Thiết kế mạch đo tốc độ dộng cơ và giám sát nhiệt

Vi mạch tương tự
Chương 1 : Trình bày các mạch chức năng sử dụng trong hệ
thống
1

2

Phân tích yêu cầu công nghệ
Khi nhấn nút Start,hệ thống thực hiện đo tốc độ động cơ(dải đo từ 09999 vong/s),đồng thời mạch chuẩn hóa đầu ra cung cấp thong tin về
nhiệt độ.Hệ thống dừng khi ấn nút stop-sử dụng các thiết bị đo để
kiểm tra khi cần thiết.
Liệt kê các phương pháp đo tốc độ đông 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.


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.

3

4

Trình bày về nguyên lý đo tốc 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.
Các linh kiện cần dung trong bài
-Mạch được thiết kế bởi những linh kiên sau:
• Led 7 thanh dung làm cơ cấu hiển thị
• IC giải mã 74LS47
• 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

Chương 2: Thiết kế mạch đo tốc độ dộng cơ và giám sát
nhiệt
2.1 Sơ đồ bố trí linh kiện trong bài
Tốc độ:


Bộ tạo xung thời gian chuẩn

Đếm xung

Bộ Nhân

Encoder

Bộ Mã Hóa

Bộ Giải Mã

Khối Hiển Thị
(led 7 thanh)

Nhiệt độ:
Khối Chỉ thị

Chuyển đổi
U sang I

Cảm biến
nhiệt ngẫu
Khuếch đại
điện áp


Mạch so
sánh
Cảnh báo

2.2 Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế.
•

Led 7 thanh dung làm cơ cấu hiển thị

•

IC giải mã 74LS47

•

IC đếm mã nhị phân 74LS90

•

IC 555 tạo xung với tần số đáp ứng mạch đo

•

Cổng logic AND (IC 74ls08)

•

Cổng NOT (IC 74ls04)

•

IC4017 dùng để định thời gian và tạo dộ trễ hiển thị

•

Cặp nhiệt ngẫu

•

Bộ khuếch đại thuật toán OPAMP

•

Điện trở R

•

Led chỉ thị

2.3 Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với dòng đầu
ra từ (0-20)mA.
Sau khi chuẩn hóa đầu ra ra điện áp ta cần phải chuẩn hóa đầu ra cho dòng điện,
chuẩn hóa đầu chuẩn công nghiệp là 0-20mA.Như vậy cần thiết kế mạch chuyển
đổi áp-dòng.


Sơ đồ nguyên lý chung của bộ biến đổi áp-dòng:

R14
100

R13

U19

500
+88.8
mA

OPAMP

Nếu như chọn thì ta sẽ có Ira = Vi
Với tín hiệu đầu ra từ 0 đến10V thì ta sẽ đi tính chọn điện trở cho mạch chuyển
đổi tín hiệu :
Khi tín hiệu vào U=0 thì dòng điện bằng không
Khi tín hiệu vào bằng 20mA thì ta có :
Vi= 20 mA
Thay Vi= 10 vào ta tính được Rl= 500 Ω
Như vậy ta đã tính chọn xong các điện trở cho mạch biến đổi dòng – áp
Và dòng điện ra là chuẩn công nghiệp với giá tri ra từ 0 đến 20mA khi giá trị đầu
vào là 0 đến 10 V. sau khi chuyển đổi xong thành tín hiệu dòng điện ta sẽ tiếp tục
đưa vào khối hiển thị.


2.4 trình bày sơ đồ chân ,bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch sử
dụng.
1.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
2

IC giả mã 74LS47


Đây là IC giải mã kí giành riêng cho LED 7 thanh Anot chung. Ứng
dụng khi ta cần hiện thị số trên led 7 thanh trong mạch số mà không
cần dùng vi xử lý hoặc muốn tiết kiệm chân.
Sơ 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:

3

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 rộng trong
các mạch số ứng dụng đếm 10 và trong các mạch chia tần số.


•

Hình dạng và sơ đồ 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,
B= 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.

Q


•Sơ đồ mạch logic và bảng trạng thái.
Sơ đồ logic:

Dựa vào sơ đồ 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 đếm 10,


tức tần số tín hiệu ở ngõ ra sau cùng bằng 1/10 tần số xung CK, nhưng
dạng tín hiệu ra khác nhau.

4

IC 555

IC 555 hiện nay được sử dụng khá phổ biến ở các mạch tạo xung, đóng cắt hay là
những mạch dao động khác.
a. 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
b. 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)
C .Bố trí chân và sơ đồ nguyên lý

Hình dạng của 555 ở trong hình 1 và hình 2.Loại 8 chân hình tròn và loại 8
chân

hình

vuông.

Nhưng

ở

thị

trường

Việt

Nam

chủ yếu là loại chân vuông.

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


Đường cong nạp của tụ điện

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 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 đơn giản sau:
t
d. Chức năng từng chân:

=

R.C


+ 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)
5

Cổng logic AND (IC 74ls08)

Ngõ ra Q ở mức cao nếu ngõ vào A "AND" ngõ vào B đều ở mức cao (giống
như nhân A với B): Q= A AND B. Một cổng AND có thể có hai hoặc nhiều
ngõ vào. Ngõ ra của nó ở mức cao nếu tất cả các ngõ vào ở mức cao.

6

Cổng NOT-bộ đảo ( IC 74ls04)
Ngõ ra Q ở mức cao khi ngõ vào A là đảo (Not) của mức cao, ngõ ra là
đảo (ngược lại ) của ngõ vào : Q = NOT A. Cổng NOT chỉ có thể có
một ngõ ra. Một cổng NOT cũng có thể được gọi là bộ đảo.

7

IC 4017
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:
Chân số 16 là chân nguồn Vcc hoạt động với mức điện áp cho phép là

•

trong khoảng từ 3-15 V.
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:
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 1-09 sẽ trở về mức thấp, còn ngõ
ra 05-9 sẽ trở lại mức cao. Chân này hoạt động hoàn toàn độc lập với các chân
Clock 14 và 13.
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.
•

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.
•

Các chân 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11 lần lượt sẽ là thứ tự của các giá

trị xuất ra.

•

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.
Bảng sự thật:

Trong đó:
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

2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch.
2.6 Thuyết minh nguyên lý hoạt đông của mạch.
2.7 Xây dựng mạch mô phỏng trên phần mềm proteus và chạy thử

Chương 3: kết luận
3.1 Các kết quả đạt được.

3.2 Sai số và nguyên nhân sai số cửa thiết bị đo
3.3 các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục