đề tài thiết kế mạch đo tốc độ bằng encoder

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

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Vinh Sinh viên thực hiện : Ngô Văn Tiên

THI T K M CH ẾT KẾ MẠCH ẾT KẾ MẠCH ẠCH ĐO T C ỐC Đ D Ộ D ÙNG ENCODER

100 XUNG

PHẦN THUYẾT MINH :

Yêu cầu về bố cục nội dung :

Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch tổ hợp, mạch dãy và mạch dao động.Chương 2: Thiết kế mạch đo và hiển thị tốc độ

Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng

Yêu cầu về thời gian :

Ngày giao đề : 10/11/2012

Ngày hoàn thành :… 20/12/2012

Thời gian bảo vệ dự kiến : 30/12/2012

Ngày … tháng … năm 2012 Khoa Bộ môn Giáo viên hướng dẫn

Điện NGUYỄN VĂN VINH

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



Giáo viên hướng dẫn

GVC.Th.S NGUYỄN VĂN VINH

M c L c ục Lục ục Lục

Lời mở đầu 6

A Cơ sở lý thuyết 7

I Mạch tổ hợp 7

1 Khái quát 7

1.1 Các phương pháp tối thiểu hóa hàm logic 7

1.2 Tổng hợp hàm logic rằng buộc 7

2 Hệ chuyển mã 8

2.1 Hệ chuyển mã 8

2.2 Hệ giải mã 8

II Mạch dãy 12

1 Khái niệm mạch dãy 12

2 Hệ Đếm 12

2.1 Khái niệm 13

2.2 Hệ đếm bất kỳ 13

2.3 Ghép các hệ đếm 14

III Mạch dao động 15

1 Khái niệm 15

2 Điều kiện dao động 15

3 Kết luận 16

B Thiết kế sơ đồ mạch 17

I Sơ đồ khối 17

II Hoạt động của từng khối 18

1 Khối tạo xung: 18

1.1 IC 555 18

1.1.1 Cấu tạo IC 555 18

1.1.2 Nguyên lý làm việc của IC NE555 24

1.2 Khối tạo xung mở cổng và khối reset 25

1.2.1 Khối tạo xung mở cổng 25

1.2.2 Khối reset 30

1.3 Động cơ và encoder 30

1.4 Khối cổng 31

2 Khối đếm ( IC 74L90) 32

2.1 Cấu tạo 32

2.2 Sơ đồ logic và bảng trạng thái 33

3 Khối giải mã (IC 74LS47) 34

3.1 Khái niệm 34

3.2 Hình dạng và sơ đồ chân 35

3 3 Sơ đồ logic và Bảng trạng thái 36

4 Khối hiển thị 39

II Sơ đồ nguyên lí 40

1 Sơ dồ nguyên lí 40

2 Nguyên lí làm việc 40

3 Chọn linh kiện và tính toán thông số 41

C Xây dựng mạch mô phỏng 45

I Mạch Proteus 45

II Thiết kế Mạch In 49

Kết Luận 51

Lời mở đầu

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử

đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp Trong lĩnh vực điều khiển, từ khi côngnghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹ thuật điều khiểnhiện đại có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạch điều khiển lắp rápbằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy, côngsuất tiêu thụ nhỏ, dễ dàng bảo dưỡng, sửa chữa khi gặp sự cố

Một trong những máy móc thông dụng là động cơ, được sử dụng rất rộng rãitrong các lĩnh vực, chính vì thế việc đo tốc độ động cơ là vô cùng quan trọng đểtính toán sử dụng động cơ Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu, tham khảochúng em đã hoàn thành đề tài ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER Bài làm còn dựanhiều trên cơ sở lý thuyết, vì vậy chúng em đang hoàn thiện và thực hiện trong thựctế

Em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN VĂN VINH và các thầy cô trong

bộ môn cùng toàn thể các bạn đã giúp em hoàn thành đồ án này Vì thời gian ngắn

và kiến thức còn hạn chế nên bài làm không tránh khỏi nhiều thiếu sót Em rấtmong được sự chỉ bảo của các thầy cô để bài làm của em hoàn thiện hơn

Sinh viên Thực hiện đồ án Ngô Văn Tiên

A Cơ s lý thuy t ở lý thuyết ết

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 phụthuộc 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 rằng 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 Hệ chuyển mó

2.1 Hệ chuyển mó

*Giải mã số BCD sang mã LED 7 thanh:

LED 7 thanh: là loại đèn LED dùng để hiển thị các số thập phân(từ 0 đến 9)

Các số thập phân được hiển thị bởi LED 7 thanh

Ngoài ra, LED 7 thanh còn hiển thị được 1 số chữ cái và các kí tự đặc biệt

Có 2 loại LED 7 thanh: Anot chung & Katot chung

LED Katot chung & Anot chung

Mạch giải mã số BCD sang LED 7 thanh:

Mạch có 4 ngõ vào tương ứng với tổ hợp BCD và 7 ngõ ra tương ứng 7 thanh của LED

Xây dựng hệ giải mã cho led 7 đoạn anode chung.

7 đoạn

D

A B

C

b c d e f g

Từ cỏc kết quả, ta cú thể kết hợp cỏc cổng logic để tạo mó cho LED 7 thanh.

Trong bài ta sẽ sử dụng IC7447 để giải mó cho LED 7 thanh

II Mạch dóy

1 Khỏi niệm mạch dóy

Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ đợc tạo bởi các mạch lật, các mạchcơ 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

2. H ệ Đ m ết

II.1. Khỏi niệm

Hệ đếm nối tiếp: xung đếm chỉ đưa vào một FF

Hệ đếm song song: xung đếm được đưa vào tất cả cỏc phần tử đếm

Để thành lập một hệ đếm ta sử dụng JK- FF Nếu cú n FF thỡ thành lập được hệđếm cú dung lượng tối đa là 2n

.VD: 2FF thành lập hệ đếm 4

3FF thành lập hệ dếm 8

4FF thành lập hệ đếm 16.

Hệ đếm: đếm nối tiếp, đếm song song

* Mét hệ đếm nối tiếp 3bit:

- Đặt xung clock vào bộ đếm M.

- Lấy tớn hiệu từ bit cú trọng số cao nhất của bộ đếm M làm xung clock cho bộđếm N

VD: Hệ đếm 10 ghộp với hệ đếm 6 thành hệ đếm 60

Trong bài ta sẽ sử dụng IC7490 để thực hiện cỏc hệ đếm

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 hoặcFET), 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 oạo dao động bằng phơng pháp tổng hợp mạch

2 Đi u ki n dao ều kiện dao ệ đ ng ội, Dec 2012

Ta xét sơ đồ khối mạch dao động mô tả nh trên hình 1.1 Trong đó, ta kí hiệu và gọi X’ - tín hiệu vào dạng phức, X’

O – tín hiệu ra dạng phức và X’

F – tín hiệu phản hồi 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’, tích các hệ số khuếch đại vòng K’K’

Hay có thể viết:

K’K’

F =KKFej(α

K + αF) (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 + αF = 2πn với 0,+1,-1,…

1

3 K t lu n ết ận

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

Mạch đếm hàng đơn vị dùng

Mạch giải

mã BCD dùng IC74LS47

Hiển thị hàng đơn vị qua led

7 thanh

Mạch đếm hàng chục dùng

Mạch giải

mã BCD dùng IC74LS47

Hiển thị hàng chục qua led 7 thanh

Mạch đếm hàng trăm dùng

Mạch giải

mã BCD dùng IC74LS47

Hiển thị hàng trăm qua led

7 thanh

Khối

mở cổng

và reset

Khối cổng

Động cơ

và

encoder

Mạch đếm hàng nghìn dùng

Mạch giải

mã BCD dùng IC74LS47

Hiển thị hàng nghìn 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 đếmphù 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:

1.1 IC 555

1.1.1 Cấu tạo IC 555

IC NE555 là IC có quá nhiều ứng dụng rộng rãi, IC 555 có 8 chân, sơ đồ cho

thấy công dụng của các chân theo tên như sau:

Thứ tự các chân của IC 555

 Chân 2 (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn là 1/3 mức nguồn nuôi.

 Chân 3 (Output): Chân ngõ ra, tín hiệu trên chân 3 c1 dạng xung, không ở

mức áp thấp thì ở mức áp cao

 Chân 4 (Reset): Chân xác lập trạng thái nghỉ với mức áp trên chân 3 ở mức

thấp, hay hoạt động

 Chân 5 (Control Voltage): Chân làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555.

 Chân 6 (Threshold): Chân so áp với mức áp chuẩn là 2/3 mức nguồn nuôi.

 Chân 7 (Discharge): Chân có khóa điện đóng masse, thường dùng cho tụ xả

mô tả với lệnh Subcircuit rồi cất vào thư viện đặt tên là 555 và sau này Bạn dùng nó

để chạy mô phỏng các dạng mạch điện với IC 555)

Sơ đồ các khối chức năng của IC 555

Trong IC với chân 1 nối masse và chân 8 nối vào đường nguồn Vcc, là một cầuchia áp với 3 điện trở bằng nhau (đều là 5K) Cầu chia áp này tạo ra 2 mức ápngưỡng, một là 1/3 mức áp nguồn dùng làm mức áp ngưỡng cho tầng so áp, tín hiệuvào trên chân số 2, và một khác là 2/3 mức áp nguồn dùng làm mức áp ngưỡng chotầng so áp khác, tín hiệu vào trên chân số 6 Chân số 5 có thể chịu tác động ngoài đểlàm thay đổi mức áp ngưỡng Chân số 7 là một khóa điện đóng/mở (transistor bãohòa/ngưng dẫn) theo mức áp trên chân số 3 Chân số 3 là ngả ra và là ngả ra mộttầng Flip Flop, nên tín hiệu trên chân 3 có dạng xung (mức áp chỉ xác lập ở trạngthái cao hay thấp) Chân 4 là chân Reset, khi chân 4 ở mức áp thấp nó ghim chân 3luôn ở mức áp thấp, chỉ khi chân 4 ở mức áp cao, lúc đó trạng thái mức áp trên chân

số 3 sẽ theo tác động của tầng Flip Flop

Chú ý trong mạch này, chân số 2 cho nối vào chân số 6 IC 555 đã được ráp thành mạch dao động (A-Stable) Tần số xung ra trên chân 3 sẽ tùy thuộc vào trị số các điện trở RA, RB và tụ C Trên chân 5 có thể mắc thêm tụ lọc 0.01uF để ổn định điện áp của các mức áp ngưỡng Trạng thái ra trên chân số 3 sẽ tùy thuộc vào mức

cao trên chân 4 cho dao động và mức áp thấp trên chân 4 (bị ghim ở mức thấp).

IC 555 được ráp thành mạch đa hài đơn ổn (Mono-Srable), ở đây mức áp ra trênchân 3 sẽ tùy thuộc mức áp ở ngả vào trên chân số 2 Khi mức áp trên chân 2 xuốngdưới mức áp ngưỡng 1/3 Vcc thì mức áp ngả ra trên chân 3 sẽ lên mức áp cao.Xung vào trên chân 2 có thể ở dạng liên tục (tín hiệu analog), nhưng tín hiệu ra trênchân 3 luôn ở dạng xung (hay dạng digital), chỉ xác lập ở mức áp cao hay thấp Dovậy IC 555 có là sự kết hợp của hai dạng tín hiệu A/D (Analog/Digital)

1.1.2 Nguyên lý làm việc của IC NE555

Hình vẽ cho thấy trong IC 555 có 2 tầng so áp Tầng so áp dưới (LOWERCOMPARATOR), điện áp vào trên chân 2 cho so áp với mức áp ngưỡng là(1/3)Vcc, ngõ ra của tầng só áp tác động vào chân Set của Flip Flop Tầng so áptrên (UPPER COMPARATOR), điện áp vào trên chân số 6 cho so áp với mức ápngưỡng là (2/3)Vcc, ngả ra của tầng so áp tác động vào chân Reset của Flip Flop.Như vậy Trạng thái ngả ra của Flip Flip sẽ tùy thuộc vào tác động của tín hiệu vàotrên chân 2 và chân 3

+ Nếu mức áp chân 2 xuống thấp hơn (1/3)Vcc thì ngả ra trên chân 3 sẽ tăng lênmức áp cao

+ Nếu mức áp trên chân 6 lên cao hơn (2/3)Vcc thì ngả ra trên chân 3 sẽ xuốngmức áp thấp

+ Khi chân 3 ở mức áp cao thì transistor T1 sẽ ngưng dẫn (tác dụng như chochân 7 hở masse)

+Khi chân 3 ở mức áp thấp thì transistor T1 sẽ bão hòa (tác dụng như cho chân 7nối masse).

+ Chân 4 chân Reset Khi chân 4 ở mức áp thấp, chân 3 bị chốt ở mức áp thấp,chỉ khi chân 4 ở mức áp cao, lúc đó chân 3 mới có thể biến đổi theo Flip Flop Dovậy trong các mạch dao động, người ta thường cho chân 4 nối vào mức nguồn cao

1.2 Khối tạo xung mở cổng và khối reset.

1.2.1 Khối tạo xung mở cổng.

Kh i xung t o m c ng ố ạo ở cổng ổng

Kh i t o xung m c ng g m 1 m ch t o xung dùng ic 555, m t ic chia t n ố ạo ở cổng ổng ồm 1 mạch tạo xung dùng ic 555, một ic chia tần ạo ạo ột ic chia tần ần

s 4017, các hố àm logic AND, NOT Và m t s linh ki n ph khác.ột ic chia tần ố ện phụ khác ụ khác

Mạch tạo xung dùng ic 555 xin mời tham khảo phần 1.1

Dưới đây là thông tin về ic 4017:

* Giới thiệu IC 4017:

Đây là một IC chia tần với hệ số chia tần từ 2 tới 10

Hình dáng của IC 4017: