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

MụC LụC TRang I. mở đầu Ii. nhiệm vụ lý thuyết thực hiện 1. Sơ đô khối mạch đô tốc độ 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 Mạch đo tốc độ Mạch hiển thị chiều quay V. Kết luận I.Mở ĐầU Trong sự phát triển của kỹ thuật điện tử ngày nay, kỹ thuật số đang dần chiếm ưu thế về số lượng các ứng dụng của nó trên nhiều thiết bị điện tử từ dân dụng cho đến chuyên dụng, trong nhiều lĩnh vực như đo lường, điều khiển, v.v… nhờ vào nhiều ưu 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 được tích hợp trong các IC số. Trên cơ sở những kiến thức đã được 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 được 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 nhưng đôi khi còn mang tính lý thuyết, chưa thực tế. Chúng tôi mong có sự góp ý và sửa chữa để đề tài này có tính khả thi hơn về cả phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Nam Quân đã hướng 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:
 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: *Phương án 1(phương 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.
*Phương án 2(Phương pháp dùng cảm biến): Một cảm biến thích hợp được 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 như vậy nó cung cấp một tín hiệu xung có biên độ tỉ lệ với +E. Cảm biến từ:
Mối 1 vòng quay,mẩu băng từ được 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. 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 :
Hoặc ngược 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 :
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 được và đây là vị trí tốc độ quay chết. Cảm biến quang:
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,đường 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 được đầu thu quang.Khi đó trên đầu thu quang ta sẽ thu được 1 xung điện.Biên độ xung điện chủ yếu phụ thuộc: +Thông lượng ánh sáng ỉ tới được đầu thu quang: ỉ càng lớn thì biên độ xung điện càng lớn. +Độ nhậy của đầu thu quang. KL: Chọn phương 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 được lấy thực tế trong mạch là IR-LED, PHOTOTRANSISTOR của mạch Mouse máy tính. 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 được ở khối chuyển vòng quay sang xung là nhỏ,do đó cần phải khuếch đại tín hiệu này lên để có thể sử dụng được. 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 tương tự không cần quan trọng lắm ---> không thiết kế chi tiết. *Tín hiệu thu được ban đầu chưa 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 đưa vào máy tính nên tín hiệu ra của nó là tín hiệu logic.Như vậy toàn bộ 2 khối chuyển vòng quay sang xung điện,khối khuếch đại và tạo dạng được tận dụng từ Mouse.Tín hiệu tốc độ quay vào khối cổng lúc này là tín hiệu ra được 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):
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
c>Đa hài dùng bộ định thời 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 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 trường 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. Nhưng vì tx quá dài nên không thực tế.Do vậy không chọn khả năng này. *Xét tx<1phút: Vì tx < 1 phút nên vấn đề kết hợp đồng thời phần sai số và hệ số nhân. Giả thiết trong tx(s),ta đo được 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 trường 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 tế chỉ thể hiện x%=10%. ----> Tổng số lỗ đục: 150 lỗ. +Vì lý do tạo thêm xung xóa trạng thái khối đếm sau mỗi 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 là 20Kohm) Tạo tx=4(s) từ mạch đa hài Timer 555(T=1(s)): Tín hiệu ra bộ đa hài được đưa vào làm xung đếm bộ đếm 8(đếm thuận,mã BCD 3 bit).Khi đó tín hiệu ra bit cao nhất Qc của bộ đếm 8 chính là tín hiệu ra khối xung mở cổng với đơn vị mở cổng tx.
Bộ đếm 8 thuận 3 bit BCD có thể đựơc thiết kế riêng tương tự như 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 được 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 được đo trong khoảng thời gian cho bởi khối 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. 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 tạo xung Reset “0”: Mạch dùng các linh kiện NAND,NOR của IC SN7402, SN7400
+Xung Reset “0” được nối trực tiếp tới các chân Reset R01,R02 của tất cả các IC điếm trong khối đếm. Như vậy trước khi đo sau 3.43(s) khối đếm được thiết lập 0 bởi xung Reset “0” có độ rộng xung = 0.57(s),kế đó mạch sẽ đo(đếm) trong 4s tiếp,giữ 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 7 thanh: Chọn LED 7 thanh chung Katot/Anot
Hệ thống đếm gồm 5 mạch đếm 10(đếm thuận) mã BCD 4 bit được mắc nối tiếp với nhau (bộ đếm 1 lấy xung đếm từ tín hiệu ra khối cổng,các bộ đếm còn lại lấy xung đếm (theo kiểu nối tiếp) từ bit cao nhất(Qd) của bộ đếm trên nó),khi mạch đếm này đầy sẽ kích lên mạch đếm có trọng số lớn hơn ngay trên nó. Tương ứng với 5 mạch đếm là 5 mạch giải mã BCD 4 bit ra mã 7 thanh và được nối tới 5 LED 7 thanh tương ứng.
a>Khối đếm: *Bộ đếm thuận 10: Bảng trạng thái: t  t+1   Qd Qc Qb Qa  Qd Qc Qb Qa   0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1  0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0   +Thiết kế,chọn các phần tử mạch: 4 phần tử nhớ JK-FF và các phần tử logic tổ hợp. +2 phương 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 được hệ phương trình kích: J1=QcQbQa K1=Qa J2=K2=QbQa J3=
Qa K3=Qa J4=K4=1 Sơ đồ mạch:
a.2>Thiết kế không đồng bộ: Từ hệ phương trình kích mạch đếm đồng bộ ta có: J1=QcQb ; K1=1 ; Xung nhịp Ck1=Qa J2=K2=Qa ; Ck2=Qb J3=
; K3=1 ; Ck3=Qa J4=K4=1 ; Ck4= Xung đếm. Sơ đồ mạch:
*KL: Thực tế mạch đếm 10(đếm thuận) dùng là IC đếm: 7490/74LS90

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: Chữ số  A B C D  a b c d e f g   0 1 2 3 4 5 6 7 8 9  0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1  1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1   Thiết kế mạch dùng các phần tử logic tổ hợp: a = C + A +

+DB b = A +
c = A +
+ B + D d = C + A +D +

e = C
+

f = A +

+ B
+ B
g = C
+ B
+B
+
*KL: Thực tế dùng IC giải mã: 7447/74LS47

74LS90,74LS47,LED Anot chung. SN7490(7490),SN7447(7447),LED Katot chung. B.Phần chỉ thị chiều quay: 1.Phương án dùng mạch đồng bộ: +Tín hiệu chiều quay, xung đồng bộ :
Lấy tín hiệu chiều quay X, xung đồng bộ Ck : dùng cảm biến quang như ở phần chuyển vòng quay sang xung điện. +Đồ hình More và bảng trạng thái: Z1: Tín hiệu chỉ thị chiều quay ngược chiều kim đồng hồ (+) Z2: ------- cùng ------- (-)
 X S  0 1  Z1 Z2   S0  S2 S1  0 0   S1  S0 S0  1 0   S2  S0 S0  0 1   +Thiết kế mạch chọn JKFF: Mã hóa: X y1 y2  0  1  Z1 Z2   00  11  01  0 0   01  00  00  1 0   11  00  00  0 1   10  --  --  - -   Lập bảng kích,rút gọn --->Kết quả: J1=

=
J2 ; K1= K2= 1 J2=
Z1=
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 Vị trí 2: Tín hiệu chiều quay thể hiện bị đảo lại (+): Z1=0 ; Z2=1 (-): Z1=1 ; Z2=0 Vị trí 3: (+) (-) Z1=1 ; Z2=0 Vị trí 4: Ngược của vị trí 3 Vậy mạch chỉ dùng cho trường hợp đặt được vị trí cảm biến ở vị trí 1. 2.Phương án dùng mạch không đồng bộ:
Mạch sử dụng 2 tín hiệu chiều quay X1,X2. Lấy tín hiệu X1,X2 : dùng cảm biến quang như ở phần chuyển vòng quay sang xung điện. Ta có đồ thị nhịp: đây chỉ là một trường hợp
Q0,Q1,Q2,Q3: các trạng thái của mạch tương ứng với cặp giá trị X1X2 Đồ hình Mealy:
 Z1: Tín hiệu chỉ thị chiều quay ngược chiều kim đồng hồ (+) Z2: ------- cùng ------- (-) Bảng trạng thỏi sau: X1X2 S  00  01  11  10   Q0  Q0 Z1=Z2=0  Q3 Z1=Z2=0  Q0 Z1=Z2=0  Q1 Z1=Z2=0   Q1  Q0 Z1=0 Z2=1  Q1 Z1=Z2=0  Q2 Z1=1 Z2=0  Q1 Z1=Z2=0   Q2  Q2 Z1=Z2=0  Q3 Z1=1 Z2=0  Q2 Z1=Z2=0  Q1 Z1=0 Z2=1   Q3  Q0 Z1=1 Z2=0  Q3 Z1=Z2=0  Q2 Z1=0 Z2=1  Q3 Z1=Z2=0   Mó hoỏ trạng thỏi: X1X2 Q1Q2  00  01  11  10   00  00 Z1=Z2=0  10 Z1=Z2=0  00 Z1=Z2=0  01 Z1=Z2=0   01  00 Z1=0 Z2=1  01 Z1=Z2=0  11 Z1=1 Z2=0  01 Z1=Z2=0   11  11 Z1=Z2=0  10 Z1=1 Z2=0  11 Z1=Z2=0  01 Z1=0 Z2=1   10  00 Z1=1 Z2=0  10 Z1=Z2=0  11 Z1=0 Z2=1  10 Z1=Z2=0   Ánh xạ Q1,Q2,Z1,Z2 vào bỡa Karnough,rỳt gọn ta thu được kết quả: Q1’ = Q1Q2
+

X2 + Q1
X1 + Q2X1X2 Q2’ = Q1X1X2 + Q1Q2
+
Q2X2 +
X1
Z1 =
Q2X1X2 + Q1Q2
X2 + Q1


Z2 =
Q2

+ Q1Q2 X1
+ Q1
X1X2 Thiết kế mạch chọn phương án dùng mạch tổ hợp có hồi tiếp(với bài này không dùng được 2 phương pháp mạch không đồng bộ cũn lại là dựng RS-FF,JK-FF thành T-FF): Sơ đồ mạch:
Phần tử AND 3 input thuộc IC 74LS15 Phần tử OR 4 input thuộc IC 4072 Phần tử OR 3 input thuộc IC 4075 Phần tử NOT thuộc IC SN7404 Nhận xét: Tránh Hazard hàm số? *KL: Chọn phương án mạch không đồng bộ với khối chỉ thị dùng 2 đèn LED bình thường (điện áp 3-6v)cho 2 đầu ra Z1,Z2 của mạch. V. Vấn đề cấp nguồn cho hệ thống: Nguồn một chiều.( 5V ) Điện áp cung cấp cho chân Vcc của các IC làm việc thưòng nằm trong khoảng từ 4.5V– 5.5V. Một vài IC có dải điện áp khác đi một chút : min = 4.75V; max > 5V. Để tạo dòng một chiều ổn định cung cấp cho các IC có thể dùng hai phương án sau: 1. Chỉnh lưu dòng xoay chiều đã hạ áp, sau đó cho qua mạch ổn áp ( 5V 2. Dùng các nguồn một chiều có sẵn ( khác 5V ), qua bộ chỉnh đơn giản ( gần 5V - Xét phương án 1: Sơ đồ nguyên lý của mạch Dòng xoay chiều 220V bên sơ cấp biến áp T được hạ áp xuống còn 9V~ ở bên thứ cấp. Qua bộ chỉnh lưu cầu sẽ thu được dòng một chiều 9V. Tụ C1,C2 có tác dụng lọc đi các thành phần xoay chiều trong điện áp một chiều không ổn định này. Qua mạch điện ổn áp là IC 7805 sẽ thu được dòng một chiều ổn định có giá trị 5V. Để có giá trị điện áp ra ổn định là 5V thì yêu cầu điện áp một chiều đầu vào phải >= 7V. - Xét phương án 2 : Nguồn một chiều ở đây là pin hoặc bộ pin ghép lại cho ta điện áp >= 4.5V ( giá trị điện áp tối thiểu để cung cấp cho đa số các IC ). Thông thường nên chọn điện áp từ 4.8V – 5.5V vì trong quá trình làm việc, do tiêu hao suy giảm, giá trị điện áp < 4.8V sẽ cho thời gian làm việc ngắn. Nếu ghép 4 pin tiểu 1.5V nối tiếp nhau ( nguồn 6V. Sau đó dùng một diode hạ áp 0.6V để có được nguồn như ý với giá trị 5.4V. Sơ đồ của mạch : Nếu dùng một pin 9V thì hoặc có thể cho qua mạch ổn áp là IC 7805 như ở phương án 1 để có được giá trị điện áp chuẩn 5V hoặc dùng các diode hạ áp 0.6V như ở trên để có điện áp chấp nhận được. Vi. sơ đồ nguyên lý: vII.kết luận: Căn cứ vào cơ sơ lý thuyết, các phương án đưa ra chúng ta có thể có nhiều cách lựa chon việc lắp ráp mạch thực tế, mặc dù phương án được lua chọn chua chắc đã là phương án tối ưu, nhưng theo chúng tôi thì đó là phương 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 chưa cao, việc sác định tốc độ của động cơ vẫn chỉ là xác định tốc độ tĩnh tại một thời điểm nhất định, nếu như tốc độ của động cơ biến thiên liên tục vói tốc độ nhanh thì tốc độ đo được không chính sác. Mở rộng: Tận dụng mạch Mouse ---> Hiểu được hoạt động của mạch mouse,hệ điều hành xử lí tín hiệu di chuyển vị trí chuột thì ta có phương án: dùng mạch mouse nhận tín hiệu chiều quay,đưa tín hiệu đó vào máy tính qua cổng vào của mouse nối với máy tính,viết chương trình vi xử lí hiện và chỉ thị tốc độ cũng như chiều quay.