Đề tài Thiết kế mạch đo tốc độ bằng encoder

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN —&œ– ĐỒ ÁN MÔN HỌC VI MẠCH TƯƠNG TỰ & VI MẠCH SỐ Nhóm 7 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Vinh Sinh viên thực hiện : Lương Đức Lợi MSSV : 0641240176 Lớp : ĐH TĐH3 – K6 Hà nội, Dec 2012 ( Dán tờ thầy phát vào đây J ) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN e&f ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ Giáo viên hướng dẫn GVC.Th.S NGUYỄN VĂN VINH Mục Lục Lời mở đầu Trong thời đại ngày nay, việc tự động hoá trong quá trình sản xuất và ứng dụng mang một ý nghĩa hết sức to lớn, có thể nói ngành tự động hoá là ngành đánh giá sự phát triển công nghiệp của thế giới nói chung và một quốc gia nói riêng. Sự tự động hoá trong sản xuất làm tăng năng suất, giảm giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm và tiếp cận thâu tóm thị trường. Những chỉ số đó là những mục tiêu mà các doanh nghiệp luôn muốn hướng đến và cải thiện. Vì tầm quan trọng quá to lớn như vậy nên là sinh viên chuyên ngành tự động hoá, chúng tôi càng phải trau dồi kiến thức cho mình để có nền tảng phát huy tính sáng tạo sau này phát triển đất nứơc. Động cơ là một thiết bị phổ biến , được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực, chính vì thế việc đo tốc độ động cơ là vô cùng quan trọng để tính toán sử dụng động cơ. Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu, tham khảo chúng em đã hoàn thành đề tài ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER trên cơ sở lý thuyết. Chúng em cũng chân thành cảm ơn đến thầy : Th.s Nguyễn Văn Vinh. Đã giảng dạy chúng em kiến thức bổ ích về bộ môn “Vi mạch tương tự và vi mạch số “ Tuy vậy nhưng do lượng kiến thức có hạn ,trong thời gian ngắn nên đề tài của nhóm em còn nhiều thiếu sót, kính mong thầy cô giúp đỡ thêm . Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên Thực hiện đồ án Lương Đức Lợi Chương 1. Tìm hiểu chung về mạch tổ hợp,mạch dãy và mạch dao động. I.Mạch tổ hợp 1.Khái quát M¹ch logic tæ hîp lµ m¹ch logic ë ®ã gi¸ trÝ logic cña c¸c tÝn hiÖu ra kh«ng phô thuéc vµo tr¹ng th¸i cò cña m¹ch, mµ hoµn toµn x¸c ®Þnh bëi gi¸ trÞ logic cña c¸c cöa vµo cña m¹ch ë thêi ®iÓm ®ã. Khi tæng hîp m¹ch logic tæ hîp ta cÇn tu©n thñ c¸c b­íc d­íi ®©y: LËp b¶ng chøc n¨ng logic cña m¹ch. §ã lµ b¶ng ch©n lÝ hay b¶ng tr¹ng th¸i, lµ b¶ng gi¸ trÞ c¸c biÕn ra t­¬ng øng víi tổng tæ hîp cña c¸c biÕn vµo. Tõ b¶ng tr¹ng th¸i x¸c ®Þnh biÓu thøc hµm logic hoÆc b¶ng C¸c n«. TiÕn hµnh tèi thiÓu ho¸ hµm logic vµ ®­a vÒ d¹ng thuËn lîi ®Ó triÓn khai hµm th«ng qua c¸c m¹ch logic c¬ b¶n. Các phương pháp tối thiểu hóa hàm logic - Tèi thiÓu ho¸ hµm logic b»ng c¸ch sö dông c¸c ®Þnh luËt c¬ b¶n cña ®¹i sè logic. - Tèi thiÓu ho¸ hµm logic b»ng biÓu ®å C¸c n«. 1.2 Tổng hợp hàm logic ràng buộc Khái niệm về hàm logic ràng buộc Hµm sè n biÕn cã 2n tæ hîp biÕn, t­¬ng øng víi mçi tæ hîp biÕn ®ã hµm sè cã gi¸ trÞ 1 hoÆc 0. Nh­ng còng cã nh÷ng tr­êng hîp víi mét sè tæ hîp biÕn sè hµm sè cña c¸c biÕn ®ã kh«ng x¸c ®Þnh ®­îc gi¸ trÞ theo mét ®iÒu kiÖn nµo ®ã. PhÇn tö rµng buéc hay sè h¹ng rµng buéc lµ tæ hîp biÕn t­¬ng øng víi tr­êng hîp hµm sè kh«ng x¸c ®Þnh, sè h¹ng rµng buéc lu«n b»ng 0. §iÒu kiÖn rµng buéc lµ biÓu thøc logic t¹o bëi tæng c¸c phÇn tö rµng buéc. VËy ®iÒu kiÖn rµng buéc còng lu«n b»ng 0. Hµm logic rµng buéc lµ hµm sè logic x¸c ®Þnh víi ®iÒu kiÖn rµng buéc. Tèi thiÓu ho¸ hµm logic rµng buéc cã 2 c¸ch: tèi thiÓu ho¸ b»ng c«ng thøc hoÆc b»ng b¶ng c¸c n«. 2.bộ mã hóa và bộ giải mã 2.1 bộ mã hóa nhị - thập phân ( bộ mã hóa BCD ) Bộ mã hóa nhị thập phân là bộ mã hóa có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số thập phân thành mã hệ nhị phân . Dạng mã này còn được gọi là mã BCD ( Binary Code Decimal ). Bộ mã hóa (BCD) Mã thập phân Mã nhị phân Bảng chân lý bộ mã hóa BCD theo mã 8421 (sgk t121) Sơ đồ nguyên lý bộ mã hóa nhị thập phân (sgk t121) 2.2 Bộ giải mã nhị -thập phân ( bộ giải mã BCD) Bộ giải mã BCD có 4 cửa vào là 4 bit nhị phân , ký hiệu chúng theo trọng số giảm dần là D,C,B,A. có các cửa ra là 10 sô hệ thập phân ( số 0 đến số 9 ), kí hiệu chúng là y0,y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8,y9. ứng với mỗi tổ hợp biến vào chỉ có 1 biến ra xuất hiện . Quy định mức thấp ( mức 0 ) là mức tích cực của biến ra . Bảng chân lý bộ giải mã BCD theo mã 8421 (sgk t.122 ) Sơ đồ nguyên lý bộ giải mã BCD (sgk t.124) II,Mạch dãy Khái niệm mạch dãy. +, M¹ch d·y lµ m¹ch logic cã c¸c phÇn tö nhí ®­îc t¹o bëi c¸c m¹ch lËt, c¸c m¹ch c¬ b¶n vµ c¸c biÕn ra cña m¹ch kh«ng chØ phô thuéc vµo tæ hîp biÕn vµo mµ cßn phô thuéc c¶ vµo tr¹ng th¸i hiÖn t¹i cña m¹ch. +, Thanh ghi lµ d·y m¹ch nhí cã chøc n¨ng l­u gi÷ d÷ liÖu hoÆc biÕn ®æi d÷ liÖu sè tõ nèi tiÕp sang song song vµ ng­îc l¹i. Mçi m¹ch lËt chØ l­u gi÷ ®­îc mét bit. VËy thanh ghi dµi bao nhiªu bit ph¶i ®­îc t¹o tö bÊy nhiªu m¹ch lËt. Thanh ghi nhận dữ liệu song song (sgk t 131) Thanh ghi nhận dữ liệu song song dài 4 bit có 4 mạch lật kiểu D kí hiệu theo thứ tự F0-F3 .4 bit dữ liệu đến ngõ vào D của 4 mạch lật D0-D3 . Q0-Q3 là ngõ ra của 4 mạch lật cũng là ngõ ra của thanh ghi . Q3Q2Q1Q0 = D3D2D1D0 Bộ ghi dịch (Hình 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 đây ta xét 2 loại là Bộ đếm nhị phân đồng bộ và bộ đếm thập phân đồng bộ -, Bộ đếm nhị phân đồng bộ Số xung đếm được là N= 2^n ( hình 7.34 t.132) Gồm 4 mạch lật kiểu Jk kí 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 có mức “1” Q0-Q3 là các ngõ ra của bốn mạch lật cũng là ngõ ra giữ liệu của bộ đếm. Giản đồ thời gian (7.35 t 133) -,Bộ đếm thập phân đồng bộ Bộ đếm thập phân đồng bộ là bộ đếm 4 bit chỉ đếm 10 xung CP . nội dung bộ đếm là mã nhị phân của 10 chữ số thập phân 0-9 ,gọi là mã BCD. Vậy mạch tạo bởi 4 mạch lật và các mạch cổng logic. Một trong số các bộ đếm thập phân đồng bộ theo mã BCD 8421 có sơ đồ như hình (7.36 t133) Mạch có 4 mạch lật kiểu JK đc kí 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 nhât (mạch F0) đều có mức” 1” Q0-Q3 là các ngõ ra của 4 mạch lật cũng là ngõ dữ liệu của bộ đếm. C là đầu ra nhớ hàng thập phân cao hơn của bộ đếm. Ta thực hiện việc phân tích bộ đếm theo các bước dưới đây B1: Xác định các loại phương trình ( phương trình định thời, phương trình đầu ra,phương trình kích) B2: Xác định phương trình trạng thái B3: Xây dựng bảng tính toán. B4: Lập bảng trạng thái, vẽ sơ đồ hình trạng thái Đồ thị dạng sóng của bộ đếm thuận thập phân đồng bộ với mã BCD 8421 ( hình 7.38 t.136) III. Mạch dao động. 1. Khái niệm M¹ch dao ®éng lµ m¹ch ®iÖn tö t¹o ra tÝn hiÖu ®æi theo chu kú. Dùa vµo d¹ng tÝn hiÖu do m¹ch dao ®éng t¹o ra, ng­êi ta chia m¹ch dao ®éng ra lµm: m¹ch dao ®éng h×nh sin (dao ®éng ®iÒu hoµ) vµ m¹ch dao ®éng t¹o xung. M¹ch dao ®éng t¹o ®­îc tÝn hiÖu cã tÇn sè tõ vµi Hz ®Õn hµng ngh×n MHz. C¸c m¹ch dao ®éng sö dông c¸c phÇn tö tÝch cùc lµ: tranzitor ( lo¹i l­ìng cùc hoÆc FET), ®ièt-tuynen, m¹ch tÝch hîp K§TT hoÆc c¸c m¹ch tÝch hîp víi c¸c chøc n¨ng kh¸c. C¸c tham sè c¬ b¶n cña m¹ch dao ®éng gåm: tÇn sè tÝn hiÖu ra, c«ng suÊt ra vµ hiÖu suÊt cña m¹ch. Ta th­êng gÆp c¸c nguyªn t¾c dao ®éng nh­: t¹o dao ®éng b»ng håi tiÕp d­¬ng vµ tạo dao ®éng b»ng ph­¬ng ph¸p tæng hîp m¹ch. 2. Điều kiện dao động. Ta xÐt s¬ ®å khèi m¹ch dao ®éng m« t¶ nh­ trªn h×nh 1.1. Trong ®ã, ta kÝ hiÖu vµ gäi X’I - tÝn hiÖu vµo d¹ng phøc, X’O – tÝn hiÖu ra d¹ng phøc vµ X’F – tÝn hiÖu ph¶n håi d¹ng phøc. 1 X’I a X’F a’ X’O 2 H×nh 1.1: M« t¶ c¸ch x¸c ®Þnh ®iÒu kiÖn dao ®éng Khèi 1: khèi khuÕch ®¹i cã hµm truyÒn ®¹t d¹ng phøc: K’ = KejαK Víi K lµ m«®un hµm truyÒn ®¹t khèi khuÕch ®¹i vµ αK lµ gãc pha ®Çu hµm truyÒn ®¹t khèi khuÕch ®¹i. Khèi 2 lµ khèi håi tiÕp khuếch ®¹i cã hµm truyÒn ®¹t d¹ng phøc: K’ = KFejαF Víi KF lµ m« ®un hµm truyÒn ®¹t khèi ph¶n håi vµ αF lµ gãc pha ®Çu hµm truyÒn ®¹t khèi ph¶n håi. Gi¶ ®Þnh cã tÝn hiÖu vµo d¹ng phøc lµ X’I, tÝch c¸c hÖ sè khuÕch ®¹i vßng K’K’F =1, th× tÝn hiÖu ph¶n håi vµ tÝn hiÖu vµo b»ng nhau c¶ vÒ biªn ®é gãc pha, nghÜa lµ: X’F = X’I. Khi ®ã 2 ®iÓm a vµ a’ cã thÓ nèi ®­îc víi nhau mµ tÝn hiÖu ra X’O kh«ng thay ®æi. VËy m¹ch t¹o dao ®éng ®­îc tÝn hiÖu ra mµ kh«ng cÇn cã kÝch thÝch cöa vµo. Ta suy ra ®iÒu kiÖn ®Ó duy tr× dao ®éng lµ tÝch c¸c hÖ sè khuÕch ®¹i d¹ng phøc vßng kÝn b»ng 1. Hay cã thÓ viÕt: K’K’F =KKFej(αK + αF) (1.1) Cã thÓ t¸ch ®iÒu kiÖn (1.1) ra lµm 2 biÓu thøc: §iÒu kiÖn c©n b»ng biªn ®é: KKF = 1 §iÒu kiÖn c©n b»ng c¸c gãc pha: αK + αF = 2πn víi 0,+1,-1,… 3. Kết luận. M¹ch dao ®éng lµ m¹ch khuÕch ®¹i tù ®iÒu khiÓn b»ng ph¶n håi d­¬ng ra quay l¹i ®ầu vµo. N¨ng l­îng tù dao ®éng lÊy tõ nguån mét chiÒu ®­îc cung cÊp. M¹ch ph¶i b¶o ®¶m c©n b»ng biªn ®é vµ c©n b»ng pha. M¹ch dao ®éng chøa Ýt nhÊt mét phÇn tö tÝch cùc lµm nhiÖm vô biÕn ®æi n¨ng l­îng mét chiÒu thµnh xoay chiÒu. M¹ch dao ®éng chøa mét phÇn tö phi tuyÕn hay mét kh©u ®iÒu chØnh ®Ó b¶o ®¶m cho biªn ®é dao ®éng kh«ng ®æi ë tr¹ng th¸i x¸c lËp. Chương 2: Thiết kế sơ đồ mạch. I. Sơ đồ khối. Khối tạo xung Khối đếm Khối giải mã Khối hiển thị Mạch đếm hàng đơn vị dùng IC74LS90 Mạch giải mã BCD dùng 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 dùng IC74LS90 Mạch giải mã BCD dùng IC74LS47 Mạch đếm hàng trăm dùng IC74LS90 Mạch giải mã BCD dùng IC74LS47 Hiển thị hàng trăm qua led 7 thanh Khối tạo xung dùng IC555 Hiển thị hàng nghìn qua led 7 thanh Mạch đếm hàng nghìn dùng IC74LS90 Mạch giải mã BCD dùng IC74LS47 * Nhiệm vụ các khối: Khối tạo xung: là 1 IC 555 để tạo xung vuông với tần số phù hợp. Khối đếm: Gồm các IC7490 được ghép nối với nhau để tạo thành các hệ đếm phù hợp. Khối giải mã: Gồm các IC7447 để giải mã BCD để đưa ra khối hiển thị. Khối hiển thị: Hiển thị tín hiệu sau giải mã qua LED 7 đoạn Ngoài ra có 2 nút ấn : + Nút bấm : gồm 1 nút ấn, để khi ấn cấp xung từ IC 555 cho IC 74LS90 + Nút 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 dùng ic 555, một ic chia tần số 4017, các hàm logic AND, NOT. Và một số linh kiện phụ khác. 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. Chúng ta cần nút bấm cấp nguồn 1 1 đầu được nốt với nguồn +5v đầu còn lại nối chia làm 2 nhánh: 1 nối với các chân reset của các ic đếm, và 1 nối với chân số 15 của IC chia tần của ic 4017. 1.3. Động cơ và encoder. Một trong những thành phần không thể thiếu trong mạch đo tốc độ chính là động cơ, với những yêu cầu đo thực tế ta có các loại động cơ khác nhau. Trong thị trường có nhiều loại encoder, nhưng với yêu cầu bài toán ban đầu chúng em xin chọn loại encoder có số xung trên vòng là : 100xung/1 vòng, tức là khi động cơ quay được 1 vòng thì ở chân A,B của encoder sẽ cấp ra 100 xung. Encoder : 100xung/ vòng Chọn encoder của hãng omron, seria: ENH -100-2-L-5, 24 ENCODER( ENH)Loại IncrementalENH -100-2-L-5, 24Độ phân giải: 100 xung/ vòngPha ra tạo xung bù: A, BNgõ ra: Line driverNguồn cung cấp: 5VDC 1.4. Khối cổng. Nhiệm vụ: chỉ cho tín hiệu đi qua trong một đơn vị thời gian nào đó, tín hiệu mở cổng được lấy từ khối xung mở cổng Chọn linh kiện: AND, Not. Khối cổng Khi tín hiệu ở 2 chân của hàm AND ở mức 1 sẽ cho tín hiệu đi qua vào bộ đếm. 2.Khối đếm ( IC 74L90) 3. Khối giải mã (IC 74LS47) IC74LS47 là loại IC giải có chức năng ngược lại với mạch mã hoá. Mục đích sử dụng phổ biến nhất của mạch giải mã là làm sáng tỏ các đèn để hiển thị kết quả ở dạng chữ số. Do có nhiều loại đèn hiển thị và có nhiều loại mã số khác nhau nên có nhiều mạch giải mã khác nhau. 4. Khối hiển thị. Hiển thị dùng led 7 đoạn loại anode chung do đầu ra của IC 7447 có mức tích cực là mức 0 ( mức thấp). Ở loại anode chung ( anode của đèn được nối lên +5V, đoạn náo sáng ta nối đầu cathode của đoạn đó xuống mức thấp thông qua điện trở để hạn dòng. Nút Đo/reset II. Sơ đồ nguyên lí. Sơ dồ nguyên lí Tốc độ Vòng/phút Led 7 thanh O 1 Khối cổng, đếm , giải mã. Động cơ encoder NGUỒN Nguyên lí làm việc. Nguyên lí đo tốc độ động cơ: Nhấn nút “START” để bắt đầu quá trình( không nên đo ngay khi vừa khởi động mạch vì các phần tử khởi động chưa hoạt động ổn định kết quả đo không chính xác). Lúc này xung đi ra từ mạch tạo xung sẽ được đi qua IC 4017 tạo thành xung mở cổng đến 1 chân của hàm logic AND tại đây kết hợp với tín hiệu ra của encoder và cổng AND tín hiệu đi qua vào khối đếm, giải mã và hiển thị trên bộ led 7 thanh chính là tốc độ của động cơ. Muốn thu được kết quả chính xác ta nên đo lại nhiều lần Khi đo lại chúng ta nhấn nút “reset” để lặp lại quá trình. Yêu cầu công nghệ: đưa ra được tốc độ với đơn vị là vòng/phút. ở đây ta sử dụng encoder 100xung/vòng. Vì vậy Bản chất của mạch đo tốc độ này là đếm xung encoder trong 1 phút. Tốc độ đo được cần hiển thị là số xung encoder đếm được chia cho 100 được kết quả vòng/phút. (1 vòng có 100 xung). Phân tích bài toán ta thấy thời gian đo 1 lần để có được kết quả mất 1 phút, như vậy sẽ rất tốn thời gian, không phù hợp với nhu cầu thực tế. Vì vậy ta đếm xung encoder trong 0.6s, số xung đếm được chính là tốc độ động cơ đơn vị vòng/phút. tính toán thông 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: xây dựng chương trình mô phỏng ở đây chúng ta sẽ xây dựng mô hình mô phỏng trên mạch proteus. chọn thiết bị Nhấn chuột trái vào biểu tượng P(pick from libraries) chương trình sẽ hiện ra 1 màn hình chọn linh kiện, ta gõ tên linh kiện cần tìm vào ô trống vào ok để lấy linh kiện, bài của chúng ta cần dùng các 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, nút bấm BUTTON, công tắc SWITCH, motor-encoder, RESPACK-7(Trở thanh). Sau đó ta sẽ vẽ mạch như hình sau: Sau khi vẽ xong chúng ta nhấn play để thực hiện mô phỏng. Ấn công 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/phút Trong quá trình đo có thể xuất hiện sai số, sai số trong mức không ảnh hưởng quá lớn đến độ chính xác, nên có thể chấp nhận được. Kết Luận. Nhiệm vụ đo tốc độ là vô cùng quan trọng trong quá trình điều khiển các máy móc có chuyển động quay, vì vậy khâu đo tốc độ cần phải đảm bảo độ kế của thiết bị, tránh được những hậu quả những tác hại xấu do không kiểm soát được tốc độ làm việc của máy móc chính xác cao để đảm bảo được hiệu suất của quá trình sản xuất, đúng với thiết. Sau một thời gian tìm hiểu tài liệu và kiến thức có được của môn vi mạch số và vi mạch tương tự, được hướng dẫn của thầy giáo bộ môn. Em đã hoàn thành bài tập lớn Đo tốc độ động cơ dùng encoder 100 xung, do kiến thức về mạch điện tử, chưa có kinh nghiệm nên trong quá trính thiết kế vẫn dựa nhiều vào lí thuyết nên khi áp dụng vào thực tế có những sai sót ngoài ý tưởng ban đầu. Nên mong muốn nhận được tư vấn góp ý của thầy giáo và các bạn sinh viên kĩ thuật để bài của em được hoàn thiện hơn. Một lưu ý nhỏ, với ý tưởng xây dựng khả năng đo được tốc độ của các loại động cơ với n< 9999 vòng/phút. Và đo chính xác khi tốc độ động cơ ổn định