LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình sản xuất hiện đại, đo tốc độ động cơ là việc làm
không thể thiếu, nó giúp cho quá trình giám sát sản xuất nhah hơn, tốt hơn,
cho ra những sản phẩm như ý, chính xác. Nếu ta không đo được tốc độ của
động cơ thì không thể điều khiển tốc độ chính xác được. Với những máy
móc hiện đại như ngày nay, trong quá trình sản xuất luôn chạy với nhiều
tốc độ khác nhau, tùy theo mỗi giai đoạn làm việc của nó, chính vì thế mà ta
cần phải biết tốc độ động cơ là bao nhiêu để điều chỉnh cho phù hợp.
Từ lâu con người đã nghiên cứu chế tạo ra những máy đo tốc độ và
được sử dụng rộng rãi. Trong các hệ truyền động kinh điển người ta dùng
máy phát tốc đo tốc độ động cơ, máy phát tốc một chiều hay xoay chiều
thực chất cũng chỉ là máy phát điện công suất nhỏ, có suất điện động ra tỷ
lệ với tốc độ cần đo. Về sau nền sản xuất công nghiệp ngày càng phát triển
hiện đại người ta bắt đầu nghiên cứu và cho ra đời các máy đo tốc độ có độ
chính xác cao hơn như máy đo góc tuyệt đối, máy đo sử dụng cảm biến
quang tốc độ với đĩa giải mã …
Trong quá trình ngồi trên ghế trường đại học em đã được trang bị
một số kiến thức về lĩnh vực này, thấy được tầm quan trọng của nó và để
tìm hiểu kỹ hơn thầy giáo đã giao cho em bài tập “ Thiết kế hệ thống
đo tốc độ động cơ sử dụng encoder hiển thị trên máy tính“ để
làm cơ sở cho sự phát triển các môn chuyên ngành. Đề tài này cũng không
có gì mới mẻ nhưng em nghĩ tuy cũ mà mình chưa nghiên cứu thì với mình
nó vẫn là mới như thường,với lại tầm quan trọng của nó là rất lớn, trong
quá trình làm việc sau này chắc chắn sẽ còn gặp thường xuyên nên phải
nghiên cứu để nắm vững.
Với đề tài trên yêu cầu người làm phải nắm vững được các phương
pháp đo tốc độ động cơ, từ đó thiết kế và thi công máy đo tốc độ không tiếp
1
xúc và hiển thị được tốc độ đó, từ cơ sở đó buộc người làm đề tài phải thực
hiện được những công việc sau:
- Tìn hiểu về các phương pháp đo tốc độ động cơ


Chương 1
MÔ TẢ CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ
1.1 Giới thiệu về động cơ điện một chiều
1. Giới thiệu về động cơ điện.
a. Động cơ điện xoay chiều:
+. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Động cơ gồm có hai phần chính là stator và rotor. Stato gồm các cuộn
dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ
trường quay. Rôto hình trụ có tác dụng như một cuộn dây quấn trên lõi
thép.Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stato gây
ra làm cho rôto quay trên trục. Chuyển động quay của rôto được trục máy
truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu
chuyển động khác.
+. Phân loai:
Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác
nhau. Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại: động cơ 3 pha và 1 pha, và
nếu theo tốc độ có động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ.
b. Động cơ điện một chiều:
+. Cấu tạo:
3
Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm
vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với
nguồn điện một chiều, 1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ
phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động
quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và
một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
+. Cơ chế hoạt động:
Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài,
động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện

Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi
đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có
lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta
đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua,
người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Số xung đếm được
và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt. Như vậy là encoder sẽ tạo ra các
tín hiệu xung vuông và các tín hiệu xung vuông này được cắt từ ánh sáng xuyên
qua lỗ. Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của tấm tròn
đó. Đối với encoder người ta có thể dùng 2 bộ đặt lệch nhau 90
0
nó sẽ có 2 tín
hiệu ra lệch pha nhau 90. Hai tín hiệu này có thể xác định được chiều quay của
động cơ.
Sơ đồ cấu tạo bên trong của encode
5
2. Đo tốc độ động cơ sử dụng máy phát tốc
Đo tốc độ động cơ dùng máy phát tốc, tín hiệu từ máy phát tốc tạo ra có
điện áp thay đôi phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Do đó điện áp này được đưa qua
bộ chuyển đổi ADC tạo thành các xung vuông, các xung vuông này được đưa
vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể
tính được giá trị vận tốc của động cơ.
a, Sử dụng máy phát tốc: có nhược điểm là độ chính xác không cao,
lại đòi hỏi kèm theo bộ chuyển đổi tương tự - số để số hóa tín hiệu đo nên
phương pháp này không được ưa dùng nên nó dần đi vào dĩ vãng.
b, Phương pháp đo sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ: với đĩa
giải mãi để đo tốc độ động cơ có các ưu điểm: độ phân giải cao dẫn đến kết quả
cực kì chính xác, ít nhiễu với sóng điện từ.
c, Phương pháp sử dụng máy đo góc tuyệt đối: có ưu điểm ít bị
ảnh hưởng bởi nhiệt độ, ít nhiễu điện từ tuy nhiên chúng không đạt được độ
phân giải cao như bộ cảm biến quang tốc độ với tín hiệu hình sin.

đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một
con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi
nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ
có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có
nghĩa là đĩa đã quay được một vòng. Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là,
làm sao để xác định chính xác hơn vị trí của đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào
để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó chính là vấn đề để chúng ta
tìm hiểu về encoder.
8
Hinh 1.2. Nguyên lý cơ bản của hoạt động encoder.
a, Với encoder tuyệt đối:
Vấn đề chúng ta sẽ quan tâm ở đây, chính là vấn đề về độ mịn của
encoder, có nghĩa là làm thế nào biết đĩa đã quay 1/2 vòng, 1/4 vòng, 1/8 vòng
hay 1/n vòng, chứ không phải chỉ biết đĩa đã quay được một vòng.
Quay lại bài toán cơ bản về bit và số bit, chúng ta xem xét vấn đề theo
một cách hoàn toàn toán học như sau:
Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4
trạng thái. Điều đó có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder
thành 4 phần bằng nhau. Và khi quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác
đến 1/4 vòng.
Tương tự như vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định
được độ chính xác đến 1/(2
n
) vòng.
Thế làm sao để xác định 2
n
trạng thái này của đĩa encoder?
Ta xét hình sau:
Hình 1.3. Đĩa encoder có 2 vòng đĩa
Ở hình trên ta thấy rằng ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng 1/2

nhiều vòng, điều này không có lợi, bởi vì khi đó, chúng ta phải xử lý để đếm số
vòng quay của trục. Ngoài ra, nếu thiết kế encoder tuyệt đối, chúng ta cần quá
nhiều vòng lỗ, và dẫn tới giới hạn về kích thước của encoder, bởi vì việc gia
công chính xác các lỗ quá nhỏ là không thể thực hiện được. Chưa kể rằng việc
thiết kế một dãy đèn led và con mắt thu cũng ảnh hưởng rất lớn đến kích thước
giới hạn này.
Hoạt động của encoder tương đối bằng cách tăng lên 1 đơn vị khi một
lần lên xuống của cạnh xung.
Hình 1.5. Encoder tương đối.
Ta thấy cứ mỗi lần quay qua một lỗ, thì encoder sẽ tăng một đơn vị trong
biến đếm. Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biết được encoder quay hết 1
vòng. Nếu cứ đếm vô hạn như thế này thì chúng ta không thể biết được khi nào
nó quay hết 1 vòng. Để giải quyết vấn đề này, ta đưa thêm vào 1 lỗ định vị để
đếm số vòng đã quay của encoder. Như vậy, cho dù có lệch xung mà chúng ta
vẫn thấy rằng encoder đi ngang qua lỗ định vị này thì chúng ta vẫn biết là
encoder đã bị đếm sai ở đâu. Nếu vì một rung động nào đó mà chúng ta không
thấy encoder qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung, và việc đi qua lỗ định vị, chúng
ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của encoder.
11
Hình 1.6. Encoder có lỗ định vị.
Tuy nhiên, một vấn đề lớn nữa là, làm sao chúng ta biết encoder đang
xoay theo chiều nào? Bởi vì cho dù xoay theo chiều nào, thì tín hiệu encoder
cũng chỉ là các xung đơn lẻ và xoay theo hai chiều đều giống nhau. Chính vì
vậy, người ta đặt thêm một vòng lỗ ở giữa vòng lỗ thứ 1 và lỗ định vị như hình
sau.
Chú ý rằng, vị trí góc của các lỗ vòng 1 và các lỗ vòng 2 lệch nhau. Các
cạnh của lỗ vòng 2 nằm ngay giữa các lỗ vòng 1 và ngược lại. Chúng ta sẽ khảo
sát tiếp vấn đề encoder trong phần tín hiệu xung để hiểu rõ hơn về encoder. Tuy
nhiên, ta sẽ thấy một điều rằng, thay vì làm 2 vòng encoder, và dùng 2 đèn LED
đặt thẳng hàng, thì ta chỉ cần làm 1 vòng lỗ, và đặt hai đèn LED lệch nhau.

chức phần cứng và chương trình phần mềm cho một thiết kế là một vấn đề cần
phải cân nhắc. Vì khi tổ chức phần cứng càng phức tạp, càng có nhiều chức
năng hỗ trợ cho yêu cầu thiết kế thì phần mềm càng được giảm bớt và dễ dàng
thực thi nhưng lại đẩy giá thành sản phẩm lên cao, cũng như chi phí bảo trì.
Ngược lại với một phần cứng tối thiểu lại yêu cầu một chương trình phần mềm
phức tạp hơn, hoàn thiện hơn, nhưng lại cho phép bảo trì hệ thống dễ dàng hơn
cũng như việc phát triển tính năng của hệ thống từ đó có thể đưa ra gia thành
cạnh tranh.
14
Khối nguồn
Khối hiển thị

Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống đo tốc độ động cơ.
Sơ đồ nguyên lý mạch đo
a, Khối nguồn :
15
Động cơ
Khối thu
phát tín hiệu
Khối xử lý
Nguồn điện được thiết kế riêng sử dụng IC 7805 cho phép cung cấp điện
áp ổn định 5V với điện áp vào thay đổi từ 9-12V. Mạch nguồn được thiết kế
nhằm giảm thiểu sai số do mạch không ổn định của điện áp cung cấp cho mạch
đếm và các phụ kiện liên quan và hạn chế sự gia tăng đột ngột gây hỏng linh
kiện.
VI
1
VO
3
GND

3
2
1
84
2 1
0
21
Hình 2.3. Mạch thu phát hồng ngoại.
Nguyên lý hoạt động của mạch: việc đo tốc độ của động cơ dựa vào quá
trình đếm xung của vi xử lý thông qua các xung của bộ cảm biến thu phát (ứng
với mỗi vòng quay của động cơ cảm biến sẽ phát một xung đưa về bộ đếm của
vi xử lý ). Thông qua chương trình được lập trình sẵn trong vi xử lý, mạch đếm
sẽ tính toán số liệu đo được và cho hiển thị kết quả. Với khả năng lập trình được
vi xử lý cho phép động cơ chọn thang đo ( có thể thay đổi khoảng thời gian
trong phép đo từ đó thay đổi thang đo theo giây, phút ). Ngoài ra, vi xử lý còn
cho phép phát triển thêm các tính năng của mạch như điều khiển tốc độ của
động cơ khi cần thiết, lưu giữ các kết quả của phép đo trước đó mở rộng khả
năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của mạch ( đo tần số, đo chu kì… )
Nhờ sử dụng xung đồng bộ của thạch anh có độ chính xác và ổn định cao
nên vi xử lý cho phép loại bỏ sai số của hệ thống do sự “chậm” của thời điểm
17
“mở “ và “đóng “ các xung của tín hiệu đi vào mạch tính toán. Đầu ra của khối
được đưa vào một chân ngắt ngoài của IC.
d, Khối xử lý:
Từ yêu cầu của bài toán ta chọn chip vi điều khiển thuộc họ MCS-51 của
Intel, mà cụ thể ở đây là họ 8051 vì những lý do sau:
 Thứ nhất họ 8051 là chip vi điều khiển. Đặc điểm của các chip này
nói chung là nó được tích hợp với đầy đủ chức năng của một hệ vi xử lý nhỏ, rất
thích hợp với những thiết kế hướng điều khiển. Tức là trong nó bao gồm: mạch
vi xử lý, bộ nhớ chương trình và dữ liệu, bộ đếm, bộ tạo xung, các cổng vào-ra

- 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit.
- Nhân /chia trong 4 µs.
X1
XTAL2
18
XTAL1
19
ALE
30
EA
31
PSEN
29
RST
9
P0.0/AD0
39
P0.1/AD1
38
P0.2/AD2
37
P0.3/AD3
36
P0.4/AD4
35
P0.5/AD5
34
P0.6/AD6
33
P0.7/AD7

16
P3.5/T1
15
P2.7/A15
28
P2.0/A8
21
P2.1/A9
22
P2.2/A10
23
P2.3/A11
24
P2.4/A12
25
P2.5/A13
26
P2.6/A14
27
U1
AT89C51
C1
470n
C2
470n
C3
1nF
Hình 2.4. Sơ đồ chân IC AT89C51.
Nhiệm vụ của khối xử lý: nhận tín hiệu từ bộ thu phát dưới dạng xung
điện áp và biến đổi xử lý thành các tín hiệu điều khiển để đưa ra hiển thị trên

đến 1,52 ms). Phơng pháp này đợc mô tả bằng lu đồ
sau:
22
23
-Phng phỏp 2: - Phơng pháp 2:Gửi các lệnhvà dữ liệu đến
LCD có kiểm tra cờ bận (ở phơng phápnày ta không cần phải
đặt một độ trễ lớn trong quá trình xuất dữ liệu hay ra lệnh cho
LCD mà chỉ cầnhiện thị cờ bận (đọc cờ bận BF thông qua chân
DB7) từ LCD trớc khi xuất một lệnh hoặc dữ liệu tới LCD). Ph-
ơng pháp này đợc mô tả bằng lu đồ sau:
Lu ý rằng ở bất kì phơng pháp nào để gửi một lệnh bất kì tới
LCD ta phải đa chân RS về 0. Đối với dữ liệu thì bật RS =1 sau
đó gửi một sờn xung cao xuống thấp đến chân E để cho phép
chốt dữ liệu trong LCD
24
CHƯƠNG 3
LẬP TRÌNH PHẦN MÊM
3.2 CODE LỆNH
#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>
#include <util/delay.h>
#include <avr/pgmspace.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include "lcd_lib.c"
#include "lcd_lib.h"
/*******************************************
// doc gia tri tra ve tu counter, xuat ra LCD
// xuat gia tri len PC
//tinh ra toc do motor
//xuat toc do le LCD