Đồ án THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER

ĐẠI HỌC CễNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN —&œ– ĐỒ ÁN MễN HỌC VI MẠCH TƯƠNG TỰ & VI MẠCH SỐ Nhúm 7 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER Giỏo viờn hướng dẫn : Nguyễn Văn Vinh Sinh viờn thực hiện : Lương Đức Lợi MSSV : 0641240176 Lớp : ĐH TĐH3 – K6 Hà nội, Dec 2012 ( Dỏn tờ thầy phỏt vào đõy J ) NHẬN XẫT CỦA GIÁO VIấN HƯỚNG DẪN e&f ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ Giỏo viờn hướng dẫn GVC.Th.S NGUYỄN VĂN VINH Mục Lục Lời mở đầu Trong thời đại ngày nay, việc tự động hoỏ trong quỏ trỡnh sản xuất và ứng dụng mang một ý nghĩa hết sức to lớn, cú thể núi ngành tự động hoỏ là ngành đỏnh giỏ sự phỏt triển cụng nghiệp của thế giới núi chung và một quốc gia núi riờng. Sự tự động hoỏ trong sản xuất làm tăng năng suất, giảm giỏ thành, nõng cao chất lượng sản phẩm và tiếp cận thõu túm thị trường. Những chỉ số đú là những mục tiờu mà cỏc doanh nghiệp luụn muốn hướng đến và cải thiện. Vỡ tầm quan trọng quỏ to lớn như vậy nờn là sinh viờn chuyờn ngành tự động hoỏ, chỳng tụi càng phải trau dồi kiến thức cho mỡnh để cú nền tảng phỏt huy tớnh sỏng tạo sau này phỏt triển đất nứơc. Động cơ là một thiết bị phổ biến , được sử dụng rất rộng rói trong cỏc lĩnh vực, chớnh vỡ thế việc đo tốc độ động cơ là vụ cựng quan trọng để tớnh toỏn sử dụng động cơ. Sau một thời gian làm việc, nghiờn cứu, tham khảo chỳng em đó hoàn thành đề tài ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER trờn cơ sở lý thuyết. Chỳng em cũng chõn thành cảm ơn đến thầy : Th.s Nguyễn Văn Vinh. Đó giảng dạy chỳng em kiến thức bổ ớch về bộ mụn “Vi mạch tương tự và vi mạch số “ Tuy vậy nhưng do lượng kiến thức cú hạn ,trong thời gian ngắn nờn đề tài của nhúm em cũn nhiều thiếu sút, kớnh mong thầy cụ giỳp đỡ thờm . Chỳng em xin chõn thành cảm ơn ! Sinh viờn Thực hiện đồ ỏn Lương Đức Lợi Chương 1. Tỡm hiểu chung về mạch tổ hợp,mạch dóy và mạch dao động. I.Mạch tổ hợp 1.Khỏi quỏt Mạch logic tổ hợp là mạch logic ở đó giá trí logic của các tín hiệu ra không phụ thuộc vào trạng thái cũ của mạch, mà hoàn toàn xác định bởi giá trị logic của các cửa vào của mạch ở thời điểm đó. Khi tổng hợp mạch logic tổ hợp ta cần tuân thủ các bước dưới đây: Lập bảng chức năng logic của mạch. Đó là bảng chân lí hay bảng trạng thái, là bảng giá trị các biến ra tương ứng với tổng tổ hợp của các biến vào. Từ bảng trạng thái xác định biểu thức hàm logic hoặc bảng Các nô. Tiến hành tối thiểu hoá hàm logic và đưa về dạng thuận lợi để triển khai hàm thông qua các mạch logic cơ bản. Cỏc phương phỏp tối thiểu húa hàm logic - Tối thiểu hoá hàm logic bằng cách sử dụng các định luật cơ bản của đại số logic. - Tối thiểu hoá hàm logic bằng biểu đồ Các nô. 1.2 Tổng hợp hàm logic ràng buộc Khỏi niệm về hàm logic ràng buộc Hàm số n biến có 2n tổ hợp biến, tương ứng với mỗi tổ hợp biến đó hàm số có giá trị 1 hoặc 0. Nhưng cũng có những trường hợp với một số tổ hợp biến số hàm số của các biến đó không xác định được giá trị theo một điều kiện nào đó. Phần tử ràng buộc hay số hạng ràng buộc là tổ hợp biến tương ứng với trường hợp hàm số không xác định, số hạng ràng buộc luôn bằng 0. Điều kiện ràng buộc là biểu thức logic tạo bởi tổng các phần tử ràng buộc. Vậy điều kiện ràng buộc cũng luôn bằng 0. Hàm logic ràng buộc là hàm số logic xác định với điều kiện ràng buộc. Tối thiểu hoá hàm logic ràng buộc có 2 cách: tối thiểu hoá bằng công thức hoặc bằng bảng các nô. 2.bộ mó húa và bộ giải mó 2.1 bộ mó húa nhị - thập phõn ( bộ mó húa BCD ) Bộ mó húa nhị thập phõn là bộ mó húa cú nhiệm vụ chuyển 10 chữ số thập phõn thành mó hệ nhị phõn . Dạng mó này cũn được gọi là mó BCD ( Binary Code Decimal ). Bộ mó húa (BCD) Mó thập phõn Mó nhị phõn Bảng chõn lý bộ mó húa BCD theo mó 8421 (sgk t121) Sơ đồ nguyờn lý bộ mó húa nhị thập phõn (sgk t121) 2.2 Bộ giải mó nhị -thập phõn ( bộ giải mó BCD) Bộ giải mó BCD cú 4 cửa vào là 4 bit nhị phõn , ký hiệu chỳng theo trọng số giảm dần là D,C,B,A. cú cỏc cửa ra là 10 sụ hệ thập phõn ( số 0 đến số 9 ), kớ hiệu chỳng là y0,y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8,y9. ứng với mỗi tổ hợp biến vào chỉ cú 1 biến ra xuất hiện . Quy định mức thấp ( mức 0 ) là mức tớch cực của biến ra . Bảng chõn lý bộ giải mó BCD theo mó 8421 (sgk t.122 ) Sơ đồ nguyờn lý bộ giải mó BCD (sgk t.124) II,Mạch dóy Khỏi niệm mạch dóy. +, Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ được tạo bởi các mạch lật, các mạch cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biến vào mà còn phụ thuộc cả vào trạng thái hiện tại của mạch. +, Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lưu giữ dữ liệu hoặc biến đổi dữ liệu số từ nối tiếp sang song song và ngược lại. Mỗi mạch lật chỉ lưu giữ được một bit. Vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải được tạo tử bấy nhiêu mạch lật. Thanh ghi nhận dữ liệu song song (sgk t 131) Thanh ghi nhận dữ liệu song song dài 4 bit cú 4 mạch lật kiểu D kớ hiệu theo thứ tự F0-F3 .4 bit dữ liệu đến ngừ vào D của 4 mạch lật D0-D3 . Q0-Q3 là ngừ ra của 4 mạch lật cũng là ngừ ra của thanh ghi . Q3Q2Q1Q0 = D3D2D1D0 Bộ ghi dịch (Hỡnh sgk t 132) Bộ đếm Là thiết bị đếm được số xung đến cửa vào , đầu ra của bộ đếm là số lượng dung đếm được . Bộ đếm rất đa dạng , ở đõy ta xột 2 loại là Bộ đếm nhị phõn đồng bộ và bộ đếm thập phõn đồng bộ -, Bộ đếm nhị phõn đồng bộ Số xung đếm được là N= 2^n ( hỡnh 7.34 t.132) Gồm 4 mạch lật kiểu Jk kớ hiệu từ F0-F3 ,sử dụng 4 mạch NAND tạo mạch logic tổ hợp điều khiển .Xung đồng bộ đồng thời cấp đến cả 4 mạch lật. cửa vào J,K mạch lật thứ nhất (F0) đều cú mức “1” Q0-Q3 là cỏc ngừ ra của bốn mạch lật cũng là ngừ ra giữ liệu của bộ đếm. Giản đồ thời gian (7.35 t 133) -,Bộ đếm thập phõn đồng bộ Bộ đếm thập phõn đồng bộ là bộ đếm 4 bit chỉ đếm 10 xung CP . nội dung bộ đếm là mó nhị phõn của 10 chữ số thập phõn 0-9 ,gọi là mó BCD. Vậy mạch tạo bởi 4 mạch lật và cỏc mạch cổng logic. Một trong số cỏc bộ đếm thập phõn đồng bộ theo mó BCD 8421 cú sơ đồ như hỡnh (7.36 t133) Mạch cú 4 mạch lật kiểu JK đc kớ hiệu từ F0-F3 và sử dụng 5 mạch AND xung đồng thời cấp cả đển 4 mạch lật . cửa vào J,K của mạch lật thứ nhõt (mạch F0) đều cú mức” 1” Q0-Q3 là cỏc ngừ ra của 4 mạch lật cũng là ngừ dữ liệu của bộ đếm. C là đầu ra nhớ hàng thập phõn cao hơn của bộ đếm. Ta thực hiện việc phõn tớch bộ đếm theo cỏc bước dưới đõy B1: Xỏc định cỏc loại phương trỡnh ( phương trỡnh định thời, phương trỡnh đầu ra,phương trỡnh kớch) B2: Xỏc định phương trỡnh trạng thỏi B3: Xõy dựng bảng tớnh toỏn. B4: Lập bảng trạng thỏi, vẽ sơ đồ hỡnh trạng thỏi Đồ thị dạng súng của bộ đếm thuận thập phõn đồng bộ với mó BCD 8421 ( hỡnh 7.38 t.136) III. Mạch dao động. 1. Khỏi niệm Mạch dao động là mạch điện tử tạo ra tín hiệu đổi theo chu kỳ. Dựa vào dạng tín hiệu do mạch dao động tạo ra, người ta chia mạch dao động ra làm: mạch dao động hình sin (dao động điều hoà) và mạch dao động tạo xung. Mạch dao động tạo được tín hiệu có tần số từ vài Hz đến hàng nghìn MHz. Các mạch dao động sử dụng các phần tử tích cực là: tranzitor ( loại lưỡng cực hoặc FET), điốt-tuynen, mạch tích hợp KĐTT hoặc các mạch tích hợp với các chức năng khác. Các tham số cơ bản của mạch dao động gồm: tần số tín hiệu ra, công suất ra và hiệu suất của mạch. Ta thường gặp các nguyên tắc dao động như: tạo dao động bằng hồi tiếp dương và tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch. 2. Điều kiện dao động. Ta xét sơ đồ khối mạch dao động mô tả như trên hình 1.1. Trong đó, ta kí hiệu và gọi X’I - tín hiệu vào dạng phức, X’O – tín hiệu ra dạng phức và X’F – tín hiệu phản hồi dạng phức. 1 X’I a X’F a’ X’O 2 Hình 1.1: Mô tả cách xác định điều kiện dao động Khối 1: khối khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức: K’ = KejαK Với K là môđun hàm truyền đạt khối khuếch đại và αK là góc pha đầu hàm truyền đạt khối khuếch đại. Khối 2 là khối hồi tiếp khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức: K’ = KFejαF Với KF là mô đun hàm truyền đạt khối phản hồi và αF là góc pha đầu hàm truyền đạt khối phản hồi. Giả định có tín hiệu vào dạng phức là X’I, tích các hệ số khuếch đại vòng K’K’F =1, thì tín hiệu phản hồi và tín hiệu vào bằng nhau cả về biên độ góc pha, nghĩa là: X’F = X’I. Khi đó 2 điểm a và a’ có thể nối được với nhau mà tín hiệu ra X’O không thay đổi. Vậy mạch tạo dao động được tín hiệu ra mà không cần có kích thích cửa vào. Ta suy ra điều kiện để duy trì dao động là tích các hệ số khuếch đại dạng phức vòng kín bằng 1. Hay có thể viết: K’K’F =KKFej(αK + αF) (1.1) Có thể tách điều kiện (1.1) ra làm 2 biểu thức: Điều kiện cân bằng biên độ: KKF = 1 Điều kiện cân bằng các góc pha: αK + αF = 2πn với 0,+1,-1,… 3. Kết luận. Mạch dao động là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng phản hồi dương ra quay lại đầu vào. Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn một chiều được cung cấp. Mạch phải bảo đảm cân bằng biên độ và cân bằng pha. Mạch dao động chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng một chiều thành xoay chiều. Mạch dao động chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để bảo đảm cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập. Chương 2: Thiết kế sơ đồ mạch. I. Sơ đồ khối. Khối tạo xung Khối đếm Khối giải mó Khối hiển thị Mạch đếm hàng đơn vị dựng IC74LS90 Mạch giải mó BCD dựng IC74LS47 Hiển thị hàng đơn vị qua led 7 thanh Động cơ và encoder Khối cổng Khối mở cổng và reset Hiển thị hàng chục qua led 7 thanh Mạch đếm hàng chục dựng IC74LS90 Mạch giải mó BCD dựng IC74LS47 Mạch đếm hàng trăm dựng IC74LS90 Mạch giải mó BCD dựng IC74LS47 Hiển thị hàng trăm qua led 7 thanh Khối tạo xung dựng IC555 Hiển thị hàng nghỡn qua led 7 thanh Mạch đếm hàng nghỡn dựng IC74LS90 Mạch giải mó BCD dựng IC74LS47 * Nhiệm vụ cỏc khối: Khối tạo xung: là 1 IC 555 để tạo xung vuụng với tần số phự hợp. Khối đếm: Gồm cỏc IC7490 được ghộp nối với nhau để tạo thành cỏc hệ đếm phự hợp. Khối giải mó: Gồm cỏc IC7447 để giải mó BCD để đưa ra khối hiển thị. Khối hiển thị: Hiển thị tớn hiệu sau giải mó qua LED 7 đoạn Ngoài ra cú 2 nỳt ấn : + Nỳt bấm : gồm 1 nỳt ấn, để khi ấn cấp xung từ IC 555 cho IC 74LS90 + Nỳt Reset : cho toàn bộ hệ thống về thời điểm ban đầu II. Hoạt động của từng khối. 1. Khối tạo xung: 1.1khối tạo xung mở cổng Khối xung tạo mở cổng Khối tạo xung mở cổng gồm 1 mạch tạo xung dựng ic 555, một ic chia tần số 4017, cỏc hàm logic AND, NOT. Và một số linh kiện phụ khỏc. 1.2. Khối reset. Nhiệm vụ của khối reset là reset lại bộ đếm để hiển thị về 0 và cho reset để cấp xung lại cho 4017. Chỳng ta cần nỳt bấm cấp nguồn 1 1 đầu được nốt với nguồn +5v đầu cũn lại nối chia làm 2 nhỏnh: 1 nối với cỏc chõn reset của cỏc ic đếm, và 1 nối với chõn số 15 của IC chia tần của ic 4017. 1.3. Động cơ và encoder. Một trong những thành phần khụng thể thiếu trong mạch đo tốc độ chớnh là động cơ, với những yờu cầu đo thực tế ta cú cỏc loại động cơ khỏc nhau. Trong thị trường cú nhiều loại encoder, nhưng với yờu cầu bài toỏn ban đầu chỳng em xin chọn loại encoder cú số xung trờn vũng là : 100xung/1 vũng, tức là khi động cơ quay được 1 vũng thỡ ở chõn A,B của encoder sẽ cấp ra 100 xung. Encoder : 100xung/ vũng Chọn encoder của hóng omron, seria: ENH -100-2-L-5, 24 ENCODER( ENH)Loại IncrementalENH -100-2-L-5, 24Độ phõn giải: 100 xung/ vũngPha ra tạo xung bự: A, BNgừ ra: Line driverNguồn cung cấp: 5VDC 1.4. Khối cổng. Nhiệm vụ: chỉ cho tớn hiệu đi qua trong một đơn vị thời gian nào đú, tớn hiệu mở cổng được lấy từ khối xung mở cổng Chọn linh kiện: AND, Not. Khối cổng Khi tớn hiệu ở 2 chõn của hàm AND ở mức 1 sẽ cho tớn hiệu đi qua vào bộ đếm. 2.Khối đếm ( IC 74L90) 3. Khối giải mó (IC 74LS47) IC74LS47 là loại IC giải cú chức năng ngược lại với mạch mó hoỏ. Mục đớch sử dụng phổ biến nhất của mạch giải mó là làm sỏng tỏ cỏc đốn để hiển thị kết quả ở dạng chữ số. Do cú nhiều loại đốn hiển thị và cú nhiều loại mó số khỏc nhau nờn cú nhiều mạch giải mó khỏc nhau. 4. Khối hiển thị. Hiển thị dựng led 7 đoạn loại anode chung do đầu ra của IC 7447 cú mức tớch cực là mức 0 ( mức thấp). Ở loại anode chung ( anode của đốn được nối lờn +5V, đoạn nỏo sỏng ta nối đầu cathode của đoạn đú xuống mức thấp thụng qua điện trở để hạn dũng. Nỳt Đo/reset II. Sơ đồ nguyờn lớ. Sơ dồ nguyờn lớ Tốc độ Vũng/phỳt Led 7 thanh O 1 Khối cổng, đếm , giải mó. Động cơ encoder NGUỒN Nguyờn lớ làm việc. Nguyờn lớ đo tốc độ động cơ: Nhấn nỳt “START” để bắt đầu quỏ trỡnh( khụng nờn đo ngay khi vừa khởi động mạch vỡ cỏc phần tử khởi động chưa hoạt động ổn định kết quả đo khụng chớnh xỏc). Lỳc này xung đi ra từ mạch tạo xung sẽ được đi qua IC 4017 tạo thành xung mở cổng đến 1 chõn của hàm logic AND tại đõy kết hợp với tớn hiệu ra của encoder và cổng AND tớn hiệu đi qua vào khối đếm, giải mó và hiển thị trờn bộ led 7 thanh chớnh là tốc độ của động cơ. Muốn thu được kết quả chớnh xỏc ta nờn đo lại nhiều lần Khi đo lại chỳng ta nhấn nỳt “reset” để lặp lại quỏ trỡnh. Yờu cầu cụng nghệ: đưa ra được tốc độ với đơn vị là vũng/phỳt. ở đõy ta sử dụng encoder 100xung/vũng. Vỡ vậy Bản chất của mạch đo tốc độ này là đếm xung encoder trong 1 phỳt. Tốc độ đo được cần hiển thị là số xung encoder đếm được chia cho 100 được kết quả vũng/phỳt. (1 vũng cú 100 xung). Phõn tớch bài toỏn ta thấy thời gian đo 1 lần để cú được kết quả mất 1 phỳt, như vậy sẽ rất tốn thời gian, khụng phự hợp với nhu cầu thực tế. Vỡ vậy ta đếm xung encoder trong 0.6s, số xung đếm được chớnh là tốc độ động cơ đơn vị vũng/phỳt. tớnh toỏn thụng số. T= 0,6s t.on= 2 toff=0.4s RA=RB=10k T= 0.69(Ra+ 2Rb )C Suy ra C = 28.9uF Chương 3: xõy dựng chương trỡnh mụ phỏng ở đõy chỳng ta sẽ xõy dựng mụ hỡnh mụ phỏng trờn mạch proteus. chọn thiết bị Nhấn chuột trỏi vào biểu tượng P(pick from libraries) chương trỡnh sẽ hiện ra 1 màn hỡnh chọn linh kiện, ta gừ tờn linh kiện cần tỡm vào ụ trống vào ok để lấy linh kiện, bài của chỳng ta cần dựng cỏc linh kiện sau: IC 7490, IC 7447, IC 7404(not), IC7408(And), 7seg-anot (led 7 thanh), IC 555, IC 4017, Điện trở 3wat10k, tụ điện CAP, nỳt bấm BUTTON, cụng tắc SWITCH, motor-encoder, RESPACK-7(Trở thanh). Sau đú ta sẽ vẽ mạch như hỡnh sau: Sau khi vẽ xong chỳng ta nhấn play để thực hiện mụ phỏng. Ấn cụng tắc start để đo tốc độ động cơ, ấn reset để đo lại. Ta thu được kết quả như sau. Tốc độ thực của động cơ n= 180v/phỳt Trong quỏ trỡnh đo cú thể xuất hiện sai số, sai số trong mức khụng ảnh hưởng quỏ lớn đến độ chớnh xỏc, nờn cú thể chấp nhận được. Kết Luận. Nhiệm vụ đo tốc độ là vụ cựng quan trọng trong quỏ trỡnh điều khiển cỏc mỏy múc cú chuyển động quay, vỡ vậy khõu đo tốc độ cần phải đảm bảo độ kế của thiết bị, trỏnh được những hậu quả những tỏc hại xấu do khụng kiểm soỏt được tốc độ làm việc của mỏy múc chớnh xỏc cao để đảm bảo được hiệu suất của quỏ trỡnh sản xuất, đỳng với thiết. Sau một thời gian tỡm hiểu tài liệu và kiến thức cú được của mụn vi mạch số và vi mạch tương tự, được hướng dẫn của thầy giỏo bộ mụn. Em đó hoàn thành bài tập lớn Đo tốc độ động cơ dựng encoder 100 xung, do kiến thức về mạch điện tử, chưa cú kinh nghiệm nờn trong quỏ trớnh thiết kế vẫn dựa nhiều vào lớ thuyết nờn khi ỏp dụng vào thực tế cú những sai sút ngoài ý tưởng ban đầu. Nờn mong muốn nhận được tư vấn gúp ý của thầy giỏo và cỏc bạn sinh viờn kĩ thuật để bài của em được hoàn thiện hơn. Một lưu ý nhỏ, với ý tưởng xõy dựng khả năng đo được tốc độ của cỏc loại động cơ với n< 9999 vũng/phỳt. Và đo chớnh xỏc khi tốc độ động cơ ổn định