BTL môn kỹ thuật số mạch đo và hiển thị tốc độ động cơ dùng encoder

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT SỐ
MẠCH ĐO VÀ HIỂN THỊ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
Giáo viên hướng dẫnNguyễn Thu Hà
Sinh viên thực hiện



 !"#
$%&'&()*
+
Lời nói đầu
",(-./012345"-%676869,
:%-;,<--=>,?-12,5@34A98$A
B$C-#,$3?%67D-E"-(-C<FB@
"59<G,-34-H-6I-,---.=J-<K
6L5<=B@,-MNC
$3?%67D-E"1<"O-F5P-N(=5(F5(QF3?%
6"--=1(5(Q59,5"-5%.5BJ--R-E"--
(4S57-E",(-3Q/0--=1(5(Q=-<--(4
=<,5"/TF%T,58-UA--"<T
V"@"O-%,W7F-IX595BJ-=KX,$O-12
34,5<=B@Y-MNC&7%/0=ZC,$?-C-E"O-
-IXN%=$[[C1C-%\5<,7]4-58
58-T^-H_`-</X6++Aa,bF1<M5<=++++Aa%Ic07
d5:-IX-O58-T-H4-58 +,ba%I.,$ +++Aa
%I,eC5<f
/<1C -b-CF=("1M<-H$-b-H
G3"3HcIX6<RF-<-M,I%5g-IX
<(N%=$

cIXA-:-MTh
Ch ương I: Nguyên lí đo tốc độ động cơ
 Các phương pháp đo tốc độ động 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.
N 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.
 Nguyên lí đo tóc 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.
 Sơ đồ cấu trúc mạch đo tốc độ động cơ.
Bộ tạo xung thời gian chuẩn
Chương II: Thiết kế mạch đo và hiển thị tốc độ động

cơ
1.Các linh kiện sử dụng trong mạch thiết kế
-Mạch được thiết kế bởi những linh kiên sau:
• Led 7 thanh dung làm cơ cấu hiển thị
• IC giải mã 74LS47
Đếm xung
Encoder
Bộ Nhân
Bộ Mã Hóa
Bộ Giải Mã
Khối Hiển Thị
(led 7 thanh)
• 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
• IC4013 dùng để chốt dữ lieu.
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

IC giả mã 74LS47
&:=icả91U6-<`j"<-
Ứ/ụ1"-ầệị3ố6=X/j"6<ạ-
3ố1-ầ/#,Aử=Z<ặ-ốeế1ệ-:
Vơ 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:
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 rộn
g trong
các mạch số ứng dụng đếm 10 và trong các mạch chia tần số.
• Hình dạng và sơ5ồ 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, QB= 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5ồ 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 đế
m 10,
tức tần số tín hiệu ở ngõ ra sau cùng bằng 1/10 tần số xung CK, nhưng d
ạng tín
hiệu ra khác nhau.
IC 555
ic ệ"5ượ-3ử/ụ1%ổNếở--ạ-ạ<
AF5H-ắ"=ữạ-/"<5ộ1-
1. 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
2. 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)
kố6U-:,3ơ5ồ=Z
'L/ạ-ủ" ở6<L,L<ạl-:L6b,
=<ạl-:L,ưởị6ườệ"-ủế=
=<ạ-:,
Nhìn trên hình 3 ta thấy cấu trúc của 555 nó tươ5ươ,ới hơ+
6"3<6F 5ện trở và 2 diode và còn phụ thuộc vào nhà sản xuất.
Trong mạch tươ5ươ6-H 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 điện trở của R + R .phải là 20M
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Nản như6 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 đơản sau:
t = R.C
4. 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)
 Nguyên lý hoạt động
Ở trên mạch trên H: mức cao và gần bằng Vcc; L là mức thấp và bằng
0V. Sử dụng FF - RS
Khi S = [1] thì Q = [1] và = Q- = [ 0].
Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và =Q- = [0].
Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0].
Khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì Q-= [1],
transisitor mở dẫn, cực C nối đất. Cho nên điện áp không nạp vào tụ C,
điện áp ở chân 6 không vượt quá V2. Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0,
FF không reset.
Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra+Rb)C.
* Tụ C nạp từ điện Áp 0V -> Vcc/3:
- Lúc này V+1(V+ của Opamp1) > V-1. Do đó O1 (ngõ ra của Opamp1)
có mức logic 1(H).
- V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3) . Do đó O2 = 0(L).
- R = 0, S = 1 > Q = 1, /Q (Q đảo) = 0.
- Q = 1 > Ngõ ra = 1.
- /Q = 0 > Transistor hồi tiếp không dẫn.
* Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3:
- Lúc này, V+1 < V-1. Do đó O1 = 0.
- V+2 < V-2. Do đó O2 = 0.
- R = 0, S = 0 > Q, /Q sẽ giứ trạng thái trước đó (Q=1, /Q=0).
- Transistor vẫn ko dẫn !
* Tụ C nạp qua ngưỡng 2Vcc/3:
- Lúc này, V+1 < V-1. Do đó O1 = 0.
- V+2 > V-2. Do đó O2 = 1.

- R = 1, S = 0 > Q=0, /Q = 1.
- Q = 0 > Ngõ ra đảo trạng thái = 0.
- /Q = 1 > Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !
- Tụ C xả qua Rb. Với thời hằng Rb.C
- Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C
nhảy xuống dưới 2Vcc/3.
* Tụ C tiếp tục "XẢ" từ điện áp 2Vcc/3 > Vcc/3:
- Lúc này, V+1 < V-1. Do đó O1 = 0.
- V+2 < V-2. Do đó O2 = 0.
- R = 0, S = 0 > Q, /Q sẽ giứ trạng thái trước đó (Q=0, /Q=1).
- Transistor vẫn dẫn !
* Tụ C xả qua ngưỡng Vcc/3:
- Lúc này V+1 > V-1. Do đó O1 = 1.
- V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3) . Do đó O2 = 0.
- R = 0, S = 1 > Q = 1, /Q (Q đảo) = 0.
- Q = 1 > Ngõ ra = 1.
- /Q = 0 > Transistor không dẫn -> chân 7 không = 0V nữa và tụ C lại
được nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3.
*Uầ3ố5ề-ế5ộ6ộA-ủ"
Nhìn vào sơ5ồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung.
+ Tần số của tín hiệu đầu ra là
f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))
+ Chu kì của tín hiệu đầu ra : t = 1/f
+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì
t1 = ln2 .(R1 + R2).C
+ Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì
t2 = ln2.R2.C
Cổng logic AND
m6"nởứ--"<ếm,<oom,<k5ềở
ứ--"<^ốư:,ớkpnqkrộ-ổ

-Hể-H"<ặ-ềm,<m6"-ủ"Hởứ-
-"<ếấ-ả--m,<ởứ--"<
IC4017
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:
o Chân số 16 là chân nguồn Vcc hoạt động với mức điện áp
cho phép là trong khoảng từ 3-15 V.
o 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:
o 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 0
1
-
0
9
sẽ trở về mức thấp, còn ngõ ra 0
5-9
sẽ trở lại mức cao. Chân này hoạt
động hoàn toàn độc lập với các chân Clock 14 và 13.
o 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.
o 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.
o Các chân 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11 lần lượt sẽ là thứ tự của
các giá trị xuất ra.
o 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.
o Cấu tạo bên trong IC 4017:
Bảng sự thật:
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
Biểu diễn dạng tín hiệu ngõ ra theo tín hiệu vào xung Clock:

IC4013
Khi chưa có xung CK (chưa nhấn phím) ngõ ra Q=0; QN=1;
dữ liệu tai D là ‘1’ QN=’0’; lúc này trạng thái ngõ ra sẽ được
chốt lại và chỉ thay đổi khi có them 1 xung CK