Tài liệu Thiết kế logic - đo tốc độ động cơ doc

đại học Giao Thông Vận Tải khoa Điện-điện tử THIếT Kế LOGIC MạCH Số Đề Tài: Đo tốc độ động cơ điện có tốc độ 1000vòng/phút với sai số 1% và có chỉ thị chiều quay của động cơ. Nhóm thực hiện: Hà Mạnh Cờng Nguyễn Phú Dũng Lớp: ĐTVT1-K44 Giáo viên hớng dẵn: TS. Nguyễn Nam Quân 1 MụC LụC TRang I. mở đầu Ii. nhiệm vụ iii. lý thuyết thực hiện 1. Sơ đô khối mạch đô tốc độ 2. Sơ đồ khối mạch hiển thị chiều quay a. phần 1: đo tốc độ động cơ 1. Khối chuyển vòng quay sang xung điện 2. Khối khuyếch đại và tạo dạng tín hiệu 3. Khối cổng 4. Khối xung mở cổng, xoá và reset 5. Khối đếm giải mã và hiển thị B. phần 2: hiển thị chiều quay 1. Dùng mạch đồng bộ 2. Dùng mạch không đồng bộ V. phần nguồn VI. mạch nguyên lý 1. Mạch đo tốc độ 2. Mạch hiển thị chiều quay V. Kết luận 2 I. Mở ĐầU Trong sự phát triển của kỹ thuật điện tử ngày nay, kỹ thuật số đang dần chiếm u thế về số lợng các ứng dụng của nó trên nhiều thiết bị điện tử từ dân dụng cho đến chuyên dụng, trong nhiều lĩnh vực nh đo lờng, điều khiển, v.v nhờ vào nhiều u điểm của nó. Có thể nói, nền tảng của kỹ thuật số là các mạch logic số dựa trên sự kết hợp của các cổng logic cơ bản mà ngày nay đã đợc tích hợp trong các IC số. Trên cơ sở những kiến thức đã đợc học trong môn học: Kỹ thuật số và trong khuôn khổ của một đồ án môn học: Thiết kế mạch logic số, chúng tôi đã thiết kế mạch logic số với đề tài là: Thiết kế hệ thống đo tốc độ động cơ có hiển thị chiều quay Với mục đích là tìm hiểu thêm về lĩnh vực kỹ thuật số, nâng cao kiến thức của mình. Song kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không đợc nhiều nên đề tài của chúng tôi còn rất nhiều sai sót, hạn chế. Mặc dù đã cố gắng phần nào thiết kế và tính toán một các chi tiết các mạch, các thông số nhng đôi khi còn mang tính lý thuyết, cha thực tế. Chúng tôi mong có sự góp ý và sửa chữa để đề tài này có tính khả thi hơn về cả phơng diện kinh tế cũng nh kỹ thuật. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Nam Quân đã hớng dẫn và giúp đỡ chúng em thiết kế và hoàn thành đề tài này. II. NHIệM Vụ: Vấn đề nêu trên đặt ra cho ta 2 nhiệm vụ cần thực hiện: 1.Đo(chỉ thị) tốc độ của động cơ điện với sai số cho phép(sai số cho phép trong đề tài chọn là 1%). 2.Hiện(chỉ thị) chiều quay của động cơ điện. III. Lý THUYếT THựC HIệN: Sơ đồ khối để thực hiện nhiệm vụ nêu trên: 1.Phần chỉ thị tốc độ: 3 2.Phần chỉ thị chiều quay của động cơ: IV. CáC PHƯƠNG áN : A.Phần chỉ thị tốc độ động cơ: 1.Khối chuyển vòng quay sang xung điện: *Phơng án 1(phơng pháp cơ): Mỗi vòng quay,vấu cam trên trục đóng công tắc vào một lần và tạo thành một xung điện.Đếm số xung điện <-->đếm số vòng quay. Chuyển vòng quay sang xung điện Xung mở cổng Reset 0 Khuếch đại tín hiệu xung điện và tạo dạng Giải mã Đếm Cổng Chỉ thị Khuếch đại tín hiệu và tạo dạng Lấy tín hiệu chiều quay Chỉ thị Mạch xử lí 4 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 một cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần nh vậy nó cung cấp một tín hiệu xung có biên độ tỉ lệ với +E. Cảm biến từ: đầu từ Mẩu băng từ Mối 1 vòng quay,mẩu băng từ đợc dán trên trục động cơ quét qua đầu từ ,gây sự biến thiên từ thông ỉ trên cuộn dây của đầu từ,tạo trên cuộn dây một suất điện động có biên độ E.Khi động cơ quay tạo trên cuộn dây những xung suất điện động có tần số <--> tốc độ quay của động cơ.Đếm số xung suất điện động <--> đếm số vòng quay của động cơ. 5 Hoặc ta có thể thay mẩu băng từ bằng một đĩa quay làm bằng vật liệu từ tính có khía răng(hoặc bánh răng) gắn lên trục động cơ : vấu từ khe từ Hoặc ngợc lại ta dùng một vật trung gian là một đĩa chắn từ một cách tuần hoàn giữa một nam châm cố định và một cảm biến từ : nam châm cố định vấu chắn từ khe từ Biên độ suất điện động của cuộn dây E phụ thuộc chủ yếu 2 yếu tố: +Khoảng cach giữa cuộn dây(đầu từ) và vật trung gian.Khoảng cách(khe từ) này lớn thì E nhỏ. +Tốc độ quay của động cơ:E tỉ lệ với tốc độ quay.Khi tốc độ quay quá bé,E sẽ nhỏ để có thể phát hiện đợc và đây là vị trí tốc độ quay chết. 6 Cảm biến quang: nguồn phát sáng nguồn phát sáng đầu thu quang đầu thu quang a> b> Thấu kính Cảm biến quang dùng 1 nguồn phát sáng thích hợp cùng với 1 cảm biến quang khi 1 vật trung gian quay có các lỗ,đờng vát,hoặc mặt phản xạ. +Nguồn sáng: LED,IR-LED,LAZER . +Cảm biến quang: PHOTODIODE,PHOTOTRANSISTOR,PHOTO-JFET, PHOTORESISTOR,PHOTOTHYRISTOR Khi động cơ quay,ánh sáng gặp lỗ(hình a>),gặp mặt phản xạ(hình b>) sẽ tới đợc đầu thu quang.Khi đó trên đầu thu quang ta sẽ thu đợc 1 xung điện.Biên độ xung điện chủ yếu phụ thuộc: +Thông lợng ánh sáng ỉ tới đợc đầu thu quang: ỉ càng lớn thì biên độ xung điện càng lớn. +Độ nhậy của 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 trong mạch là IR-LED, PHOTOTRANSISTOR của mạch Mouse máy tính. 7 Không biết cảm biến quang mạch Mouse có phải là PHOTOTRANSISTOR không,hay là PHOTO-JFET 2.Khối khuếch đại tín hiệu xung điện và tạo dạng: *Tín hiệu xung thu đợc ở khối chuyển vòng quay sang xung là nhỏ,do đó cần phải khuếch đại tín hiệu này lên để có thể sử dụng đợc. Một mạch khuếch đại tín hiệu số cho đầu ra ở mức logic 1 khi có xung và mức 0 khi không có xung . Do đây là thiết kế Logic nên phần tơng tự không cần quan trọng lắm ---> không thiết kế chi tiết. *Tín hiệu thu đợc ban đầu cha hẳn đã ở dạng xung vuông chuẩn,vì vậy tín hiệu cần qua bộ tạo dạng để trở thành xung vuông chuẩn.Đơn giản ta chọn là một mạch OR(tạo từ phần tử NOR của IC SN7402): Tạo dạng dùng Smith-Trigo là chuyên dụng hơn! *Tín hiệu ra khối khuếch đại tín hiệu xung điện và tạo dạng là tín hiệu ra mạch tạo dạng. KL: Do Mouse đã chuuyển vòng quay sang xung điện và đa vào máy tính nên tín hiệu ra của nó là tín hiệu logic.Nh vậy toàn bộ 2 khối chuyển vòng quay sang xung điện,khối khuếch đại và tạo dạng đợc tận dụng từ Mouse.Tín hiệu tốc độ quay vào khối cổng lúc này là tín hiệu ra đợc câu ra từ mạch Mouse. 3.Khối cổng: Khối cổng có nhiệm vụ chỉ cho tín hiệu xung qua trong một đơn vị thời gian nào đó.Tín hiệu mở cổng lấy từ khối xung mở cổng. ở đây chọn khối cổng đơn giản là 1 mạch AND 2 đầu vào( tạo từ phần tử NAND của IC SN7400): 8 4.Khối Xung Mở Cổng: Là khối dao động đa hài tạo xung vuông có biên độ xung ở mức logic 1 và độ rộng xung bằng 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 9 c>§a hµi dïng bé ®Þnh thêi 555: t1 = 0.693*( VR + R )*C1 t2 = 0.693*R*C1 f = 1.44 / [( VR + 2*R)*C1 ] 10 [...]... năng tính lý thuyết khả năng áp dụng vào thực tế cha cao, việc sác định tốc độ của động cơ vẫn chỉ là xác định tốc độ tĩnh tại một thời điểm nhất định, nếu nh tốc độ của động cơ biến thiên liên tục vói tốc độ nhanh thì tốc độ đo đợc không chính sác Mở rộng: Tận dụng mạch Mouse -> Hiểu đợc hoạt động của mạch mouse,hệ điều hành xử lí tín hiệu di chuyển vị trí chuột thì ta có phơng án: dùng mạch mouse nhận... trong khối đếm Nh vậy trớc khi đo sau 3.43(s) khối đếm đợc thiết lập 0 bởi xung Reset 0 có độ rộng xung = 0.57(s) ,kế đó mạch sẽ đo( đếm) trong 4s tiếp,giữ 13 kết quả trong 3,43s tiếp theo,0,57s tiếp bộ đếm bị xóa về 0.Sang giây thứ 13 quá trình đếm lặp lại 5.Khối đếm,giải mã,hiển thị: Để hiển thị tốc độ quay của một động cơ điện có tốc độ 1000 vòng/phút với sai số phép đo là 1% thì ta phải dùng 5 LED...Khi xét tới tx ta phải xét luôn cả phần sai số đo và hệ số nhân khi đo tốc độ với đơn vị vòng/phút.Trong bài này ta sử dụng số lỗ đục trên tấm bìa để thể hiện sai số phép đo và hệ số nhân *Xét tx=1phút: Trong trờng hợp này là thực hiện đo tốc độ quay của động cơ đúng theo vòng/phút và do đó chỉ còn thực hiện phần sai số: với sai số phép đo là x% thì thực hiện đục trên tấm bìa (100/x) lỗ Nhng... 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 15 +Thiết kế, chọn các phần tử mạch: 4 phần tử nhớ JK-FF và các phần tử logic tổ hợp +2 phơng pháp thiết kế bộ đếm: Thiết kế đồng bộ hợăc không đồng bộ a.1 >Thiết kế đồng bộ: Lập bảng mã hóa theo bìa Karough,bảng kích,từ đó ta tìm đợc hệ phơng trình kích: J1=QcQbQa K1=Qa J2=K2=QbQa J3= Qd Qa K3=Qa J4=K4=1 Sơ đồ mạch: a.2 >Thiết kế không đồng bộ: Từ hệ phơng trình kích... cổng với đơn vị mở cổng tx 11 Bộ đếm 8 thuận 3 bit BCD có thể đựơc thiết kế riêng tơng tự nh thiết kế bộ đếm 10 thuận 4 bit BCD ở phần khối bộ đếm.Tuy nhiên,ta mắc đếm 8 từ bộ đếm 10 thuận 4 bit BCD đã đợc thiết kế đó(dùng IC 7490/74LS90) khối tạo xung xóa trạng thái khối đếm sau mỗi chu kì đo Reset 0: Tốc độ quay của động cơ đợc đo trong khoảng thời gian cho bởi khối xung mở cổng,tín hiệu ra khối xung... cùng (-) S0 Z1=0 Z2=0 X X S1 Z1=1 Z2=0 S2 Z1=0 Z2=1 X 1 Z2 S1 S0 S0 0 0 1 S 21 +Thiết kế mạch chọn JKFF: Mã hóa: 0 X 2 1 Z2 0 0 1 - Lập bảng kích,rút gọn -> Kết quả: J1= X Y 2 = X J2 ; K1= K2= 1 J2= Y 2 Z1= Y1 Y2 ; Z2=Y1 +Sơ đồ mạch: *Nhận xét: +Mạch đơn giản +Mạch thiết kế chỉ với vị trí ban đầu của cảm biến là ở vị trí 1 Khi vị trí ban đầu của cảm biến ở vị trí 2,3,4 mạch hoạt động không đúng... xung mở cổng,tín hiệu ra khối xung mở cổng có tính chu kì,do vậy trong khoảng thời gian khối cổng bị khóa(tín hiệu ra khối xung mở cổng ở mức thấp) ta đọc kết quả đo và sau đó Reset 0 khối đếm để kết quả đo của chu kì đo sau(nếu đo) đựơc đúng 12 Thiết kế xung Reset 0 khối đếm: +Xung Reset 0 = AND(Tín hiệu ra mạch đa hài Timer 555; 2 bit thấp Qa,Qb ; NOT(Qc)) Qa,Qb,Qc: bit ra của bộ đếm 8 ở trên Mạch khối... vII.kết luận: Căn cứ vào cơ sơ lý thuyết, các phơng án đa ra chúng ta có thể có nhiều cách lựa chon việc lắp ráp mạch thực tế, mặc dù phơng án đợc lua chọn chua chắc đã là phơng án tối u, nhng theo chúng tôi thì đó là phơng án hợp lý hơn cả cho việc lắp mạch thực tế Tuy lắp mạch thực tế song đồ án vẫn mang năng tính lý thuyết khả năng áp dụng vào thực tế cha cao, việc sác định tốc độ của động cơ vẫn... phút nên vấn đề kết hợp đồng thời phần sai số và hệ số nhân Giả thiết trong tx(s),ta đo đợc X xung(X vòng): [X/tx] vòng/s=[(60/tx).X] vòng/phút -> Số lỗ đục trên tấm bìa khi dùng đơn vị (vòng/phút) là: 60/tx lỗ Với phần sai số x% thì ta phải đục giữa 2 lỗ liên tiếp ở trên (100/x - 1) lỗ Vậy với trờng hợp này,tổng số lỗ phải đục trên tấm bìa: (60/tx.100/x) lỗ KL: +Chọn tx=4(s),khi thiết kế mạch thực... 17 b>Khối giải mã: *Mạch giải mã BCD 4 bit ra mã 7 thanh: Với LED 7 thanh: Bảng trạng thái hoạt động mạch giải mã: s CD c d e f g 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 18 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 Thiết kế mạch dùng các phần tử logic tổ hợp: a = C + A + B D +DB b = A +B c = A+ C +B+D d = C + A +D + B D e = CD +B D f = A + C . điện động có biên độ E.Khi động cơ quay tạo trên cuộn dây những xung suất điện động có tần số < ;-- > tốc độ quay của động cơ. Đếm số xung suất điện động. khoa Điện-điện tử THIếT Kế LOGIC MạCH Số Đề Tài: Đo tốc độ động cơ điện có tốc độ 1000vòng/phút với sai số 1% và có chỉ thị chiều quay của động cơ. Nhóm