Thiết kế logic - đo tốc độ động cơ
Đề tài : Đo tốc độ động cơ điện có tốc độ bé hơn hoặc bằng 1000 vòng / phút với sai số và có chỉ thị chiều quay của động cơ
®¹i häc Giao Th«ng VËn T¶i
khoa §iÖn-®iÖn tö
THIÕT KÕ LOGIC M¹CH Sè
§Ò Tµi: §o tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn cã tèc ®é ≤ 1000vßng/phót víi sai sè
1%
vµ cã chØ thÞ chiÒu quay cña ®éng c¬.
Nhãm thùc hiÖn:
Hµ M¹nh C−êng
NguyÔn Phó Dòng
Líp: §TVT1-K44
Gi¸o viªn h−íng d½n:
TS. NguyÔn Nam Qu©n
1
MôC LôC
TRang
I. më ®Çu
Ii. nhiÖm vô
iii. lý thuyÕt thùc hiÖn
1. S¬ ®« khèi m¹ch ®« tèc ®é
2. S¬ ®å khèi m¹ch hiÓn thÞ chiÒu quay
a. phÇn 1: ®o tèc ®é ®éng c¬
1. Khèi chuyÓn vßng quay sang xung ®iÖn
2. Khèi khuyÕch ®¹i vµ t¹o d¹ng tÝn hiÖu
3. Khèi cæng
4. Khèi xung më cæng, xo¸ vµ reset
5. Khèi ®Õm gi¶i m· vµ hiÓn thÞ
B. phÇn 2: hiÓn thÞ chiÒu quay
1. Dïng m¹ch ®ång bé
2. Dïng m¹ch kh«ng ®ång bé
V. phÇn nguån
VI. m¹ch nguyªn lý
1. M¹ch ®o tèc ®é
2. M¹ch hiÓn thÞ chiÒu quay
V. KÕt luËn
2
I.Më §ÇU
Trong sù ph¸t triÓn cña kü thuËt ®iÖn tö ngµy nay, kü thuËt sè ®ang
dÇn chiÕm −u thÕ vÒ sè l−îng c¸c øng dông cña nã trªn nhiÒu thiÕt bÞ ®iÖn tö
tõ d©n dông cho ®Õn chuyªn dông, trong nhiÒu lÜnh vùc nh− ®o l−êng, ®iÒu
khiÓn, v.v… nhê vµo nhiÒu −u ®iÓm cña nã. Cã thÓ nãi, nÒn t¶ng cña kü thuËt
sè lµ c¸c m¹ch logic sè dùa trªn sù kÕt hîp cña c¸c cæng logic c¬ b¶n mµ
ngµy nay ®· ®−îc tÝch hîp trong c¸c IC sè.
Trªn c¬ së nh÷ng kiÕn thøc ®· ®−îc häc trong m«n häc: Kü thuËt sè
vµ trong khu«n khæ cña mét ®å ¸n m«n häc: ThiÕt kÕ m¹ch logic sè, chóng
t«i ®· thiÕt kÕ m¹ch logic sè víi ®Ò tµi lµ: ThiÕt kÕ hÖ thèng ®o tèc ®é
®éng c¬ cã hiÓn thÞ chiÒu quay
Víi môc ®Ých lµ t×m hiÓu thªm vÒ lÜnh vùc kü thuËt sè, n©ng cao kiÕn thøc
cña m×nh.
Song kiÕn thøc cßn h¹n hÑp vµ thêi gian thùc hiÖn kh«ng ®−îc nhiÒu nªn ®Ò
tµi cña chóng t«i cßn rÊt nhiÒu sai sãt, h¹n chÕ. MÆc dï ®· cè g¾ng phÇn nµo
thiÕt kÕ vµ tÝnh to¸n mét c¸c chi tiÕt c¸c m¹ch, c¸c th«ng sè nh−ng ®«i khi
cßn mang tÝnh lý thuyÕt, ch−a thùc tÕ. Chóng t«i mong cã sù gãp ý vµ söa
ch÷a ®Ó ®Ò tµi nµy cã tÝnh kh¶ thi h¬n vÒ c¶ ph−¬ng diÖn kinh tÕ còng nh− kü
thuËt.
Chóng em xin ch©n thµnh c¶m ¬n thÇy gi¸o NguyÔn Nam Qu©n ®·
h−íng dÉn vµ gióp ®ì chóng em thiÕt kÕ vµ hoµn thµnh ®Ò tµi nµy.
II.NHIÖM Vô:
VÊn ®Ò nªu trªn ®Æt ra cho ta 2 nhiÖm vô cÇn thùc hiÖn:
1.§o(chØ thÞ) tèc ®é cña ®éng c¬ ®iÖn víi sai sè cho phÐp(sai sè cho phÐp
trong ®Ò tµi chän lµ 1%).
2.HiÖn(chØ thÞ) chiÒu quay cña ®éng c¬ ®iÖn.
III.Lý THUYÕT THùC HIÖN:
S¬ ®å khèi ®Ó thùc hiÖn nhiÖm vô nªu trªn:
1.PhÇn chØ thÞ tèc ®é:
3
ChuyÓn KhuÕch
vßng quay ®¹i tÝn Cæng §Õm Gi¶i ChØ thÞ
sang xung hiÖu xung m·
®iÖn ®iÖn vµ t¹o
d¹ng
Xung më cæng Reset “0”
2.PhÇn chØ thÞ chiÒu quay cña ®éng c¬:
LÊy tÝn KhuÕch
hiÖu chiÒu ®¹i tÝn M¹ch xö lÝ ChØ thÞ
quay hiÖu vµ t¹o
d¹ng
IV.C¸C PH¦¥NG ¸N :
A.PhÇn chØ thÞ tèc ®é ®éng c¬:
1.Khèi chuyÓn vßng quay sang xung ®iÖn:
*Ph−¬ng ¸n 1(ph−¬ng ph¸p c¬):
Mçi vßng quay,vÊu cam trªn trôc ®ãng c«ng t¾c vµo mét lÇn vµ t¹o thµnh
mét xung ®iÖn.§Õm sè xung ®iÖn ®Õm sè vßng quay.
4
vÊu cam
*Ph−¬ng ¸n 2(Ph−¬ng ph¸p dïng c¶m biÕn):
Mét c¶m biÕn thÝch hîp ®−îc ®Æt ®èi diÖn víi vËt trung gian ®Ó ghi nhËn mét
c¸ch ng¾t qu·ng mçi khi cã mét dÊu hiÖu ®i qua vµ mçi lÇn nh− vËy nã cung
cÊp mét tÝn hiÖu xung cã biªn ®é tØ lÖ víi +E.
C¶m biÕn tõ:
®Çu tõ
MÈu b¨ng tõ
Mèi 1 vßng quay,mÈu b¨ng tõ ®−îc d¸n trªn trôc ®éng c¬ quÐt qua ®Çu tõ
,g©y sù biÕn thiªn tõ th«ng Ø trªn cuén d©y cña ®Çu tõ,t¹o trªn cuén d©y mét
suÊt ®iÖn ®éng cã biªn ®é E.Khi ®éng c¬ quay t¹o trªn cuén d©y nh÷ng xung
suÊt ®iÖn ®éng cã tÇn sè tèc ®é quay cña ®éng c¬.§Õm sè xung suÊt
®iÖn ®éng ®Õm sè vßng quay cña ®éng c¬.
5
HoÆc ta cã thÓ thay mÈu b¨ng tõ b»ng mét ®Üa quay lµm b»ng vËt liÖu tõ
tÝnh cã khÝa r¨ng(hoÆc b¸nh r¨ng) g¾n lªn trôc ®éng c¬ :
khe tõ
vÊu tõ
HoÆc ng−îc l¹i ta dïng mét vËt trung gian lµ mét ®Üa ch¾n tõ mét c¸ch
tuÇn hoµn gi÷a mét nam ch©m cè ®Þnh vµ mét c¶m biÕn tõ :
nam ch©m
cè ®Þnh vÊu ch¾n tõ
khe tõ
Biªn ®é suÊt ®iÖn ®éng cña cuén d©y E phô thuéc chñ yÕu 2 yÕu tè:
+Kho¶ng cach gi÷a cuén d©y(®Çu tõ) vµ vËt trung gian.Kho¶ng c¸ch(khe
tõ) nµy lín th× E nhá.
+Tèc ®é quay cña ®éng c¬:E tØ lÖ víi tèc ®é quay.Khi tèc ®é quay qu¸
bÐ,E sÏ nhá ®Ó cã thÓ ph¸t hiÖn ®−îc vµ ®©y lµ vÞ trÝ tèc ®é quay chÕt.
6
C¶m biÕn quang:
ThÊu kÝnh
®Çu thu quang
nguån ph¸t s¸ng nguån ph¸t s¸ng
®Çu thu quang
a> b>
C¶m biÕn quang dïng 1 nguån ph¸t s¸ng thÝch hîp cïng víi 1 c¶m biÕn
quang khi 1 vËt trung gian quay cã c¸c lç,®−êng v¸t,hoÆc mÆt ph¶n x¹.
+Nguån s¸ng: LED,IR-LED,LAZER...
+C¶m biÕn quang: PHOTODIODE,PHOTOTRANSISTOR,PHOTO-JFET,
PHOTORESISTOR,PHOTOTHYRISTOR
Khi ®éng c¬ quay,¸nh s¸ng gÆp lç(h×nh a>),gÆp mÆt ph¶n x¹(h×nh b>) sÏ
tíi ®−îc ®Çu thu quang.Khi ®ã trªn ®Çu thu quang ta sÏ thu ®−îc 1 xung
®iÖn.Biªn ®é xung ®iÖn chñ yÕu phô thuéc:
+Th«ng l−îng ¸nh s¸ng Ø tíi ®−îc ®Çu thu quang: Ø cµng lín th× biªn ®é
xung ®iÖn cµng lín.
+§é nhËy cña ®Çu thu quang.
KL:
Chän ph−¬ng ¸n: Dïng c¶m biÕn quang h×nh a>
+Nguån ph¸t quang: IR-LED hång ngo¹i ph¸t sãng hång ngo¹i gÇn
+C¶m biÕn quang: PHOTOTRANSISTOR
IR-LED, PHOTOTRANSISTOR ®−îc lÊy thùc tÕ trong m¹ch lµ IR-LED,
PHOTOTRANSISTOR cña m¹ch Mouse m¸y tÝnh.
7
Kh«ng biÕt c¶m biÕn quang m¹ch Mouse cã ph¶i lµ PHOTOTRANSISTOR
kh«ng,hay lµ PHOTO-JFET
2.Khèi khuÕch ®¹i tÝn hiÖu xung ®iÖn vµ t¹o d¹ng:
*TÝn hiÖu xung thu ®−îc ë khèi chuyÓn vßng quay sang xung lµ nhá,do
®ã cÇn ph¶i khuÕch ®¹i tÝn hiÖu nµy lªn ®Ó cã thÓ sö dông ®−îc.
Mét m¹ch khuÕch ®¹i tÝn hiÖu sè cho ®Çu ra ë møc logic “1” khi cã xung vµ
møc “0” khi kh«ng cã xung .
Do ®©y lµ thiÕt kÕ Logic nªn phÇn t−¬ng tù kh«ng cÇn quan träng l¾m --->
kh«ng thiÕt kÕ chi tiÕt.
*TÝn hiÖu thu ®−îc ban ®Çu ch−a h¼n ®· ë d¹ng xung vu«ng chuÈn,v× vËy
tÝn hiÖu cÇn qua bé t¹o d¹ng ®Ó trë thµnh xung vu«ng chuÈn.§¬n gi¶n ta
chän lµ mét m¹ch OR(t¹o tõ phÇn tö NOR cña IC SN7402): T¹o d¹ng dïng
Smith-Trigo lµ chuyªn dông h¬n!
*TÝn hiÖu ra khèi khuÕch ®¹i tÝn hiÖu xung ®iÖn vµ t¹o d¹ng lµ tÝn hiÖu ra
m¹ch t¹o d¹ng.
KL:
Do Mouse ®· chuuyÓn vßng quay sang xung ®iÖn vµ ®−a vµo m¸y tÝnh
nªn tÝn hiÖu ra cña nã lµ tÝn hiÖu logic.Nh− vËy toµn bé 2 khèi chuyÓn vßng
quay sang xung ®iÖn,khèi khuÕch ®¹i vµ t¹o d¹ng ®−îc tËn dông tõ
Mouse.TÝn hiÖu tèc ®é quay vµo khèi cæng lóc nµy lµ tÝn hiÖu ra ®−îc c©u ra
tõ m¹ch Mouse.
3.Khèi cæng:
Khèi cæng cã nhiÖm vô chØ cho tÝn hiÖu xung qua trong mét ®¬n vÞ thêi
gian nµo ®ã.TÝn hiÖu më cæng lÊy tõ khèi xung më cæng.
ë ®©y chän khèi cæng ®¬n gi¶n lµ 1 m¹ch AND 2 ®Çu vµo( t¹o tõ phÇn tö
NAND cña IC SN7400):
8
4.Khèi Xung Më Cæng:
Lµ khèi dao ®éng ®a hµi t¹o xung vu«ng cã biªn ®é xung ë møc logic “1”
vµ ®é réng xung b»ng ®¬n vÞ thêi gian më cæng(tx).
a>§a hµi dïng Transistor: tx=0,7.Rb.Cb
b>§a hµi dïng KhuÕch ®¹i thuËt to¸n:
tx=R.C.Ln(1+2R1/R2)
Chän 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 xÐt tíi tx ta ph¶i xÐt lu«n c¶ phÇn sai sè ®o vµ hÖ sè nh©n khi ®o tèc
®é víi ®¬n vÞ vßng/phót.Trong bµi nµy ta sö dông sè lç ®ôc trªn tÊm b×a ®Ó
thÓ hiÖn sai sè phÐp ®o vµ hÖ sè nh©n.
*XÐt tx=1phót:
Trong tr−êng hîp nµy lµ thùc hiÖn ®o tèc ®é quay cña ®éng c¬ ®óng theo
vßng/phót vµ do ®ã chØ cßn thùc hiÖn phÇn sai sè: víi sai sè phÐp ®o lµ x%
th× thùc hiÖn ®ôc trªn tÊm b×a (100/x) lç.
Nh−ng v× tx qu¸ dµi nªn kh«ng thùc tÕ.Do vËy kh«ng chän kh¶ n¨ng nµy.
*XÐt tx Sè lç ®ôc trªn tÊm b×a khi dïng ®¬n vÞ (vßng/phót) lµ: 60/tx lç.
Víi phÇn sai sè x% th× ta ph¶i ®ôc gi÷a 2 lç liªn tiÕp ë trªn (100/x - 1) lç.
VËy víi tr−êng hîp nµy,tæng sè lç ph¶i ®ôc trªn tÊm b×a: (60/tx.100/x) lç.
KL:
+Chän tx=4(s),khi thiÕt kÕ m¹ch thùc tÕ chØ thÓ hiÖn x%=10%.
----> Tæng sè lç ®ôc: 150 lç.
+V× lý do t¹o thªm xung xãa tr¹ng th¸i khèi ®Õm sau mçi chu k× ®o, chän t¹o
tx tõ m¹ch t¹o xung ®a hµi T=1s: Timer 555.
C1= 10uF ; C2= 0.1uF ; R= 62KOhm ; VR=(0 – 50)
Kohm(cô thÓ lµ 20Kohm)
T¹o tx=4(s) tõ m¹ch ®a hµi Timer 555(T=1(s)):
TÝn hiÖu ra bé ®a hµi ®−îc ®−a vµo lµm xung ®Õm bé ®Õm 8(®Õm
thuËn,m· BCD 3 bit).Khi ®ã tÝn hiÖu ra bit cao nhÊt Qc cña bé ®Õm 8 chÝnh
lµ tÝn hiÖu ra khèi xung më cæng víi ®¬n vÞ më cæng tx.
11
Bé ®Õm 8 thuËn 3 bit BCD cã thÓ ®ù¬c thiÕt kÕ riªng t−¬ng tù nh− thiÕt
kÕ bé ®Õm 10 thuËn 4 bit BCD ë phÇn khèi bé ®Õm.Tuy nhiªn,ta m¾c ®Õm 8
tõ bé ®Õm 10 thuËn 4 bit BCD ®· ®−îc thiÕt kÕ ®ã(dïng IC 7490/74LS90)
khèi t¹o xung xãa tr¹ng th¸i khèi ®Õm sau mçi chu k× ®o Reset “0”:
Tèc ®é quay cña ®éng c¬ ®−îc ®o trong kho¶ng thêi gian cho bëi khèi
xung më cæng,tÝn hiÖu ra khèi xung më cæng cã tÝnh chu k×,do vËy trong
kho¶ng thêi gian khèi cæng bÞ khãa(tÝn hiÖu ra khèi xung më cæng ë møc
thÊp) ta ®äc kÕt qu¶ ®o vµ sau ®ã Reset “0” khèi ®Õm ®Ó kÕt qu¶ ®o cña chu
k× ®o sau(nÕu ®o) ®ù¬c ®óng.
12
ThiÕt kÕ xung Reset “0” khèi ®Õm:
+Xung Reset “0” = AND(TÝn hiÖu ra m¹ch ®a hµi Timer 555; 2 bit thÊp
Qa,Qb ; NOT(Qc))
Qa,Qb,Qc: bit ra cña bé ®Õm 8 ë trªn.
M¹ch khèi t¹o xung Reset “0”: M¹ch dïng c¸c linh kiÖn NAND,NOR cña
IC
SN7402, SN7400
+Xung Reset “0” ®−îc nèi trùc tiÕp tíi c¸c ch©n Reset R01,R02 cña tÊt c¶
c¸c IC ®iÕm trong khèi ®Õm.
Nh− vËy tr−íc khi ®o sau 3.43(s) khèi ®Õm ®−îc thiÕt lËp 0 bëi xung
Reset “0” cã ®é réng xung = 0.57(s),kÕ ®ã m¹ch sÏ ®o(®Õm) trong 4s tiÕp,gi÷
13
kÕt qu¶ trong 3,43s tiÕp theo,0,57s tiÕp bé ®Õm bÞ xãa vÒ 0.Sang gi©y thø 13
qu¸ tr×nh ®Õm lÆp l¹i.
5.Khèi ®Õm,gi¶i m·,hiÓn thÞ:
§Ó hiÓn thÞ tèc ®é quay cña mét ®éng c¬ ®iÖn cã tèc ®é ≤ 1000
vßng/phót víi sai sè phÐp ®o lµ 1% th× ta ph¶i dïng 5 LED 7 thanh: Chän
LED 7 thanh chung Katot/Anot
HÖ thèng ®Õm gåm 5 m¹ch ®Õm 10(®Õm thuËn) m· BCD 4 bit ®−îc m¾c
nèi tiÕp víi nhau (bé ®Õm 1 lÊy xung ®Õm tõ tÝn hiÖu ra khèi cæng,c¸c bé
®Õm cßn l¹i lÊy xung ®Õm (theo kiÓu nèi tiÕp) tõ bit cao nhÊt(Qd) cña bé ®Õm
trªn nã),khi m¹ch ®Õm nµy ®Çy sÏ kÝch lªn m¹ch ®Õm cã träng sè lín h¬n
ngay trªn nã.
T−¬ng øng víi 5 m¹ch ®Õm lµ 5 m¹ch gi¶i m· BCD 4 bit ra m· 7 thanh
vµ ®−îc nèi tíi 5 LED 7 thanh t−¬ng øng.
14
a>Khèi ®Õm:
*Bé ®Õm thuËn 10:
B¶ng tr¹ng th¸i:
t t+1
Qc Qb Qa Qc Qb Qa
0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 1 0
0 1 0 0 1 1
0 1 1 1 0 0
1 0 0 1 0 1
1 0 1 1 1 0
1 1 0 1 1 1
1 1 1 0 0 0
0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0
15
+ThiÕt kÕ,chän c¸c phÇn tö m¹ch: 4 phÇn tö nhí JK-FF vµ c¸c phÇn tö
logic tæ hîp.
+2 ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ bé ®Õm: ThiÕt kÕ ®ång bé hî¨c kh«ng ®ång bé.
a.1>ThiÕt kÕ ®ång bé:
LËp b¶ng m· hãa theo b×a Karough,b¶ng kÝch,tõ ®ã ta t×m ®−îc hÖ ph−¬ng
tr×nh kÝch:
J1=QcQbQa
K1=Qa
J2=K2=QbQa
J3= Qd Qa
K3=Qa
J4=K4=1
S¬ ®å m¹ch:
a.2>ThiÕt kÕ kh«ng ®ång bé:
Tõ hÖ ph−¬ng tr×nh kÝch m¹ch ®Õm ®ång bé ta cã:
J1=QcQb ; K1=1 ; Xung nhÞp Ck1=Qa
J2=K2=Qa ; Ck2=Qb
J3= Qd ; K3=1 ; Ck3=Qa
J4=K4=1 ; Ck4= Xung ®Õm.
S¬ ®å m¹ch:
16
*KL: Thùc tÕ m¹ch ®Õm 10(®Õm thuËn) dïng lµ IC ®Õm: 7490/74LS90
17
b>Khèi gi¶i m·:
*M¹ch gi¶i m· BCD 4 bit ra m· 7 thanh:
Víi LED 7 thanh:
B¶ng tr¹ng th¸i ho¹t ®éng m¹ch gi¶i m·:
số CD c d e f g
0 0 1 1 1 1 0
0 1 1 0 0 0 0
1 0 0 1 1 0 1
1 1 1 1 0 0 1
0 0 1 0 0 1 1
0 1 1 1 0 1 1
1 0 1 1 1 1 1
1 1 1 0 0 0 0
0 0 1 1 1 1 1
0 1 1 0 0 1 1
18
ThiÕt kÕ m¹ch dïng c¸c phÇn tö logic tæ hîp:
a = C + A + B D +DB
b = A +B
c = A+ C +B+D
d = C + A +D + B D
e = CD +B D
f = A + C D + BD + BC
g = C D + B D +B C + B
*KL: Thùc tÕ dïng IC gi¶i m·: 7447/74LS47
19
• 74LS90,74LS47,LED Anot chung.
• SN7490(7490),SN7447(7447),LED Katot chung.
B.PhÇn chØ thÞ chiÒu quay:
1.Ph−¬ng ¸n dïng m¹ch ®ång bé:
+TÝn hiÖu chiÒu quay, xung ®ång bé :
20
