ĐỒ ÁN MÔN VI MẠCH : THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG CẶP NHIỆT NGẪU DẢI ĐO TỪ 09999 VÒNGPHÚT

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
*********

ĐỒ ÁN
MÔN: VI MẠCH SỐ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ- ĐO NHIỆT ĐỘ
BẰNG CẶP NHIỆT NGẪU
DẢI ĐO TỪ 0-9999 VÒNG/PHÚT
Giáo viên hướng dẫn

: NGUYỄN THU HÀ

Nhóm sinh viên thực hiện

: Nguyễn Thành Phúc
Nguyễn Huy Phương
Nguyễn Hữu Phương
Lê Đức Quảng

Lớp

: ĐH TĐH 2 K8

0841 240 098
0841 240160
0841 240 159
0841 240 094

GIỚI THIỆU ĐỒ ÁN
Đề Tài:
Thiết Kế Mạch Đo Tốc Độ Động Cơ
Mô Tả :
Mạch dùng để đo Tốc độ động cơ gồm : 1
Encoder(100xung/vòng), 4 led 7 thanh để hiển thị giá trị đo,hai nút
start ,stop để khởi động và dừng hệ thống .


LỜI MỞ ĐẦU
Như chúng ta đã biết, khoa học công nghệ đang phát triển một cách nhanh
chóng trong những năm gần đây, đặc biệt là ngành kỹ thuật điện-điện tử. Sự xuất
hiện của các vi mạch, IC số tổng hợp đã giúp cho kích thước mạch nhỏ gọn, tiện
lợi hơn.
Trải qua sự phát triển của khoa học công nghệ, giờ đây chúng ta đã chế
tạo ra rất nhiều loại tần số, phục vụ trong ngành điện tử viễn thông, công nghệ
thông tin, tự động hóa....
Với những kiến thức được học trên lớp và tìm hiểu thực tế. Trong thời gian
yêu cầu nhóm em đã hoàn thành đồ án môn học với nội dung “Mạch Đo Tốc Độ
Động Cơ” . Do kiến thức chuyên ngành còn thiếu nhiều thực tế nên đồ án không
tránh khỏi những sai sót, mong các thầy cô góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyến Thu Hà đã giúp đỡ nhóm em hoàn
thành đồ án này!


I.

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
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.

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.
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.
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 tín
hiệu hình sin.
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.
- Trong một số trường hợp không thực hiện được.Vd như như trong hệ
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.
Phương pháp dùng encoder
Phương pháp đo tốc độ động cơthông 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....
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.
NGUYÊN LÝ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
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 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 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.

Bằng cách đếm số xung dao động do encoder tạo ra khi đông cơ hoạt động
trong khoảng thời gian T
Khoảng thời gian cần để đo xung

Số lần dao động của xung trong khoảng thời gian cần đo

Khi đó có thể đếm được số xung dao động trong khoảng thời gian T .từ đó
tính được tốc độ động cơ và hiển thị lên led qua các khối mạch.
Trước tiên ta tìm hiểu các mạch sử dụng trong bài :

•

Mạch tổ hợp

1. Mã hóa
Mã hóa và giải mã không có gì xa lạ và là tất yếu trong đời sống chúng ta. Nó
được dùng để dễ nhớ, dễ đặt, dễ làm,….là quy ước chung cũng có thể phổ biến

cũng có thể bí mật. Chẳng hạn dùng chữ để đặt tên cho 1 con đường, cho 1 con
người, dùng số trong mã số sinh viên, trong thi đấu thể thao, quy ước đèn xanh,
đỏ, vàng tương ứng là cho phép đi,đứng, dừng trong giao thông, rồi viết bức thư
sử dụng chữ viết tắt, kí hiệu riêng để giữ bí mật hay phức tạp hơn là phải mã hoá
các thông tin dùng trong tình báo,..…
Trong các hệ thống số kể cả viễn thông, máy tính, các đường điều khiển
tuỳ chọn hay dữ liệu được truyền đi hay xử lí đều phải ở dạng số hệ 2 chỉ gồm 1
và 0, có nhiều đường tín hiệu chỉ có 1 bit như đường điều khiển mở nguồn cho
mạch ở mức 1, rồi có nhiều đường địa chỉ nhiều bit chẳng hạn 110100 để CPU
xác định địa chỉ trong bộ nhớ, rồi dữ liệu dạng hex gửi xuống máy in cho in ra kí
tự. Tất cả các tổ hợp bit đó được gọi là các mã số (code) hay mã. Và mạch tạo ra
các mã số gọi là mạch mã hoá (lập mã: encoder).
1.1.1 Bộ mã hóa nhị phân – thập phân ( bộ mã hoa 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 BCD .

-Bảng chân lí bộ mã hóa BCD :


2. Mạch giải mã
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. Tất nhiên ngõ vào cho phép phải được bật lên cho
chức năng giải mã. Mạch giải mã được ứng dụng chính trong ghép kênh dữ liệu,
hiển thị led 7 đoạn, giải mã địa chỉ bộ nhớ.
2.1.

Giải mã BCD sang led 7 đoạn

Một dạng mạch giải mã khác rất hay sử dụng trong hiển thị led 7 đoạn đó là
mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn. Mạch này phức tạp hơn nhiều so với mạch
giải mã BCD sang thập phân đã nói ở phần trước bởi vì mạch khi này phải cho
ra tổ hợp có nhiều ngõ ra lên cao xuống thấp hơn (tuỳ loại đèn led anode chung
hay cathode chung) để làm các đoạn led cần thiết sáng tạo nên các số hay kí tự.
Trước hết hãy xem qua cấu trúc và loại đèn led 7 đoạn của một số đèn được cấu
tạo bởi 7 đoạn led có chung anode (AC) hay cathode (KC); được sắp xếp hình số
8 vuông (như hình trên) ngoài ra còn có 1 led con được đặt làm dấu phẩy thập
phân cho số hiện thị; nó được điều khiển riêng biệt không qua mạch giải mã. Các
chân ra của led được sắp xếp thành 2 hàng chân ở giữa mỗi hàng chân là A
chung hay K chung. Thứ tự sắp xếp cho 2 loại như trình bày ở dưới đây :


Hình 2.3 Cấu trúc và chân ra của 1 dạng led 7 đoạn
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).
3. Mạch dãy
Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ được tạo bởi các mạch lật và các
mạch logic cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biến
vào mà còn phụ thuộc vào cả trạng thái hiện tại của mạch.
3.1.

Thanh ghi và thanh ghi dịch
Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lưu giữ dưc liệu hoặc biến
đổi dữ liệu số từ nối tiếp sang song song và ngược lại. mỗi mạch lật chỉ
lưu giữ được 1 bit, vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải tạo từ bấy
nhiêu mạch lật.

Thanh ghi nhận dữ liệu song song
Mạch chốt dữ liệu :


Bộ ghi dịch :

3.2.

Bộ đếm

Bộ đếm là thiết bị đếm được số xung cửa vào, đầu ra của bộ đếm là số lượng
xung đếm được.
-

Bộ đếm nhị phân đồng bộ
Bộ đếm thập phân đồng bộ
4. Mạch dao động.

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 dao
động tạo xung dòng , xung mành trong Tivi, tạo sóng hình sin cho IC Vi xử lý
hoạt động v v...


Mạch dao động hình Sin.
Mạch dao động đa hài.
Mạch dao động nghẹt.
Mạch dao động dùng IC.

II.

. LINH KIỆN TRONG BÀI :
- IC NE 5555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian.
- Điện trở 1k,217.0475 k
- Tụ điện (0.01 uF. tụ thường) ,(0.001 F)
- IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân
- Động cơ encoder : 100xung/vòng

- SEG 7Vạch cathode chung,
- Ic 74ls190 và Ic 74hc4511,
- Cổng NOT, AND
- Điện trở băng rx8(200)
- Switch (Chuyển mạch 2 cổng )
- Nguồn điện cần thiết.

A. Tìm hiểu về các linh kiện
1. IC 555
Là IC tạo dao động tần số cấp xung nhịp cho IC 74ls190 đếm giây


Sơ đồ khối 555 :


-

-

-

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. Trạng
thái 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.


2. IC 4017
IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân
- Sơ đồ chân:

Hoạt động :


- Chân 14( CLK) nhận xung.
- Chân (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 10, 9) (Q0-Q9) đưa dữ liệu ra ngoài, mỗi lần
kích một xung vào, một chân sé 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 Q0 - Q4 lần lượt lên mức cao) CO ở
mức cao, 5 xung tiếp theo (từ Q5 – Q9 lần lượt lên mức cao) CO ở mức

thấp.
Sơ đồ xung ra ở các chân:


Mạch dùng IC 4017 tạo ra bộ đếm :

5. IC đếm BCD 74ls190
Là IC tích hợ 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.


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


Bảng trạng thái các chân chức năng đặc biệt :

Giản đồ xung của 74ls190 :


4. IC giải mã 74hc4511


- 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.
Bảng chân lí


5. Hiển thị( Led 7 thanh)
Led 7 thanh: là 7 con led xếp với nhau thành một hình, nhằm thể hiện các con

số. Một chân của các con led được nối với nhau ( Katot chung hoặc Anot
chung), các chân còn lại được đưa ra nhằm phân cực các con led.

Với yêu cầu đề tài ta chọn led cathode chung.


B. Tính toán thiết kế mạch mô phỏng

1. Sơ đồ khối hệ thống :
Bộ tạo
xung 1Hz

Bộ đếm 4
chỉ số
BCD

Nguồn
t/h cần
đo

Start
Stop

2. Khối mạch tạo xung đến giây dùng IC 555:

Ta có công thức tính toán đó là f=1/T=1/0.69(R2+2R1)C2

4 bộ giải
mã 7Seg

Hiển Thị
Led 7Seg


-

ton=0.69(R1+R2)C2
tof f=0.69.R1.C2

Theo yêu cầu đề bài lên ta chọn chu kì 1 giây tức là T=1s
Ta chọn ton= 0.85s t0ff= 0.15s
3. Khối đếm xung hay đo tần số :

Nguyên lý hoạt động:
Khi ấn nút START mạch sẽ hoạt động đếm xung hay tần số đến khi nhận được
tín hiệu dừng thì mạch dừng đếm.