Bài tập lớn môn Vi mạch số - Vi mạch tương tự: Đo tần tốc độ động cơ và giám sát nhiệt độ

Nội dung bài tập "Vi mạch số - Vi mạch tương tự: Đo tần tốc độ động cơ và giám sát nhiệt độ" là trình bày về các mạch chức năng sử dụng trong hệ thống, thiết kế mạch đo tốc độ động cơ. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

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 0841240092 Lê  Xuân  Linh 0841240104 Đào  Xuân  Hưng 0841240169 Nguyễn  Tùng  Lâm 0841240146 Dương  Cao  Lộc  Lớp 0841240170 : ĐH Tự  Động Hóa 2 – K8 Lời nói đầu: Trong thời đại ngày nay, việc tự động hóa trong các ứng dụng thực tiễn  và q trình sản xuất mang một ý nghĩa vơ cùng to lớn.Có thể nói tự động  hóa là ngành đánh dấu cho sự phát triển của cơng nghiệp thế giới nói  chung và mỗi quốc gia nói riêng. Tự động hóa trong sản xuất làm tăng  năng suất , giảm giá thành  và nâng cao chất lượng sản phẩm Là sinh viên chun ngành Tự động hóa của trường Đại học Cơng nghiệp  Hà Nội, chúng em ln trao dồi kiến thức để có nền tảng ,phát huy được  tính sáng tạo    Nhắc tới Tự động hóa khơng thể khơng nhắc tới bộ mơn : “Vi mạch  tương tự và vi mạch số”. Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu và tham  khảo nhóm chúng em đã hồn thành bài nghiên cứu: “ Đo tần tốc độ  động cơ và giám sát nhiệt độ”. Động cơ là một thiết bị phổ biến , được  sử dụng rộng rãi chính vì thế việc tính tốn và chọn động cơ sao cho cần  thiết là vơ cùng quan trọng. Cũng tương tự như vậy, nhiệt độ là tín hiệu  vật lý mà ta thường thấy ở ngồi thực tiễn cũng như trong kĩ thuật và sản  xuất, việc đo nhiệt độ cũng chính vì thế là một u cầu thiết thực… Bài  nghiên cứu của chúng em hi vọng sẽ giúp mọi người hiểu rõ được về  cách chọn động cơ cũng như tính tốn được nhiệt độ ! Chúng  em xin chân thành cảm ơn cơ giáo: Nguyễn Thu Hà đã giảng dạy  chúng em bộ mơn “ Vi mạch tương tư và vi mạch số ” cũng như đã giúp  đỡ chúng em rất nhiều để hồn thành được bài nghiên cứu này Tuy vậy ,do kiến thức còn hạn chế nên đề tài của chúng em còn nhiều  thiếu xót,rất mong được sự góp ý của thầy cơ và các bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn! Chương  I Trình bày về các mạch chức năng sử dụng trong hệ thống 1.1: Phân tích u cầu cơng nghệ Nội dung:        Hệ thống gồm: 1 encoder(100 xung/vòng), 4 led 7 thanh để hiển thị  dải đo.  2 nút Start và Stop để khởi động và  dừng hệ thống. 1 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 thơng thực hiện đo động cơ ( dải đo từ  0 – 9999  vòng/s), đồng thời mạch chuẩn hóa đầu ra cung cấp thong tin về nhiệt  độ. Hệ thống dừng khi ấn Stop – Sử dụng các thiết bị đo khi cần thiết Phân tích:       Đo tốc độ động cơ dùng encoder, tín hiệu từ encoder tạo ra các dạng  xung vng có tần số thay đơi phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Do đó các  xung vng 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… Đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt  điện Bộ mã hóa nhị phân – thập phân ( bộ mã hóa BCD): Bộ mã hóa nhị­thập phân là mạch điện có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số hệ  thập phân thành mã hệ nhị phân. Dạng mã này còn được gọi là mã BCD Giải mã BCD sang led 7 đoạn,  Mạch giải mã là mạch có chức năng  ngược lại với mạch mã hố tức là nếu có 1 mã số áp vào ngõ vào thì  tương ứng sẽ có 1 ngõ ra được tác động, mã ngõ vào thường  ít hơn mã  ngõ ra Để đèn led hiển thị 1 số nào thì các thanh led tương ứng phải sáng lên,  do đó, các thanh led đều phải được phân cực bởi các điện trở khoảng 180  đến 390 ohm với nguồn cấp chuẩn thường là 5V. IC giải mã sẽ có nhiệm  vụ nối các chân a, b,  g của led xuống mass hay lên nguồn (tuỳ A chung  hay K chung)   Bộ đếm là thiết bị đếm được số xung cửa vào, đầu ra của bộ đếm là  số lượng xung đếm được      Mạch dao động được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện tử,  như mạch dao động nội trong khối RF Radio, trong bộ kênh Tivi mầu,  Mạch dao động tạo xung dòng , xung mành trong Tivi, tạo sóng hình sin  cho IC Vi xử lý hoạt động v v Ở đây ta sử dụng mach tạo dao động với   IC555 1.2: Các phương pháp đo tốc độ: Để đo tốc độ động cơ ta có rất nhiều phương pháp khác nhau, tùy  thuộc vào u cầu, mục đích mà ta sử dụng 1.2.1 . Đo tốc độ động cơ sử dụng máy phát tốc : Nhược điểm độ chính xác thấp, lại  đòi  hỏi  kèm  theo  bộ  chuyển   đổi  tương  tự  số để số hóa tín hiệu đo nên phương pháp này khơng được  ưa dùng nó dần đi vào dĩ vãng.  1.2.2 . Phương pháp sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa giải  mã  Đo tốc độ động cơ có các ưu điểm:  - Độ phân giải cao dẫn đến kết quả cực kỳ chính xác.  - Ít nhiễu với sóng điện từ.  1.2.3  Phương  pháp  sử  dụng  máy  đo  góc  tuyệt  đối : Ưu điểm ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ,ít nhiễu điện từ tuy nhiên  chúngkhơng đạt được độ phân giải cao như bộ 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  và điện áp stato mà khơng cần bộ cảm biến tốc độ.  Các phương pháp sử dụng máy phát tốc hoặc bộ cảm biến tốc độ nói trên  có một số nhược điểm là: - Nó làm cho hệ thống truyền động khơng đồng nhất do phải lắp  thêm váo trục động cơ các cảm biến - Trong một số trường hợp khơng thực hiện được.Vd như như  trong hệ thống truyền động cao tốc hoặc khi động cơ làm việc  trong mơi trường độc hại. Phương pháp xác định tốc độ gián tiếp  qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà khơng cần bộ cảm biến  tốc độ khắc phục được các nhược điểm trên 1.2.5.Phương pháp dùng encoder       Phương pháp đo tốc độ động cơ thơng dụng nhất hiện nay dùng cảm  biến quang hay còn gọi là encoder. Tín hiệu từng encoder tạo ra các dạng  xung vng có tần sốthay đơi vào tốc độ động cơ. Do đó các xung vng  này được đưa vào bộvi xửlý để đếm sốxung trong khoảng thời gian cho  phép từ đó ta có thểtính được giá trịvận tốc của động cơ. Đây cũng là  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 cả các loại cảm biến phát hiện vật  thể khơng cần tiếp xúc như cơng 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 tín hiệu điện.  Có 3 hệ thống phát hiện để thực hiện cơng việc chuyển đổi này: hệ  thống sử dụng dòng điện xốy được phát ra trong vật thể kim loại nhờ  hiện tượng cảm 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 1.3.Trình bày về ngun lí đo tốc độ động cơ trong bài: Để đo tốc độ động cơ trong bài ta sử dụng :1 encoder(100 xung/vòng)  và 4 led 7 thanh để hiện thị giá trị đo Tín hiệu từng encoder tạo ra các dạng xung vng có tần số thay đổi  vào tốc độ động cơ. Do đó các xung vng này được đưa vào bộvi xửlý  để đếm sốxung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được  giá trịvận tốc của động cơ Encoder được tích hợp sẵn và được gắn trực tiếp vào động cơ nên ta  chỉ cần cấp điện vào cho bộ encoder và lấy 1 dãy tín hiệu ra khi động cơ  quay là có xung ra tại chân của encoder thơng qua bộ mã hóa và giải mã  hiển thị ra bằng 4 Led 7 thanh Ngun 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 khơng có lỗ (rãnh), đèn led khơng chiếu xun  qua được còn những chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xun qua. Khi đó,  phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu  có, hoặc khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có  chiếu qua lỗ hay khơng.Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số  lần ánh sáng bị cắt! Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vng và các tín hiệu  xung vng này được cắt từ ánh sáng xun qua lỗ. Nên tần số của xung  đầu ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của tấm tròn đó. Đối với encoder  trong bài dùng thì nó có 2 tín hiệu ra lệch pha nhau 90°. Hai tín hiệu này  có thể xác định được chiều quay của động cơ 1.4.Các linh kiện cần dùng trong bài: ­  IC NE 5555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian ­  Điện trở ­  Tụ điện  ­  IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân ­  Motor­Encoder ­  Led 7 thanh ­  Cặp nhiệt ngẫu ­  Công NOT, AND ̉ ­  Nút ấn, công tắc ­  IC 74ls90,74ls47, TC7107,uA741 CHƯƠNG II THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ  VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ 2.1:Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài: 2.1.1.Mạch đo tốc độ: kk Nhiệm vụ các khối:  ­Khối tạo xung: là 1 IC 555 để tạo xung vng với tần số phù hợp ( cụ thể  sử dụng NE555 vì đây là IC dễ tìm, dễ làm, dễ hiểu ngun lí làm việc của  ­Khối đếm: Gồm các IC7490 được ghép nối với nhau để tạo thành hệ đếm  phù hợp ­Khối giải mã: Gồm các IC7447 giải mã các BCD để đưa ra khối hiển thị ­Khối hiển thị: Hiển thị các tín hiệu giải mã qua led 7 đoạn 2.1.2.Mạch giám sát nhiệt độ: ­Khối cảm biến: cảm biến nhiệt độ biến nhiệt thành điện ở mức vài mV và  được cho vào bộ khuếch đại để cho về điện áp chuẩn ­Khối chuyển đổi U­I : chuyển đổi từ điện áp sang dòng điện với mục đích  truyền tải đi xa ­ Khối so sánh: so sánh với một điện áp đặt trước và đưa ra tín hiệu dung để  báo động khi quá nhiệt độ cho phép ­Khối tạo xung: tạo ra xung vuông với thời gian đề bài đã cho cấp cho khối  nhấp nháy ­ Khối đèn báo và loa : thực hiện nhiệm vụ nhấp nháy với thời gian đặt trước  khi nhiệt độ trong mức cho phép và thực hiện chức năng báo động khi nhiệt  độ vượt quá ngưỡng cho phép 2.2:Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế: - IC 555 - Động cơ và encoder - Cổng NOT, AND - IC 74ls90,74ls47,4017 - Led 7 thanh - Điện trở, tụ điện, led, loa - uA741 - Cặp nhiệt ngẫu 2.3.Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với dòng điện   đầu ra từ( 0  20mA):     Số dư của phép chia tổng số cuối cùng trong mã sinh viên của các  sinh viên trong nhóm cho 10 là: n=(2+4+9+6+0)%10 = 1 Vậy giám sát nhiệt độ sẽ từ giải đo: (0101) Đầu vào là U0 đầu ra đưa về chuẩn I=0÷20mA ­Khối khuếch đại : Với t = 00C → Ucb=0mV Với t = 1010C→ Ucb=5.32mV 10 Chọn đầu ra của điện áp chuẩn hóa là: U= 0 ÷ ­5V Ta có: U0= Ucb  với Ucb=1,01V và U0=­5V →R2=   chọn R1=1kΩ  R2= 941.1 kΩ Khi nhiệt độ mơi trường thay đổi, qua cảm biến ta thu được tín hiệu điện  ngõ ra ­Khối chuẩn hóa U­I: Ta có bộ chuyển đổi U­I đảo, với dòng điện đầu ra từ 0­20mA KUI 2.4.Sơ đồ chân, bảng chân lí và ứng dụng các vi mạch sử dung: 2.4.1. IC 555: Cấu trúc của 555 gồm : 2 con OPAMP, 3 con điện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở  đây là FF RS):  ­ 2 OPamp có tác dụng so sánh điện áp.  ­ Transistor để xả điện Hình ảnh của IC 555: 14 Mach  ̣ dung IC ̀   4017 tao ̣   ra bô đêm :  ̣ ́ Ứng dụng: Điều khiển tự động, làm  các  dụng cụ âm nhạc, điện tử y  sinh, hệ thống cảnh báo… 2.4.3.Cổng NOT: Phép phủ định logic còn gọi là phép NOT. Dấu của phép phủ định phép NOT  là dấu (­) ở trên tốn hạng. Kết quả của phép phủ định logic ln có giá trị  ngược lại so với giá trị của biến logic tương ứng Kí hiệu &bảng chân lí: 15 2.4.4.Cổng AND:    Phép nhân logic còn gọi là phép AND . Dấu của phép nhân: “x”, “.”, và dấu  “^” . Có thể nói tích logic chỉ bằng 1 khi mọi tốn hạng đều bằng 1. Hàm tính  logic hai biến được xác định bằng biểu thức: X=A . B= A x B Hoặc: X= A B Kí hiệu hình vẽ và bẳng chân lí: 2.4.5. IC 74ls90: 16 ­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) thì bộ đếm được xóa về 0 và các đầu  ra ở mức       thấp.  ­R9(1), R9(2) là chân thiết lập trạng thái cao của đầu ra: QA=QD=1,  QB=QC=0  ­Chân ­NC (Chân 4): bỏ trống  ­Chân 1 và 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), (2), (1), (2) Khi đặt (1) = (2) = H (  ở mức cao) thì bộ đếm được xố về  0 và các đầu   ra ở mức thấp (1), (2) là chân thiết lập trạng thái cao của đầu ra: ,  NC chân bỏ trống IC 7490 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5: Bộ chia 2 do Input A điều khiển đầu ra  Bộ chia 5 do Input B điều khiển đầu ra , ,  Đầu vào A, B tích cực ở sườn âm Để  tạo thành bộ  đếm 10 ta nối đầu ra  vào chân CKB để  tạo xung kích  cho bộ đếm 5 , , ,  là các đầu ra ­ Bảng trạng thái: 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 Output Chân 4: RB Output Output Chân 5: RB Input Chân 6: BCD D Input Output Chân 7: BCD A Input Chân 8: GND Chân 9: 7-Segment e Chân 10: 7-Segment d Chân 11: 7-Segment c Output Chân 12: 7-Segment b Chân 13: 7-Segment f Output * Nguyên lý hoạt động: 18 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 không dùng tới) Ngõ vào xố BI để khơng 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 khơng hay nối lên mức dùng để xố số (số o thừa phía sau số thập phân hay số trước số có nghĩa) Khi RBI ngõ vào D, 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: 19 2.4.7.uA741: Vi mạch 741 có hai đầu vào “INVERTING ( – )”:Đảo, “NON­INVERTING  (+)”: Thuận và đầu ra ở chân 6 1. Khuyếch đại với 741 A. Khuyếch đại đảo: Chân 2 nối với tín hiệu vào và tín hiệu ra đảo B. Khuyếch đại khơng đảo: Chân 3 nối với tín hiệu vào và tín hiệu ra khơng  đảo Op Amp là một cơng cụ có nhiều chức năng Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập Khuếch đại tin hiệu điện So sánh hai điện thế nhập  . Khi V+ > V­  20  . Khi V+