BTL môn kỹ thuật số mạch đo và hiển thị tốc độ động cơ dùng encoder

Mạch đo và hiển thị tốc độ động cơ dùng encoder bằng các IC số

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT SỐ MẠCH ĐO VÀ HIỂN THỊ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Hà

Sinh viên thực hiện : 1.Lê Tuấn Anh

Lời nói đầu

Ngày nay việc ứng dụng kỹ thuật số đang ngày càng phát triển rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều vào các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội Với xu hướng tất yếu này cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo, người

ta đã tạo những vi mạch số có cấu trúc mạnh và các chứng năng thuật lợi cho quá trình đo lường và cảm biến.

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, đặc biệt là ngành điện, điện tử, sự phát minh ra các linh kiện điện tử đã và đang ngày càng đáp ứng được yêu cầu của các

hệ thống Ưu điểm của việc sử dụng các linh kiện điện tử làm cho các hệ thống linh hoạt và đa dạng hơn, giá thành thấp hơn và độ chính xác cao hơn.

Sau thời gian học tập và tìm hiểu, chúng em đã được làm quen với môn học kỹ thuật số và đo lường & cảm biến Để áp dụng lý thuyết với thực tế của môn học này chúng em nhận bài tập lớn :'' thiết kế mạch mô phỏng đo và hiển thị tốc độ động cơ ( có gắn Encoder 100 xung/vòng, khoảng đo là 20000 xung/ phút Cụ thể

ở đây chúng em chọn động cơ có tốc độ 150 vòng/ phút ứng với 15000 xung/ phút và tiến hành đo”.

Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế, tài liệu tham khảo có giới hạn nên còn có những sai sót Chúng em rất mong thầy, cô giáo thông cảm và giúp đỡ chúng em hoàn thiện bài tập lớn này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

ương I: Nguyên lí đo tốc độ động cơ

1 Các phương pháp đo tốc độ động cơ.

a Dùng encoder

Encoder là thiết bị cơ điện dùng để chuyển đổi vị trí góc hay chuyển động của 1 trục thành tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số

Encoder được chia làm 2 loại, encoder tuyệt đối và encoder tương đối

Phân loại encoder:

b Dùng máy phát tốc

Máy phát tốc là một máy phát điện Cấu tạo gồm rotor và Stator

Rotor thường là nam châm vĩnh cữu

Máy phát tốc được lắp ở trục động cơ Khi trục động cơ quay, thì rotor của máy phát tốc cũng quay, phía Stator của máy phát

tốc sẽ có điện áp Người ta trích lấy điện áp đó để cung cấp cho mạch kiểm soát tốc độ của động cơ.

2 Nguyên lí đo tóc độ động cơ trong bài.

Nguyên lí đo: từ số xung đo được trên encoder trong vòng 1 phút hoặc 1 giây và số xung mà encoder đếm được trên 1 vòng quay ta suy ra được tốc độ của động cơ

3 Sơ đồ cấu trúc mạch đo tốc độ động cơ.

Bộ tạo xung thời gian chuẩn

Chương II: Thiết kế mạch đo và hiển thị tốc độ động cơ

1.Các linh kiện sử dụng trong mạch thiết kế

-Mạch được thiết kế bởi những linh kiên sau:

 Led 7 thanh dung làm cơ cấu hiển thị

Ta có 1 số hình ảnh kết cấu led 7 thanh

Led 7 thanh có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh đc xếp heo hình số 8 và một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu “chấm” tròn nhỏ ở dưới góc bên phải của led 7 thanh 8 led đơn trên ted 7 thanh có Anode (cực +) hoặc Cathode (cực -) được nối chung với nhau tạo thành 2 loại

led 7 thanh:

- Anode chung (cực + chung): đầu (+) chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn Led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức thấp

- Cathode chung (cực – chung): đầu (-) chung được nối xuống Ground (hay mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức cao

IC giả mã 74LS47 Đây là IC giải mã kí giành riêng cho LED 7 thanh Anot chung Ứng dụng khi ta cần hiện thị số trên led 7 thanh trong mạch

số mà không cần dùng vi xử lý hoặc muốn tiết kiệm chân

Sơ đồ chân

Sơ đồ điều khiển

Các thức hoạt động:

- Sơ đồ nguyên lý: Như sơ đồ trên, trong đó A,B,C,D ( Nối với Vi xử lý,mạch số counter,…), BI/RBO,RBI,LT ( chân điều khiển của 7447, tùy thuộc vào nhu cầu sẽ nối khác nhau), Chân QA,QB,QC,QD,QE,QF,QG nối lần lượt với chân a,b,c,d,e,f,g của led 7 thanh anot chung

- Mô tả cách thức hoạt động như sau:

PORT A,B,C,D : đầu vào của 7447, nhận các giá trị theo nhị phân

(BCD) từ 0 tới 15, tương ứng với mối giá trị nhận được sẽ giải mã ra đầu

ra Q tương ứng

PORT QA-QG : Nối trực tiếp LED 7 thanh với

QA=a,QB=b,QC=c,QD=d,QE=e,QF=f,QG=g, giá trị hiển thị trên LED 7thanh phụ thuộc vào giá trị đầu vào PORTA,B,C,D theo bảng sau;

Bảng chân lý của 7447:

IC 74LS90

IC 7490 thuộc họ TTL có công dụng đếm mã nhị phân chia 10 mã hóa

BCD Cứ mỗi một xung vào thỉ nó đếm tiến lên 1 và được mã hóa ra bốn chân

Khi đếm đến 10 tự nó sẽ reset và trở về ban đầu IC này có ứng dụng rộn

g trong

các mạch số ứng dụng đếm 10 và trong các mạch chia tần số

 Hình dạng và sơ đồ chân

Chân 1 và chân 14: hai chân nhân xung đếm CK

Bốn chân 8, 9, 11, 12: chân ngõ ra,ương ứng QC, QB, QD, QA

Chân 5(Vcc): cấp nguồn cho IC

Chân 10 (GND) chân nối mass

Sơ đồ mạch logic và bảng trạng thái

Sơ đồ logic:

Dựa vào sơ đồ ta nhận thấy IC 7490 có bốn chân ngõ vào Reset dùng

để Reset hệ thống Khi ta đưa vào IC các mức điện áp thích hợp thì IC sẽ

tự động

Reset

Sau đây là bảng các mức Reset:

Khi dùng IC 7490, ta có hai cách nối mạch cho cùng chu kỳ đế

+ Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V

+ Công suất tiêu thụ (max) 600mW

2 Chức năng của 555

+ Tạo xung

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

3.Bố trí chân và sơ đồ nguyên lý

Hình dạng của 555 ở trong hình 1 và hình 2 Loại 8 chân hình tròn vàloại 8 chân hình vuông Nhưng ở thị trường Việt Nam chủ yếu là loại chân vuông.

Nhìn trên hình 3 ta thấy cấu trúc của 555 nó tương đương với hơn 20 transitor , 15 điện trở và 2 diode và còn phụ thuộc vào nhà sản xuất Trong mạch tương đương trên có : đầu vào kích thích , khối so sánh, khối điều khiển chức năng hay công suất đầu ra.Một số đặc tính nữa của 555 là : Điện áp cung cấp nằm giữa trong khoảng từ 3V đến 18V, dòng cung cấp từ 3 đến 6 mA.

Dòng điện ngưỡng xác định bằng giá trị lớn nhất của R + R Để điện áp 15V thì điện trở của R + R phải là 20M

Tất cả các IC thời gian đều cần 1 tụ điện ngoài để tạo ra 1 thời gian đóngcắt của xung đầu ra Nó là một chu kì hữu hạn để cho tụ điện (C) nạp điện hay phòng điện thông qua một điện trở R Thời gian này được xác định thông qua điện trở R và tụ điện C

Đường cong nạp của tụ điện

Mạch nạp RC cơ bản như trên hình 4 Giả sử tụ ban đầu phóng điện Khi mà đóng công tắc thì tụ điện bắt đầu nạp thông qua điện trở Điện

áp qua tụ điện từ giá trị 0 lên đến giá trị định mức vào tụ Đường cong nạp được thể hiện qua hình 4A.Thời gian đó nó để cho tụ điện nạp đến 63.2% điện áp cung cấp và hiểu thời gian này là 1 hằng số Giá trị thời gian đó có thể tính bằng công thức đơn giản sau:

t = R.C

4 Chức năng từng chân:

+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còngọi là chân chung

+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh

và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh

ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc

+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mứccao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V)

+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì

trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch

để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC

+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩntrong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện

từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được

+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2V >18V (Tùy từng loại 555 nhé thấp nhất là con

NE7555)

4 Nguyên lý hoạt động

Ở trên mạch trên H: mức cao và gần bằng Vcc; L là mức thấp và bằng0V Sử dụng FF - RS

Khi S = [1] thì Q = [1] và = Q- = [ 0]

Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và =Q- = [0]

Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0]

Khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì Q-= [1],

transisitor mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0,

- /Q = 1 > Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !

- Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C

- Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C

nhảy xuống dưới 2Vcc/3

6 Tính tần số điều chế độ rộng xung của 555

Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung.+ Tần số của tín hiệu đầu ra là

f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))

+ Chu kì của tín hiệu đầu ra : t = 1/f

+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì

t1 = ln2 (R1 + R2).C+ Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì

t2 = ln2.R2.C

Cổng logic ANDNgõ ra Q ở mức cao nếu ngõ vào A "AND" ngõ vào B đều ở mức cao (giống như nhân A với B): Q= A AND B Một cổng AND có thể có hai hoặc nhiều ngõ vào Ngõ ra của nó ở mứccao nếu tất cả các ngõ vào ở mức cao

IC4017Đây là một IC chia tần với hệ số chia tần từ 2 tới 10

Hình ảnh của IC 4017:

o Chân số 8 là chân nối mass.

Ngoài các chân nguồn và mass thì IC 4017 có các chân có chức nănghoạt động rất quan trọng là:

o Chân 15 là chân Master Reset hoạt động tích cực mức thấp

có nhiệm vụ làm các ngõ ra sẽ đếm trở lại về vị trí hoạt động ban đầu

Cụ thể khi tích cực mức thấp cho chân 15 hoạt động thì các ngõ ra từ 01

-09 sẽ trở về mức thấp, còn ngõ ra 05-9 sẽ trở lại mức cao Chân này hoạtđộng hoàn toàn độc lập với các chân Clock 14 và 13

o Chân 14 là chân xung clock hoạt động tích cực mức cao.Chân này có chức năng đưa xung clock từ bên ngoài vào để cấp cho IChoạt động

o Chân 13 cũng là chân xung clock nhưng hoạt động ở mứcthấp Hai chân này có mối liên hệ tương quan như sau: khi ở trạng thái

bình thường: chân 14 ở mức cao, chân 13 ở mức thấp thì IC sẽ hoạtđộng bình thường, các ngõ ra sẽ tuần tự xuất giá trị Trong quá trìnhcác ngõ ra đang hoạt động, ta kích mức cao cho chân 13 thì giá trị nàođang ở mức cao sẽ giữ nguyên trạng thái, các ngõ ra còn lại sẽ ở trạngthái mức thấp hết

o Các chân 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11 lần lượt sẽ là thứ tự củacác giá trị xuất ra

o Chân 12 hoạt động mức thấp trong 5 giá trị xuất ra đầu tiên

Nó sẽ hoạt động mức cao trong 5 giá trị xuất ra sau đó

o Cấu tạo bên trong IC 4017:

Bảng sự thật:

1 H = trạng thái mức cao (điện thếdương hơn)

2 L = trạng thái mức thấp (điệnthế âm hơn)

3 X = phi trạng thái

4 chuyển bậc thang - mứcdương

5.chuyển bậc thang - mức thấp

Biểu diễn dạng tín hiệu ngõ ra theo tín hiệu vào xung Clock:

IC4013

Khi chưa có xung CK (chưa nhấn phím) ngõ ra Q=0; QN=1;

dữ liệu tai D là ‘1’ QN=’0’; lúc này trạng thái ngõ ra sẽ đượcchốt lại và chỉ thay đổi khi có them 1 xung CK

2 Sơ đồ mạch nguyên lý.

3 Thuyết minh nguyên lý hoạt động

 Nhấn nút Start để cấp nguồn cho mạch hoạt động

 Nhấn nút Stop để ngắt nguồn

(đèn led báo nguồn, khi ấn Start đèn sang, ấn Stop đèn tắt)

 Trong mạch sử dụng mạch tạo xung bằng IC555 với 2 chế độ

là tạo xung với chu kì 1s và 1 phút(60s)

Trong mạch này có 1 công tắc kép làm nút nhấn mode là SW2

nó dung để chuyển đổi giữa 2 chế độ định thời trên

Mode1 đo chế độ vòng trên phút cho tấn số ra của IC 555 là 0,0167hz tương đương với T= 60s, Mode2 đo chế độ vòng trêngiây cho tần số ra IC 555 là 1 hz tương đương với T=1s

 Trước hết ta có động cơ có gắn encoder

Khi động cơ quay đồng thời làm encoder cũng quay theo và tạo ra 1 dãy xung

Encoder này có số xung/vòng là xác định.Do vậy để xác định được tốc độ quay của động cơ ta chỉ việc xác định số xung mà encoder tạo ra trong 1s hoặc 1 phút là ta có thể xác định tốc độ của động cơ đạt được

 Trong mạch trên khi encoder tao xung ta sẽ có 1 mạch để đếm

số xung và định thời gian reset trong 1s hoặc 1 phút

Mạch được kết cấu như hình trên

Mỗi lần có 1 xung từ encoder phát ra là mạch đếm có chức năng đếm số xung và hiển thị lên led 7 thanh số xung mà

encoder phát ra Đầu ra của IC555 được gắn vào chân số 14 (CLK) của IC4017,cứ mỗi 1 xung IC555 phát ra thì 10bit đầu

ra của IC4017 sẽ được dịch đi 1 bít từ bit Q0 đến Q9 Trong mạch chân Q2 được gắn với IC74LS90 như hình vẽ,

Cổng logic AND được gắn như hinh trên 1 đầu vào được gắn với chân encoder, đầu vào còn lại được gắn với chân Q0 của

IC4017 Đầu ra của cổng logic AND được gắn với chân CLKcủa 74LS90.Khi mà chân Q0 ở mức cao thì cổng logic AND thì cổng logic này sẽ tạo xung clock đưa vào IC74LS90 để tạo mạch đếm chạy khi chân Q0 của IC4017 ở trạng thái mức thấp thì mạch đếm dừng lại và hiển thị được số xung encoder phát được trong 1s hoạc 1 phút mà ta đã định sẵn.

Mạch hiển thị lên led 7 thanh này sẽ được giữ nguyên cho đến khi chân Q2 ở mức cao Chân Q2 được nối với chân MR để tạo reset IC4017 sẽ dịch bít mức cao Khi chân Q2 ở mức cao thì chân MR cũng ở mức cao và IC4017 được reset lại từ đầu Khoảng thời giân mà chân Q0 ở mức cao cho đến khi chân Q2

ở mức cao chính lầ độ trễ hiển thị số xung encoder và mỗi lần reset của IC4017 thi mạch đếm cũng reset đếm lại từ đầu

(ghi chú:

(*) Theo đề bài thì nhóm em sẽ thực hiện đo tốc độ động cơthông qua đó số xung tạo ra trong 1 phút (hoặc 1 giây)

Số xung sẽ được hiển thị trên dãy led Vì encoder tạo

100 xung/ vòng nên để đọc được số vòng thì ta sẽ đọc số

xung hiển thị trên led chia 100 hay nói cách khác khi

đọc hiển thị trên led thì xem số hiển thị trên 2 led cuối

cùng là 2 số thập phân sau sấu phẩy "," vậy ta đã đọc được

số vòng quay trong 1p hoặc 1s của động cơ

(**) Thứ 2 là 2 nút start và stop.Ở bài này chúng em

thiết kế 1 bộ nguồn riêng cấp điện cho các IC Nhưng vìtrong proteus đã mặc định cho các IC hoạt động sắn khôngcần nguồn nên nút start và stop Nhưng nếu đấu mạch trênthực tế thì phải 2 nút start và stop sẽ hoạt động và

nguồn cấp đến các IC sẽ là dây vcc Để Thử nghiệm kiểm chứng nguồn qua vcc này thì chúng đã mắc thêm vào đây 1đèn led khi ấn start thì led sang và khi ấn stop thì

led tắt.”

Trong quá trình làm bài em còn nhiều bất cập và thiếu sót rất mong các thầy cô giáo thông cảm, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn đã giúp đỡ em trong quá trình làm bàitập lớn !!!