bài tập lớn kĩ thuật số mạch hiển thị tốc độ động cơ

Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BÀI TẬP LỚN MÔN: KĨ THUẬT SỐ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ HIỂN THỊ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Hà
Sinh viên thực hiện : 1.Nguyễn Duy Nam
2. Hoàng Đình Lương
3.Thân Ngọc Thiện
4. Phạm Văn Tuấn
5. Hoàng Thanh Sơn
Lớp : ĐH Điện 1-K7.
Năm 2014

Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay việc sử dụng các con vi số đang ngày càng phát triển rộng rãi và thâm nhập ngày
càng nhiều vào các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội. Với xu hướng tất yếu này cùng với
sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo, người ta đã tạo những vi số có cấu trúc nhỏ
gọn, đáp ứng thời gian thực tốt hơn, chuẩn hóa hơn.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, đặc biệt là ngành điện, điện tử, sự phát minh ra các
linh kiện điện tử đã và đang ngày càng đáp ứng được yêu cầu của các hệ thống. Ưu điểm của
việc sử dụng các linh kiện điện tử làm cho các hệ thống linh hoạt và đa dạng hơn, giá thành
thấp hơn và độ chính xác cao hơn.
Sau thời gian học tập và tìm hiểu, chúng em đã được làm quen với môn học: “Kỹ Thuật Số”.
Để áp dụng lý thuyết với thực tế của môn học này chúng em nhận bài tập lớn:Thiết kế mạch
đo và hiển thị tốc độđộng cơ.Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế, tài liệu tham khảo có giới
hạn nên còn có những sai sót. Chúng em rất mong thầy, cô giáo thông cảm và giúp đỡ chúng
em hoàn thiện bài tập lớn này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK

CHƯƠNG I:KHÁI QUÁT CHUNG
1.1 Các phương pháp đo tốc độ động cơ:
Ngày nay có nhiều phương pháp đo tốc độ động cơ nhưng vẫn sử dụng hai
phương pháp đo phổ biến là:
Phương pháp dùng encoder
Phương pháp dùng cảm biến tiệm cận
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 số thay đổi vào tốc độ động cơ. Do đó các xung vuông
này được đưa vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho
phép từ đó ta có thể tính được giá trị vận tốc của động cơ. Đây cũng là
phương pháp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động cơ hay điều
khiển nhanh chậm
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
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
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.
1.2 Nguyên lý đo tốc độ động cơ
Để đo tốc độ ta dùng phương pháp đếm số xung trong một khoảng thời
gian đo (
đ
t
). Như vậy với phương pháp này thì ta lựa chọn encorder để biến

tốc độ thành một dãy xung có tần số tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ.
Tính toán kết quả đo :
Phương pháp đo là đếm số xung trong một khoảng thời gian đo (
đ
t
), số
xung đếm được trong thời gian đo
đ
t
là Nx. Ta đo tốc độ động cơ 1 chiều có
gắn encoder 100 xung/vòng, vậy ta chọn thời gian đo là
đ
t
= 0,6s để đảm
bảo thông tin cập nhật một cách tối ưu nhất.
n : là tốc độ động cơ.
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
n =
lt
Nx
đ
.
60.
.
n =
100.
.60
đ
t
Nx

=
100.6,0
.60 Nx
= Nx
Trong đó :
đ
t
: thời gian lấy mẫu đo kết quả là 0,6s
1.3 Các mạch chức năng sử dụng trong mạch hệ thống
1.3.1 Khối tạo xung: Khối này có nhiệm vụ cung cấp toàn bộ xung cho
mạch điều khiển gồm xung phát ra từ encoder và xung từ bộ tạo xung 555
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
1.3.2: Khối tín hiệu cho phép đếm và dừng đếm,chuyển chế
độ: là bộ đếm số xung phát ra từ encoder.
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
1.3.3: Khối đếm xung hay đo vận tốc tốc độ động cơ và hiển thị:
- hiển thị số vòng quay của đông cơ thông qua led 7 thanh.
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
CHƯƠNG II:THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ HIỂN THỊ
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
2.1 Các linh kiện sử dụng trong hệ thống
- IC NE 555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian.
- 4 Điện trở: 1k,10k,14.7k và 220
- 2 Tụ điện: tụ thường 61uF và 104uF
- 7 IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân
-6 IC 40110
- Nguồn tín hiệu cần đo : Cho 1500H
- 6 LED 7 thanh :để hiển thị
- 1 Ic 74LS90

- 1Cổng NOTvà 1 cổng AND
- 1 Led báo: led - biby
- 1 Động cơ: Motor – encorder
-1 nút Star 1 nút Stop và 1 nút Reset
- 2 Switch (Chuyển mạch1-2 cổng ):liên động
1. Giới thiệu về Encoder :
Cấu tạo của encoder :
6. Encoder
Phương pháp đo tốc độ động cơ thông dụng nhất hiện nay dùng cảm biến quang
hay còn gọi là encoder. Tín hiệu từ encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần
số thay đôi vào tốc độ động cơ. Do đó các xung vuông này được đưa vào bộ vi
xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được
giá trị vận tốc của động cơ. Đây cũng là phương pháp mà người ta sử dụng để
ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
Yêu cầu:
+ Động cơ DC 12V có bộ Encoder
 Tìm hiểu qua về cấu tạo của Encoder:
* Cấu tạo của encoder
Nhìn trên hình ta thấy encoder gồm: 1 tấm tròn có khắc lỗ, 1 Hệ thông LED
phát và thu.
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
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 mình đang 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.
Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có
thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí
góc.

Encoder được chia làm 2 loại, absolute encoder và incremental encoder. Tạm
dịch là encoder tuyệt đối và encoder tương đối. Còn incremental encoder, là loại
encoder chỉ có 1, 2, hoặc tối đa là 3 vòng lỗ. Các bạn hình dung thế này, nếu
bây giờ các bạn đục một lỗ trên một cái đĩa quay, thì cứ mỗi lần đĩa quay 1
vòng, các bạn sẽ nhận được tín hiệu, và các bạn đã biết đĩa quay một vòng. Nếu
bây giờ các bạn có nhiều lỗ hơn, các bạn sẽ có được thông tin chi tiết hơn, có
nghĩa là đĩa quay 1/4 vòng, 1/8 vòng, hoặc 1/n vòng, tùy theo số lỗ nằm trên
incremental encoder.
Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1. Do
vậy, encoder loại này có tên incremental encoder (encoder tăng lên 1 đơn vị).
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder, LED và lỗ:
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, 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!
Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt
thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng.
Đây là nguyên lý rất cơ bản của encoder.
Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là, làm sao để xác định chính xác hơn
vị trí của đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay
theo chiều nào? Đó chính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về encoder.
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
2. IC 555
Là IC tạo dao động tần số cấp xung nhịp cho IC 74ls190 đếm giây:
Sơ đồ khối 555 :
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK

Nhìn trên hình 3 ta thấy cấu trúc của 555 nó tương đương với hơn 20 transitor
,15 điện trở và 2 diode và còn phụ thuộc vào nhà sản xuất. Trong mạch tương
đương trên có : 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
-
-
-
Mạch nạp RC cơ bản như trên hình 4.

Giả sử tụ ban đầu phóng điện. Khi mà đóng công tắc thì tụ điện bắt đầu nạp
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
thông qua điện trở. Điện áp qua tụ từ điện 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 đơn giản sau:
- t = R.C
Chức Năng các chân
- 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 sánh 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 cao 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
mass 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.
- Chân 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.
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
Mạch tạo xung :
Có tần số dao động có công thức : f=1/T=1/0.69(R
1
+2R
2
)C.
g. Một số mạch ứng dụng dùng 555
1 ) Mạch báo động dùng SCR

Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
2) Trigger
3) Âm thanh dùng 2 IC 555
3. IC 4017
IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
- Sơ đồ chân:
Hoạt động:
- Chân 14( CLK) nhận xung.
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
- Chân (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 10, 9) (Q
0
-Q
9
) đưa dữ liệu ra ngoài, mỗi lần
kích một xung vào, một chân sẽ 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 Q
0
- Q
4
lần lượt lên mức cao) CO ở
mức cao, 5 xung tiếp theo (từ Q
5
– Q
9
lần lượt lên mức cao) CO ở mức
thấp.

Sơ đồ xung ra ở các chân:
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
-Mạch dùng IC 4017 tạo ra bộ đếm :
4. IC đếm BCD 74ls190
Là IC tích hợp 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.
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
Chức năng các chân:
- Chân cấp nguồn : 16 (VCC) và chân 8(GND).
- Nhóm chân dữ liệu nạp vào : A(15) B(1) C (10) D(9)
- Nhóm chân dữ liệu đầu ra : Qa (3) Qb(2) Qc(6) Qd(7)
- Chân cấp xung clock CLK :14
- Chân chọn chế độ đếm thuận nghịch D/U :5
- Chân cho phép đếm Enable :4
- Chân nạp giá trị load :11
- Chân xung đếm ra RCO :13
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
Bảng trạng thái các chân chức năng đặc biệt :
Giản đồ xung của 74ls190 :
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
5.IC giải mã 4511
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
- 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.
Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK
Bảng chân lí:
IC 40110