Gruppa består av studenter fra AU: Espen Seljemo, Vidar Wensel, Torry Eriksen, Magnus Bendiksen
Dette er et prosjekt som ble gitt i faget Digitalteknikk ved Høgskolen i Tromsø avd. Ingeniør, år 003. Prosjektet er en del av undervisningen som ble gitt i dette kurset. Ut av den kunnskapen som vi har lært i kurset Digitalteknikk dette semesteret skulle vi klare å utføre dette prosjektet. For å lese rapporten kreves det at man har litt forståelse for digitale kretser og logikk rundt disse. Espen Seljemo Vidar Wensel Torry Eriksen Magnus Bendiksen Tromsø 8.11.003
Hensikten med dette prosjektet var at vi skulle lagen en sikker startlogikk. Startlogikken skal styres av to startbrytere, en stopp og en resett. Startbryterne skal fungere som en sikkerhetsinnordning, de må trykkes inn samtidig innen ett sekund for at motoren skal starte. Det skal ikke være mulig for en person å starte en eventuelt farlig maskin alene. Motoren skal ikke kunne startes når operatøren har hendene ved farlige elementer på maskinen. For at det skal være full kontroll på dette, skal det også være en alarm som overvåker bryterne. Denne logikken fungerer slik at bryterne ikke kan holdes inne i et lengre tidsrom. Etter 10 sek vi det gå en blinkende alarm. Denne tellingen fra 0 til 10 sek. foregår ved 4 bits binær telling fra 0101 til 1111 (1 Hz på klokkeinngang). Alarmen vil ikke slutte å blinke før bryter eller bryterne er ute. Alarmlyset vil fortsette å lyse inntill man har resatt systemet. Når dette er gjort kan maskinen startes igjen etter rett prosedyre; De to startbryterne må være inne samtidig i løpet av 1 sek for at signalet skal nå motoren. Dette tidsrommet styres av motstander og kondensatorer på henholdsvis 1MΩ og 1µF. Stoppbryteren stopper motoren men fungerer også som en overstyrer. Når denne er inne kan ikke motoren startes. Når vi setter i gang å konstruere kretsen tar vi utgangspunkt i blokkskjemaet over startlogikken. Ved hjelp av Electronic Workbench (EWB) kobler vi opp de største komponentene for så å nøste oss ned til en fullverdig krets. Med utgangspunkt i kretsen vi konstruerte i EWB, prøver vi også å koble opp kretsen i praksis. Dette viser ser å være vanskelig siden det er mange negative faktorer som spiller inn. Dårlig kontakt på selve koplingsbrett, og dårlig kontakt mellom IC og koplingsbrett. 3
1.0 Problemstilling 5 1.1 Problemformulering 5.0 Spesifikasjoner 6.1 Startlogikk 6. Alarmlogikk 6.3 Oversikt over startsekvens og alarm 6.4 Utstyr 7 3.0 Integrerte kretser 8 3.1 Teller SN74L63 9 3. Monostabil vippe SN74LN 10 3.3 S-R Vippe 11 4.0 Løsning av problem 1 4.1 Arbeidsframgang 1 4. Blokkskjema over løsning 15 6.0 Konklusjon 17 6.1 Samarbeid i gruppe 17 6. Arbeidsprogresjon 17 6.3 Læreprosessen 17 6.4 Drøfting av resultat 17 6.5 Videreføring/Praktisk eksempel 18 7.0 Vedlegg 19 7.1 Elektronic workbench arbeidstegninger 19 7. Litteraturliste 1 4
1.0 Problemstilling I dette prosjektet valgte vi en oppgave som var konsentrert rundt temaet startkontroll. Det var gitt en beskrivelse og en delvis avgrensing av problemet. Oppgaven gikk ut på å lage en startmekanisme for starting av en farlig motor. Denne anordningen skal fungere som en sikkerhet for brukeren. Motoren skal ikke kunne startes når operatøren har hendene ved farlige elementer på maskinen. Dette gjøres ved å plassere startbrytere i armlengdes avstand, og de må trykkes inn samtidig innen ett sekund. Dermed blir det fysisk umulig å starte motoren ved å ha armene i farlige posisjoner. Hvis man gjør startsekvensen feil, vil en alarm gå i form av en lysende lampe, og motoren vil ikke starte. 1.1 Problemformulering Vi må konstruere en logikk som ligger bak sikkerhetsanordningen for startbrytere og S. Denne logikken skal gjøre at en motor starter når og S trykkes og holdes inne samtidig i ca.1 sek. Startkontroll- logikken skal designes, og deler av den skal koples opp og utprøves i praksis. Hvis de to brytere henger seg opp eller ligger inne i mer enn 10 sekund, vil en alarm starte i form av en blinkende lysdiode. Denne alarmen fungerer som en ekstra sikkerhet slik at man ikke kan kile eller tape inne den ene bryteren. Dersom alarm begynner å blinke må man resette hele systemet for så å ta startsekvensen på nytt. En slik startkontroll ser man ofte i hverdagen, spesielt i jord- og skogbruksindustrien som er en av de farligste og mest utsatte yrkene. Figur 1 Funksjonstegning 5
.0 Spesifikasjoner.1 Startlogikk Startlogikken består av to brytere som må være inne samtidig for at motoren skal starte. Bryterne kunne heller ikke være inne i mer enn 10 sek før en alarm slår inn. Den eneste måten motoren kunne startes på, var at bryterne var inne samtidig i et tidsrom på 1 sekund, (1Hz tilsvarer 1 Sek).. Alarmlogikk Problemet her var å danne et signal etter at, eller begge bryterne var inne i 10 sekunder. Dette problemet løste vi med en teller. Denne registrete kontinuerlig om bryterne var innkoblet eller ikke. Når bryter eller bryterne var inne så begynte den å telle mot 10 sek. Hvis det gikk over 10 sek sendes et signal til en mottaker..3 Oversikt over startsekvens og alarm Under startkontroll- sekvensen skal en alarm gå av hvis man starter på feil måte. Startsekvensen skal være idiotsikker ved at alarmen utløses og motoren stopper. Under følger kjørereglene for når alarmen går av, og når motoren starter: Inngangssignal: Start 1 Start Reset Stoppeknapp Startsekvens: Start 1 og Start må være inne samtidig innen ett sekund (som gir logisk høy ) for at motoren skal starte. Stoppsekvens: Stoppbryteren overstyrer motoren. Er denne innkoblet kan ikke motoren starte. Når stoppknapp settes høy, stopper motor. Alarm: Resetbryteren overstyrer alarmen. og/eller S inne i 10 sek. eller mer: Blinkende alarm (1 Hz) Reset inne ved blinkende alarm: Blinking opphører og lyser. /S inne. Reset blir trykt etter minimum 10 sek.: Lysende alarm. /S ute. Reset blir trykt etter minimum 10 sek.: Lysende alarm av. 6
Figur Pulser som viser star og alarmsekvens.4 Utstyr For å løse problemet med sikkerhetsanordningen har vi valgt å bruke følgende utstyr: Navn Type/størrelse Antall Div Teller 74L63 1 Monostabil vippe 74L 1 Kondensator 1µF Motstand 1MΩ NAND 7400 AND 7408 4 AND 7411 3 innganger OR 743 Ledninger Motor 1 Digital trainer Wish Maker II 1 7
3.0 Integrerte kretser Input/output logic levels: I dette prosjektet har vi brukt Viser minimum og maksimumverdier forskjellige typer logiske porter. Disse spenningen kan være for å bli tolket er igjen implementert i integrerte som høy eller lav. logiske kretser, heretter kalt IC`er. Det fins tre hovedtyper IC`er som brukes til logiske kretser. De mest brukte heter CMOS og TTL, mens den minst brukte heter ECL. TTL IC`er er mindre sensitiv for elektrostatiske felt enn CMOS IC`er. Derfor er TTL brukt mest i forskning og utdanning. De logiske funksjonene til CMOS og TTL er helt like. Det som skiller dem er ytelse karakteristikkene: Propagation delay Power dissipation Fan-out (drive capability) Speed-power product DC supply voltage Input/output logic levels Propagation delay: Tiden det tar fra en forandring på inngangen til det blir registrert på utgangen. Før var TTL mye raskere, men i den senere tid har dette blitt utjevnet. Felles for AND, NAND og OR Figur 3 Tilkoplingspunkter IC Logisk symbol Figur 4 NAND port Figur 5 AND port Figur 6 OR port Power dissipation: Gjennomsnittlig forbruk. CMOS forbruker mye mindre enn TTL. Fan-out: Hvor mange logiske porter man kan drive/tilkoble en enkelt port. Speed-power product: En parameter som viser produktet av propagation delay og power dissipation. Boolsk uttrykk Figur 7 NAND Figur 8 AND Figur 9 OR DC supply voltage: Forsyningsspenning til kretsen. På CMOS kretser kan den variere mye mer uten at det påvirker funksjonaliteten. 8
Funksjonstabeller Figur 10 NAND Figur 11 AND Figur 1 OR 3.1 Teller SN74L63 Figur 13 4-bits binær teller. CLR: CLK: ENT/ ENP: LOAD: A-D: QA-QD: RCO: Nullstiller telleren Klokkeinngang Må være logisk høy for at klokkesignalet skal inn til vippene Ny startverdi inn i telleren når den er aktivert Startverdi Utganger Utgangssignal, telleren når maks. En av årsaken til at universal telleren ble brukt, er at den teller binært oppover fra 0000-1111. Denne telleren gir oss mulighet till å laste inn valgfri startverdi. Siden vi skal telle i 10 sek måtte vi finne den binære koden for 5 siden denne teller i fra 0 til 15. Sannhetstabell gir ut følgende: Av sannhetstabellen ser vi; for 10 sek må vi legge inn startverdien 0101 for at telleren skal telle 10 sek. Innganger Bits A B C D 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 3 0 0 1 1 4 0 1 0 0 5 0 1 0 1 6 0 1 1 0 7 0 1 1 1 8 1 0 0 0 9 1 0 0 1 10 1 0 1 0 11 1 0 1 1 1 1 1 0 0 13 1 1 0 1 14 1 1 1 0 15 1 1 1 1 Figur 14 Sannhetstabell, teller 9
3. Monostabil vippe SN74LN Denne vippen er en logisk komponent som husker siste beskjed og kan sees på som et mini minne. Monostabil multivibrator eller mono vippe har en stabil tilstand. Den veksler ved trigging, og etter en viss tid vil den gå tilbake til den stabile tilstanden. Kan sammenlignes med et kjøkken ur. Eks. Du stiller inn kjøkkenuret, og når tiden har tikket ned går uret tilbake til utgangspunktet. Figur 15 Logisk symbol monostabil vippe Det skilles mellom fire forskjellige multivibratorer. Vi bruker kun den monostabile. Astabil multivibrator AMV Monostabil multivibrator MMV Bistabil multivibrator BMV Schmidt-trigger kretsløp ST Som regel består multivibratorene kun av en IC (integrert krets). Her følger litt bakgrunnsinfo om hvordan en multivibrator er koplet. Figur 16 Grunnkobling Figur 17 Oppkobling av Mono Vippe Grunnkoplingen består av to switch forsterker kretsløp, der utgangen fra det ene kretsløpet er tilkoplet inngangen på det andre og omvendt. Forskjellen mellom de fire multivibratorene er hvordan koplingene på switch trinnene mellom A l og A er gjort. Denne koplingen kan være kapasitiv eller bestå av en motstand. Kjennetegnene for MV kretsene er at den ene switch koplingen alltid er på når den andre switchen er av. Våre monovipper har innganger for en motstand og en kondensator. Disse bestemmer hvor lang tidskonstant vippa skal ha. Dette er nærmere forklart under punkt 4.. 10
3.3 S-R Vippe S-R Vippen har to innganger og to utganger. S står for set, og R står for reset. Denne vippen er også kalt master-slave vippe. Den leser utgangssignalet samtidig som inngangen kan mates med nye data. Figur 18 Symbol S-R vippe Innganger _ S _ R Utganger Kommentarer _ Q Q 1 1 - - Ingen endringer 0 1 1 0 Vippe satt 1 0 0 1 Vippe resatt 0 0 1 1 Ugyldig verdi Figur 19 Sannhetstabell S-R vippe Siden vi ikke hadde tilgang til noen IC som har S-R vippe funksjon måtte vi kople den opp på en annen måte. Laget en aktiv lav S-R vippe ved hjelp av to NAND porter (type 7400) som ble krysskoplet. Denne krysskoplingen fører til at man får en feedback, noe som er karakteristisk for alle vipper. Figur 0 Oppkopling av S-R vippe vha NAND porter 11
4.0 Løsning av problem Når man skal designe en kretsløsning med logiske komponenter må man gjøre dette i flere trinn. 1. Finn antall inngangsignaler til krets. Lag sannhetstabell, fyll ut alle kombinasjoner (kombinasjoner= n ) 3. Fyll ut utgangskolonnen på sannhetstabell ihht. slik kretsen skal fungere 4. Hver 1 på utgangen er et ledd i det boolske uttrykket. Skriv opp alle kombinasjoner som gir 1 på utgangen. Inngangsignaler som gir o blir invertert 5. Lag en forenkling av uttrykket vha boolsk algebra eller karnaugh-diagram 6. Tegn skjema over den endelige kretsløsningen. 4.1 Arbeidsframgang Det første vi gjorde var å avgrense problemet i mindre deler. Få oversikt over hvilke innganger og utganger som kom inn og ut av startlogikken. Ut av dette lagde vi et blokkskjema som gjorde at vi fikk små delproblemer å jobbe med. Ved hjelp av blokkskjemaet fikk vi bedre oversikt over hele kretsen og et inntrykk av hvilken logikk som inngikk i hvert delproblem. Figur 1 Blokkskjema over krets 1
Når vi hadde oversikt over antall innganger til kretsen kunne vi lage en sannhetstabell. Alt i alt var det 4 =16 kombinasjoner i sannhetstabellen. Vi fikk en del problemer når vi fylte ut utgangskolonnen på sannhetstabellen. Her måtte vi ta hensyn til de spesifikasjoner som var gitt for utgangene, slik at motor skulle starte kun når bryterne var trykt inn på riktig måte, og når alarmen skulle utløses. Symbolforklaring S 1 Startbryter 1 S Startbryter 1 R Reset S Stopp M Motor A Alarm Figur Symbolforklaring til sannhetstabell S 1 S R S M A 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 Figur 3 Sannhetstabell. =A =M A= S R S + S R S + S R S + S R S + S R S + S S R S + S R S + S R S + M= S R S + S R S + S S R S + R S + Figur 4 Boolsk uttrykk. Av sannhetstabellen skrev vi også opp de boolske uttrykkene for hver linje i tabellen (Se figur 4). 13
Ut av blokkskjemaet laget vi et Karnaugh- diagram som viser en oversikt over hvilken logisk krets som måtte bygges for å tilfredstille sannhetstabellen som var satt opp. Karnaugh er et forenklingsverktøy som benyttes for å gjøre store boolske utrykk mindre på en enkel måte. Vi hadde 4 inngangsignaler som måtte behandles. Hver rute i diagrammet tilsvarer ei linje i sannhetstabellen. Hver sløyfe i diagrammet danner et ledd i det boolske uttrykket. S S S 1 1S S 1S S 1 S 0 0 1 0 RS R S 0 0 0 0 RS 0 0 0 0 R S 0 0 0 0 Figur 5 Karnaugh- diagram, motor S S 1 S 1S S 1S S 1 S RS 0 1 1 1 R S 0 1 1 1 RS 0 1 1 1 R S 0 1 1 1 Figur 6 Karnaugh- diagram, alarm Komponenter fra figur 5: S S R S Av dette får man en AND port med 4 innganger (figur 8). 1 Komponenter fra figur 6: S 1 + S Av dette får man en OR port (figur 7) Figur 7 OR port Figur 8 AND port med 4 innganger De logiske komponentene som vi kom frem til vha karnaugh diagram og det boolske uttrykket brukte vi delvis videre. Vi måtte ta hensyn til timer funksjonen noe som førte til forverring av problemet. De komponentene vi kom fram til var en liten del av vår tenkte fremtidige krets. Vi begynte å bruke Electronic Workbench (EWB) på pc for å kople opp og teste de logiske kretsene vi hadde kommet fram til. Etter hvert som vi koplet opp fikk vi en del problemer. Heldigvis er fordelen med EWB at det er lett å forandre på oppsettet, forholdsvis lett å feilsøke og man har veldig god oversikt over selve kretsskjemaet. Når vi hadde en komplett løsning på kretsskjemaet prøvde vi å koble opp alt på et koblingsbrett. Det viste seg å være særdeles vanskelig. En blanding av gammelt utstyr, masse ledninger og koblingsbrett med dårlig kontakter er en farlig kombinasjon. Etter at vi hadde koblet og feilsøkt i flere dager fant vi ut at vi ikke ville kaste bort mer tid på det. En bedre løsning ville vært å tegne om kretsløsningen til printkort og loddet alt fast. Da ville man isåfall eliminert alle kontaktfeil. 14
4. Blokkskjema over løsning Her ser vi blokkskjema over telleren 74163. Vi har inngangsignalene A, B, C og D. Her ligger B og C høy og A og D lav og danner det binære startverdien 0101. Klokkepulsen som går inn i telleren er på 1 Hz som tilsvarer pulser på 1 sekund. Styringen av telleren foregår ved at en eller begge av bryterne er inne. Da vil tellingen starte. Figur 9 Teller blokkskjema For blokkskjemaet over monovippen 741 har vi i realiteten to monovipper med to A innganger men vi velger å tegne det som en, med felles A inngang. Når og S er inne samtidig vil det gå et utgangsignal. Bryterne må være inne i et visst tidsrom som styres av tidskonstanten. Tidskonstanten består av kondensator og motstand som danner en τ på 1 sekund. Dette er gjort vha. en motstand på 1MΩ og en kondensator på 1µF. Ved hjelp av formelen kan man regne dette ut: τ = R C τ = 1 MΩ 1µ F τ = 1sek Figur 30 Monovippe blokkskjema 15
Her ser vi blokkskjema over hovedoppkoblingen. Vi har satt sammen de to monovippene og en telleren. Utgangssignalet går fra telleren inn i alarmlogikken. Dette er signalet som dannes etter at den ene eller begge bryterne har vært inne i mer en 10 sekunder. Når alarmen går vil alarmen begynne å blinke. Resett bryteren vil få alarmen til å slutte å blinke, men får ikke alarm lyset av. For at lyset skal gå av må man fikse startbryterne. Da vil lyset gå av og man kan resette systemet og starte på nytt. Figur 31 Blokkskjema over ferdig starlogikk 16
6.0 Konklusjon 6.1 Samarbeid i gruppe Vi har dannet en gruppe som har holdt sammen siden 1 året. Det har ført til at man kjenner hverandre godt og vet hvor man har hverandre arbeidsmessig. Hver gruppedeltaker har sine sterke sider, noe vi har utnyttet godt. 6. Arbeidsprogresjon Når vi ser tilbake til prosjektstart føler vi at vi har hatt relativt god tid. Vi innså kanskje ikke helt hvor omfattende prosjektet etter hvert ble, grunnet vår noe tynne fagbakgrunn. Arbeidet tok seg veldig opp etter hvert som fagkunnskapen øket. 6.3 Læreprosessen Vi tok utgangspunkt i den ene måten vi har lært å løse et kretsproblem, karnaughdiagram. Vi syntes at det resultatet vi kom fram til bare var en brøkdel av den kretsen vi ville ende opp med. Vi fant ut at Electronics Workbench ville være den beste måten å jobbe videre med. Dette programmet har vi ikke brukt så mye tidligere, men vi så fort at det var et veldig nyttig hjelpemiddel. Fordelene er mange, feilsøking er mye lettere og det er enkelt å holde oversikt. Vi koblet opp kjente komponenter som for eksempel tellere, SR-vippe osv. På denne måten fikk vi et bilde av hvordan kretsen skulle bli. Når vi så var kommet fram til en endelig krets i EWB, var det dags for å koble opp kretsen manuelt. Koblet opp komponentene enkeltvis for å teste dem før vi satte dem sammen til en komplett krets, noe som gikk helt fint. Prøvde så å sette alt sammen, men etter mange timer bak Wish-makeren med kobling så fant vi ut at den ikke fungerte. Vi prøvde å feilsøke men til ingen nytte. Vi prøvde til og med å koble den opp en gang til uten hell. Det kan også være at komponentene vi fant ikke stemmer helt overens med de vi brukte i EWB. Vi vil også påstå at wish-maker og koblingsbrettene er en stor kilde til usikkerhet. Figur 3 Wish maker Figur 33 Koblingsbrett 6.4 Drøfting av resultat Når vi ser på det resultatet vi endte opp med i EWB i forhold til det antatt ferdige resultatet, ser vi at det var mange ting vi kunne forenkle. Det finnes antakeligvis løsninger som er både enklere og mer elegant enn vår, men med den bakgrunn vi hadde så var det vanskelig å se de enkle løsningene. Vi ser tilbake å mener at bruken av flere forskjellige komponenter gjorde at vi lærte mer enn hvis vi hadde basert oss på kun en hovedkomponent. 17
6.5 Videreføring/Praktisk eksempel Denne sikkerhetsanordningen er noe som blir brukt stort sett overalt innenfor industrien i dag. Eksempel: I tunneler blir det brukt vifter for å drive ut skadelige gasser (fra eksos og lignende) og inn med frisk luft. De to bryterne starter hver sine kurser som går videre til en motor. Grunnen til at det blir brukt to kurser for å starte viftemotoren i tunnelen er av sikkerhetsmessig årsaker. Ved en eventuell brann har man to separate kurser, viss den ene kursen blir ødelagt av brann, vil vifta fortsatt gå med den andre kursen. 18
7.0 Vedlegg 7.1 Elektronic workbench arbeidstegninger Figur 34 Hovedoppkobling 19
Figur 35 Oppkobling Teller Figur 36 Oppkobling monovipper 0
7. Litteraturliste - Teknisk info om IC`er er hentet fra Texas Instruments sin web side. Texas Instruments - Teoretisk stoff er hentet fra boka Digital Fundamentals, Floyd Hva Type Kildehenvisning Teller 74L63 http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/sn74ls163a.pdf Monostabil vippe 74L http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/sn74ls1.pdf NAND 7400 http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/sn7400.pdf AND 7408 http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/sn7408.pdf AND 741 http://focus.ti.com/lit/ds/scas016a/scas016a.pdf OR 743 http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/sn743.pdf S-R vippe http://www.ir.hiof.no/~aaj/datateknikk/labber/dig/lab5-srvippe-00.doc http://focus.ti.com/lit/ds/sdfs040a/sdfs040a.pdf 1