Tài liệu Thiết kế logic - đo tốc độ động cơ doc

đại học Giao Thông Vận Tải
khoa Điện-điện tử






THIếT Kế LOGIC MạCH Số

Đề Tài: Đo tốc độ động cơ điện có tốc độ 1000vòng/phút với sai số
1%
và có chỉ thị chiều quay của động cơ.





Nhóm thực hiện:
Hà Mạnh Cờng
Nguyễn Phú Dũng

Lớp: ĐTVT1-K44


Giáo viên hớng dẵn:
TS. Nguyễn Nam Quân

1


MụC LụC


TRang

I. mở đầu
Ii. nhiệm vụ
iii. lý thuyết thực hiện
1. Sơ đô khối mạch đô tốc độ
2. Sơ đồ khối mạch hiển thị chiều quay
a. phần 1: đo tốc độ động cơ
1. Khối chuyển vòng quay sang xung điện
2. Khối khuyếch đại và tạo dạng tín hiệu
3. Khối cổng
4. Khối xung mở cổng, xoá và reset
5. Khối đếm giải mã và hiển thị
B. phần 2: hiển thị chiều quay
1. Dùng mạch đồng bộ
2. Dùng mạch không đồng bộ

V. phần nguồn
VI. mạch nguyên lý
1. Mạch đo tốc độ
2. Mạch hiển thị chiều quay
V. Kết luận








2

I.
Mở ĐầU
Trong sự phát triển của kỹ thuật điện tử ngày nay, kỹ thuật số đang
dần chiếm u thế về số lợng các ứng dụng của nó trên nhiều thiết bị điện tử
từ dân dụng cho đến chuyên dụng, trong nhiều lĩnh vực nh đo lờng, điều
khiển, v.v nhờ vào nhiều u điểm của nó. Có thể nói, nền tảng của kỹ thuật
số là các mạch logic số dựa trên sự kết hợp của các cổng logic cơ bản mà
ngày nay đã đợc tích hợp trong các IC số.
Trên cơ sở những kiến thức đã đợc học trong môn học: Kỹ thuật số
và trong khuôn khổ của một đồ án môn học: Thiết kế mạch logic số, chúng
tôi đã thiết kế mạch logic số với đề tài là: Thiết kế hệ thống đo tốc độ
động cơ có hiển thị chiều quay
Với mục đích là tìm hiểu thêm về lĩnh vực kỹ thuật số, nâng cao kiến thức
của mình.
Song kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không đợc nhiều nên đề

tài của chúng tôi còn rất nhiều sai sót, hạn chế. Mặc dù đã cố gắng phần nào
thiết kế và tính toán một các chi tiết các mạch, các thông số nhng đôi khi
còn mang tính lý thuyết, cha thực tế. Chúng tôi mong có sự góp ý và sửa
chữa để đề tài này có tính khả thi hơn về cả phơng diện kinh tế cũng nh kỹ
thuật.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Nam Quân đã
hớng dẫn và giúp đỡ chúng em thiết kế và hoàn thành đề tài này.

II.
NHIệM Vụ:
Vấn đề nêu trên đặt ra cho ta 2 nhiệm vụ cần thực hiện:
1.Đo(chỉ thị) tốc độ của động cơ điện với sai số cho phép(sai số cho phép
trong đề tài chọn là 1%).
2.Hiện(chỉ thị) chiều quay của động cơ điện.
III.
Lý THUYếT THựC HIệN:
Sơ đồ khối để thực hiện nhiệm vụ nêu trên:
1.Phần chỉ thị tốc độ:


3




2.Phần chỉ thị chiều quay của động cơ:



IV.

CáC PHƯƠNG áN :
A.Phần chỉ thị tốc độ động cơ:
1.Khối chuyển vòng quay sang xung điện:
*Phơng án 1(phơng pháp cơ):
Mỗi vòng quay,vấu cam trên trục đóng công tắc vào một lần và tạo thành
một xung điện.Đếm số xung điện <-->đếm số vòng quay.
Chuyển
vòng quay
sang xung
điện
Xung mở cổng
Reset 0
Khuếch
đại tín
hiệu xung
điện và tạo
dạng
Giải
mã
Đếm
Cổng Chỉ thị
Khuếch
đại tín
hiệu và tạo
dạng
Lấy tín
hiệu chiều
quay
Chỉ thị
Mạch xử lí

4
vấu cam

*Phơng án 2(Phơng pháp dùng cảm biến):
Một cảm biến thích hợp đợc đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận một
cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần nh vậy nó cung
cấp một tín hiệu xung có biên độ tỉ lệ với +E.



Cảm biến từ:

đầu từ
Mẩu băng từ


Mối 1 vòng quay,mẩu băng từ đợc dán trên trục động cơ quét qua đầu từ
,gây sự biến thiên từ thông ỉ trên cuộn dây của đầu từ,tạo trên cuộn dây một
suất điện động có biên độ E.Khi động cơ quay tạo trên cuộn dây những xung
suất điện động có tần số <--> tốc độ quay của động cơ.Đếm số xung suất
điện động <--> đếm số vòng quay của động cơ.


5
Hoặc ta có thể thay mẩu băng từ bằng một đĩa quay làm bằng vật liệu từ
tính có khía răng(hoặc bánh răng) gắn lên trục động cơ :
vấu từ
khe từ

Hoặc ngợc lại ta dùng một vật trung gian là một đĩa chắn từ một cách
tuần hoàn giữa một nam châm cố định và một cảm biến từ :
nam châm
cố định
vấu chắn từ
khe từ



Biên độ suất điện động của cuộn dây E phụ thuộc chủ yếu 2 yếu tố:
+Khoảng cach giữa cuộn dây(đầu từ) và vật trung gian.Khoảng cách(khe
từ) này lớn thì E nhỏ.
+Tốc độ quay của động cơ:E tỉ lệ với tốc độ quay.Khi tốc độ quay quá
bé,E sẽ nhỏ để có thể phát hiện đợc và đây là vị trí tốc độ quay chết.

6

Cảm biến quang:
nguồn phát sáng nguồn phát sáng
đầu thu quang
đầu thu quang
a>
b>
Thấu kính




Cảm biến quang dùng 1 nguồn phát sáng thích hợp cùng với 1 cảm biến

quang khi 1 vật trung gian quay có các lỗ,đờng vát,hoặc mặt phản xạ.
+Nguồn sáng: LED,IR-LED,LAZER...
+Cảm biến quang: PHOTODIODE,PHOTOTRANSISTOR,PHOTO-JFET,
PHOTORESISTOR,PHOTOTHYRISTOR
Khi động cơ quay,ánh sáng gặp lỗ(hình a>),gặp mặt phản xạ(hình b>) sẽ
tới đợc đầu thu quang.Khi đó trên đầu thu quang ta sẽ thu đợc 1 xung
điện.Biên độ xung điện chủ yếu phụ thuộc:
+Thông lợng ánh sáng ỉ tới đợc đầu thu quang: ỉ càng lớn thì biên độ
xung điện càng lớn.
+Độ nhậy của đầu thu quang.


KL:
Chọn phơng án: Dùng cảm biến quang hình a>
+Nguồn phát quang: IR-LED hồng ngoại phát sóng hồng ngoại gần
+Cảm biến quang: PHOTOTRANSISTOR
IR-LED, PHOTOTRANSISTOR đợc lấy thực tế trong mạch là IR-LED,
PHOTOTRANSISTOR của mạch Mouse máy tính.

7
Không biết cảm biến quang mạch Mouse có phải là PHOTOTRANSISTOR
không,hay là PHOTO-JFET
2.Khối khuếch đại tín hiệu xung điện và tạo dạng:
*Tín hiệu xung thu đợc ở khối chuyển vòng quay sang xung là nhỏ,do
đó cần phải khuếch đại tín hiệu này lên để có thể sử dụng đợc.
Một mạch khuếch đại tín hiệu số cho đầu ra ở mức logic 1 khi có xung và
mức 0 khi không có xung .
Do đây là thiết kế Logic nên phần tơng tự không cần quan trọng lắm --->
không thiết kế chi tiết.
*Tín hiệu thu đợc ban đầu cha hẳn đã ở dạng xung vuông chuẩn,vì vậy

tín hiệu cần qua bộ tạo dạng để trở thành xung vuông chuẩn.Đơn giản ta
chọn là một mạch OR(tạo từ phần tử NOR của IC SN7402): Tạo dạng dùng
Smith-Trigo là chuyên dụng hơn!



*Tín hiệu ra khối khuếch đại tín hiệu xung điện và tạo dạng là tín hiệu ra
mạch tạo dạng.
KL:
Do Mouse đã chuuyển vòng quay sang xung điện và đa vào máy tính
nên tín hiệu ra của nó là tín hiệu logic.Nh vậy toàn bộ 2 khối chuyển vòng
quay sang xung điện,khối khuếch đại và tạo dạng đợc tận dụng từ
Mouse.Tín hiệu tốc độ quay vào khối cổng lúc này là tín hiệu ra đợc câu ra
từ mạch Mouse.
3.Khối cổng:
Khối cổng có nhiệm vụ chỉ cho tín hiệu xung qua trong một đơn vị thời
gian nào đó.Tín hiệu mở cổng lấy từ khối xung mở cổng.
ở đây chọn khối cổng đơn giản là 1 mạch AND 2 đầu vào( tạo từ phần tử
NAND của IC SN7400):




8



4.Khối Xung Mở Cổng:
Là khối dao động đa hài tạo xung vuông có biên độ xung ở mức logic 1
và độ rộng xung bằng đơn vị thời gian mở cổng(tx).

a>Đa hài dùng Transistor: tx=0,7.Rb.Cb


b>Đa hài dùng Khuếch đại thuật toán:
tx=R.C.Ln(1+2R1/R2)
Chọn R1=0,86R2 ---> tx=R.C.1,0006


9

c>§a hµi dïng bé ®Þnh thêi 555:

t1 = 0.693*( VR + R )*C1
t2 = 0.693*R*C1
f = 1.44 / [( VR + 2*R)*C1 ]






10
Khi xét tới tx ta phải xét luôn cả phần sai số đo và hệ số nhân khi đo tốc
độ với đơn vị vòng/phút.Trong bài này ta sử dụng số lỗ đục trên tấm bìa để
thể hiện sai số phép đo và hệ số nhân.

*Xét tx=1phút:
Trong trờng hợp này là thực hiện đo tốc độ quay của động cơ đúng theo
vòng/phút và do đó chỉ còn thực hiện phần sai số: với sai số phép đo là x%

thì thực hiện đục trên tấm bìa (100/x) lỗ.
Nhng vì tx quá dài nên không thực tế.Do vậy không chọn khả năng này.
*Xét tx<1phút:
Vì tx < 1 phút nên vấn đề kết hợp đồng thời phần sai số và hệ số nhân.
Giả thiết trong tx(s),ta đo đợc X xung(X vòng): [X/tx] vòng/s=[(60/tx).X]
vòng/phút
-----> Số lỗ đục trên tấm bìa khi dùng đơn vị (vòng/phút) là: 60/tx lỗ.
Với phần sai số x% thì ta phải đục giữa 2 lỗ liên tiếp ở trên (100/x - 1) lỗ.
Vậy với trờng hợp này,tổng số lỗ phải đục trên tấm bìa: (60/tx.100/x) lỗ.

KL:
+Chọn tx=4(s),khi thiết kế mạch thực tế chỉ thể hiện x%=10%.
----> Tổng số lỗ đục: 150 lỗ.
+Vì lý do tạo thêm xung xóa trạng thái khối đếm sau mỗi chu kì đo, chọn tạo
tx từ mạch tạo xung đa hài T=1s: Timer 555.
C1= 10uF ; C2= 0.1uF ; R= 62KOhm ; VR=(0 50)
Kohm(cụ thể là 20Kohm)


Tạo tx=4(s) từ mạch đa hài Timer 555(T=1(s)):

Tín hiệu ra bộ đa hài đợc đa vào làm xung đếm bộ đếm 8(đếm
thuận,mã BCD 3 bit).Khi đó tín hiệu ra bit cao nhất Qc của bộ đếm 8 chính
là tín hiệu ra khối xung mở cổng với đơn vị mở cổng tx.

11