Bài tập lớn môn vi mạch số vi mạch tương tự đo tần tốc độ động cơ và giám sát nhiệt độ

1 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ********* BÀI TẬP LỚN MÔN: VI MẠCH SỐ- VI MẠCH TƯƠNG TỰ ĐỀ TÀI: ĐO TẦN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Hà Sinh viên thực hiện: MSV: Nguyễn Duy Khánh Lê Xuân Linh Đào Xuân Hưng Nguyễn Tùng Lâm Dương Cao Lộc 0841240092 0841240104 0841240169 0841240146 0841240170 ập it Bà Lớp : ĐH Tự Động Hóa – K8 n lớ ôn m c họ Lời nói đầu: Trong thời đại ngày nay, việc tự động hóa ứng dụng thực tiễn trình sản xuất mang ý nghĩa vơ to lớn.Có thể nói tự động hóa ngành đánh dấu cho phát triển cơng nghiệp giới nói chung quốc gia nói riêng Tự động hóa sản xuất làm tăng suất , giảm giá thành nâng cao chất lượng sản phẩm Là sinh viên chuyên ngành Tự động hóa trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, chúng em trao dồi kiến thức để có tảng ,phát huy tính sáng tạo Nhắc tới Tự động hóa khơng thể khơng nhắc tới môn : “Vi mạch tương tự vi mạch số” Sau thời gian làm việc, nghiên cứu tham khảo nhóm chúng em hồn thành nghiên cứu: “ Đo tần tốc độ động giám sát nhiệt độ” Động thiết bị phổ biến , sử dụng rộng rãi việc tính tốn chọn động cho cần thiết vô quan trọng Cũng tương tự vậy, nhiệt độ tín hiệu vật lý mà ta thường thấy thực tiễn kĩ thuật sản xuất, việc đo nhiệt độ u cầu thiết thực… Bài nghiên cứu chúng em hi vọng giúp người hiểu rõ cách chọn động tính tốn nhiệt độ ! Chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo: Nguyễn Thu Hà giảng dạy chúng em môn “ Vi mạch tương tư vi mạch số ” giúp đỡ chúng em nhiều để hoàn thành nghiên cứu Tuy ,do kiến thức hạn chế nên đề tài chúng em nhiều thiếu xót,rất mong góp ý thầy bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn! ập it Bà n lớ ôn m c họ Chương I Trình bày mạch chức sử dụng hệ thống ập it Bà 1.1: Phân tích yêu cầu công nghệ Nội dung: Hệ thống gồm: encoder(100 xung/vòng), led để hiển thị dải đo nút Start Stop để khởi động dừng hệ thống cảm biến nhiệt độ dung cặp nhiệt ngẫu để giám sát nhiệt độ( dải đo từ 0℃ ÷ (100+n)℃ ) Hoạt động: Khi ấn nút Start, hệ thông thực đo động ( dải đo từ – 9999 vịng/s), đồng thời mạch chuẩn hóa đầu cung cấp thong tin nhiệt độ Hệ thống dừng ấn Stop – Sử dụng thiết bị đo cần thiết Phân tích: Đo tốc độ động dùng encoder, tín hiệu từ encoder tạo dạng xung vng có tần số thay đơi phụ thuộc vào tốc độ động Do xung vng đưa vào vi xử lý để đếm số xung khoảng thời gian cho phép từ ta tính giá trị vận tốc động Đây phương pháp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động hay điều khiển nhanh chậm… Đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu dựa sở hiệu ứng nhiệt điện Bộ mã hóa nhị phân – thập phân ( mã hóa BCD): Bộ mã hóa nhị-thập phân mạch điện có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số hệ thập phân thành mã hệ nhị phân Dạng mã gọi mã BCD Giải mã BCD sang led đoạn, Mạch giải mã là mạch có chức ngược lại với mạch mã hố tức có mã số áp vào ngõ vào tương ứng có ngõ tác động, mã ngõ vào thường  ít mã ngõ Để đèn led hiển thị số led tương ứng phải sáng lên, đó, led phải phân cực điện trở khoảng 180 đến 390 ohm với nguồn cấp chuẩn thường 5V IC giải mã có nhiệm vụ nối chân a, b, g led xuống mass hay lên nguồn (tuỳ A chung hay K chung) n lớ ôn m c họ Bộ đếm thiết bị đếm số xung cửa vào, đầu đếm số lượng xung đếm Mạch dao động ứng dụng nhiều thiết bị điện tử, mạch dao động nội khối RF Radio, kênh Tivi mầu, Mạch dao động tạo xung dòng , xung mành Tivi, tạo sóng hình sin cho IC Vi xử lý hoạt động v v Ở ta sử dụng mach tạo dao động với IC555 ập it Bà 1.2: Các phương pháp đo tốc độ: Để đo tốc độ động ta có nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu, mục đích mà ta sử dụng 1.2.1 Đo tốc độ động sử dụng máy phát tốc : Nhược điểm độ xác thấp, lại đòi hỏi kèm theo chuyển đổi tương tự số để số hóa tín hiệu đo nên phương pháp khơng ưa dùng dần vào dĩ vãng 1.2.2 Phương pháp sử dụng cảm biến quang tốc độ với đĩa giải mã Đo tốc độ động có ưu điểm: - Độ phân giải cao dẫn đến kết xác - Ít nhiễu với sóng điện từ 1.2.3 Phương pháp sử dụng máy đo góc tuyệt đối : Ưu điểm bị ảnh hưởng nhiệt độ,ít nhiễu điện từ nhiên chúngkhông đạt độ phân giải cao cảm biến quang tốc độ với tín hiệu hình sin 1.2.4 Phương pháp xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện điện áp stato mà không cần cảm biến tốc độ Các phương pháp sử dụng máy phát tốc cảm biến tốc độ nói có số nhược điểm là: - Nó làm cho hệ thống truyền động khơng đồng phải lắp thêm váo trục động cảm biến n lớ ôn m c họ - Trong số trường hợp không thực được.Vd như hệ thống truyền động cao tốc động làm việc môi trường độc hại Phương pháp xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dịng điện điện áp stato mà khơng cần cảm biến tốc độ khắc phục nhược điểm 1.2.5.Phương pháp dùng encoder Phương pháp đo tốc độ động thông dụng dùng cảm biến quang hay cịn gọi encoder Tín hiệu encoder tạo dạng xung vng có tần sốthay đơi vào tốc độ động Do xung vuông đưa vào bộvi xửlý để đếm sốxung khoảng thời gian cho phép từ ta có thểtính giá trịvận tốc động Đây phương pháp mà người ta sửdụng để ổn định tốc độ động cơhay điều khiển nhanh chậm 1.2.6.Phương pháp dùng cảm biến tiệm cận Cảm biến tiệm cận bao gồm tất loại cảm biến phát vật thể khơng cần tiếp xúc cơng tắc hành trình mà dựa mối quan hệ vật lý cảm biến vật thể cần phát Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu chuyển động xuất vật thể thành tín hiệu điện Có hệ thống phát để thực cơng việc chuyển đổi này: hệ thống sử dụng dòng điện xoáy phát vật thể kim loại nhờ tượng cảm ứng điện từ, hệ thống sử dụng thay đổi điện dung đến gần vật thể cần phát hiện, hệ thống sử dụng nam châm hệ thống chuyển mạch cộng từ ập it Bà 1.3.Trình bày nguyên lí đo tốc độ động bài: Để đo tốc độ động ta sử dụng :1 encoder(100 xung/vòng) led để thị giá trị đo Tín hiệu encoder tạo dạng xung vng có tần số thay đổi vào tốc độ động Do xung vuông đưa vào bộvi xửlý để đếm sốxung khoảng thời gian cho phép từ ta tính giá trịvận tốc động Encoder tích hợp sẵn gắn trực tiếp vào động nên ta cần cấp điện vào cho encoder lấy dãy tín hiệu động quay có xung chân encoder thơng qua mã hóa giải mã hiển thị Led n lớ ôn m c họ Nguyên lý encoder, đĩa trịn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có lỗ (rãnh) Người ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ khơng có lỗ (rãnh), đèn led khơng chiếu xun qua cịn chỗ có lỗ (rãnh), đèn led chiếu xun qua Khi đó, phía mặt bên đĩa, người ta đặt mắt thu Với tín hiệu có, khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đèn led có chiếu qua lỗ hay khơng.Số xung đếm tăng lên tính số lần ánh sáng bị cắt! Như encoder tạo tín hiệu xung vng tín hiệu xung vng cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ Nên tần số xung đầu phụ thuộc vào tốc độ quay trịn Đối với encoder dùng có tín hiệu lệch pha 90° Hai tín hiệu xác định chiều quay động 1.4.Các linh kiện cần dùng bài: - IC NE 5555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian - Điện trở - Tụ điện - IC 4017 để tạo đếm thập phân - Motor-Encoder - Led - Cặp nhiệt ngẫu - Cổng NOT, AND - Nút ấn, công tắc - IC 74ls90,74ls47, TC7107,uA741 ập it Bà n lớ ôn m c họ CHƯƠNG II THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ 2.1:Sơ đồ khối bố trí linh kiện bài: 2.1.1.Mạch đo tốc độ: kkKHỐI TẠO XUNG IC 555 Động encoder KHỐI ĐẾM Sử dụng IC 74ls90 KHỐI GIẢI MÃ KHỐI HIỂN THỊ Sử dụng IC 74ls47 Hiển thị qua led ập it Bà Nhiệm vụ khối: -Khối tạo xung: IC 555 để tạo xung vuông với tần số phù hợp ( cụ thể sử dụng NE555 IC dễ tìm, dễ làm, dễ hiểu ngun lí làm việc -Khối đếm: Gồm IC7490 ghép nối với để tạo thành hệ đếm phù hợp -Khối giải mã: Gồm IC7447 giải mã BCD để đưa khối hiển thị -Khối hiển thị: Hiển thị tín hiệu giải mã qua led đoạn n lớ 2.1.2.Mạch giám sát nhiệt độ: -Khối cảm biến: cảm biến nhiệt độ biến nhiệt thành điện mức vài mV cho vào khuếch cho điện áp chuẩn -Khối chuyển đổi U-I : chuyển đổi từ điện áp sang dòng điện với mục đích truyền tải xa ơn m c họ - Khối so sánh: so sánh với điện áp đặt trước đưa tín hiệu dung để báo động nhiệt độ cho phép -Khối tạo xung: tạo xung vuông với thời gian đề cho cấp cho khối nhấp nháy - Khối đèn báo loa : thực nhiệm vụ nhấp nháy với thời gian đặt trước nhiệt độ mức cho phép thực chức báo động nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép Cảm biến nhiêt độ Mạch khuếch đại Mạch chuẩn hóa dịng điện đầu Khối so sánh Đèn báo loa Bộ tạo xung IC555 ập it Bà 2.2:Liệt kê linh kiện sử dụng thiết kế: - IC 555 - Động encoder - Cổng NOT, AND - IC 74ls90,74ls47,4017 - Led - Điện trở, tụ điện, led, loa - uA741 - Cặp nhiệt ngẫu n lớ ơn m 2.3.Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với dòng điện đầu từ( ÷ 20mA): c họ Số dư phép chia tổng số cuối mã sinh viên sinh viên nhóm cho 10 là: n=(2+4+9+6+0)%10 = Vậy giám sát nhiệt độ từ giải đo: (0÷ 101)℃ Đầu vào U0 đầu đưa chuẩn I=0÷20mA -Khối khuếch đại : Với t = 00C → Ucb=0mV Với t = 1010C→ Ucb=5.32mV Chọn đầu điện áp chuẩn hóa là: U= ÷ -5V Ta có: −R U0= R1 Ucb với Ucb=1,01V U0=-5V Bà −R1 U −1.(−5) → R2= ≈ 941.1 kΩ chọn R1=1kΩ Ucb 5.32e−3 ập it →R2= n lớ Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, qua cảm biến ta thu tín hiệu điện ngõ -Khối chuẩn hóa U-I: Ta có chuyển đổi U-I đảo, với dịng điện đầu từ 0-20mA ơn m c họ 10 I −1 −U −−5 =250 Ω KUI¿ U = R → R 3= I = −3 20 10 2.4.Sơ đồ chân, bảng chân lí ứng dụng vi mạch sử dung: 2.4.1 IC 555: Cấu trúc 555 gồm : OPAMP, điện trở, transitor, FF ( FF RS): - OPamp có tác dụng so sánh điện áp - Transistor để xả điện Hình ảnh IC 555: ập it Bà n lớ ôn m c họ 13 ập it Bà n lớ ôn m c họ 14 Mạch dùng IC 4017 tạo bộ đếm : Ứng dụng: Điều khiển tự động, làm dụng cụ âm nhạc, điện tử y sinh, hệ thống cảnh báo… ập it Bà 2.4.3.Cổng NOT: Phép phủ định logic gọi phép NOT Dấu phép phủ định phép NOT dấu (-) toán hạng Kết phép phủ định logic ln có giá trị ngược lại so với giá trị biến logic tương ứng Kí hiệu &bảng chân lí: n lớ ơn m c họ 15 2.4.4.Cổng AND: Phép nhân logic gọi phép AND Dấu phép nhân: “x”, “.”, dấu “^” Có thể nói tích logic toán hạng Hàm tính logic hai biến xác định biểu thức: X=A B= A x B Hoặc: X= A∩ B Kí hiệu hình vẽ bẳng chân lí: 2.4.5 IC 74ls90: ập it Bà n lớ -Bốn chân thiết lâp R0(1) (chân số 2), R0(2) (chân số 3), R9(1) (chân số 6), R9(2) (chân số 7) Khi đặt R0(1) = R0(2)=H (ở mức cao) đếm xóa đầu mức thấp -R9(1), R9(2) chân thiết lập trạng thái cao đầu ra: QA=QD=1, QB=QC=0 ôn m c họ 16 -Chân -NC (Chân 4): bỏ trống -Chân chân 14: hai chân nhân xung đếm CK -Bốn chân 8,9,11,12: chân ngõ ra, tương ứng QC, QB, QD, QA -Chân 5(Vcc): Cấp nguồn cho IC -Chân 10(GND) chân nối mass Bốn chân thiết lập: (1), Khi đặt (1) = mức thấp (2) = H ( mức cao) đếm xoá đầu (1), (2), (1), (2) (2) chân thiết lập trạng thái cao đầu ra: , NC chân bỏ trống IC 7490 gồm chia chia chia 5: - Bộ chia Input A điều khiển đầu - Bộ chia Input B điều khiển đầu , , Đầu vào A, B tích cực sườn âm Để tạo thành đếm 10 ta nối đầu cho đếm , , , vào chân CKB để tạo xung kích đầu - Bảng trạng thái: ập it Bà n lớ ôn m c họ 17 2.4.6 IC 74ls47: -Giới thiệu: IC74LS47 loại IC giải mã BCD sang led đoạn Mạch giải mã BCD sang led đoạn mạch giải mã phức tạp mạch phải cho nhiều ngõ lên cao xuống thấp (tuỳ vào loại đèn led anod chung hay catod chung) để làm đèn cần thiết sáng nên số ký tự IC 74LS47 loại IC tác động mức thấp có ngõ cực thu để hở khả nhận dòng đủ cao để thúc trực tiếp đèn led đoạn loại anod chung - Hình dạng sơ đồ chân: Chân 1: BCD B Input Chân 2: BCD C Input Chân 3: Lamp Test Chân 4: RB Output Chân 5: RB Input Chân 6: BCD D Input Chân 7: BCD A Input Chân 8: GND Chân 9: 7-Segment e Output Chân 10: 7-Segment d Output Chân 11: 7-Segment c Output Chân 12: 7-Segment b Output Chân 13: 7-Segment f Output ập it Bà * Nguyên lý hoạt động: IC 74LS47 IC tác động mức thấp nên ngõ mức tắt, mức sáng, tương ứng với a, b, c, d, e, f, g led đoạn loại anode chung, trạng thái ngõ tương ứng với số thập phân (các số từ 10 đến 15 khơng dùng tới) Ngõ vào xố BI để không hay nối lên mức cho hoạt động giải mã bình thường Nếu nối lên mức ngõ tắt bất chấp trạng thái ngõ Ngõ vào RBI để không hay nối lên mức dùng để xoá số (số o thừa phía sau số thập phân hay số trước số có nghĩa) Khi RBI ngõ vào D, n lớ ôn m c họ 18 C, B, A mức ngõ vào LT mức ngõ tắt ngõ vào xố dợn sóng RBO xuống mức thấp Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức LT mức ngõ sáng Kết mã số nhị phân bit vào có giá trị thập phân từ đến 15 đèn led hiển thị lên số hình bên Chú ý mã số nhị phân vào 1111= 1510 đèn led tắt - Bảng chân lí: ập it Bà n lớ 2.4.7.uA741: Vi mạch 741 có hai đầu vào “INVERTING ( – )”:Đảo, “NON-INVERTING (+)”: Thuận đầu chân ôn m c họ 19 Khuyếch đại với 741 A Khuyếch đại đảo: Chân nối với tín hiệu vào tín hiệu đảo B Khuyếch đại khơng đảo: Chân nối với tín hiệu vào tín hiệu không đảo Op Amp công cụ có nhiều chức Khuếch đại hiệu hai điện nhập Khuếch đại tin hiệu điện So sánh hai điện nhập   Khi V+ > V-    Khi V+ < V-  Khi V+ = V-  2.4.8 Cặp nhiệt ngẫu: ập it Bà 1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) Sứ cách điện n lớ 5) Bộ phận lắp đặt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) Đầu nối dây ôn m c họ 20 Đầu làm việc điện cực (3) hàn nối với hàn vảy, hàn khí hàn tia điện tử Đầu tự nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ vít nối (6) dây đặt đầu nối dây (8) Để cách ly điện cực người ta dùng ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ hoá học đủ độ bền nhiệt nhiệt độ làm việc Để bảo vệ điện cực, cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm sứ chịu nhiệt thép chịu nhiệt Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không nhỏ không lớn Trường hợp vỏ thép mối hàn đầu làm việc tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp Nhiệt độ cần đo xác định thông qua việc đo sức điện động sinh hai đầu dây cặp nhiệt ngẫu Độ xác phép đo sức điện động cặp nhiệt ngẫu phụ thuộc nhiều yếu tố Muốn nâng cao độ xác cần phải: - Giảm thiểu ảnh hưởng tác động môi trường đo lên nhiệt độ đầu tự - Giảm thiểu sụt áp có dịng điện chạy qua phần tử cảm biến mạch đo 2.5.Sơ đồ nguyên lí mạch nguyên lí hoạt động: CHÚ Ý: Để tiện theo dõi quan sát ta tách mạch để phân tích giải thích, thực tế ta sử dụng mạch đồng thời hoạt động 2.5.1.Mạch đo tốc độ động encoder: ập it Bà n lớ ôn m c họ