Projektowanie układów optoelektronicznych

Laboratorium

Ćwiczenie wykonał:

Temat: Tachometr

Krzysztof Ludian

Data: 17.XII.2006 r

Prowadzący: dr inż. J. Radojewski

Termin: pon. 7:30

Ocena:

Kopiowanie w całości lub w części tylko za podaniem źródła !! !!
Miałem już z tym problemy i nie chcę więcej mieć !! !!

1.Wstęp

Przedstawiony w projekcie tachometr jest układem optoelektronicznym. Służy do badania

i wyświetlania prędkości kątowej obracającego się elementu. Układ elektroniczny, za pomocą „fo-
tokomórki” i tarczy z równomiernie rozłożonymi otworkami na krawędzi, mierzy ilość otworów
(pojawiających się w obszarze czynnym fotokomórki) w jednostce czasu. Wynik ten jest wyświetla-
ny za pomocą wyświetlacza, składającego się z czterech siedmiosegmentowych paneli LED.

2.Opis układu

Ze względu na ograniczenia wersji studenckiej programu Eagle schemat oraz płytki

drukowane zostały podzielone na dwie części. Część zawierającą układ detekujący i zliczający
umieszczona na schemacie znajdującym się na rysunku 1. Schematy stron płytki drukowanej jak
i rozkład elementów znajdują się odpowiednio na rysunkach 2, 3 i 4. Układ sterujący
wyświetlaczem, rozmieszczenie ścieżek na obu stronach płytki oraz elementów na płytce
drukowanej znajdują się na rysunkach 5-8.

3.Schemat układu

3.1. Układ zliczania

Podstawową częścią układu zliczającego (rys 1) są dwie diody, pełniące rolę fotokomórki.

Dioda LED (D2) wysyła sygnał świetlny, który jest odczytywany przez fotodiodę (D3). Pomiędzy
tymi diodami umieszczona jest tarcza kołowa z równomiernie rozłożonymi otworkami na
obrzeżach. Obracająca tarcza moduluje światło padające na fotodiodę poprzez przepuszczanie

światła tylko wówczas, gdy na obracającej się tarczy pojawi się otwór. Wtedy sygnał z diody LED
pada na element detekcyjny. Prąd diody D3 jest tym samym zmodulowany prędkością kątową
z jaką się porusza tarcza. Następnie sygnał ten, poprzez dzielniki napięć podawany jest na wejście
komparatora LM311N, ten z kolei zamienia go na nieokresowy sygnał prostokątny. Układ LM331N
porównuje otrzymywany sygnał z pewną ustaloną wartością napięcia, determinowaną przez
rezystor R12 oraz potencjometr R14. Zmiana wartości rezystancji potencjometru oznacza tym
samym zmianę poziomu, od którego układ interpretuje sygnał jako logiczne „1” lub „0”. Taki
dwupoziomowy sygnał trafia na wyjście „COUNT” gniazda SL1 (SL1 jest złączem łączącym układ
zliczający oraz układ wyświetlający).

Drugą, wartą uwagi, częścią układu zliczającego jest blok zawierający układ scalony

74LS123N. Układ ten jest odpowiedzialny jest za wyznaczenie jednostki czasu, w której
dokonywanie jest zliczanie. Układ 74LS123N zawiera dwa multiwibratory monostabilne. Oba te
układy wyzwalają się wzajemnie. Wyjście Q układu IC1A jest jednocześnie, podawanym na
gniazdo sygnałem „COUNT INHIBIT”. Uzależniony jest on od zewnętrznych elementów
połączonych do multiwibratorów. W tym miejsc dokonano korekty układu dostarczonego przez
prowadzącego, zarówno zmieniając połączenia kondensatorów C1 i C2, jak i połączenie wejść
B oraz CLR obu multiwibratorów. W poprzedniej konfiguracji układ byłby nieustannie resetowany,
jak i bramka wewnątrz układu blokowałaby sygnał na wejściu A, a złe połączenie biernych
elementów zewnętrznych układu 74LS123N skutkowałoby nieodpowiednim wysterowaniem
czasów multiwibratorów.

Sygnał z multiwibratorów „COUNT INHIBIT” jest również podawany na układ bramek

NOT oraz NAND, znajdujących się w układach scalonych odpowiednio 74LS04N oraz 74LS00N.
Na sygnale wykonywanych jest szereg operacji logicznych co w rezultacie daje na gnieździe dwa
sygnały „TRANSFER” i „RESET”. Odpowiedzialne są one za przesłanie ilości zliczonych
impulsów na wyświetlacz oraz wyzerowanie licznika. W bloku bramek znajduje się układ RC, który
ma za zadanie opóźnienie jednego sygnału względem drugiego.

Rysunek 1: Schemat ideowy układu zliczania tachometru

Na rysunku 2 przedstawiono rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej. Zastosowano

do każdego układu scalonego kondensator blokujący, umieszczony możliwie blisko każdego układu
scalonego. Zastosowano również uchwyty mocujące w celu umieszczenia płytki w odpowiednim
miejscu w obudowie. Płytka zawiera dwa złącza SL1 oraz SL2. SL1 jest używany w celu
podłączenia zasilania, a SL2 w celu połączenia układu zliczającego z układem wyświetlającym
mierzoną wartość.

Ze względu na duże zagęszczenie elementów podjęto decyzję o wykonaniu płytki

drukowanej dwustronnej. Rysunki 3 i 4 zawierają rozkład ścieżek od strony elementów jak i od
strony nóżek. Do wykonania projektu płytek zastosowano funkcję programu EAGLE o nazwie
„AUTOROUTER”. Funkcja ta automatycznie prowadzi ścieżki lutownicze. W celu uwidocznienia
ścieżki zasilania poprowadzono ją ręcznie oraz pogrubiono.

Funkcja „AUTOROUTER” nie zawsze prowadzi ścieżki w optymalny sposób. Czasami

niezbędne jest ręczne poprawianie. W projekcie poprawiono układ ścieżek zaproponowany przez
program na taki układ gdzie ścieżki są możliwie najkrótsze.

Rysunek 2: Schemat płytki drukowanej układu
zliczania (bez ścieżek)

Rysunek 3: Schemat płytki drukowanej układu
zliczania (strona A)

Rysunek 4: Schemat płytki drukowanej układu
zliczania (strona B)

3.2. Układ wyświetlacza

Układ ten ma za zadanie zliczać i wyświetlać ilość impulsów dostarczanych za pomocą

sygnału „COUNT”. Główną role pełni tu układ ZN1040N, który jest odpowiedzialny za zliczanie
i sterowanie wyświetlaczem. Ze względu na fakt, iż wyświetlacz składa się z czterech
siedmiosegmentowych wyświetlaczy LED wyświetlanie całości następuje poprzez kolejne
zapalanie bloków z częstotliwością niedostrzegalną dla ludzkiego oka. Schemat ideowy układu
wyświetlającego znajduje się na rysunku 3.

Ważnym elementem projektowania płytki drukowanej jest prawidłowe ułożenie bloków

wyświetlających, tak aby odpowiednie liczby miały odpowiednie wagi. Na płytce również zostało
umieszczone takie samo gniazdo co na poprzednich płytkach. Łączy ono poprzedni układ z
wyświetlaczem za pomocą przewodów lub taśm, doprowadza również zasilanie.

Rozmieszczenie elementów przedstawiono na rysunku 6, a obie strony płytki drukowanej na

rysunkach 7 i 8.

Rysunek 5: Schemat ideowy układu wyświetlania tachometru

4.Wnioski

Zadanie polegało na narysowaniu schematu ideowego w programie EAGLE, jak i również

zaprojektowaniu płytki drukowanej. Wykryto kilka błędów na schemacie ideowym otrzymanym od
prowadzącego, które skutecznie zostały wyeliminowane. Pojawił się również problem ze znalezie-
niem elementu w bibliotekach. Najprostszym rozwiązaniem było stworzyć własną bibliotekę z tym
elementem na podstawie noty katalogowej.

Zajęcia pozwoliły opanować w bardzo dobrym stopniu program EAGLE.

Rysunek 6: Schemat płytki drukowanej układu
wyświetlającego (bez ścieżek)

Rysunek 7: Schemat płytki drukowanej układu
wyświetlającego (strona A)

Rysunek 8: Schemat płytki drukowanej układu
wyświetlającego (strona B)