Thiết kế mạch đo tốc độ dộng cơ và giám sát nhiệt

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ Khi nhấn nút Start,hệ thống thực hiện đo tốc độ động cơ(dải đo từ 09999 vongs),đồng thời mạch chuẩn hóa đầu ra cung cấp thong tin về nhiệt độ.Hệ thống dừng khi ấn nút stopsử dụng các thiết bị đo để kiểm tra khi cần thiết. 1.2 Liệt kê các phương pháp đo tốc độ đông cơ Dùng encoder. Encoder là thiết bị cơ điện dùng để chuyển đổi vị trí góc hay chuyển động của 1 trục thành tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. Encoder được chia làm 2 loại, encoder tuyệt đối và encoder tương đối. Phân loại encoder: encoder trục. encoder lỗ. encoder bánh xe,. encoder tay quay. Hình ảnh thực tế của encoder.

Vi mạch tương tự Chương 1 : Trình bày các mạch chức năng sử dụng trong hệ thống

1 Phân tích yêu cầu công nghệ

Khi nhấn nút Start,hệ thống thực hiện đo tốc độ động cơ(dải đo từ

0-9999 vong/s),đồng thời mạch chuẩn hóa đầu ra cung cấp thong tin về nhiệt độ.Hệ thống dừng khi ấn nút stop-sử dụng các thiết bị đo để kiểm tra khi cần thiết.

2 Liệt kê các phương pháp đo tốc độ đông cơ

Dùng encoder.

Encoder là thiết bị cơ điện dùng để chuyển đổi vị trí góc hay chuyển động của 1 trục thành tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số.

Encoder được chia làm 2 loại, encoder tuyệt đối và encoder tương đối.

Phân loại encoder:

- encoder trục.

- encoder lỗ.

- encoder bánh xe,.

- encoder tay quay.

Hình ảnh thực tế của encoder.

Dùng máy phát tốc

Máy phát tốc là một máy phát điện.Cấu tạo gồm rotor và Stator Rotor thường là nam châm vĩnh cữu.

Máy phát tốc được lắp ở trục động cơ Khi trục động cơ quay, thì rotor của máy phát tốc cũng quay, phía Stator của máy phát

tốc sẽ có điện áp Người ta trích lấy điện áp đó để cung cấp cho mạch kiểm soát tốc độ của động cơ.

3 Trình bày về nguyên lý đo tốc độ động cơ trong bài

Nguyên lí đo: từ số xung đo được trên encoder trong vòng 1 phút hoặc 1 giây và số xung mà encoder đếm được trên 1 vòng quay ta suy

ra được tốc độ của động cơ.

4 Các linh kiện cần dung trong bài

-Mạch được thiết kế bởi những linh kiên sau:

• Led 7 thanh dung làm cơ cấu hiển thị

• IC giải mã 74LS47

• IC đếm mã nhị phân 74LS90

• IC 555 tạo xung với tần số đáp ứng mạch đo

• Cổng logic AND

• IC4017 dùng để định thời gian và tạo dộ trễ hiển thị

Chương 2: Thiết kế mạch đo tốc độ dộng cơ và giám sát

nhiệt

2.1 Sơ đồ bố trí linh kiện trong bài

Tốc độ:

Nhiệt độ:

Khối Chỉ thị

Bộ tạo xung thời gian chuẩn

Đếm xung

Bộ Mã Hóa

Bộ Giải Mã

Khối Hiển Thị (led 7 thanh)

Chuyển đổi

U sang I

Khuếch đại điện áp Cảm biến nhiệt ngẫu

2.2 Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế.

• Led 7 thanh dung làm cơ cấu hiển thị

• IC giải mã 74LS47

• IC đếm mã nhị phân 74LS90

• IC 555 tạo xung với tần số đáp ứng mạch đo

• Cổng logic AND (IC 74ls08)

• Cổng NOT (IC 74ls04)

• IC4017 dùng để định thời gian và tạo dộ trễ hiển thị

• Cặp nhiệt ngẫu

• Bộ khuếch đại thuật toán OPAMP

• Điện trở R

• Led chỉ thị

2.3 Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với dòng đầu

ra từ (0-20)mA.

Sau khi chuẩn hóa đầu ra ra điện áp ta cần phải chuẩn hóa đầu ra cho dòng điện, chuẩn hóa đầu chuẩn công nghiệp là 0-20mA.Như vậy cần thiết kế mạch chuyển đổi áp-dòng

Mạch so sánh Cảnh báo

Sơ đồ nguyên lý chung của bộ biến đổi áp-dòng:

R13

500

U19

OPAMP

R14 100

+88.8

mA

Nếu như chọn thì ta sẽ có Ira = Vi

Với tín hiệu đầu ra từ 0 đến10V thì ta sẽ đi tính chọn điện trở cho mạch chuyển đổi tín hiệu :

Khi tín hiệu vào U=0 thì dòng điện bằng không

Khi tín hiệu vào bằng 20mA thì ta có :

Vi= 20 mA

Thay Vi= 10 vào ta tính được Rl= 500 Ω

Như vậy ta đã tính chọn xong các điện trở cho mạch biến đổi dòng – áp

Và dòng điện ra là chuẩn công nghiệp với giá tri ra từ 0 đến 20mA khi giá trị đầu vào là 0 đến 10 V sau khi chuyển đổi xong thành tín hiệu dòng điện ta sẽ tiếp tục đưa vào khối hiển thị

2.4 trình bày sơ đồ chân ,bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch sử dụng.

1.Led 7 thanh

Ta có 1 số hình ảnh kết cấu led 7 thanh

Led 7 thanh có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh đc xếp heo hình số 8 và một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu “chấm” tròn nhỏ ở dưới góc bên phải của led 7 thanh 8 led đơn trên ted 7 thanh có Anode (cực +) hoặc Cathode (cực -) được nối chung với nhau tạo thành 2 loại led 7 thanh:

- Anode chung (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 thấp

- Cathode chung (cực – chung): đầu (-) chung 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 cao

2 IC giả mã 74LS47

Đây là IC giải mã kí giành riêng cho LED 7 thanh Anot chung Ứng dụng khi ta cần hiện thị số trên led 7 thanh trong mạch số mà không cần dùng vi xử lý hoặc muốn tiết kiệm chân

Sơ đồ chân

Sơ đồ điều khiển

Các thức hoạt động:

- Sơ đồ nguyên lý: Như sơ đồ trên, trong đó A,B,C,D ( Nối với Vi xử lý, mạch số counter,…), BI/RBO,RBI,LT ( chân điều khiển của 7447, tùy thuộc vào nhu cầu sẽ nối khác nhau), Chân QA,QB,QC,QD,QE,QF,QG nối lần lượt với chân

a,b,c,d,e,f,g của led 7 thanh anot chung

- Mô tả cách thức hoạt động như sau:

PORT A,B,C,D : đầu vào của 7447, nhận các giá trị theo nhị phân (BCD) từ 0 tới

15, tương ứng với mối giá trị nhận được sẽ giải mã ra đầu ra Q tương ứng

PORT QA-QG : Nối trực tiếp LED 7 thanh với

QA=a,QB=b,QC=c,QD=d,QE=e,QF=f,QG=g, giá trị hiển thị trên LED 7 thanh phụ thuộc vào giá trị đầu vào PORTA,B,C,D theo bảng sau;

Bảng chân lý của 7447:

3 IC 74LS90

IC 7490 thuộc họ TTL có công dụng đếm mã nhị phân chia 10 mã hóa

BCD Cứ mỗi một xung vào thỉ nó đếm tiến lên 1 và được mã hóa ra bốn chân Khi đếm đến 10 tự nó sẽ reset và trở về ban đầu IC này có ứng dụng rộng trong các mạch số ứng dụng đếm 10 và trong các mạch chia tần số

• Hình dạng và sơ đồ chân.

Bốn chân thiết lập

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, Q B= 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,ương ứng QC, QB, QD, QA

Chân 5(Vcc): cấp nguồn cho IC

Chân 10 (GND) chân nối mass

•Sơ đồ mạch logic và bảng trạng thái

Sơ đồ logic:

Dựa vào sơ đồ ta nhận thấy IC 7490 có bốn chân ngõ vào Reset dùng

để Reset hệ thống Khi ta đưa vào IC các mức điện áp thích hợp thì IC sẽ tự động Reset

Sau đây là bảng các mức Reset:

Khi dùng IC 7490, ta có hai cách nối mạch cho cùng chu kỳ đếm 10,

tức tần số tín hiệu ở ngõ ra sau cùng bằng 1/10 tần số xung CK, nhưng

dạng tín hiệu ra khác nhau

4 IC 555

IC 555 hiện nay được sử dụng khá phổ biến ở các mạch tạo xung, đóng cắt hay là những mạch dao động khác

a Thông số

+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555 ) + Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V

+ Công suất tiêu thụ (max) 600mW

b Chức năng của 555

+ Tạo xung

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

C Bố trí chân và sơ đồ nguyên lý

Hình dạng của 555 ở trong hình 1 và hình 2.Loại 8 chân hình tròn và loại 8 chân hình vuông Nhưng ở thị trường Việt Nam

chủ yếu là loại chân vuông

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

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

Đường cong nạp của tụ điện

Mạch nạp RC cơ bản như trên hình 4 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 điện từ 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:

d Chức năng từng chân:

+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung

+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc

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

+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC

+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC

555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu

và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

+ Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt

+ Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó 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 2V >18V (Tùy từng loại 555 nhé thấp nhất là con NE7555)

5 Cổng logic AND (IC 74ls08)

Ngõ ra Q ở mức cao nếu ngõ vào A "AND" ngõ vào B đều ở mức cao (giống như nhân A với B): Q= A AND 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

6 Cổng NOT-bộ đảo ( IC 74ls04)

Ngõ ra Q ở mức cao khi ngõ vào A là đảo (Not) của mức cao, ngõ ra là đảo (ngược lại ) của ngõ vào : Q = NOT A Cổng NOT chỉ có thể có một ngõ ra Một cổng NOT cũng có thể được gọi là bộ đảo

7 IC 4017

Đây là một IC chia tần với hệ số chia tần từ 2 tới 10

Hình ảnh của IC 4017:

IC 4017 có tổng cộng số chân là 16, trong đó chức năng của từng chân như sau:

• Chân số 16 là chân nguồn Vcc hoạt động với mức điện áp cho phép là trong khoảng từ 3-15 V

• Chân số 8 là chân nối mass

Ngoài các chân nguồn và mass thì IC 4017 có các chân có chức năng hoạt động rất quan trọng là:

• Chân 15 là chân Master Reset hoạt động tích cực mức thấp có nhiệm

vụ làm các ngõ ra sẽ đếm trở lại về vị trí hoạt động ban đầu Cụ thể khi tích cực mức thấp cho chân 15 hoạt động thì các ngõ ra từ 01-09 sẽ trở về mức thấp, còn ngõ

ra 05-9 sẽ trở lại mức cao Chân này hoạt động hoàn toàn độc lập với các chân Clock 14 và 13

• Chân 14 là chân xung clock hoạt động tích cực mức cao Chân này có chức năng đưa xung clock từ bên ngoài vào để cấp cho IC hoạt động

• Chân 13 cũng là chân xung clock nhưng hoạt động ở mức thấp Hai chân này có mối liên hệ tương quan như sau: khi ở trạng thái bình thường: chân

14 ở mức cao, chân 13 ở mức thấp thì IC sẽ hoạt động bình thường, các ngõ ra sẽ tuần tự xuất giá trị Trong quá trình các ngõ ra đang hoạt động, ta kích mức cao

cho chân 13 thì giá trị nào đang ở mức cao sẽ giữ nguyên trạng thái, các ngõ ra còn lại sẽ ở trạng thái mức thấp hết

• Các chân 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11 lần lượt sẽ là thứ tự của các giá trị xuất ra

• Chân 12 hoạt động mức thấp trong 5 giá trị xuất ra đầu tiên Nó sẽ hoạt động mức cao trong 5 giá trị xuất ra sau đó

Bảng sự thật:

Trong đó:

1 H = trạng thái mức cao (điện thế dương hơn)

2 L = trạng thái mức thấp (điện thế âm hơn)

3 X = phi trạng thái

4 chuyển bậc thang - mức dương

5.chuyển bậc thang - mức thấp

2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch.

2.6 Thuyết minh nguyên lý hoạt đông của mạch.

2.7 Xây dựng mạch mô phỏng trên phần mềm proteus và chạy thử

Chương 3: kết luận

3.1 Các kết quả đạt được.

3.2 Sai số và nguyên nhân sai số cửa thiết bị đo

3.3 các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục