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
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC, thuyết minh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ Đo tốc độ động cơ điện, bộ điều khiển lập trình Đo tốc độ động cơ điện, Ngôn ngữ lập trình Đo tốc độ động cơ điện, Thực thi chương trình , LẬP TRÌNH Đo tốc độ động cơ điện
MỤC LỤC
I. MỞ ĐẦU
II. NHIỆM VỤ
- LÝ THUYẾT THỰC HIỆN
1. Sơ đô khối mạch đô tốc độ
- 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
- Mạch đo tốc độ
- Mạch hiển thị chiều quay
V. KẾT LUẬN
I.MỞ ĐẦU
Trong sự phát triển của kỹ thuật điện tử ngày nay, kỹ thuật số đang dần chiếm ưu thế về số lượng các ứng dụng của nó trên nhiều thiết bị điện tử từ dân dụng cho đến chuyên dụng, trong nhiều lĩnh vực như đo lường, điều khiển, v.v… nhờ vào nhiều ưu 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 được tích hợp trong các IC số.
Trên cơ sở những kiến thức đã được 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 được 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 nhưng đôi khi còn mang tính lý thuyết, chưa thực tế. Chúng tôi mong có sự góp ý và sửa chữa để đề tài này có tính khả thi hơn về cả phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Nam Quân đã hướng 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:
..................................................
Hoặc ngược 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 :
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 được và đây là vị trí tốc độ quay chết.
Cảm biến quang:
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,đường 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 được đầu thu quang.Khi đó trên đầu thu quang ta sẽ thu được 1 xung điện.Biên độ xung điện chủ yếu phụ thuộc:
+Thông lượng ánh sáng ỉ tới được đầu thu quang: ỉ càng lớn thì biên độ xung điện càng lớn.
+Độ nhậy của đầu thu quang.
KL:
Chọn phương 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 được lấy thực tế trong mạch là IR-LED, PHOTOTRANSISTOR của mạch Mouse máy tính.
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 được ở khối chuyển vòng quay sang xung là nhỏ,do đó cần phải khuếch đại tín hiệu này lên để có thể sử dụng được.
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 tương tự không cần quan trọng lắm ---> không thiết kế chi tiết.
*Tín hiệu thu được ban đầu chưa 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 đưa vào máy tính nên tín hiệu ra của nó là tín hiệu logic.Như vậy toàn bộ 2 khối chuyển vòng quay sang xung điện,khối khuếch đại và tạo dạng được tận dụng từ Mouse.Tín
...............................................
*Xét tx=1phút:
Trong trường 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.
Nhưng 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 được 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 trường 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 được đưa 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.
................................................................
Phần tử AND 3 input thuộc IC 74LS15
Phần tử OR 4 input thuộc IC 4072
Phần tử OR 3 input thuộc IC 4075
Phần tử NOT thuộc IC SN7404
Nhận xét: Tránh Hazard hàm số?
*KL: Chọn phương án mạch không đồng bộ với khối chỉ thị dùng 2 đèn LED bình thường (điện áp 3-6v)cho 2 đầu ra Z1,Z2 của mạch.
V. VẤN ĐỀ CẤP NGUỒN CHO HỆ THỐNG:
Nguồn một chiều.( 5V )
Điện áp cung cấp cho chân Vcc của các IC làm việc thưòng nằm trong khoảng từ 4.5V– 5.5V. Một vài IC có dải điện áp khác đi một chút : min = 4.75V; max > 5V.
Để tạo dòng một chiều ổn định cung cấp cho các IC có thể dùng hai phương án sau:
1. Chỉnh lưu dòng xoay chiều đã hạ áp, sau đó cho qua mạch ổn áp à 5V
2. Dùng các nguồn một chiều có sẵn ( khác 5V ), qua bộ chỉnh đơn giản à gần 5V
- Xét phương án 1:
Sơ đồ nguyên lý của mạch
Dòng xoay chiều 220V bên sơ cấp biến áp T được hạ áp xuống còn 9V~ ở bên thứ cấp. Qua bộ chỉnh lưu cầu sẽ thu được dòng một chiều 9V. Tụ C1,C2 có tác dụng lọc đi các thành phần xoay chiều trong điện áp một chiều không ổn định này. Qua mạch điện ổn áp là IC 7805 sẽ thu được dòng một chiều ổn định có giá trị 5V. Để có giá trị điện áp ra ổn định là 5V thì yêu cầu điện áp một chiều đầu vào phải >= 7V.
- Xét phương án 2 :
Nguồn một chiều ở đây là pin hoặc bộ pin ghép lại cho ta điện áp >= 4.5V ( giá trị điện áp tối thiểu để cung cấp cho đa số các IC ). Thông thường nên chọn điện áp từ 4.8V – 5.5V vì trong quá trình làm việc, do tiêu hao suy giảm, giá trị điện áp < 4.8V sẽ cho thời gian làm việc ngắn.
Nếu ghép 4 pin tiểu 1.5V nối tiếp nhau à nguồn 6V. Sau đó dùng một diode hạ áp 0.6V để có được nguồn như ý với giá trị 5.4V.
Sơ đồ của mạch :
Nếu dùng một pin 9V thì hoặc có thể cho qua mạch ổn áp là IC 7805 như ở phương án 1 để có được giá trị điện áp chuẩn 5V hoặc dùng các diode hạ áp 0.6V như ở trên để có điện áp chấp nhận được.
VI. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ:
VII.KẾT LUẬN:
Căn cứ vào cơ sơ lý thuyết, các phương án đưa ra chúng ta có thể có nhiều cách lựa chon việc lắp ráp mạch thực tế, mặc dù phương án được lua chọn chua chắc đã là phương án tối ưu, nhưng theo chúng tôi thì đó là phương án hợp lý hơn cả cho việc lắp mạch thực tế.
Tuy lắp mạch thực tế song đồ án vẫn mang năng tính lý thuyết khả năng áp dụng vào thực tế chưa cao, việc sác định tốc độ của động cơ vẫn chỉ là xác định tốc độ tĩnh tại một thời điểm nhất định, nếu như tốc độ của động cơ biến thiên liên tục vói tốc độ nhanh thì tốc độ đo được không chính sác.
Mở rộng: Tận dụng mạch Mouse ---> Hiểu được hoạt động của mạch mouse,hệ điều hành xử
lí tín hiệu di chuyển vị trí chuột thì ta có phương án: dùng mạch mouse nhận tín hiệu chiều
quay,đưa tín hiệu đó vào máy tính qua cổng vào của mouse nối với máy tính,viết chương
trình vi xử lí hiện và chỉ thị tốc độ cũng như chiều quay.
