Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Техническое задание

Спроектировать цифровой тахометр, для ориентировочной оценки частоты вращения, в качестве датчика оборотов использовать цифровой датчик Холла. Для оптимального соотношения оперативности обработки цифровых сигналов и длительности отображения результатов на индикационной шкале использовать таймер реального времени.

2. Назначение устройства

Данное устройство предназначено для ориентировочной оценки числа оборотов вращающегося вала, при разработке было сделано допущение, что датчик срабатывает однажды при каждом обороте вала. Результат обсчета оборотов представлен в виде горящего светодиода на светодиодной панели. Особенность отображения результата дает лишь ориентировочное представление о частоте вращения вала.

3. Структурная схема устройства и ее описание

Рис. 1. Структурная схема устройства

Цифровой датчик Холла регистрирует изменения проходящего магнитного потока, полученный с датчика сигнал поступает на вход счетчика импульсов, на выходе счетчика образуется двоичный код соответствующий числу зарегистрированных оборотов. Количество импульсов с датчика Холла в двоичном коде поступает на вход буфера-защелки, тактируемым от выхода таймера реального времени, т.о. отсекаются промежуточные значения счетчика и используется только максимальное его значение, по сигналу с таймера буфер переводит двоичный код с входа на выход, к выходу буфера подключен дешифратор двоично-десятичный. Данная цифровая схема позволяет перейти от 2-й системы к 10-й, так же эта схема управляет включением диодов индикации.

В задании предлагалось использовать для индикации результата обработки сигнала светодиодную шкалу из 8 диодов. Итого индикационная панель представляет собой 8 светодиодов, из них:

Зеленного цвета - с 1-го по 4-й.

Желтого цвета - с 5-го по 7-й.

Красного цвета - с 8-го по 10-й.

4. Описание работы устройства и основных функциональных блоков

4.1 Цифровой датчик Холла

В данном устройстве используется трехвыводной цифровой датчик Холла SSE49E, сигнальная характеристика и блок-диаграмма на рис. 2 и рис. 3 соответственно [1].

Рис. 2. Сигнальная характеристика ДХ

Рис. 3. Блок-схема ДХ

4.2 Счетчик импульсов

Основным требованием к данному функциональному блоку высокая разрядность для охвата большего диапазона значений частоты вращающегося вала. Предельное значение частоты находится в районе 10 КГц, для отображения результата используется 10 светодиодов, т.о. каждому диоду соответствует некая граничная частота, по преодолении которой зажигается следующий светодиод. При разработке выбор был сделан в пользу четырехразрядного счетчика 74НС190, т.к. счетчик представляет результат счета в выходном двоичном коде, максимальное значение которое можно зафиксировать на выходе это 2₂⁴=32₁₀. Данный счетчик имеет вывод переноса, который может быть подключен к входу следующего аналогичного счетчика, что позволяет увеличить общую разрядность до необходимого предела. В разработке данного устройства такой подход кажется избыточным, т.к. прибор служит для ориентировочной оценки частоты вращения вала, увеличение разрядности приведет к увеличению элементов входящих в состав схемы, а также высокая разрядность даст избыточную точность измерений. Данный счетчик имеет также инвертированный вывод сброса. При подаче низкого уровня на данный вывод микросхемы, счетчик сбрасывает в лог. 0 значения на каждом выходе, при восстановлении высокого уровня на выводе сброса, счет возобновляется.

Задав необходимую частоту сброса таймера, можно отсекать частоты меньшие, чем частота сброса, и регистрировать большие частоты. При таком подходе разрядность одного счетчика вполне достаточна.

В данном устройстве предлагается использование синхронного 4-битного счетчика 74НС190.

Рис. 4. Счетчик 74НС190

Вывод, обозначенный на схеме как CLK является входом считаемых импульсов, выводы Q0..Q3 соответствуют выходам счетчика, уровни данных выводов образуют последовательный двоичный код, вывод RCO - выход переноса при переполнении счетчика, инвертированный вывод PL - сбрасывает счетчик. Треугольник у вывода CLK означает срабатывание по фронту импульса, т.е. по увеличению.

Так же счетчик имеет выводы D0..D3 для записи входного кода, относительно которого будет производиться отсчет, данная возможность не используется. Для обеспечения необходимого режима работы счетчика необходимо заземлить выводы Е и D/U.

4.3 Буфер-защелка

В данном устройстве буфер-защелка необходим чтобы, отделить счетчик от модуля индикации, индикация реагирует только на определенное значение счетчика, а не все.

Рис. 5. Буфер-защелка 40174

Выводы D0..D5 входы буфера, Q0..Q5 - выходы. CLK - вывод тактирующих импульсов по фронту, MR - инвертированный вывод сброса.

Тактирование буфера происходит параллельно со сбросом от таймера сброса. Защелкивание происходит по фронту импульса тактирования. Во все остальные моменты выход не зависит от входа, состояние выхода держится до следующего такта.

Таблица истинности для буфера

H - высокий уровень.

L - низкий уровень.

^ - фронт сигнала.

Х - неопределенно.

NC - без изменений.

4.4 Таймер сброса

В качестве таймера сброса использована микросхема 176ИЕ12. Данная микросхема используется в различных таймерных схемах, где необходимо получение точных временных интервалов.

Рис. 6. Микросхема 176ИЕ12

Микросхема 176ИЕ12 состоит из кварцевого генератора с внешним кварцевым резонатором на частоту 32768 Гц, 15-разрядного делителя частоты и делителя частоты на 60 с индивидуальными входами сброса и тактирования. При подключении к микросхеме кварцевого резонатора с частотой 32768 Гц, она обеспечивает получение частот 32768, 1024, 128, 2, 1 и 1/60 Гц.

Кварцевые резонаторы - устройства, использующие пьезоэлектрический эффект для возбуждения электрических колебаний заданной частоты. При совпадении частоты приложенного напряжения с одной из собственных механических частот кварцевого вибратора в приборе возникает явление резонанса, приводящее к резкому увеличению проводимости. Обладая среди резонаторов самой высокой добротностью Q~10⁵ -10⁷ (добротность колебательного LC контура не превышает 10^2, пьезокерамики 10³⁾, кварцевые резонаторы имеют также высокую температурную стабильность и низкую долговременную нестабильность частоты (10⁶ - 10⁸). Кварцевые резонаторы применяются в генераторах опорных частот, в управляемых по частоте генераторах, селективных устройствах: фильтрах, частотных дискриминаторах и т.д. [5]

Функционально микросхема разделена на два блока: делитель частоты генератора и счетчик импульсов. Данное включение схемы даст необходимую частоту 1024 Гц на выходе делителя F, вход счетчика (С) подключен к выводу делителя на 1 Гц, таким образом, счетчик считает количество прошедших секунд, выводы сброса в 0, подключены к выходу счетчика на 1/60 Гц. Что обеспечивает перезапуск таймера сброса каждую минуту. Периодический перезапуск позволит снизить расхождение в синхронизации микросхем, что минимизирует возможность ошибки отображения результата. Не смотря на низкую точность разрабатываемого прибора, ошибка в порядке измеренной частоты может быть значительной.

Рис. 7. Схема подключения резонатора к счетчику

Таблица 3

4.5 Двоично-десятичный дешифратор

Данное устройство переводит входной двоичный код в десятичный, первым 8 выходам схемы соответствует светодиод индикации.

Рис. 8. Дешифратор 74НС4028

4.6 Индикационная шкала

Светодиоды подключены к выводам буфера и земле, для того чтобы ограничить ток через диоды, необходимо их соединить через резисторы.

Максимальный ток светодиода - 20 мА

Напряжение питания 5 В

R = U/I = 250 Ом,

Подойдут резисторы номиналом 330 Ом.

Временные диаграммы.

Временные диаграммы построены для частоты вращения вала U0 (OUT) 3 КГц.

Список литературы

тахометр цифровой холл датчик

1. Документация на датчик Холла, серии SS49E 2010 г.

2. Datasheet: 74НС/HTC190 Presettable Synchronous BCD decade up/down counter; Philips Semiconductor: 1988.

3. Datasheet: CD40174BC/CD40175BC - Hex/Quad D-Type Flip-Flop; Fairchild Semiconductor: 1999.

4. Бирюков С.А. «Применение цифровых микросхем серий ТТЛ и КМОП», М.; ДМК, 2000.

5. Документация на кварцевые резонаторы, серии РПК 2010 г.

Размещено на Allbest.ru