bài tập lớn kĩ thuật số mạch hiển thị tốc độ động cơ

Tín hiệu từng encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần số thay đổi vào tốc độ động cơ.. Do đó các xung vuông này được đưa vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN MÔN: KĨ THUẬT SỐ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ HIỂN THỊ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Hà

Sinh viên thực hiện : 1.Nguyễn Duy Nam

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay việc sử dụng các con vi 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 số có cấu trúc nhỏ gọn, đáp ứng thời gian thực tốt hơn, chuẩn hóa hơn

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”.

Để áp dụng lý thuyết với thực tế của môn học này chúng em nhận bài tập lớn:Thiết kế mạch

đo và hiển thị tốc độđộng cơ.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!

CHƯƠNG I:KHÁI QUÁT CHUNG1.1 Các phương pháp đo tốc độ động cơ:

Ngày nay có nhiều phương pháp đo tốc độ động cơ nhưng vẫn sử dụng haiphương pháp đo phổ biến là:

Phương pháp dùng encoder

Phương pháp dùng cảm biến tiệm cận

Phương pháp đo tốc độ động cơ thông dụng nhất hiện nay dùng cảm biến quang hay còn gọi là encoder Tín hiệu từng encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần số thay đổi vào tốc độ động cơ Do đó các xung vuông này được đưa vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trị vận tốc của động cơ Đây cũng là phương pháp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm

Cảm biến tiệm cận bao gồm tất cả các loại cảm biến phát hiện vật thể không cần tiếp xúc như công tắc hành trình mà dựa trên những mối quan

hệ vật lý giữa cảm biến và vật thể cần phát hiện Cảm biến tiệm cận

chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật thể thành tínhiệu điện

Có 3 hệ thống phát hiện để thực hiện công việc chuyển đổi này: hệ thống

sử dụng dòng điện xoáy được phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượngcảm ứng điện từ, hệ thống sử dụng sự thay đổi điện dung khi đến gần vật thể cần phát hiện, hệ thống sử dụng nam châm và hệ thống chuyển mạch cộng từ.

1.2 Nguyên lý đo tốc độ động cơ

Để đo tốc độ ta dùng phương pháp đếm số xung trong một khoảng thời gian đo ( t đ ) Như vậy với phương pháp này thì ta lựa chọn encorder để biến tốc độ thành một dãy xung có tần số tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ Tính toán kết quả đo :

Phương pháp đo là đếm số xung trong một khoảng thời gian đo ( t đ ), số xung đếm được trong thời gian đo t đ là Nx Ta đo tốc độ động cơ 1 chiều

có gắn encoder 100 xung/vòng, vậy ta chọn thời gian đo là t đ = 0,6s để đảm bảo thông tin cập nhật một cách tối ưu nhất.

n : là tốc độ động cơ.

1.3.1 Khối tạo xung: Khối này có nhiệm vụ cung cấp toàn bộ xung cho

mạch điều khiển gồm xung phát ra từ encoder và xung từ bộ tạo xung 555

1.3.2: Khối tín hiệu cho phép đếm và dừng đếm,chuyển chế độ: là bộ đếm số xung phát ra từ encoder.

1.3.3: Khối đếm xung hay đo vận tốc tốc độ động cơ và hiển thị:

- hiển thị số vòng quay của đông cơ thông qua led 7 thanh

CHƯƠNG II:THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ HIỂN THỊ

TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

2.1 Các linh kiện sử dụng trong hệ thống

- IC NE 555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian

- 4 Điện trở: 1k,10k,14.7k và 220

- 2 Tụ điện: tụ thường 61uF và 104uF

- 7 IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân

-6 IC 40110

- Nguồn tín hiệu cần đo : Cho 1500H

- 6 LED 7 thanh :để hiển thị

- 1 Ic 74LS90

- 1Cổng NOTvà 1 cổng AND

- 1 Led báo: led - biby

- 1 Động cơ: Motor – encorder

-1 nút Star 1 nút Stop và 1 nút Reset

- 2 Switch (Chuyển mạch1-2 cổng ):liên động

1 Giới thiệu về Encoder :

Cấu tạo của encoder :

6 Encoder

Phương pháp đo tốc độ động cơ thông dụng nhất hiện nay dùng cảm biến quanghay còn gọi là encoder Tín hiệu từ encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần

số thay đôi vào tốc độ động cơ Do đó các xung vuông này được đưa vào bộ vi

xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trị vận tốc của động cơ Đây cũng là phương pháp mà người ta sử dụng để

ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm

Yêu cầu:

+ Động cơ DC 12V có bộ Encoder

 Tìm hiểu qua về cấu tạo của Encoder:

* Cấu tạo của encoder

Nhìn trên hình ta thấy encoder gồm: 1 tấm tròn có khắc lỗ, 1 Hệ thông LED phát và thu

Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và các tín hiệu xung vuông này được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của tấm tròn đó Đối với encoder mình đang dùng thì

nó có 2 tín hiệu ra lệch pha nhau 90 Hai tín hiệu này có thể xác định được chiềuquay của động cơ

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

Encoder được chia làm 2 loại, absolute encoder và incremental encoder Tạmdịch là encoder tuyệt đối và encoder tương đối Còn incremental encoder, là loạiencoder chỉ có 1, 2, hoặc tối đa là 3 vòng lỗ Các bạn hình dung thế này, nếu bây giờ các bạn đục một lỗ trên một cái đĩa quay, thì cứ mỗi lần đĩa quay 1 vòng, các bạn sẽ nhận được tín hiệu, và các bạn đã biết đĩa quay một vòng Nếu bây giờ các bạn có nhiều lỗ hơn, các bạn sẽ có được thông tin chi tiết hơn, có nghĩa là đĩa quay 1/4 vòng, 1/8 vòng, hoặc 1/n vòng, tùy theo số lỗ nằm trên incremental encoder

Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1 Do vậy, encoder loại này có tên incremental encoder (encoder tăng lên 1 đơn vị)

Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder, LED và lỗ:

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có

lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người tađặt một con mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không Số xung đếm được

và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt!

Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng Đây là nguyên lý rất cơ bản của encoder

Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là, làm sao để xác định chính xác hơn

vị trí của đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó chính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về encoder

2 IC 555

Là IC tạo dao động tần số cấp xung nhịp cho IC 74ls190 đếm giây:

Sơ đồ khối 555 :

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 đóng cắt 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

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 từ điện 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:

- Chân 3 (OUTPUT) : chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạngthái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cao nótương ứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với0V nhưng trong thực tế nó không được ở mức 0V mà nó trong khoảng( 0.35->0.75V)

- Chân 4 (RESET) : dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nốimass thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạngthái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6 Nhưng mà trongmạch để tạo được dao động thường nối chân này lên Vcc

- Chân 5 ( CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC

555 theo các mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND.Chân này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người tathường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF->0.1uFcác tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

- Chân 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện

áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu

- Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử vàchịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức điện áp thấp

thì khóa này đóng lại , ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện chomạch R_C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động.

- Chân 8 (VCC): đây 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 2->18V

Mạch tạo xung :

Có tần số dao động có công thức : f=1/T=1/0.69(R1+2R2)C

g Một số mạch ứng dụng dùng 555

1 ) Mạch báo động dùng SCR

2) Trigger

3) Âm thanh dùng 2 IC 555

3 IC 4017

IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân

- Sơ đồ chân:

Hoạt động:

- Chân 14( CLK) nhận xung

- Chân (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 10, 9) (Q0-Q9) đưa dữ liệu ra ngoài, mỗi lầnkích một xung vào, một chân sẽ được đưa lên mức cao một cách tuần tự,các chân còn lại ở mức thấp

- Chân 13(E): Tích cực mức thấp

- Chân 15(MR): Chân reset, mỗi khi kích lên mức cao, IC được reset

- Chân 12 (CO): Trong 5 xung đầu ( từ Q0 - Q4 lần lượt lên mức cao) CO ởmức cao, 5 xung tiếp theo (từ Q5 – Q9 lần lượt lên mức cao) CO ở mứcthấp

Sơ đồ xung ra ở các chân:

-Mạch dùng IC 4017 tạo ra bộ đếm :

4 IC đếm BCD 74ls190

Là IC tích hợp bộ đếm thập phân đồng bộ, đầu ra song song Nó có chứcnăng đếm thuận hoặc nghịch.Đặc biệt có thể đặt trước giá trị đếm với chânđiều khiển giá nạp giá trị

Chức năng các chân:

- Chân cấp nguồn : 16 (VCC) và chân 8(GND)

- Nhóm chân dữ liệu nạp vào : A(15) B(1) C (10) D(9)

- Nhóm chân dữ liệu đầu ra : Qa (3) Qb(2) Qc(6) Qd(7)

- Chân cấp xung clock CLK :14

- Chân chọn chế độ đếm thuận nghịch D/U :5

- Chân cho phép đếm Enable :4

- Chân nạp giá trị load :11

- Chân xung đếm ra RCO :13

Bảng trạng thái các chân chức năng đặc biệt :

Giản đồ xung của 74ls190 :

5.IC giải mã 4511

- Đây là một IC giải mã , nó làm nhiệm vụ giải mã từ mã nhị phân logíc (dạng 0,1) sang mã của led 7 vạch để xuất ra led 7 vạch về cấu tạo nó là mộttập hợp các mạch tổ hợp gồm cách linh kiện số logic như các cổng and ,

or , việc thiết kế một mạch như vậy không hẳn là quá khó ,chỉ cần xây dựng mạch tổ hợp lả chúng ta hoàn toàn có thể làm được ,nhưng điều đó khiến chúng ta mất thời gian ,không đảm bảo chất lượng sử dụng , =>dùng IC tích hợp cho tiện

***Chúng ta tìm hiểu sơ đồ chân của nó như sau :

-Chú ý là loại này dùng cho seg 7 vạch loại cathot chung có nghĩa là tất cả cathot của led nốí chung với nhau và nối với đất ,như vậy dữ liệu đẩy vào led

sẽ tích cực ở mức cao tức là mức 1 thì mới làm led sang

- 4511 Có 16 chân

- Chân 16 luôn là chân nối với nguồn dương (5 v ), chân số 8 nối với đất

- Chân 1,2,7,6 là chân đưa dữ liệu đầu vào ,chúng ta có thể chọn dữ liệu loại này là dữ liệu logic tức là dạng 1,0,1,0…

- 7 chân đầu ra là chân 9 ,10,11,12,13,14,15.sẽ xuất ra dữ liệu của dạng 7 vạch

- Chân số 5 là chân dùng để điều khỉên tế bào nhớ ,chần này = 0 thì IC hoạtđộng bình thường , còn = 1 thì dữ nguyên trạng thái ở các đầu ra ,và dữ chođến khi nó trở về chân này được chuyển về 0 thì đầu ra lại tiếp tục hoạt động.(nếu hiểu sâu sa thì chúng ta hiểu khi IC hoạt động thì dữ liệu tại đầu ra sẽluân phiên nhau được nhớ trong tế bào 4 bít ,vậy khi chân số 5 này ở mức 0giả sự gọi là đóng cửa thì IC hoạt động bình thường không vấn đề gì ,nhưngkhi nó = 1 tức là mở cửa thì dữ liệu trong tế bào nhớ trào ra và đẩy liên tụcvào cửa ra nên giữ tại đầu ra một mức dữ liệu cố định )

- Trong sơ đồ mạch chúng ta nối nó với đất

- Chân số 3 nếu =0 thì tất cả đầu ra sẽ là mức logic 1.(dùng kiểm tra led 7 đoạn,bất chấp đầu vào là thế nào )

- Chân số 4 thì có tác dụng ngược lại chân số 3

Bảng chân lí:

IC 40110

CLKUP 9

CLKDN 7

RESET 5

TE 4

LE 6

-Chân 9(CLKUP): chân nhận xung đếm lên

-Chân 7( CLKDN): chân nhận xung đếm xuống

-Chân 5( RESET) : chân reset toàn bộ ic

-Chân 4(TE):cho phép đếm tích cực mức thấp

-Chân 6(LE): cho phép chốt đầu ra

-Chân 10(CARRY): chân tràn khi đếm lên

-Chân 11(BORROW): chân tràn khi đếm xuống

-Các chân 1,15,14,13,12,3,2:là các chân hiển thị ra led 7 thanh

Nguyên tắc hoạt động:

Sau khi được cấp xung vào chân 9(CLK UP) xung sẽ tưn đôngđược đếm theo chiều tiên 1….9 hoặc xung được cấp vào chânChân 7( CLKDN) đếm xung hướng xuống và hiển thị ra led 7thanh Chân 10(CARRY) tràn khi đếm lên Đếm đến 9 xung sẽ tựđộng tràn và chuyển sang led 7 thanh thứ 2.ngược lại Chân11(BORROW) tràn khi đếm xuống đếm từ 9 về 0 và nhảy sangled 7 thanh thứ 2

6 Hiển thị ( Led 7 thanh)

Led 7 thanh: là 7 con led xếp với nhau thành một hình, nhằm thể hiện các con

số Một chân của các con led được nối với nhau ( Katot chung hoặc Anot

chung), các chân còn lại được đưa ra nhằm phân cực các con led

Với yêu cầu đề tài ta chọn led cathode chung

Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải củaled 7 đoạn.

8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện

8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài để kết nối với mạch điện Nếu led 7 đoạn có Anode(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 0.Nếu led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung, đầu chung này 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 1

Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, do đó khi kết nối cần đảm bảodòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led

7 Cổng NOT (inverter - bộ đảo)

Ngõ ra Z ở mức cao khi ngõ vào A là đảo (Not) của mức cao, ngõ ra là đảo

(ngược lại ) của ngõ vào : Z = ´A Cổng NOT chỉ có thể có một ngõ ra Một cổng NOT cũng có thể được gọi là bộ đảo

Bảng chân lý:

8 Cổng AND

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

9.Giới thiệu động cơ điện 1 chiều :

Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto).

Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng

sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt