THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG CẶP NHIỆT NGẪU DẢI ĐO TỪ 09999 VÒNGPHÚT

I.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠĐể đo tốc độ động cơ ta có rất nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu, mục đích mà ta sử dụng.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 không được ưa dùng nó dần đi vào dĩ vãng. 2Phương pháp sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa giải mãĐo 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. 3Phương pháp sử dụng máy đo góc tuyệt đối :Ưu điểm ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ,ít nhiễu điện từ tuy nhiên chúngkhông đạt được độ phân giải cao như bộ cảm biến quang tốc độ với tín hiệu hình sin. 4Phương pháp xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không 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 không đồng nhất do phải lắp thêm váo trục động cơ các cảm biến.Trong một số trường hợp không thực hiện được.Vd như như trong hệ thống truyền động cao tốc hoặc khi động cơ làm việc trong môi trường độc hại. Phương pháp xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không cần bộ cảm biến tốc độ khắc phục được các nhược điểm trên.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

*********

ĐỒ ÁN MÔN: VI MẠCH SỐ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ- ĐO NHIỆT ĐỘ

BẰNG CẶP NHIỆT NGẪU DẢI ĐO TỪ 0-9999 VÒNG/PHÚT Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN THU HÀ

Nhóm sinh viên thực hiện : Nguyễn Thành Phúc 0841 240 098

Nguyễn Huy Phương 0841 240160 Nguyễn Hữu Phương 0841 240 159

LỜI MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết, khoa học công nghệ đang phát triển một cách nhanhchóng trong những năm gần đây, đặc biệt là ngành kỹ thuật điện-điện tử Sự xuấthiện của các vi mạch, IC số tổng hợp đã giúp cho kích thước mạch nhỏ gọn, tiện lợi hơn

Trải qua sự phát triển của khoa học công nghệ, giờ đây chúng ta đã chế tạo ra rất nhiều loại tần số, phục vụ trong ngành điện tử viễn thông, công nghệ thông tin, tự động hóa

Với những kiến thức được học trên lớp và tìm hiểu thực tế Trong thời gianyêu cầu nhóm em đã hoàn thành đồ án môn học với nội dung “Mạch Đo Tốc ĐộĐộng Cơ” Do kiến thức chuyên ngành còn thiếu nhiều thực tế nên đồ án khôngtránh khỏi những sai sót, mong các thầy cô góp ý kiến để đồ án được hoàn thiệnhơn

Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyến Thu Hà đã giúp đỡ nhóm em hoànthành đồ án này!

I CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Để đo tốc độ động cơ ta có rất nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu, mục đích mà ta sử dụng

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 không được ưa dùng nó dần đi vào dĩ vãng

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

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

chúngkhông đạt được độ phân giải cao như bộ cảm biến quang tốc độ với tín hiệu hình sin

4 Phương pháp xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không 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 không đồng nhất do phải lắp thêm váo trục động cơ các cảm biến

- Trong một số trường hợp không thực hiện được.Vd như như trong hệ thống truyền động cao tốc hoặc khi động cơ làm việc trong môi trườngđộc hại Phương pháp xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện

và điện áp stato mà không cần bộ cảm biến tốc độ khắc phục được cácnhược điểm trên

5 Phương pháp dùng encoder

Phương pháp đo tốc độ động cơthông 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 sốthay đôi vào tốc độ động cơ Do đó các xung vuông 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

6 Phương pháp dùng cảm biến tiệm cận

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 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 chuyểnmạch cộng từ

NGUYÊN LÝ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

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 vuông có tần số thay đổi vào tốc độ động cơ Do đó các xung vuông 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 thông qua bộ mã hóa và giải mã hiển thị ra bằng 4 Led 7 thanh

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 còn những chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt 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 lỗhay không.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 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 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

Bằng cách đếm số xung dao động do encoder tạo ra khi đông cơ hoạt động trong khoảng thời gian T

Khoảng thời gian cần để đo xung

Số lần dao động của xung trong khoảng thời gian cần đo

Khi đó có thể đếm được số xung dao động trong khoảng thời gian T từ đótính được tốc độ động cơ và hiển thị lên led qua các khối mạch

Trước tiên ta tìm hiểu các mạch sử dụng trong bài :

7 Mạch tổ hợp

1 Mã hóa

Mã hóa và giải mã không có gì xa lạ và là tất yếu trong đời sống chúng ta Nóđược dùng để dễ nhớ, dễ đặt, dễ làm,….là quy ước chung cũng có thể phổ biến

cũng có thể bí mật Chẳng hạn dùng chữ để đặt tên cho 1 con đường, cho 1 conngười, dùng số trong mã số sinh viên, trong thi đấu thể thao, quy ước đèn xanh,

đỏ, vàng tương ứng là cho phép đi,đứng, dừng trong giao thông, rồi viết bức thư

sử dụng chữ viết tắt, kí hiệu riêng để giữ bí mật hay phức tạp hơn là phải mã hoácác thông tin dùng trong tình báo, …

Trong các hệ thống số kể cả viễn thông, máy tính, các đường điều khiểntuỳ chọn hay dữ liệu được truyền đi hay xử lí đều phải ở dạng số hệ 2 chỉ gồm 1

và 0, có nhiều đường tín hiệu chỉ có 1 bit như đường điều khiển mở nguồn chomạch ở mức 1, rồi có nhiều đường địa chỉ nhiều bit chẳng hạn 110100 để CPUxác định địa chỉ trong bộ nhớ, rồi dữ liệu dạng hex gửi xuống máy in cho in ra kí

tự Tất cả các tổ hợp bit đó được gọi là các mã số (code) hay mã Và mạch tạo racác mã số gọi là mạch mã hoá (lập mã: encoder)

1.1.1 Bộ mã hóa nhị phân – thập phân ( bộ mã hoa BCD)

Bộ mã hóa nhị-thập 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

-Bảng chân lí bộ mã hóa BCD :

2 Mạch giải mã

Mạch giải mã là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá 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 Tất nhiên ngõ vào cho phép phải được bật lên cho chức năng giải mã Mạch giải mã được ứng dụng chính trong ghép kênh dữ liệu, hiển thị led 7 đoạn, giải mã địa chỉ bộ nhớ

1.1 Giải mã BCD sang led 7 đoạn

Một dạng mạch giải mã khác rất hay sử dụng trong hiển thị led 7 đoạn đó là mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch này phức tạp hơn nhiều so với mạch giải mã BCD sang thập phân đã nói ở phần trước bởi vì mạch khi này phải cho

ra tổ hợp có nhiều ngõ ra lên cao xuống thấp hơn (tuỳ loại đèn led anode chung hay cathode chung) để làm các đoạn led cần thiết sáng tạo nên các số hay kí tự.Trước hết hãy xem qua cấu trúc và loại đèn led 7 đoạn của một số đèn được cấu tạo bởi 7 đoạn led có chung anode (AC) hay cathode (KC); được sắp xếp hình số

8 vuông (như hình trên) ngoài ra còn có 1 led con được đặt làm dấu phẩy thập phân cho số hiện thị; nó được điều khiển riêng biệt không qua mạch giải mã Cácchân ra của led được sắp xếp thành 2 hàng chân ở giữa mỗi hàng chân là A chung hay K chung Thứ tự sắp xếp cho 2 loại như trình bày ở dưới đây :

Hình 2.3 Cấu trúc và chân ra của 1 dạng led 7 đoạn

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 ohmvới 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)

3 Mạch dãy

Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ được tạo bởi các mạch lật và các mạch logic cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biến vào mà còn phụ thuộc vào cả trạng thái hiện tại của mạch

3.1 Thanh ghi và thanh ghi dịch

Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lưu giữ dưc liệu hoặc biến đổi dữ liệu số từ nối tiếp sang song song và ngược lại mỗi mạch lật chỉlưu giữ được 1 bit, vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải tạo từ bấy nhiêu mạch lật

Thanh ghi nhận dữ liệu song song

Mạch chốt dữ liệu :

Mạch dao động hình Sin.

Mạch dao động đa hài

Mạch dao động nghẹt

Mạch dao động dùng IC

II LINH KIỆN TRONG BÀI :

- IC NE 5555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian

- Điện trở 1k,217.0475 k

- Tụ điện (0.01 uF tụ thường) ,(0.001 F)

- IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân

- Động cơ encoder : 100xung/vòng

- SEG 7Vạch cathode chung,

- Ic 74ls190 và Ic 74hc4511,

- Cổng NOT, AND

- Điện trở băng rx8(200)

- Switch (Chuyển mạch 2 cổng )

- Nguồn điện cần thiết

A Tìm hiểu về các linh kiện

1 IC 555

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

Sơ đồ khối 555 :

- Chân 1 (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân còn gọi làchân chung.

- Chân 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 sanh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc

- Chân 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 cáo nó tương ứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V 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 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch

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 ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF->0.1uF các 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 ápkhác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu

- Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịuđiều 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 cho mạch R_C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

- Chan 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

2 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 lần kích một xung vào, một chân sé 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 ở mức cao, 5 xung tiếp theo (từ Q5 – Q9 lần lượt lên mức cao) CO ở mức thấp

Sơ đồ xung ra ở các chân:

Mạch dùng IC 4017 tạo ra bộ đếm :

4 IC đếm BCD 74ls190

Là IC tích hợ bộ đếm thập phân đồng bộ, đầu ra song song.Nó có chức năng đếm thuận hoặc nghịch.Đặc biệt có thể đặt trước giá trị đếm với chân điều khiển giá nạp giá trị

Chức năng các chân:

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

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

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

8 Chân cấp xung clock CLK :14

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

10 Chân cho phép đếm Enable :4

11 Chân nạp giá trị load :11

12 Chân xung đếm ra RCO :13

Bảng trạng thái các chân chức năng đặc biệt :

Giản đồ xung của 74ls190 :

4 IC giải mã 74hc4511

- 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 một tập 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 hoạt động bình thường , còn = 1 thì dữ nguyên trạng thái ở các đầu ra ,và dữ cho đến 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 sẽ luân phiên nhau được nhớ trong tế bào 4 bít ,vậy khi chân số 5 này ở mức 0 giả sự gọi là đóng cửa thì IC hoạt động bình thường không vấn đề gì ,nhưng

khi nó = 1 tức là mở cửa thì dữ liệu trong tế bào nhớ trào ra và đẩy liên tục vào 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

5 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

B Tính toán thiết kế mạch mô phỏng

1 Sơ đồ khối hệ thống :

2 Khối mạch tạo xung đến giây dùng IC 555:

Bộ tạoxung 1Hz

Bộ đếm 4chỉ sốBCD

Nguồn t/

h cần đo

Start Stop

4 bộ giải

mã 7Seg

Hiển Thị Led 7Seg

Khối tín hiệu được sử dụng băng cổng AND 7408 khi mạch ở chế độ hoạt đông đầu ra của cổng là mức thấp 0 và khi đạt mức cao thì mạch sẽ dừng.

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

6 Cổng AND

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