Расчет цифровой автоматической системы для измерения угла поворота

Министерство образования и науки РФ

Севастопольский государственный университет

 

 

 

 

 

Кафедра СПЭМС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Цифровые автоматические системы»

на тему: «Расчет цифровой автоматической системы для измерения угла поворота»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст.гр. Эм-11д

Полторак И.А.

                                                                  Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                       Севастополь

2014

Содержание

Введение

1. Техническое задание

2. Принцип работы датчика

3. Выбор датчика

4. Выбор электронных компонентов.

4.1. Схема счетчика

4.2. Схема ввода

4.3. Регистр

5. Принцип работы схемы

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Датчик угла поворота (сокр. ДУП) — устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота. Датчики угла поворота имеют множество применений. Они широко применяются в промышленности (в частности в сервоприводах), в роботостроении, в автомобилестроении (например для определения угла поворота рулевого колеса), в компьютерной технике (для определения угла поворота колеса компьютерной мыши) и т.п.

ДУП подразделяются: по способу выдачи информации на накапливающие (инкрементные) и абсолютные (позиционные); по принципу действия на оптические, резистивные, магнитные, индуктивные, механические; по допустимому углу поворота вала на ДУП с ограниченным диапазоном работы и ДУП с неограниченным диапазоном работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Техническое задание

 

На судах имеются устройства, с помощью которых осуществляется установка некоторого угла. Например, поворот пера руля или наведение спутниковой антенны. Для этих целей используются двигатели, оснащенные цифровыми датчиками угол-код и устройством цифрового ввода данных в компьютер.

Необходимо разработать блок схему цифровой автоматической системы для измерения угла поворота с вводом данных измерения в компьютер с помощью одножильного коаксиального кабеля. В месте установки устройства должна быть визуальная индикация угла поворота. Разработать принципиальную и монтажную схему цифрового устройства.

 

Исходные данные по варианту №4:

- скорость вращения 0-750 об/мин

- минимальный угол поворота  вала 0,5 градуса.

- элементная база: цифровые датчики угол-код, микросхемы.

 

 

2. Принцип работы датчика

 

Оптические ДУПы имеют жёстко закреплённый на валу стеклянный диск с оптическим растром. При вращении вала растр перемещается относительно неподвижного растра, при этом модулируется световой поток, принимаемый фотодатчиком. Абсолютные оптические датчики угла — это датчики угла поворота, в которых каждому положению вала соответствует цифровой выходной код, который наряду с числом оборотов является основным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические ДУПы, так же как и накапливающие, считывают и фиксируют параметры вращения оптического диска.

Рисунок 1. Механическая схема датчика угла-поворота.

Виды датчиков положения вала(энкодеров):

Инкрементальный энкодер - это устройство, которое определяет угол поворота вращающегося объекта, выдавая импульсный цифровой код. Используется для определения скорости вращения вала (оси), когда нет нужды сохранять абсолютное угловое положение при выключении питания. То есть, если вал неподвижен, передача импульсов прекращается. Другими словами, если включить энкодер этого типа, то отсчет поворота угла начнется с нуля, а не с угла на который он был выставлен до момента выключения. Оси объекта и энкодера соединяются между собой с помощью специальной гибкой переходной муфты или жесткой втулки, либо энкодер может помещаться собственно на сам вал. Основным преимуществом инкрементальных энкодеров является их простота, надежность и относительно низкая стоимость.

Абсолютный энкодер выдает цифровой код, различный для каждого положения объекта, позволяет определять угол поворота оси даже в случае исчезновения и восстановления питания и не требует возвращения объекта в начальное положение, что является несомненным преимуществом этого типа энкодеров. Так как угол поворота всегда известен, то счетчик импульсов в этом случае не нужен. Сигнал абсолютного энкодера не подвергается помехам и вибрации и тем самым для него не нужна точная установка вала. Абсолютный энкодер используется в высокоточных системах: робототехника, станки с числовым программным управлением и др.

Рисунок 2.Блок схема датчика

На валу двигателя устанавливается оптический датчик, передающий импульсы на счетчик, который их подсчитывает и через схему ввода подает сигнал на регистр. Регистр параллельным или последовательным переносом заносит сигнал в ЭВМ.

 

 

3. Выбор датчика

 

Исходя из необходимой частоты вращения и минимальной точности был выбран оптический датчик: Инкрементальный энкодер E40S

Характеристики датчика:

- Диаметр корпуса 40мм

- Диаметр полого вала 6 или 8мм

- Питание: 12-24 VDC или 5 VDC

- Тип выхода: универсальный, NPN открытый коллектор, выход по

напряжению, дифференциальный выход (только 5 VDC)

- Возможное количество импульсов  на оборот: от 1 до 5000

 

Рисунок 3.Инкрементальный энкодер E40S

 

 

4. Выбор электронных компонентов.

 

4.1. Схема счетчика: счетчик 4-х разрядный, микросхема К115ИЕ5

Микросхемы представляет собой двоичный счетчик. Каждая ИС состоит из четырех JK-триггеров,образуя счетчик делитель на 2 и 8. Установочные входы обеспечивают прекращение счета и одновременно возвращают все триггеры в состояние низкого уровня (на входы R0(1) и R0(2) подается высокий уровень). Выход Q1 не соединен с последующими триггерами. Если ИС используется как четырехразрядный двоичный счетчик, то счетные импульсы подаются на С1, а если как трехразрядный - то на вход С2. Корпус К155ИЕ5 типа 201.14-1, КМ155ИД5 типа 201.14-8.

Рисунок 4. Корпус ИМС К155ИЕ5

Рисунок 5. Корпус ИМС КМ155ИЕ5

Рисунок 6. Условное графическое обозначение

1 - вход счетный С2;

2 - вход установки 0 R0(1); 3 - вход установки 0 R0(2);

4,6,7,13 - свободные; 5 - напряжение питания +Uп;

8 - выход Q3; 9 - выход Q2;

10 - общий; 11 - выход Q4;

12 - выход Q1; 14 - вход счетный C1;

 

 

Таблица 1. Электрические параметры К115ИЕ5.

1	Номинальное напряжение питания	5 В  5 %
2	Выходное напряжение низкого уровня при Uп=4,75 В	не более 0,4 В
3	Выходное напряжение высокого уровня при Uп=4,75 В	не менее 2,4 В
4	Напряжение на антизвонном диоде при Uп=4,75 В	не менее 1,5 В
5	Входной ток низкого уровня по входам установки в 0 при Uп=5,25 В	не более -1,6 мА
6	Входной ток низкого уровня по счетным входам С1 и С2 при Uп=5,25 В	не более -3,2 мА
7	Входной ток высокого уровня по входам установки в 0 при Uп=5,25 В	не более -0,04 мА
8	Входной ток высокого уровня по счетным входам С1 и С2 при Uп=5,25 В	не более 0,08 мА
9	Ток входного пробивного напряжения по входам установки в 0 и счетным входам С1 и С2	не более 1 мА
10	Ток потребления	не более 53 мА
11	Время задержки распространения при включении по счетному входу С1 при Uп=5 В	не более 135 нс
12	Время задержки распространения при выключении по счетному входу С1 при Uп=5 В	не более 135 нс
13	Ток короткого замыкания приUп=5,25 В	-18...57 мА

Таблица 2. Предельно допустимые режимы эксплуатации К115ИЕ5

1	Напряжение питания	не более 6 В
2	Минимальное напряжение на входе	-0,4 В
3	Максимальное напряжение на входе	5,5 В
4	Минимальное напряжение на выходе	-0,3 В
5	Максимальное напряжение на выходе закрытой ИС	5,25 В
6	Температура окружающей среды К155ИЕ5 КМ155ИЕ5	-10...+70 ° C   -45...+85 ° C

 

 

4.2. Схема ввода: микросхема К155ЛА3

Микросхема представляет собой четыре логических элемента 2И-НЕ. Корпус К155ЛА3 типа 201.14-1, масса не более 1 г и у КМ155ЛА3 типа 201.14-8, масса не более 2,2 г.

Рисунок 7. Корпус ИМС К155ЛА3

 

Рисунок 8. Корпус ИМС КМ155ЛА3

Рисунок 9. Условное графическое обозначение

1,2,4,5,9,10,12,13 - входы X1-X8;

3 - выход Y1;

6 - выход Y2;

7 - общий;

8 - выход Y3;

11 - выход Y4;

14 - напряжение питания;

 

 

Таблица 3Электрические параметры

1	Номинальное напряжение питания	5 В  5 %
2	Выходное напряжение низкого уровня	не более 0,4 В
3	Выходное напряжение высокого уровня	не менее 2,4 В
4	Напряжение на антизвонном диоде	не менее -1,5 В
5	Входной ток низкого уровня	не более -1,6 мА
6	Входной ток высокого уровня	не более 0,04 мА
7	Входной пробивной ток	не более 1 мА
8	Ток короткого замыкания	-18...-55 мА
9	Ток потребления при низком уровне выходного напряжения	не более 22 мА
10	Ток потребления при высоком уровне выходного напряжения	не более 8 мА
11	Потребляемая статическая мощность на один логический элемент	не более 19,7 мВт
12	Время задержки распространения при включении	не более 15 нс
13	Время задержки распространения при выключении	не более 22 нс

 

 

4.3. Регистр: 8-х разрядный, микросхема К555ИР9

Восьмиразрядный сдвигающий регистр с возможностью асинхронной параллельной записи и последовательным считыванием. Микросхема имеет вход D0 для подачи информации при последовательной записи, восемь входов D1 - D8 для подачи информации при параллельной записи, два равноправных входа для подачи тактовых импульсов (выводы 2 и 15), вход параллельной записи L и прямой и инверсный выходы последнего разряда сдвигающего регистра. Переключение триггеров регистра происходит по спаду импульсов отрицательной полярности на любом из входов С при лог. 0 на другом. Подача лог. 1 на любой из входов запрещает переключение триггеров при подаче импульсов на второй вход. Режим работы регистра определяется сигналом, поданным на вход L - при лог. 1 на нем по спадам импульсов на входе С происходит сдвиг информации, поступающей на вход D0, выходам 8, при лог. 0 на входе L происходит параллельная запись информации со входов D1 - D8 в триггеры регистра.

Рисунок 11. Корпус ИМС К555ИР9

Рисунок 12. Корпус ИМС КМ555ИР9

Рисунок 13. Условное графическое обозначение

Назначение выводов ИС К555ИР9

1. Запись-чтение ®WR

2. Тактовый вход C

3. Вход D4

4. Вход D5

5. Вход D6

6. Вход D7

7. Инверсный выход Q7

8. Общий GND

9. Прямой выход Q7

10. Последовательный вход D® 

11. Вход D0

12. Вход D1

13. Вход D2

14. Вход D3

15. Задержка такта DE

16. Питание Ucc

 

Таблица 4.Электрические параметры

1	Номинальное напряжение питания	5 В  5 %
2	Выходное напряжение низкого уровня	не более 0,5 В
3	Выходное напряжение высокого уровня	не менее 2,4 В
4	Входной ток низкого уровня	не более 0,4 мА
5	Входной ток высокого уровня	не более 0,02 мА
6	Ток короткого замыкания	-30...-70 мА
7	Ток потребления	не более 20 мА
8	Потребляемая мощность	не более 105 мВт