bảo độ sáng của LED đồng đều, không xảy ra hiện tượng quá nhiệt trên linh kiện bán dẫn.
  4. Kiểm tra chương trình hiển thị: Nạp mã hex vào EPROM 2764 thông qua bộ nạp chuyên dụng, cắm IC vào đế và vận hành kiểm tra sự đồng bộ giữa dữ liệu ký tự tiếng Việt có dấu và cơ chế chuyển đổi màu xanh - đỏ trên bảng đèn.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Mở đầu

Trình bày tổng quan về nhu cầu cấp thiết của việc áp dụng kỹ thuật điện tử trong truyền thông quảng cáo. Nêu rõ tính vượt trội của bảng quang báo LED ma trận so với bảng tin tĩnh. Giới hạn đề tài tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một bảng quang báo cỡ nhỏ điều khiển bằng EPROM, hiển thị chữ chạy hai màu xanh - đỏ theo kiểu ký tự 5x7 có dấu.

Phần II - Chương 1: Giới thiệu mạch quang báo

Phân tích, đánh giá chi tiết 4 phương án thiết kế mạch quang báo: IC rời làm ROM ("Made Home"), kit vi xử lý, điều khiển bằng máy vi tính và sử dụng EPROM. Khẳng định giải pháp EPROM là tối ưu nhất cho đề tài nhờ giá thành thấp, mạch gọn nhẹ, không yêu cầu phần mềm điều hành hay IC ngoại vi phức tạp. Thiết lập sơ đồ khối chức năng của toàn hệ thống gồm 8 khối và định nghĩa rõ nhiệm vụ phối hợp giữa các khối.

Phần II - Chương 2: Giới thiệu các IC số liên quan đến mạch

Cung cấp sơ đồ chân, cấu tạo nội bộ, chức năng các chân tín hiệu và bảng trạng thái hoạt động của các vi mạch số sử dụng trong thiết kế:

  • IC 4060 (bộ đếm/chia nhị phân không đồng bộ 14 tầng có tích hợp cổng dao động).
  • IC 4040 (bộ đếm nhị phân không đồng bộ 12 tầng).
  • IC 74164 (thanh ghi dịch 8 bit vào nối tiếp, ra song song).
  • IC 74138 (bộ giải mã/giải đa hợp 3 sang 8 đường làm việc ở tần số cao).
  • IC 74373 và IC 74573 (bộ chốt dữ liệu 8-bit ngõ ra 3 trạng thái).
  • IC 74241 (bộ đệm dữ liệu 8 đường chia làm 2 nhóm ngõ ra 3 trạng thái).
  • IC 7404 (vi mạch 6 cổng đảo NOT họ TTL).

Phần II - Chương 3: Giới thiệu về EPROM

Khảo sát tiến trình phát triển của các dòng vi mạch nhớ bán dẫn: ROM mặt nạ, PROM, UV-EPROM (xóa bằng tia cực tím), EEPROM (xóa bằng điện) và bộ nhớ Flash. Mô tả cấu trúc ma trận nhớ và phương thức truy xuất dữ liệu theo tọa độ hàng - cột trùng phùng. Khảo sát chi tiết cấu trúc chân, dung lượng, bảng chế độ hoạt động và giản đồ thời gian nạp/đọc của ba vi mạch nhớ thông dụng: 2732 (4 Kbyte), 2764 (8 Kbyte) và 27128 (16 Kbyte).

Phần II - Chương 4: Giới thiệu các linh kiện điện tử điều khiển công suất lớn

Khảo sát nguyên lý hoạt động, cấu trúc và đặc tuyến Volt-Ampe của các linh kiện đóng cắt công suất cao dùng cho các bảng hiển thị ngoài trời cỡ lớn, bao gồm:

  • Diode chỉnh lưu có điều khiển (SCR) với 4 lớp bán dẫn P-N-P-N và điều kiện mở thông qua cực cổng G.
  • Bộ ghép quang (Opto-couplers, tiêu biểu là Opto-Transistor) nhằm cách ly quang học hoàn toàn giữa mạch logic điều khiển và mạch công suất tải cao áp.
  • Rơ-le bán dẫn (Solid State Relay - SSR) điều khiển tải dòng xoay chiều lớn bằng tín hiệu điện áp một chiều.

Phần III - Chương 1: Bộ nguồn và mạch Auto Reset

Phân tích nguyên lý các dạng ổn áp DC (nối tiếp, song song, ổn áp xung PWM). Thiết kế bộ nguồn 5V ổn định dùng IC 7805, bố trí hai tụ chống nhiễu $0,33,\mu\text{F}$ ngõ vào và $0,1,\mu\text{F}$ ngõ ra sát chân IC. Thiết kế và giải phương trình nạp tụ để tính toán các linh kiện cho mạch Auto Reset tác động mức cao ($R = 1,2\text{ k}\Omega$, $C = 4,7,\mu\text{F}$), tạo xung trễ $9\text{ ms}$ giúp các bộ đếm xác lập trạng thái 0 ổn định khi vừa cấp điện hoặc khi nhấn nút Reset.

Phần III - Chương 2: Bộ dao động - tạo địa chỉ

Thiết kế mạch dao động thạch anh tần số $36\text{ kHz}$ ghép trực tiếp vào các chân của IC 4060. Ngõ ra chia tần của 4060 được đưa qua công tắc chuyển mạch để cấp xung cho IC 4040. Tần số xung kích vào 4040 sau 12 tầng chia là $9\text{ Hz}$ và sau 13 tầng chia là $4,4\text{ Hz}$, tương ứng với chu kỳ dịch chuyển cột chữ là $0,1\text{ s}$ và $0,2\text{ s}$.

Phần III - Chương 3: Bộ quét cột

So sánh mạch quét dùng thanh ghi dịch 74164 và bộ giải mã 74138. Đồ án chọn cấu hình 5 vi mạch IC 74138 để điều khiển quét 32 cột (thực tế sử dụng 30 cột cho bảng đèn, bỏ 2 ngõ ra đầu tiên). Việc dùng tín hiệu mức thấp của 74138 giúp tận dụng khả năng chịu dòng ngõ ra $I_{OL} = 8\text{ mA}$, cao gấp 20 lần so với dòng mức cao của 74164 ($0,4\text{ mA}$).

Phần III - Chương 4: Bộ chốt dữ liệu và điều khiển màu

So sánh phương án dùng IC 74241 và IC 74573. Tác giả lựa chọn sử dụng hai IC chốt 74573 (một IC cho LED xanh, một IC cho LED đỏ). Tín hiệu điều khiển màu từ EPROM đưa đến chân cho phép xuất dữ liệu ($\overline{\text{OE}}$) của hai IC 74573 qua cổng đảo NOT, bảo đảm tại một thời điểm chỉ có một IC chốt được mở ngõ ra, IC còn lại ở trạng thái trở kháng cao (High-Z). Mức logic 0 tương ứng với chữ màu xanh, mức logic 1 tương ứng với chữ màu đỏ.

Phần III - Chương 5: Bộ đệm dữ liệu

Phân tích các giải pháp đệm cách ly: đệm CMOS (đòi hỏi 60 điện trở hồi tiếp giao tiếp TTL-CMOS), đệm TTL cực thu để hở như 7406, 7407 (đòi hỏi 60 điện trở kéo lên). Đồ án chọn giải pháp dùng vi mạch cổng đảo 7404 chuẩn TTL vừa thực hiện nhiệm vụ cách ly, đảo mức logic phù hợp với cực B của Transistor, vừa loại bỏ hoàn toàn các điện trở kéo lên phức tạp.

Phần III - Chương 6: Bộ thúc công suất

Thiết kế bộ thúc hàng dùng Transistor PNP B562 và bộ thúc cột dùng Transistor NPN D468. Tính toán đầy đủ chế độ dòng điện quét với hệ số bão hòa an toàn: dòng đỉnh qua 1 LED là $382\text{ mA}$ (dòng trung bình $11,46\text{ mA}$), dòng đỉnh qua cột khi cả 7 LED sáng là $2,674\text{ A}$. Xác định chính xác các giá trị điện trở: $R_C = 6,8,\Omega$, $R_{BH} = 120,\Omega$, $R_{BC} = 270,\Omega$ và $R_{BC} = 39,\Omega$.

Phần III - Chương 7: Bảng đèn

Phân tích ưu điểm vượt trội của ma trận LED 5x8 đúc sẵn hai màu (xanh - đỏ) so với việc hàn ghép các LED đơn rời rạc. Giới thiệu sơ đồ chân thực tế, kiểm tra thứ tự chân bằng đồng hồ VOM. Xây dựng bảng mã hóa font chữ tiếng Việt có dấu kích thước 5x7 trên nền ma trận 5x8. Mã hóa ký tự bằng các giá trị nhị phân/hex (bit 1 tương ứng với điểm sáng, bit 0 là điểm tối; thêm bit 1 ở hàng thứ 8 để điều khiển chuyển đổi màu chữ sang màu đỏ).

Phần III - Chương 8: Nguyên lý hoạt động của mạch

Tổng hợp nguyên lý hoạt động toàn mạch dựa trên phương pháp quét lặp lại. 5 đường địa chỉ thấp của EPROM ($A_0 - A_4$) quét tuần hoàn qua 32 ô nhớ để đồng bộ với 32 cột quét của 74138. Sau một số chu kỳ quét lặp lại đủ lâu cho mắt người quan sát, khối đếm 4040 nâng địa chỉ cao lên để dịch chuyển vùng nhớ hiển thị sang 32 ô tiếp theo, tạo hiệu ứng chữ cuộn mượt mà trên bảng đèn.

Phần IV: Tổng kết

Tổng kết các ưu điểm và nhược điểm thực tế của mạch thi công; định hướng giải pháp phát triển mạch mở rộng; đưa ra kết luận khẳng định sự hoàn thành toàn diện của đề tài tốt nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình phần cứng mạch quang báo hoàn chỉnh với các kết quả cụ thể:

  • Mạch hoạt động ổn định trong thời gian dài thử nghiệm, chữ hiển thị rõ ràng, không xuất hiện hiện tượng nhấp nháy nhờ tần số quét ma trận đáp ứng tốt đặc tính lưu ảnh của mắt người.
  • Tính toán và xác lập chính xác hai mức tốc độ dịch chuyển dòng chữ thông qua chuyển mạch phần cứng: mức nhanh đạt $9\text{ Hz}$ ($0,1\text{ s}$ dịch một cột) và mức chậm đạt $4,4\text{ Hz}$ ($0,2\text{ s}$ dịch một cột), phù hợp với khả năng đọc và theo dõi của người xem.
  • Thực hiện cơ chế chuyển đổi hai màu xanh - đỏ tự động theo chương trình nạp sẵn trong EPROM thông qua bit dữ liệu điều khiển kết hợp với hai vi mạch chốt 74573.
  • Tính toán chính xác các thông số phân cực đảm bảo các transistor công suất B562 và D468 làm việc an toàn ở trạng thái đóng ngắt bão hòa, giải quyết triệt để bài toán dòng điện xung tức thời lớn ($2,674\text{ A}$) khi quét ma trận mà không gây sụt áp nguồn hay hỏng linh kiện.
  • Thiết kế mạch in dự phòng sẵn cho kích thước ma trận 5x8 dù chỉ chạy phông 5x7, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nâng cấp font chữ tiếng Việt có dấu đầy đủ hơn trong tương lai mà không cần vẽ lại mạch in.

Về mặt đóng góp kỹ thuật, đồ án đã chứng minh tính hiệu quả và kinh tế của giải pháp dùng EPROM để thay thế cấu hình ROM ma trận Diode thủ công cồng kềnh, đồng thời tiết kiệm đáng kể chi phí chế tạo so với việc ứng dụng các bộ kit vi xử lý phức tạp tại thời điểm năm 2000.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được chính tác giả chỉ ra trong đồ án:

  • Việc đổi màu chữ và nội dung thông tin gắn chặt vào phần mềm đã biên dịch nạp trong EPROM; mỗi khi muốn thay đổi nội dung hiển thị hoặc hiệu ứng màu sắc bắt buộc phải tháo EPROM ra khỏi mạch, dùng đèn cực tím để chiếu xóa và nạp lại bằng máy nạp chuyên dụng.
  • Khả năng hiển thị chỉ dừng lại ở các ký tự chữ chạy ngang và chớp tắt đơn giản, chưa thể hiển thị các hình ảnh đồ họa cử động hoặc logo phức tạp do cấu trúc quét cột dùng vi mạch giải mã phần cứng cố định 74138.
  • Bảng đèn thực nghiệm mới dừng lại ở quy mô 30 cột (kích thước nhỏ), chưa mở rộng thành các bảng quang báo kích thước lớn phục vụ không gian công cộng ngoài trời.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Nâng số lượng mô-đun ma trận LED để kéo dài bảng hiển thị, tăng dung lượng nội dung hiển thị cùng lúc.
  • Thay thế bộ quét cột bằng vi mạch EPROM thứ hai (dùng EPROM điều khiển đồng thời cả hàng lẫn cột theo phương pháp quét) để mạch có khả năng hiển thị các hình ảnh và biểu tượng cử động mượt mà.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Tự động hóa đang học tập các học phần Mạch số, Thiết kế vi mạch, Kỹ thuật ghép nối ngoại vi và Kỹ thuật hiển thị.
  • Người thực hiện các đề tài nghiên cứu hoặc đồ án môn học liên quan đến phương pháp quét ma trận LED, kỹ thuật phân tần số bằng IC đếm CMOS và phương pháp thiết kế tầng công suất chuyển mạch BJT dưới tải xung dòng lớn.
  • Phần đáng tham khảo nhất trong đồ án gồm:
    • Phương pháp tính toán và giải phương trình vi phân nạp xả của mạch RC để thiết kế mạch Auto Reset (Phần III - Chương 1).
    • Phương pháp tính toán các thông số phân cực Transistor chế độ bão hòa sâu phục vụ kỹ thuật quét ma trận LED (Phần III - Chương 6).
    • Sơ đồ nguyên lý phối hợp giữa bộ đếm, bộ giải mã và IC chốt ngõ ra 3 trạng thái 74573 để điều khiển ma trận LED hai màu (Phần III - Chương 3 và Chương 4).
    • Bảng mã hóa nhị phân/hex cho các ký tự tiếng Việt có dấu kích thước 5x7 (Phần III - Chương 7 và Phụ lục mã nguồn).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lại lựa chọn EPROM để thiết kế mạch quang báo thay vì sử dụng vi xử lý hay ma trận Diode rời?
Tác giả đã so sánh 4 giải pháp: Ma trận Diode rời ("Made Home") quá cồng kềnh, phức tạp và tốn kém khi tăng dung lượng bộ nhớ, mỗi lần đổi chữ phải sửa đổi phần cứng. Ngược lại, kit vi xử lý đòi hỏi các IC hỗ trợ đắt tiền (EPROM chương trình, RAM lưu trữ, IC ngoại vi 8255A, mạch bàn phím) làm tăng giá thành và kích thước mạch. Phương án dùng máy vi tính thì quá tốn kém và cồng kềnh. EPROM được chọn vì giao tiếp trực tiếp không cần chương trình điều hành phức tạp, giá thành thấp, kích thước mạch nhỏ gọn và việc thay đổi nội dung chỉ cần lập trình lại phần mềm nạp vào ROM.

2. Tần số quét hiển thị và vận tốc dịch chuyển chữ trên bảng đèn được tính toán như thế nào?
Mạch sử dụng thạch anh có tần số riêng $36\text{ kHz}$ kết hợp với IC 4060. Tần số này được đưa qua các tầng Flip-Flop chia tần nhị phân bên trong IC. Qua 12 tầng chia ($2^{12} = 4096$), tần số xung kích đưa sang IC 4040 là $36.000 / 4096 \approx 9\text{ Hz}$, làm chữ dịch chuyển 1 cột sau mỗi $0,1\text{ s}$. Khi chuyển mạch sang 13 tầng chia ($2^{13} = 8192$), tần số là $36.000 / 8192 \approx 4,4\text{ Hz}$, làm chữ dịch chuyển 1 cột sau mỗi $0,2\text{ s}$.

3. Mạch thực hiện chuyển đổi màu sắc chữ (xanh lá và đỏ) trên bảng đèn theo nguyên lý nào?
Việc đổi màu được thực hiện nhờ hai vi mạch chốt 8-bit IC 74573 kết hợp với một đường tín hiệu điều khiển màu lấy từ bit dữ liệu của EPROM. Ngõ ra của IC 74573 thứ nhất nối với các cột Cathode LED xanh, ngõ ra của IC 74573 thứ hai nối với các cột Cathode LED đỏ. Chân cho phép xuất dữ liệu ($\overline{\text{OE}}$) của hai IC này được đấu qua một cổng đảo NOT 7404. Khi tín hiệu từ EPROM ở mức logic 0, IC 74573 thứ nhất xuất dữ liệu còn IC thứ hai ở trạng thái trở kháng cao (High-Z), bảng đèn sáng chữ màu xanh; khi tín hiệu lên mức logic 1, IC thứ nhất bị khóa và IC thứ hai xuất dữ liệu, bảng đèn chuyển sang sáng chữ màu đỏ.

4. Vì sao tác giả chọn vi mạch 74138 cho bộ quét cột và 74573 cho bộ chốt thay vì các IC tương đương như 74164 và 74241?

  • Đối với bộ quét cột: IC thanh ghi dịch 74164 kích hoạt mức cao có dòng ngõ ra rất nhỏ ($I_{OH} = 0,4\text{ mA}$), trong khi IC giải mã 74138 kích hoạt mức thấp có khả năng chịu dòng đổ vào lớn ($I_{OL} = 8\text{ mA}$), giúp tăng công suất điều khiển tầng sau gấp 20 lần.
  • Đối với bộ chốt: IC 74241 có các chân ngõ vào và ngõ ra bố trí xen kẽ nhau ở cả hai hàng chân, gây khó khăn cho việc vẽ mạch in. IC 74573 có cấu hình chân vào một bên và chân ra một bên riêng biệt, giúp đường mạch in đi thẳng, gọn gàng và hạn chế nhiễu.

5. Các giá trị điện trở phân cực cho Transistor thúc công suất hàng và cột được tính toán dựa trên cơ sở nào?
Các điện trở được tính toán trong chế độ xung quét 32 cột (chu kỳ làm việc $3%$). Để LED sáng rõ, dòng trung bình chọn là $10\text{ mA}$, tương ứng dòng xung đỉnh là $382\text{ mA}$. Với độ sụt áp trên LED đỏ là $2\text{V}$, sụt áp bão hòa $V_{CE(sat)} = 0,2\text{V}$, điện trở hạn dòng cực C hàng được tính là $R_C = 6,8,\Omega$. Dựa trên hệ số khuếch đại dòng $\beta_{min} = 25$, dòng kích cực B yêu cầu $I_B > 15,28\text{ mA}$, xác định được điện trở cực B hàng $R_{BH} = 120,\Omega$ và điện trở cực B cột $R_{BC} = 270,\Omega$. Trong trường hợp xấu nhất cả 7 LED trên một cột cùng sáng, dòng cực C qua transistor cột tăng vọt lên $2,674\text{ A}$, đòi hỏi dòng kích cực B tối thiểu $107\text{ mA}$, do đó điện trở phân cực cực B của transistor cột được chọn giảm xuống còn $R_{BC} = 39,\Omega$ để giữ Transistor luôn dẫn bão hòa sâu.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mạch quang báo dùng EPROM" của sinh viên Vương Kiến Hưng đã giải quyết trọn vẹn yêu cầu thiết kế và chế tạo một hệ thống quang báo ma trận LED hai màu hoạt động độc lập bằng vi mạch số. Thông qua việc phân tích kỹ thuật và tính toán phân cực chính xác, đề tài đã xây dựng thành công phần cứng mạch hiển thị chữ chạy ổn định, đổi màu linh hoạt mà không cần phụ thuộc vào các hệ vi xử lý đắt tiền. Kết quả thực nghiệm và hệ thống dữ liệu thiết kế trong đồ án có giá trị thực tiễn cao, đóng vai trò như một tài liệu kỹ thuật nền tảng cho việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống hiển thị số ứng dụng trong công nghiệp quảng cáo giai đoạn đầu những năm 2000.