Thiết kế hệ thống đo tốc độ động cơ có hiển thị chiều quay

đại học bách khoa hà nội khoa điện tử - viễn thông THIếT Kế LOGIC MạCH Số Đề Tài: Đo tốc độ động điện có tốc độ 1000vòng/phút với sai số 1% có thị chiều quay động Nhóm thực hiện: Hà Mạnh Cờng Nguyễn Phú Dũng Lớp: ĐTVT1-K44 Giáo viên hớng dẵn: TS Nguyễn Nam Qu©n MơC LơC TRang I Ii iii më đầu nhiệm vụ lý thuyết thực Sơ đô khối mạch đô tốc độ Sơ đồ khối mạch hiển thị chiều quay a phần 1: đo tốc độ động Khối chuyển vòng quay sang xung điện Khối khuyếch đại tạo dạng tín hiệu Khối cổng Khối xung mở cổng, xoá reset Khối đếm giải mà hiển thị B phần 2: hiển thị chiều quay Dùng mạch đồng Dùng mạch không đồng V phần nguồn VI mạch nguyên lý Mạch đo tốc độ Mạch hiển thị chiều quay V Kết luận I.Mở ĐầU Trong phát triển kỹ thuật điện tử ngày nay, kỹ thuật số dần chiếm u số lợng ứng dụng nhiều thiết bị điện tử từ dân dụng chuyên dụng, nhiỊu lÜnh vùc nh ®o lêng, ®iỊu khiĨn, v.v… nhờ vào nhiều nhờ vào nhiều u điểm Có thể nói, tảng kỹ thuật số mạch logic số dựa kết hợp cổng logic mà ngày đà đợc tích hợp IC số Trên sở kiến thức đà đợc học môn học: Kỹ thuật số khuôn khổ đồ án môn học: Thiết kế mạch logic số, đà thiết kế mạch logic số với đề tài là: Thiết kế hệ thống đo tốc độ động có hiển thị chiều quay Với mục đích tìm hiểu thêm lÜnh vùc kü tht sè, n©ng cao kiÕn thøc cđa Song kiến thức hạn hẹp thời gian thực không đợc nhiều nên đề tài nhiều sai sót, hạn chế Mặc dù đà cố gắng phần thiết kế tính toán chi tiết mạch, thông số nhng mang tính lý thuyết, cha thực tế Chúng mong có góp ý sửa chữa để đề tài có tính khả thi phơng diện kinh tế nh kỹ thuật Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Nam Quân đà hớng dẫn giúp đỡ chúng em thiết kế hoàn thành đề tài II.NHIệM Vụ: Vấn đề nêu đặt cho ta nhiệm vụ cần thực hiện: 1.Đo(chỉ thị) tốc độ động ®iƯn víi sai sè cho phÐp(sai sè cho phÐp đề tài chọn 1%) 2.Hiện(chỉ thị) chiều quay ®éng c¬ ®iƯn III.Lý THUỸT THùC HIƯN: S¬ ®å khèi để thực nhiệm vụ nêu trên: 1.Phần thị tốc độ: Chuyển vòng quay sang xung điện Khuếch đại tín hiệu xung điện tạo dạng Đếm Cổng Xung mở cổng Reset 2.Phần thị chiều quay động cơ: Giải mà Chỉ thị Khuếch Lấy tín hiệu chiều quayđại tín hiệu tạo dạng Mạch xử lí Chỉ thị IV.CáC PHƯƠNG áN : A.Phần thị tốc độ động cơ: 1.Khối chuyển vòng quay sang xung điện: *Phơng án 1(phơng pháp cơ): Mỗi vòng quay,vấu cam trục đóng công tắc vào lần tạo thành xung điện.Đếm số xung điện < >đếm số vòng quay vấu cam *Phơng án 2(Phơng pháp dùng cảm biến): Một cảm biến thích hợp đợc đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận cách ngắt quÃng có dấu hiệu qua lần nh cung cấp tín hiệu xung có biên độ tỉ lệ với +E Cảm biến từ: đầu từ Mẩu băng từ Mối vòng quay,mẩu băng từ đợc dán trục động quét qua đầu từ ,gây biến thiên từ thông ỉ cuộn dây đầu từ,tạo cuộn dây suất điện động có biên độ E.Khi động quay tạo cuộn dây xung suất điện động có tần số < > tốc độ quay động cơ.Đếm số xung suất điện động < > đếm số vòng quay động Hoặc ta thay mẩu băng từ đĩa quay làm vật liệu từ tính có khía răng(hoặc bánh răng) gắn lên trục động : khe từ vấu từ Hoặc ngợc lại ta dùng vật trung gian đĩa chắn từ cách tuần hoàn nam châm cố định cảm biến từ : nam châm cố định vấu chắn từ khe từ Biên độ suất ®iƯn ®éng cđa cn d©y E phơ thc chđ u yếu tố: +Khoảng cach cuộn dây(đầu từ) vật trung gian.Khoảng cách(khe từ) lớn E nhỏ +Tốc độ quay động cơ:E tỉ lệ với tốc ®é quay.Khi tèc ®é quay qu¸ bÐ,E sÏ nhá ®Ĩ phát đợc vị trí tốc độ quay chết Cảm biến quang: Thấu kính nguồn phát sáng đầu thu quang nguồn phát sáng đầu thu quang a> b> Cảm biến quang dùng nguồn phát sáng thích hợp với cảm biến quang vật trung gian quay có lỗ,đờng vát,hoặc mặt phản xạ +Nguồn sáng: LED,IR-LED,LAZER +Cảm biến quang: PHOTODIODE,PHOTOTRANSISTOR,PHOTO-JFET, PHOTORESISTOR,PHOTOTHYRISTOR Khi động quay,ánh sáng gặp lỗ(hình a>),gặp mặt phản xạ(hình b>) tới đợc đầu thu quang.Khi đầu thu quang ta thu đợc xung điện.Biên độ xung điện chủ yếu phụ thuộc: +Thông lợng ánh sáng ỉ tới đợc đầu thu quang: ỉ lớn biên độ xung điện lớn +Độ nhậy đầu thu quang KL: Chọn phơng án: Dùng cảm biến quang hình a> +Nguồn phát quang: IR-LED hồng ngoại phát sóng hồng ngoại gần +Cảm biến quang: PHOTOTRANSISTOR IR-LED, PHOTOTRANSISTOR đợc lấy thực tế mạch IR-LED, PHOTOTRANSISTOR mạch Mouse máy tính Không biết cảm biến quang mạch Mouse có phải PHOTOTRANSISTOR không,hay PHOTO-JFET 2.Khối khuếch đại tín hiệu xung điện tạo dạng: *Tín hiệu xung thu đợc khối chuyển vòng quay sang xung nhỏ,do cần phải khuếch đại tín hiệu lên để sử dụng đợc Một mạch khuếch đại tín hiệu số cho đầu møc logic “1” cã xung vµ møc “0” xung Do thiết kế Logic nên phần tơng tự không cần quan trọng -> không thiết kế chi tiết *Tín hiệu thu đợc ban đầu cha hẳn đà dạng xung vuông chuẩn,vì tín hiệu cần qua tạo dạng để trở thành xung vuông chuẩn.Đơn giản ta chọn mạch OR(tạo từ phần tử NOR IC SN7402): Tạo dạng dùng Smith-Trigo chuyên dụng hơn! *Tín hiệu khối khuếch đại tín hiệu xung điện tạo dạng tín hiệu mạch tạo dạng KL: Do Mouse đà chuuyển vòng quay sang xung điện đa vào máy tính nên tín hiệu tín hiệu logic.Nh toàn khối chuyển vòng quay sang xung điện,khối khuếch đại tạo dạng đợc tận dụng từ Mouse.Tín hiệu tốc độ quay vào khối cổng lúc tín hiệu đợc câu từ mạch Mouse 3.Khèi cỉng: Khèi cỉng cã nhiƯm vơ chØ cho tín hiệu xung qua đơn vị thời gian đó.Tín hiệu mở cổng lấy từ khối xung mở cổng chọn khối cổng đơn giản mạch AND đầu vào( tạo từ phần tử NAND cđa IC SN7400): 4.Khèi Xung Më Cỉng: Lµ khèi dao động đa hài tạo xung vuông có biên độ xung mức logic độ rộng xung đơn vị thời gian mở cổng(tx) a>Đa hài dùng Transistor: tx=0,7.Rb.Cb b>Đa hài dùng Khuếch đại thuật toán: tx=R.C.Ln(1+2R1/R2) Chọn R1=0,86R2 -> tx=R.C.1,0006 c>Đa hài dùng định thêi 555: t1 = 0.693*( VR + R )*C1 t2 = 0.693*R*C1 f = 1.44 / [( VR + 2*R)*C1 ] Khi xét tới tx ta phải xét phần sai số đo hệ số nhân đo tốc độ với đơn vị vòng/phút.Trong ta sử dụng số lỗ đục bìa để thể sai số phép đo hệ số nhân *Xét tx=1phút: Trong trờng hợp thực đo tốc độ quay động theo vòng/phút thực phần sai số: với sai số phép đo x% thực đục bìa (100/ x) lỗ Nhng tx dài nên không thực tế.Do không chọn khả *Xét tx Số lỗ đục bìa dùng đơn vị (vòng/phút) là: 60/tx lỗ Với phần sai số x% ta phải đục lỗ liên tiếp (100/x - 1) lỗ Vậy với trờng hợp này,tổng số lỗ phải đục bìa: (60/tx.100/x) lỗ KL: +Chọn tx=4(s),khi thiết kế mạch thùc tÕ chØ thĨ hiƯn x%=10% > Tỉng số lỗ đục: 150 lỗ +Vì lý tạo thêm xung xóa trạng thái khối đếm sau chu kì đo, chọn tạo tx từ mạch tạo xung đa hài T=1s: Timer 555 C1= 10uF ; C2= 0.1uF ; R= 62KOhm ; VR=(0 50) Kohm(cụ thể 20Kohm) Tạo tx=4(s) từ mạch đa hài Timer 555(T=1(s)): Tín hiệu đa hài đợc đa vào làm xung đếm ®Õm 8(®Õm thuËn,m· BCD bit).Khi ®ã tÝn hiÖu bit cao Qc đếm tín hiệu khối xung mở cổng với đơn vị më cỉng tx Bé ®Õm thn bit BCD đựơc thiết kế riêng tơng tự nh thiết kế đếm 10 thuận bit BCD phần khối đếm.Tuy nhiên,ta mắc đếm từ đếm 10 thuận bit BCD đà đợc thiết kế đó(dùng IC 7490/74LS90) 10 khối tạo xung xóa trạng thái khối đếm sau chu kì đo Reset 0: Tốc độ quay động đợc đo khoảng thời gian cho bëi khèi xung më cỉng,tÝn hiƯu khèi xung mở cổng có tính chu kì,do khoảng thời gian khèi cỉng bÞ khãa(tÝn hiƯu khèi xung më cổng mức thấp) ta đọc kết đo sau Reset khối đếm để kết đo chu kì đo sau(nếu đo) đựơc Thiết kế xung Reset “0” khèi ®Õm: +Xung Reset “0” = AND(TÝn hiệu mạch đa hài Timer 555; bit thấp Qa,Qb ; NOT(Qc)) Qa,Qb,Qc: bit cđa bé ®Õm Mạch khối tạo xung Reset 0: Mạch dùng c¸c linh kiƯn NAND,NOR cđa IC SN7402, SN7400 11 +Xung Reset đợc nối trực tiếp tới chân Reset R01,R02 tất IC điếm khối đếm Nh trớc đo sau 3.43(s) khối đếm đợc thiÕt lËp bëi xung Reset “0” cã ®é réng xung = 0.57(s),kế mạch đo(đếm) 4s tiếp,giữ kết 3,43s tiếp theo,0,57s tiếp đếm bị xóa 0.Sang giây thứ 13 trình đếm lặp lại 5.Khối đếm,giải mÃ,hiển thị: Để hiển thị tốc độ quay động điện có tốc độ 1000 vòng/phút với sai số phép đo 1% ta ph¶i dïng LED thanh: Chän LED chung Katot/Anot Hệ thống đếm gồm mạch đếm 10(đếm thuận) mà BCD bit đợc mắc nối tiếp víi (bé ®Õm lÊy xung ®Õm tõ tÝn hiệu khối cổng,các đếm lại lấy xung ®Õm (theo kiĨu nèi tiÕp) tõ bit cao nhÊt(Qd) cđa đếm nó),khi mạch đếm đầy kích lên mạch đếm có trọng số lớn Tơng ứng với mạch đếm mạch giải mà BCD bit mà đợc nối tới LED tơng ứng 12 a>Khối đếm: *Bộ đếm thuận 10: Bảng trạng thái: Qd 0 0 0 0 1 Qc 0 0 1 1 0 t Qb 0 1 0 1 0 Qa 1 1 Qd 0 0 0 1 t+1 Qc Qb Qa 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 +ThiÕt kế,chọn phần tử mạch: phần tử nhớ JK-FF phần tử logic tổ hợp +2 phơng pháp thiết kế đếm: Thiết kế đồng hợăc không ®ång bé a.1>ThiÕt kÕ ®ång bé: LËp b¶ng m· hãa theo bìa Karough,bảng kích,từ ta tìm đợc hệ phơng tr×nh kÝch: J1=QcQbQa K1=Qa J2=K2=QbQa 13 J3= Qd Qa K3=Qa J4=K4=1 Sơ đồ mạch: a.2>Thiết kế không đồng bộ: Từ hệ phơng trình kích mạch đếm đồng ta có: J1=QcQb ; K1=1 ; Xung nhÞp Ck1=Qa J2=K2=Qa ; Ck2=Qb J3= Qd ; K3=1 ; Ck3=Qa J4=K4=1 ; Ck4= Xung đếm Sơ đồ mạch: *KL: Thực tế mạch đếm 10(đếm thuận) dùng IC đếm: 7490/74LS90 14 b>Khối giải mÃ: *Mạch giải mà BCD bit mà thanh: Với LED thanh: Bảng trạng thái hoạt Ch s A B C D 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 a b c d e f g 1 1 1 1 0 1 0 1 15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 động mạch giải mÃ: Thiết kế mạch dùng phần tử logic tổ hợp: a = C+A+ b = A+ c = A+ B D +DB B C +B+D d = C + A +D + B D D D + B f = A+ C D +B D +B C g = C D + B D +B C + B e = C *KL: Thùc tÕ dïng IC gi¶i m·: 7447/74LS47 16  74LS90,74LS47,LED Anot chung SN7490(7490),SN7447(7447),LED Katot chung B.Phần thị chiều quay: 1.Phơng án dùng mạch đồng bộ: +Tín hiệu chiều quay, xung ®ång bé : 17 LÊy tÝn hiƯu chiỊu quay X, xung đồng Ck : dùng cảm biến quang nh phần chuyển vòng quay sang xung điện +Đồ hình More bảng trạng thái: Z1: Tín hiệu thị chiều quay ngợc chiều kim đồng hồ (+) Z2: cïng (-) S0 Z1=0 Z2=0 X X S1 Z1=1 Z2=0 S X S0 S1 S2 +ThiÕt kÕ m¹ch chän JKFF: M· hãa: X y1 y2 00 11 01 00 11 00 10 S2 Z1=0 Z2=1 Z1 S2 S0 S0 S1 S0 S0 0 Z2 0 1 01 00 00 LËp b¶ng kÝch,rót gän ->KÕt qu¶: J1= X Y = X J2 ; K1= K2= J2= Y Z1= Y Y2 ; Z2=Y1 +Sơ đồ mạch: 18 Z1 Z2 - 0 - *Nhận xét: +Mạch đơn giản +Mạch thiết kế với vị trí ban đầu cảm biến vị trí Khi vị trí ban đầu cảm biến vị trí 2,3,4 mạch hoạt động không Vị trí 2: Tín hiệu chiều quay thể bị đảo lại (+): Z1=0 ; Z2=1 (-): Z1=1 ; Z2=0 VÞ trÝ 3: (+) (-) Z1=1 ; Z2=0 Vị trí 4: Ngợc vị trí Vậy mạch dùng cho trờng hợp đặt đợc vị trí cảm biến vị trí 2.Phơng án dùng mạch không đồng bộ: Mạch sử dụng tín hiƯu chiỊu quay X1,X2 LÊy tÝn hiƯu X1,X2 : dïng cảm biến quang nh phần chuyển vòng quay sang xung điện Ta có đồ thị nhịp: õy ch l mt trng hp 19 Q0,Q1,Q2,Q3: trạng thái mạch tơng ứng với cặp giá trị X1X2 Đồ hình Mealy: X Q0 X1 X2 Q1 X2 X1X2 Z1=1;Z2=0 X1 X2 Q3 X1X2 Z1=0;Z2=1 X2 Q2 X1 X1 X Z1: Tín hiệu thị chiều quay ngợc chiều kim ®ång hå (+) Z2: cïng (-) Bảng trạng thái sau: 20