he thong do toc do dong co dien 1 chieu bang cam bien tiem can

MÔ TẢ KỸ THUẬT 1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ Hệ thống có khả năng Điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng núm xoay Đo tốc độ động cơ bằng cảm biến tiệm cận Hiển thị tốc độ theo thời gian thực trên mà.

MÔ TẢ KỸ THUẬT

1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ

Hệ thống có khả năng:

- Điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng núm xoay

- Đo tốc độ động cơ bằng cảm biến tiệm cận

- Hiển thị tốc độ theo thời gian thực trên màn hình LCD

- Có chức năng lựa chọn giới hạn mức tốc độ trên và dưới để đưa ra cảnh báo khi giá trịmức vượt ngoài khoảng cho phép

Độ phân giải >=6 xung/vòng

Công suất động cơ >10W

đã chọn đề tài sử dụng cảm biến tiệm cận nhằm mục đích tìm hiểu nghiên cứu về nguyên

lý hoạt động của cảm biến và ứng dụng vào đo tốc độ động cơ

Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Cơ Điện Tử củaTrường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi và cung cấp tàiliệu để hoàn thành đề tài nghiên cứu này Đồng thời, nhóm em muốn gửi lời cảm ơn sâusắc đến giảng viên hướng dẫn là thầy Nhữ Quý Thơ, thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo điềukiện thuận lợi nhất và giúp đỡ nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án môn Nhóm xingửi lời cảm ơn đến bạn bè đã hỗ trợ và chia sẽ kinh nghiệm cho nhóm trong thời gian qua

Cuối cùng nhóm em xin chúc thầy cô và cùng toàn thể các bạn trong lớp nhiều sức khỏe

và thành công trong mọi công việc

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, có rất nhiều phương pháp đo tốc độ động cơ nhưng phổ biến nhất vẫn

là hai phương pháp: sử dụng encoder và sử dụng cảm biến tiệm cận

Phương pháp đo tốc độ động cơ thông dụng nhất hiện nay dùng cảm biến quanghay còn gọi là encoder Tín hiệu từng encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần số thayđổi vào tốc độ động cơ Do đó các xung vuông này được đưa vào bộ vi xử lý để đếm sốxung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trị vận tốc của động

cơ Đây cũng là phương pháp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động cơ hay điềukhiển nhanh chậm

Cảm biến tiệm cận bao gồm tất cả các loại cảm biến phát hiện vật thể không cầntiếp xúc như công tắc hành trình mà dựa trên những mối quan hệ vật lý giữa cảm biện vàvật thể cần phát hiện Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặcxuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện

Nhiệm vụ của nhóm là “Xây dựng hệ thống đo tốc độ động cơ điện 1 chiều bằngcảm biến tiệm cận”

Nhóm sử dụng cảm biến tiệm cận để đo tốc độ động cơ 1 chiều và hiển thị tốc độ

lên màn led LCD Hệ thống có khả năng cảnh báo tốc độ và điều chỉnh tốc độ động cơ

1.2 Các yêu cầu cơ bản

Để giải quyết đề tài, nhóm cần giải quyết một số vấn đề như sau:

-Về phần hệ thống đo và cảm biến: cảm biến tiệm tiếp nhận và chuyển đổi thôngtin thành tín hiệu Cảm biến phải thuộc tần số quét phù hợp với tốc độ của động cơ cần

đo Các tín hiệu này sẽ được truyền đến các thiết bị điều khiển và được xử lý để hiển thịcác giá trị cần đo bằng chương trình riêng biệt

-Về phần điều khiển: hệ thống có thể xuất đèn cảnh báo tốc độ khi động cơ vượtngưỡng giá trị đặt trước phục vụ cho việc kiểm soát tốc độ Có khả năng thay đổi tốc độbằng biến trở

4

4

-Thiết bị chấp hành: động cơ cần lắp thêm vòng bánh trên trục xoay và có điểmmấu chốt để cảm biến bắt tín hiệu Động cơ dễ thay thế, bảo trì, bảo dưỡng

-Về phầm mềm lập trình: am hiểu về kĩ năng lập trình, đặc biệt là arduino ide Vìarduino ide là phần mềm lập trình chính xác, phổ biến, dễ dàng cho người mới tiếp cận

- Mô hình hóa và mô phỏng: Phần mềm Proteus Professional cho phép mô phỏnghoạt của mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển chocác họ vi điều kiển như PIC,AVR,ARUINO,

1.3 Phương pháp nghiên cứu

- Dựa vào kiến thức đã được học trong các môn học như: Cở sở hệ thống tự động, Cảmbiến và hệ thống đo, kỹ thuật vi xử lý, tìm hiểu trên Internet, sách vở

- Áp dụng nhưng phương pháp thiết kế, viết chương trình tính toán, phân tích, xử lý số liệu

để xây dựng mô hình phù hợp với đề tài

- Nắm rõ được nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận, đặt ra các vấn đề cần giảiquyết từ đó xây dựng hệ thống

- Sử dụng các kiến thức đã học về mô phỏng, thiết kế mạch điện trên phần mềm Proteus

- Xây dựng, thiết kế lập trình điều kiển trên phần mềm arduino ide theo đúng yêu cầu bàitoán đặt ra

1.4 Phạm vi nghiên cứu

- Giới hạn đo trong khoảng 0-1500 vòng/phút

- Sai số khi đo ± 5%

- Độ phân giải >= 6 xung/vòng

- Công suất động cơ >10W

- Điện áp động cơ 12VDC

1.5 Ý nghĩa thực tiễn

Hệ thống đo tốc độ bằng cảm biến tiệm cận và điều khiển tốc độ là một trongnhững đề tài mang tính thiết thực, mức cần thiết cao trong sự phát triển của khoa học,công nghệ

Mục đích cho việc ứng dụng vào máy móc thiết bị công nghiệp cũng như các thiết

bị công nghệ trong đời sống hiệu quả hơn và tạo tính an toàn cho người lao độ, đây chính

5

5

là động lực để nhóm em tìm hiểu và có thêm nhiều hiểu biết hơn và cách điều khiển,thiết kế và chế tạo hệ thống tối ưu và đáp ứng đủ các yêu cầu đưa ra

Đề tài có ứng dụng rất thực tiễn trong công nghiệp ở các dây truyền tự động hóatrong sản xuất và cả trong đời sống Áp dụng trong việc kiểm soát tốc độ và dùng trongcác các thiết bị tự động hóa trong sản xuất, đo lường như tốc kế,…

- Cụm 3: Chấp hành

+ Motor + Màn hình LCD

+ Đèn led báo hiệu

2.1.3 Thiết kế sơ đồ khối

Hình 2 1 Sơ đồ khối

2.1.4 Chức năng khối

1. Khối trung tâm là khối xử lí tín hiệu nhận được từ khối cảm biến từ đó xử lý đem ra hiển

thị ,gửi lên máy tính và điều khiển, khối trung tâm sử dụng vi xử lý hoặc vi điều khiển

2. Khối hiển thị đảm nhận chức năng hiển thị thông số tốc độ và cảnh báo tốc độ từ khốitrung tâm gửi lên để người dùng dễ dàng kiểm soát

7

7

3. Khối cảm biến là khối có chức năng cảm biến tiệm cận có đầu ra ở dạng điện áp analoghoặc digital và được đọc bởi khối trung tâm

4. Khối chấp hành là nơi làm việc của hệ thống, nơi nhận các tín hiệu từ khối điều khiển vàtạo tín hiệu cho khối cảm biến

5. Khối điều khiển thay đổi tốc độ động cơ, đưa về khối trung tâm xử lý và hiển thị lên ledcảnh báo

6. Khối nhập dữ liệu sử dụng nút bấm, màn hình chạm để thay đổi giá trị tốc độ so sánh củađộng cơ Đưa thông tin đó về khối trung tâm và sau đó tác động lên khối hiển thị

7. Khối nguồn: cấp nguồn cho hệ thống hoạt động

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

2.2.1 Phân tích

- Khái niệm:

Cảm biến tiệm cận hay còn gọi là là cảm biến phát hiện vật cản Phần lớn các cảmbiến, khoảng cách này từ 1mm đến 10mm được sử dụng để phát hiện vị trí của các chitiết máy Cảm biến tiệm cận hoạt động được ngay cả trong những môi trường khác nghiệtnhất

Cảm biến tiệm cận biến đổi các tín hiệu chuyển động hoặc lặp lại thành tín hiệuđiện Nhờ cảm biến tiệm cận chúng ta biết được các hành trình của chuyển động van khínén hay các chuyển động của piston, trục cam …

Cảm biến tiệm cận chỉ phát hiện được các vật chuyển động trong một khoảng cáchnhất định Khi dùng cảm biến tiệm cận để đo sự chuyển động của bánh răng kết hợp với

bộ chuyển đổi Z111 sẽ đo được tốc độ quay của động cơ

- Đặc điểm của cảm biến tiện cận:

Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc, không tác động lên vật, khoảng cách xa nhấttới 30mm Hoạt động ổn định, chống rung động và chống shock tốt – Tốc độ đáp ứngnhanh, tuổi thọ cao so với công tắc giới hạn Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi Cóthể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

- Phân loại cảm biến tiệm cận: a, Cảm biến tiệm cận Loại Cảm Ứng Từ

8

8

Hình 2 2 Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ

- Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến từ tiệm cận bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở đầu

cảm ứng Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ dao động quanh

nó Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát Khi vật kim loại di chuyển

về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật Những dòng điện nàygây ra tác động như máy biến thế, do đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và daođộng giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm đi

-Đặc điểm:

+ Chỉ phát hiện được các vật thể là kim loại

+ Khoảng cách đo ngắn so với loại điện dung

+ Ít bị nhiễu bởi môi trường xung quanh b,

Cảm biến tiệm cận Loại Cảm Ứng Điện Dung

Hình 2 3 Cảm biến tiệm cận điện dung

Phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến vàđầu sensor), có thể phát hiện tất cả vật thể

Cảm ứng tiệm cận loại cảm ứng điện dung có thể phát hiện được tất cả các vật thể

2.2.2 Lựa chọn cảm biến

Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, nhóm quyết định sự dụng cảm biếntiệm cận Autonics PR12-2DN (NPN) Đây là cảm biến thuộc dòng cảm biến tiệm cậncảm ứng điện dung

Ưu Điểm Của Autonics PR12-2DN: Có thể phát hiện kim loại Tuổi thọ dài và độtin cậy cao Có mạch bảo vệ nối ngược cực nguồn, quá áp Dễ dàng điều chỉnh khoảngcách phát hiện với biến trở điều chỉnh độ nhạy bên trong Có thể kiểm tra trạng thái hoạtđộng bằng chỉ thị LED đỏ dễ dàng để điều khiển mức và vị trí Phù hợp với nguồn điệncung cấp 12V Giá thành rẻ dễ dàng thay thế

Sơ đồ kết nối dây:

Vì cảm biến đã được kéo trở nội 10k lên VCC nên điện áp mức cao của chân tínhiệu (Vout) của cảm biến cũng chính là điện áp VCC, nên khi mức điện áp VCC của cảmbiến khác với mức điện áp giao tiếp của arduino để tránh làm cháy arduino thì ta cầnthêm một điện trở Rx Được tính theo công thức:

Hình 2 5 Sơ đồ kết nối dây

Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các dự án điện

tử Arduino bao gồm cả bảng mạch lập trình (thường được gọi là vi điều khiển) và mộtphần mềm hoặc IDE (Môi trường phát triển tích hợp) chạy trên máy tính, được sử dụng

để viết và tải mã máy tính lên bo mạch

Việc lựa chọn arduino để làm bộ điều khiển cho hệ thống dựa trên các phươngdiện:

- Dễ dàng sử dụng, có thể sử dụng ngay vì Arduino là 1 bộ hoàn chỉnh bộ nguồn,một ổ ghi, một bộ dao động, một vi điều khiển, truyền thông nối tiếp, LED và cácgiắc cắm

- Nhiều thư viện mẫu có sẵn

- Dễ dàng lập trình và thay đổi code nạp vào Arduino

- Cộng đồng sử dụng lớn, có thể dễ dàng tìm kiếm thông tin về Arduino

Trong thực tế cũng có rất nhiều loại arduino: arduino uno r3, arduino mega,arduino nano…

Nhưng đối với hệ thống thì arduino uno r3 là lựa chọn tối ưu nhất Arduino unor3 có 14 chân đầu vào / đầu ra kỹ thuật số (trong đó 6 chân có thể được sử dụng làm đầu

ra PWM), 6 đầu vào analog, kết nối USB, giắc cắm nguồn, nút đặt lại và hơn thế nữa Nóchứa mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; chỉ cần kết nối nó với máy tính bằng cápUSB hoặc cấp nguồn cho nó bằng bộ chuyển đổi AC-DC hoặc pin để bắt đầu

Số chân đảm bảo cho việc kết nối hệ thống hơn so với arduino nano và giá thànhtốt hơn arduino mega

12

12

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Hình 2 7 Arduino uno R3 2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

2.4.1 Thiết kế mạch đo

Phần mạch điện của hệ thống được xây dựng trên phần mềm Proteus

- Đối với LCD việc kết nối thông thường với vi xử lý arduino sẽ gặp một số khó khăn do

số dây cần nối tới arduino lớn vì vậy để dễ dàng hơn cho việc thiết kế và kết nối giữaarduino và LCD ta sẽ sử dụng giao tiếp I2C cho quá trình kết nối này

14

14

+ Cảm biến tiệm cận có đầu ra là dạng xung 0 1

+ Trong này nhóm chúng em sử dụng 1 ngắt ngoài để đo số xung của cảm biếntiệm cận

+ INT0: khi có cạnh xuống của tín hiệu cảm biến thì biến xung tăng lên 1, đây làbiến lưu xung cảm biến

+ Gọi số xung xuất ra từ chân out trong 1s là: n

+ Vì ở đây có 10 điểm bắt tín hiệu trên đĩa gắn ở động cơ nên 10 xung cảm biếnnhận chính là được 1 vòng

+ Tốc độ động cơ: V = n*60/10 (vòng/phút)

15

15

+ Vậy để đo tốc độ động cơ, bạn chỉ cần đếm được số xung xuất ra từ chân outtrong cảm biến ở trong 1 giây hay nói cách khác đó chính là tần số xung của cảm biếntiệm cận

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

3.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ cơ khí

3.1.1 Phần mềm mô phỏng

Để mô hình hóa và mô phỏng hệ thống đo tốc độ động cơ 1 chiều bằng cảm biếntiệm cận, nhóm em sử dụng phần mềm Solidworks

Solidworks là phần mềm được phát triển bởi hãng Dassault Systemes

Solidworks Corp, một công ty con của Dassault

Solidworks có các đặc điểm: - Thiết kế mô hình 3d chi tiết

Hình 3 1 Động cơ điện 1 chiều

- Sử dụng các lệnh extruded boss và extruded cut để tạo khối

Hình 20Đèn led

d, Đĩa quay

- Đường kính ngoài : 4 cm

- Đường kín trong : 0.4 cm

- Kích thước lỗ nhỏ : 0.2 cm

- Dùng lệnh extruded boss để tạo khối

3.2 Mô hình hóa và mô phỏng hệ điều khiển

PIC, Motorola, AVR

Proteus có khả năng mô phỏng hoạt động của các mạch điện tử bao gồm phầnthiết như kế mạch và viết trình điều khiển cho các loại vi điều khiển như MCS-51, AVR,PIC…

Những Đặc Điểm Nổi Bật Của Proteus:

• Có khả năng mô phỏng hầu hết trình điều khiển cho vi điều khiể n

• Chọn đối tượng và thiết lập thông số cho đối tượng dễ dàng

• Xuất ra file Netlist tương thích với các chương trình làm mạch in thông dụng

18

18

• Xuất file thống kê linh kiện cho mạch

• ISIS tích hợp nhiều công cụ giúp cho việc quản lý mạch điện lớn, mạch điện có thểlên đến hàng ngàn linh kiện phục vụ cho thiết kế mạch chuyên nghiệp

• Thiết kế theo cấu trúc (hierachical design)

• Khả năng tự động đánh số linh kiện

3.2.2 Quá trình thiết kế mô phỏng

Do phần mềm mô phỏng proteus không thể hiển thị được bánh xe được thiết kế đặcbiệt trên motor, do vậy cảm biến tiệm cận không thể đồng bộ với motor khi quay Do đó ở

mô phỏng Proteus, nhóm em sẽ cấp xung giả cho hệ

thống Việc này để đánh giá độ chính xác của phép đo và bài toán lập trình cho vi điều khiển

Ta nhập các tên sau vào phần Keywords để lấy linh kiện

Ta vào phần Virtual Instuments Mode ở thanh công cụ bên trái đểlấy máy phát xung và máy đo sóng oscilloscope Ta sẽ cài đặt tần số

của máy phát này là 50Hz

Ta vào phần Terminals Mode để lấy dây mass và nguồn

Hình 3 4 Mạch mô phỏng

Ta nạp code cho chip và chạy chương trình mô phỏng

3.3 Xây dựng chương trình điều khiển

3.3.1 Phần mềm xây dựng chương trình điều khiển

Nhóm em sẽ sử dụng phần mềm lập trình Arduino IDE để xây dựng hệ thống.Arduino IDE là một phần mềm mã nguồn mở chủ yếu được sử dụng để viết và biên dịch

mã vào module Arduino

Đây là một phần mềm Arduino chính thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễdàng mà ngay cả một người bình thường không có kiến thức kỹ thuật cũng có thể làmđược

Nó có các phiên bản cho các hệ điều hành như MAC, Windows, Linux và chạy trênnền tảng Java đi kèm với các chức năng và lệnh có sẵn đóng vai trò quan trọng để gỡ lỗi,chỉnh sửa và biên dịch mã trong môi trường

Có rất nhiều các module Arduino như Arduino Uno, Arduino Mega, ArduinoLeonardo, Arduino Micro và nhiều module khác

Mỗi module chứa một bộ vi điều khiển trên bo mạch được lập trình và chấp nhậnthông tin dưới dạng mã

Mã chính, còn được gọi là sketch, được tạo trên nền tảng IDE sẽ tạo ra một file Hex,sau đó được chuyển và tải lên trong bộ điều khiển trên bo

20

20