Thiết kế mạch đo tốc độ bằng Encoder

Thiết kế mạch đo tốc độ bằng Encoder

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

VI MẠCH TƯƠNG TỰ

&

VI MẠCH SỐ

Nhóm 7

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Vinh

Sinh viên thực hiện : Lương Đức Lợi

Hà nội, Dec 2012

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN



( Dán tờ thầy phát vào đây  )

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

ef

Giáo viên hướng dẫn

GVC.Th.S NGUYỄN VĂN VINH

Mục Lục

Lời mở đầu 3

1.Khái niệm mạch dãy 5

III Mạch dao động 6

1 Khái niệm 6

2 Điều kiện dao động 7

3 Kết luận 8

Chương 2: Thiết kế sơ đồ mạch 8

I Sơ đồ khối .8

II Hoạt động của từng khối 9

1 Khối tạo xung: 9

1.1khối tạo xung mở cổng 9

1.2 Khối reset 10

1.3 Động cơ và encoder 10

1.4 Khối cổng 10

2.Khối đếm ( IC 74L90) 11

3 Khối giải mã (IC 74LS47) 11

4 Khối hiển thị 11

II Sơ đồ nguyên lí 11

2.Nguyên lí làm việc 12

3.tính toán thông số 12

1.chọn thiết bị .12

Sau đó ta sẽ vẽ mạch như hình sau: 13

Kết Luận 13

Lời mở đầu

Trong thời đại ngày nay, việc tự động hoá trong quá trình sản xuất và ứng dụng mang một ý nghĩa hết sức to lớn, có thể nói ngành tự động hoá là ngành đánh giá sự phát triển công nghiệp của thế giới nói chung và một quốc gia nói riêng

Sự tự động hoá trong sản xuất làm tăng năng suất, giảm giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm và tiếp cận thâu tóm thị trường Những chỉ số đó là những mục tiêu mà các doanh nghiệp luôn muốn hướng đến và cải thiện

Vì tầm quan trọng quá to lớn như vậy nên là sinh viên chuyên ngành tự động hoá, chúng tôi càng phải trau dồi kiến thức cho mình để có nền tảng phát huy tính sáng tạo sau này phát triển đất nứơc

Động cơ là một thiết bị phổ biến , được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực, chính vì thế việc đo tốc độ động cơ là vô cùng quan trọng để tính toán sử

dụng động cơ Sau một thời gian làm việc, nghiờn cứu, tham khảo chỳng em đó hoàn thành đề tài ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER trờn cơ sở lý thuyết

Chỳng em cũng chõn thành cảm ơn đến thầy : Th.s Nguyễn Văn Vinh

Đó giảng dạy chỳng em kiến thức bổ ớch về bộ mụn “Vi mạch tương tự và

vi mạch số “

Tuy vậy nhưng do lượng kiến thức cú hạn ,trong thời gian ngắn nờn đề tài của nhúm em cũn nhiều thiếu sút, kớnh mong thầy cụ giỳp đỡ thờm

Chỳng em xin chõn thành cảm ơn !

Sinh viờn Thực hiện đồ ỏn Lương Đức Lợi

Chương 1 Tỡm hiểu chung về mạch tổ hợp,mạch dóy và mạch dao động.

I.Mạch tổ hợp

1.Khỏi quỏt

Mạch logic tổ hợp là mạch logic ở đó giá trí logic của các tín hiệu ra không phụ thuộc vào trạng thái cũ của mạch, mà hoàn toàn xác định bởi giá trị logic của các cửa vào của mạch ở thời điểm đó

Khi tổng hợp mạch logic tổ hợp ta cần tuân thủ các bớc dới đây:

- Lập bảng chức năng logic của mạch Đó là bảng chân lí hay bảng trạng thái, là bảng giá trị các biến ra tơng ứng với tổng tổ hợp của các biến vào

- Từ bảng trạng thái xác định biểu thức hàm logic hoặc bảng Các nô

- Tiến hành tối thiểu hoá hàm logic và đa về dạng thuận lợi để triển khai hàm thông qua các mạch logic cơ bản

1.1 Cỏc phương phỏp tối thiểu húa hàm logic

- Tối thiểu hoá hàm logic bằng cách sử dụng các định luật cơ bản của đại số logic

- Tối thiểu hoá hàm logic bằng biểu đồ Các nô

1.2 Tổng hợp hàm logic ràng buộc

Khỏi niệm về hàm logic ràng buộc

Hàm số n biến có 2n tổ hợp biến, tơng ứng với mỗi tổ hợp biến đó hàm số có giá trị 1 hoặc 0 Nhng cũng có những trờng hợp với một số tổ hợp biến số hàm số của các biến đó không xác định đợc giá trị theo một điều kiện nào đó

Phần tử ràng buộc hay số hạng ràng buộc là tổ hợp biến tơng ứng với trờng hợp hàm số không xác định, số hạng ràng buộc luôn bằng 0

Điều kiện ràng buộc là biểu thức logic tạo bởi tổng các phần tử ràng buộc Vậy điều kiện ràng buộc cũng luôn bằng 0

Hàm logic ràng buộc là hàm số logic xác định với điều kiện ràng buộc

Tối thiểu hoá hàm logic ràng buộc có 2 cách: tối thiểu hoá bằng công thức hoặc bằng bảng các nô

2.bộ mó húa và bộ giải mó

2.1 bộ mó húa nhị - thập phõn ( bộ mó húa BCD )

Bộ mó húa nhị thập phõn là bộ mó húa cú nhiệm vụ chuyển 10 chữ số thập phõn thành mó hệ nhị phõn Dạng mó này cũn được gọi là mó BCD ( Binary Code Decimal )

Mó thập phõn Mó nhị phõn

Bảng chõn lý bộ mó húa BCD theo mó 8421 (sgk t121)

Sơ đồ nguyờn lý bộ mó húa nhị thập phõn (sgk t121)

2.2 Bộ giải mó nhị -thập phõn ( bộ giải mó BCD)

Bộ giải mó BCD cú 4 cửa vào là 4 bit nhị phõn , ký hiệu chỳng theo trọng số giảm dần là D,C,B,A cú cỏc cửa ra là 10 sụ hệ thập phõn ( số 0 đến số 9 ), kớ hiệu chỳng là y0,y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8,y9 ứng với mỗi tổ hợp biến vào chỉ

cú 1 biến ra xuất hiện Quy định mức thấp ( mức 0 ) là mức tớch cực của biến

ra

Bảng chõn lý bộ giải mó BCD theo mó 8421 (sgk t.122 )

Sơ đồ nguyờn lý bộ giải mó BCD (sgk t.124)

II,Mạch dóy

+, Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ đợc tạo bởi các mạch lật, các mạch cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biến vào

mà còn phụ thuộc cả vào trạng thái hiện tại của mạch

+, Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lu giữ dữ liệu hoặc biến đổi dữ liệu

số từ nối tiếp sang song song và ngợc lại Mỗi mạch lật chỉ lu giữ đợc một bit Vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải đợc tạo tử bấy nhiêu mạch lật

Thanh ghi nhận dữ liệu song song

(sgk t 131)

Bộ mó húa (BCD)

Thanh ghi nhận dữ liệu song song dài 4 bit cú 4 mạch lật kiểu D kớ hiệu theo thứ tự F0-F3 4 bit dữ liệu đến ngừ vào D của 4 mạch lật D0-D3 Q0-Q3 là ngừ ra của 4 mạch lật cũng là ngừ ra của thanh ghi

Q3Q2Q1Q0 = D3D2D1D0

Bộ ghi dịch

(Hỡnh sgk t 132)

2. Bộ đếm

Là thiết bị đếm được số xung đến cửa vào , đầu ra của bộ đếm là số lượng dung đếm được Bộ đếm rất đa dạng , ở đõy ta xột 2 loại là Bộ đếm nhị phõn đồng bộ

và bộ đếm thập phõn đồng bộ

-, Bộ đếm nhị phõn đồng bộ

Số xung đếm được là N= 2^n

( hỡnh 7.34 t.132)

Gồm 4 mạch lật kiểu Jk kớ hiệu từ F0-F3 ,sử dụng 4 mạch NAND tạo mạch logic

tổ hợp điều khiển Xung đồng bộ đồng thời cấp đến cả 4 mạch lật cửa vào J,K mạch lật thứ nhất (F0) đều cú mức “1” Q0-Q3 là cỏc ngừ ra của bốn mạch lật cũng là ngừ ra giữ liệu của bộ đếm.

Giản đồ thời gian (7.35 t 133)

-,Bộ đếm thập phõn đồng bộ

Bộ đếm thập phõn đồng bộ là bộ đếm 4 bit chỉ đếm 10 xung CP nội dung bộ đếm là mó nhị phõn của 10 chữ số thập phõn 0-9 ,gọi là mó BCD Vậy mạch tạo bởi 4 mạch lật và cỏc mạch cổng logic Một trong số cỏc bộ đếm thập phõn đồng

bộ theo mó BCD 8421 cú sơ đồ như hỡnh (7.36 t133)

Mạch cú 4 mạch lật kiểu JK đc kớ hiệu từ F0-F3 và sử dụng 5 mạch AND xung đồng thời cấp cả đển 4 mạch lật cửa vào J,K của mạch lật thứ nhõt (mạch F0) đều cú mức” 1” Q0-Q3 là cỏc ngừ ra của 4 mạch lật cũng là ngừ dữ liệu của bộ đếm C là đầu ra nhớ hàng thập phõn cao hơn của bộ đếm

Ta thực hiện việc phõn tớch bộ đếm theo cỏc bước dưới đõy

B1: Xỏc định cỏc loại phương trỡnh ( phương trỡnh định thời, phương trỡnh đầu ra,phương trỡnh kớch)

B2: Xỏc định phương trỡnh trạng thỏi

B3: Xõy dựng bảng tớnh toỏn

B4: Lập bảng trạng thỏi, vẽ sơ đồ hỡnh trạng thỏi

Đồ thị dạng súng của bộ đếm thuận thập phõn đồng bộ với mó BCD 8421 ( hỡnh 7.38 t.136)

III Mạch dao động.

1 Khỏi niệm

Mạch dao động là mạch điện tử tạo ra tín hiệu đổi theo chu kỳ Dựa vào dạng tín hiệu do mạch dao động tạo ra, ngời ta chia mạch dao động ra làm: mạch dao

động hình sin (dao động điều hoà) và mạch dao động tạo xung Mạch dao động tạo đợc tín hiệu có tần số từ vài Hz đến hàng nghìn MHz

Các mạch dao động sử dụng các phần tử tích cực là: tranzitor ( loại lỡng cực hoặc FET), điốt-tuynen, mạch tích hợp KĐTT hoặc các mạch tích hợp với các chức năng khác

Các tham số cơ bản của mạch dao động gồm: tần số tín hiệu ra, công suất ra

và hiệu suất của mạch

Ta thờng gặp các nguyên tắc dao động nh: tạo dao động bằng hồi tiếp dơng

và t oạ dao động bằng phơng pháp tổng hợp mạch

2 Điều kiện dao động

Ta xét sơ đồ khối mạch dao động mô tả nh trên hình 1.1 Trong đó, ta kí hiệu

và gọi X’

I - tín hiệu vào dạng phức, X’

O – tín hiệu ra dạng phức và X’

F – tín hiệu phản hồi dạng phức

X’

I a

X’

F a’ X’

O

2

Hình 1.1: Mô tả cách xác định điều kiện dao động

Khối 1: khối khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức:

K’ = Kejα K

Với K là môđun hàm truyền đạt khối khuếch đại và αK là góc pha đầu hàm truyền đạt khối khuếch đại Khối 2 là khối hồi tiếp khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức:

K’ = KFejα

F

Với KF là mô đun hàm truyền đạt khối phản hồi và αF là góc pha đầu hàm truyền đạt khối phản hồi

Giả định có tín hiệu vào dạng phức là X’

I, tích các hệ số khuếch đại vòng K’K’

F =1, thì tín hiệu phản hồi và tín hiệu vào bằng nhau cả về biên độ góc pha, nghĩa là: X’

F = X’

I Khi đó 2 điểm a và a’ có thể nối đợc với nhau mà tín hiệu ra

X’

O không thay đổi Vậy mạch tạo dao động đợc tín hiệu ra mà không cần có kích thích cửa vào Ta suy ra điều kiện để duy trì dao động là tích các hệ số khuếch đại dạng phức vòng kín bằng 1

Hay có thể viết:

K’K’

F =KKFej(α

K + α

F) (1.1)

Có thể tách điều kiện (1.1) ra làm 2 biểu thức:

Điều kiện cân bằng biên độ: KKF = 1

Điều kiện cân bằng các góc pha: α K + α F = 2πn với 0,+1,-1,…

1

3 Kết luận

Mạch dao động là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng phản hồi dơng ra quay lại đầu vào Năng lợng tự dao động lấy từ nguồn một chiều đợc cung cấp Mạch phải bảo đảm cân bằng biên độ và cân bằng pha Mạch dao động chứa ít nhất

một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lợng một chiều thành xoay

chiều Mạch dao động chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để bảo đảm cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập

Chương 2: Thiết kế sơ đồ mạch.

I Sơ đồ khối

ố Kh i t ạ o xung Kh ố i đ ế m Khối giải mó Kh ố i hi

ể n th ị

Khối tạo xung dựng IC555

Mạch đếm hàng đơn

vị dựng IC74LS90

Mạch giải

mó BCD dựng IC74LS47

Hiển thị hàng đơn

vị qua led

7 thanh

Mạch đếm hàng chục dựng IC74LS90

Mạch giải

mó BCD dựng IC74LS47

Hiển thị hàng chục qua led 7 thanh

Mạch đếm hàng trăm dựng IC74LS90

Mạch giải

mó BCD dựng IC74LS47

Hiển thị hàng trăm qua led 7 thanh

Khối

mở cổng

và reset

Khối cổng

Động cơ

và

encoder

Mạch đếm hàng nghỡn dựng IC74LS90

Mạch giải

mó BCD dựng IC74LS47

Hiển thị hàng nghỡn qua led 7 thanh

* Nhiệm vụ các khối:

Khối tạo xung: là 1 IC 555 để tạo xung vuông với tần số phù hợp

Khối đếm: Gồm các IC7490 được ghép nối với nhau để tạo thành các hệ

đếm phù hợp

Khối giải mã: Gồm các IC7447 để giải mã BCD để đưa ra khối hiển thị

Khối hiển thị: Hiển thị tín hiệu sau giải mã qua LED 7 đoạn

Ngoài ra có 2 nút ấn :

+ Nút bấm : gồm 1 nút ấn, để khi ấn cấp xung từ IC 555 cho IC

74LS90

+ Nút Reset : cho toàn bộ hệ thống về thời điểm ban đầu

II Hoạt động của từng khối.

1 Khối tạo xung:

1.1khối tạo xung mở cổng

Khối xung tạo mở cổng

Khối tạo xung mở cổng gồm 1 mạch tạo xung dùng ic 555, một ic chia

tần số 4017, các hàm logic AND, NOT Và một số linh kiện phụ khác

1.2 Khối reset.

Nhiệm vụ của khối reset là reset lại bộ đếm để hiển thị về 0 và cho reset để cấp xung lại cho 4017

Chúng ta cần nút bấm cấp nguồn 1 1 đầu được nốt với nguồn +5v đầu còn lại nối chia làm 2 nhánh: 1 nối với các chân reset của các ic đếm, và 1 nối với chân

số 15 của IC chia tần của ic 4017

1.3 Động cơ và encoder.

Một trong những thành phần không thể thiếu trong mạch đo tốc độ chính là động cơ, với những yêu cầu đo thực tế ta có các loại động cơ khác nhau

Trong thị trường có nhiều loại encoder, nhưng với yêu cầu bài toán ban đầu chúng em xin chọn loại encoder có số xung trên vòng là : 100xung/1 vòng, tức

là khi động cơ quay được 1 vòng thì ở chân A,B của encoder sẽ cấp ra 100 xung Encoder : 100xung/ vòng

Chọn encoder của hãng omron, seria: ENH -100-2-L-5, 24

ENCODER( ENH)

Loại Incremental

ENH -100-2-L-5, 24

Độ phân giải: 100 xung/ vòng

Pha ra tạo xung bù: A, B

Ngõ ra: Line driver

Nguồn cung cấp: 5VDC

1.4 Khối cổng.

Nhiệm vụ: chỉ cho tín hiệu đi qua trong một đơn vị thời gian nào đó, tín hiệu mở cổng được lấy từ khối xung mở cổng

Chọn linh kiện: AND, Not

Khối cổng

Khi tín hiệu ở 2 chân của hàm AND ở mức 1 sẽ cho tín hiệu đi qua vào bộ đếm

2.Khối đếm ( IC 74L90)

3 Khối giải mã (IC 74LS47)

IC74LS47 là loại IC giải có chức năng ngược lại với mạch mã hoá Mục đích

sử dụng phổ biến nhất của mạch giải mã là làm sáng tỏ các đèn để hiển thị kết quả ở dạng chữ số Do có nhiều loại đèn hiển thị và có nhiều loại mã số khác nhau nên có nhiều mạch giải mã khác nhau

4 Khối hiển thị

Hiển thị dùng led 7 đoạn loại anode chung do đầu ra của IC 7447 có mức tích cực là mức 0 ( mức thấp)

Ở loại anode chung ( anode của đèn được nối lên +5V, đoạn náo sáng ta nối đầu cathode của đoạn đó xuống mức thấp thông qua điện trở để hạn dòng

II Sơ đồ nguyên lí.

1. Sơ dồ nguyên lí

Động cơ Khối cổng, đếm , giải mã. Tốc độ Vòng/phút

O 1 encoder

Led 7 thanh

Nút Đo/reset

2.Nguyên lí làm việc.

Nguyên lí đo tốc độ động cơ:

Nhấn nút “START” để bắt đầu quá trình( không nên đo ngay khi vừa

khởi động mạch vì các phần tử khởi động chưa hoạt động ổn định kết quả

đo không chính xác) Lúc này xung đi ra từ mạch tạo xung sẽ được đi qua

IC 4017 tạo thành xung mở cổng đến 1 chân của hàm logic AND tại đây kết hợp với tín hiệu ra của encoder và cổng AND tín hiệu đi qua vào khối đếm, giải mã và hiển thị trên bộ led 7 thanh chính là tốc độ của động cơ Muốn thu được kết quả chính xác ta nên đo lại nhiều lần

Khi đo lại chúng ta nhấn nút “reset” để lặp lại quá trình.

Yêu cầu công nghệ: đưa ra được tốc độ với đơn vị là vòng/phút ở đây ta sử dụng encoder 100xung/vòng Vì vậy Bản chất của mạch đo tốc độ này là đếm xung encoder trong 1 phút Tốc độ đo được cần hiển thị là số xung encoder đếm được chia cho 100 được kết quả vòng/phút (1 vòng có 100 xung) Phân tích bài toán ta thấy thời gian đo 1 lần để có được kết quả mất 1 phút, như vậy sẽ rất tốn thời gian, không phù hợp với nhu cầu thực tế Vì vậy ta đếm xung encoder trong 0.6s, số xung đếm được chính là tốc độ động cơ đơn vị vòng/phút

3 tính toán thông số

T= 0,6s

t.on= 2 toff=0.4s

RA=RB=10k

T= 0.69(Ra+ 2Rb )C

Suy ra C = 28.9uF

Chương 3: xây dựng chương trình mô phỏng

ở đây chúng ta sẽ xây dựng mô hình mô phỏng trên mạch proteus

1 chọn thiết bị

Nhấn chuột trái vào biểu tượng P(pick from libraries) chương trình sẽ hiện

ra 1 màn hình chọn linh kiện, ta gõ tên linh kiện cần tìm vào ô trống vào ok

để lấy linh kiện, bài của chúng ta cần dùng các linh kiện sau:

NGUỒN