Đo tần tốc độ động cơ và giám sát nhiệt độ

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 daođộng tạo xung dòng , xung mành trong Tivi, tạ

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

Nguyễn Tùng Lâm 0841240146

Dương Cao Lộc 0841240170

Lời nói đầu:

Trong thời đại ngày nay, việc tự động hóa trong các ứng dụng thực tiễn và quá trình sản xuất mang một ý nghĩa vô cùng to lớn.Có thể nói tự động hóa

là ngành đánh dấu cho sự phát triển của công 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 chuyên ngành Tự động hóa của trường Đại học Công nghiệp

Hà Nội, chúng em luôn trao dồi kiến thức để có nền tảng ,phát huy được tính sáng tạo

Nhắc tới Tự động hóa không thể không nhắc tới bộ môn : “Vi mạch tương

tự và vi mạch số” Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu và tham khảo

nhóm chúng em đã hoàn 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 toán và chọn động cơ sao cho cần thiết là vô cùng quan trọng Cũng tương tự như vậy, nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường thấy ở ngoài thực tiễn cũng như trong kĩ thuật và sản xuất, việc đo nhiệt độ cũng chính vì thế là một yêu 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 tínhtoán được nhiệt độ !

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo: Nguyễn Thu Hà đã giảng dạy

chúng em bộ môn “ Vi mạch tương tư và vi mạch số ” cũng như đã giúp đỡ chúng em rất nhiều để hoàn 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 cô 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 yêu cầu công 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 độdung cặp nhiệt ngẫu để giám sát nhiệt độ( dải đo từ 0 (100+n))

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 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 BCDGiải mã BCD sang led 7 đoạn, 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

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 daođộng 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 yêu 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 không 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

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

1.2.4 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

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

1.2.5.Phương pháp dùng encoder

Phương pháp đo tốc độ động cơ thông 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

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 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 tín hiệu 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 chuyển mạch cộng từ

1.3.Trình bày về nguyên 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 vuông có tần số thay đổi vàotốc 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

lỗ hay 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

1.4.Các linh kiện cần dùng trong bài:

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

CHƯƠNG II THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

-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 đượccho vào bộ khuếch đại để cho về điện áp chuẩn

KHỐI ĐẾM

KHỐI GIẢI MÃ

KHỐI HIỂN THỊ

Sử dụng IC74ls47

Hiển thị qualed 7 thanh

-Khối chuyển đổi U-I : 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 báođộng 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:

Bộ tạo xung IC555

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 :

-Khối chuẩn hóa U-I:

Ta có bộ chuyển đổi U-I đảo, với dòng điện đầu ra từ 0-20mA

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

là chân 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 Trạngthái 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

áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu

- Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều 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

Ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo

xung đóng cắt hay là những mạch dao

động

2.4.2 IC chia tần 4017:

IC 4017 là ic đếm thập phân tức đếm hệ 10, nó đếm xung clock Khi ta đưa tín hiệu xung vào chân clock thì ic sẽ đếm xung và xuất ra 10 output tương ứng với 1 xung clock

Sơ đồ chân:

IC 4017 có tổng cộng số chân là 16 Chức năng của từng chân như sau:

-Chân số 16: là chân nguồn Vcc hoạt động ở mức điện áp cho phép từ 3÷15V.-Chân số 8 : là chân nối Mass

-Chân số 15: là chân Master Reset hoạt động tích cực ở mức thấp có nhiệm vụ làm ngõ ra sẽ đếm trở lại về vị trí hoạt động ban đầu

-Chân số 14: là chân xung Clock hoạt động tích cực ở mức cao.Chân này có chức năng đưa xung Clock từ ngoài vào để IC hoạt động

-Chân số 13: cũng là chân xung nhưng hoạt động ở mức thấp Ở trạng thái bình thường chân 14 ở mức cao, chân 13 ở mức thấp thì IC hoạt động bình thường, các ngõ ra sẽ lần lượt xuất giá trị.Trong quá trình ngõ ra đang hoạt động ta kích

còn lại các ngõ sẽ ở mức thấp hết.

-Chân 3,2,4,7,10,1,5,6,9,11 lần lượt sẽ là thứ tự các giá trị xuất ra

-Chân 12: hoạt động ở mức thấp trong 5 giá trị xuất ra đầu tiên và hoạt động ở mức cao trong 5 giá trị xuất ra tiếp theo

Mạch dùng IC 4017 tạo ra bộ đếm :

Kí hiệu &bảng chân lí:

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 toán 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:

-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

IC 7490 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5:

- Bộ chia 2 do Input A điều khiển đầu ra Q A

- Bộ chia 5 do Input B điều khiển đầu ra Q B, Q C, Q D.

Đầu vào A, B tích cực ở sườn âm

Để tạo thành bộ đếm 10 ta nối đầu ra Q A vào chân CKB để tạo xung kíchcho bộ đếm 5

đủ cao để thúc trực tiếp các đèn led 7 đoạn loại anod chung

- Hình dạng và sơ đồ chân:

Chân 1: BCD B Input Chân 7: BCD A Input.

Chân 3: Lamp Test Chân 9: 7-Segment e Output.Chân 4: RB Output Chân 10: 7-Segment d Output

Chân 6: BCD D Input Chân 12: 7-Segment b Output

Chân 13: 7-Segment f Output

* Nguyên lý hoạt động:

IC 74LS47 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt, mức 0 làsáng, tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn loại anodechung, trạng thái ngõ ra cũng tương ứng với các số thập phân (các số từ 10đến 15 không được dùng tới)

Ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên mức 1 cho hoạt động giải mãbình thường Nếu nối lên mức 0 thì các ngõ ra đều tắt bất chấp trạng tháingõ ra

Ngõ vào RBI được để không hay nối lên mức 1 dùng để xoá số 0 (số o thừaphía sau số thập phân hay số 0 trước số có nghĩa) Khi RBI và các ngõ vào D,

C, B, A ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vàoxoá dợn sóng RBO xuống mức thấp

Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng

Kết quả là khi mã số nhị phân 4 bit vào có giá trị thập phân từ 0 đến 15 đènled hiển thị lên các số như ở hình bên Chú ý là khi mã số nhị phân vào là1111= 1510 thì đèn led tắt

B Khuyếch đại không đảo: Chân 3 nối với tín hiệu vào và tín hiệu ra không đảo

Op Amp là một công 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 -

Khi V + < V - Khi V + = V -

2.4.8 Cặp nhiệt ngẫu:

1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) Sứ cách điện

5) Bộ phận lắp đặt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) Đầu nối dây

Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khíhoặc hàn bằng tia điện tử Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ cácvít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8) Để cách ly các điện cực người ta dùngcác ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ vànhiệt ở nhiệt độ làm việc Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1)làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệtdung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫnnhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lớn Trường hợp vỏ bằng thépmối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp

Nhiệt độ cần đo được xác định thông qua việc đo sức điện động sinh ra ở haiđầu dây của cặp nhiệt ngẫu Độ chính xác của phép đo sức điện động của cặpnhiệt ngẫu phụ thuộc nhiều yếu tố Muốn nâng cao độ chính xác cần phải:

- Giảm thiểu ảnh hưởng của tác động của môi trường đo lên nhiệt độ đầu tự do

- Giảm thiểu sự sụt áp do có dòng điện chạy qua các phần tử của cảm biến vàmạch đo.

2.5.Sơ đồ nguyên lí mạch và nguyên lí hoạt động:

CHÚ Ý: Để tiện theo dõi và quan sát ta tách từng mạch ra để phân tích và

giải thích, nhưng thực tế khi ta sử dụng 2 mạch sẽ đồng thời hoạt động

2.5.1.Mạch đo tốc độ động cơ bằng encoder: