Đề tài Đo tốc độ và hướng gió

Trong khuôn khổ môn học “ Cảm biến và đo lường thông mình” , chúng em muốn , thông qua việc thực hiện đề tài “ Đo tốc độ gió và hướng gió “ , vận dụng các kiến thức và làm quen với quy t

Mục lục

I, Lời mở đầu

“ Thế giới này được bao phủ bởi những phép đo , mọi kiến thức mà không qua một sự đương lượng nào , đều có nguy cơ bị bác bỏ Thuật ngữ “ khoa học “ ngày càng không chấp nhận những loại hiểu biết mà không thể chuyển hóa thành những con số “, đó là càu nói nổi tiếng của Paul Valery , và câu nói đó vẫn đang chứng minh tính đúng đắn của mình trong kỉ nguyên “ số hóa “ toàn diện này Trong các ứng dụng đời sống cũng như trong công nghiệp , khâu đo đạc ,thu thập số liệu luôn chiếm vị trí then chốt và phải được tiến hành trước hết vì nó cung cấp những thông tin , hiểu biết thực tế

về hệ thống ,làm nền tảng cho các quá trình phân tích và xử lý thông tin về

sau Đặc biệt , cùng với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ , lĩnh vực kỹ thuật đo lường cũng đã có những sự thay đổi lớn , chuyển từ đo lường truyền thống (“ thực “ ) sang đo lường “ ảo” , đo lường thông minh

mà thực chất là sự kết hợp của vi xử lý vào các thiết bị đo để cải thiện tính linh hoạt cho các thiết bị đo

Trong khuôn khổ môn học “ Cảm biến và đo lường thông mình” , chúng

em muốn , thông qua việc thực hiện đề tài “ Đo tốc độ gió và hướng gió “ , vận dụng các kiến thức và làm quen với quy trình thiết kế một giải pháp tổng thể

II , Cơ sở lý thuyết

1 Phương pháp đo hướng gió

- Nguyên lý đo : thực chất là đo góc lệch của hướng gió thổi hiện tại so với hướng chính Bắc

- Thực tế , thường áp dụng 2 phương pháp cơ bản để đo góc lệch :

sử dụng cảm biến quang ( optical encoder ) và biến trở

( potentiometer )

1.1 , Sử dụng cảm biến quang :

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 2

Cảm biến có dạng đĩa tròn , trên đĩa có vẽ các rãnh đen-trắng , có vai trò

mã hóa cho các bit nhị phân 0 , 1 Từ tâm đĩa ra , mỗi cung sẽ mã hóa một

từ mã n bit ( n=9 với hình trên ) , mỗi cung sẽ tương ứng một góc Є ( 0, 360) Độ phân giải của cảm biến :1/2^n

Ví dụ với n=8 bit , góc nhỏ nhất có thể đo được là :

18

360 1.41

2

Khi mã hóa góc , nếu dùng phương pháp mã hóa tự nhiên thì 2 góc kề nhau có thể khác nhau nhiều hơn 1 bit ( ví dụ từ 01-> 10 ) , điều này có thể gây ra sai số lớn nếu khi vì một lý do nào đó một bít bị truyền nhầm ( 0 thành 1 ) Vì vậy , người ta đề xuất 1 loại mã nhị phân – mã Gray , trong

đó , 2 giá trị liên tiếp được mã hóa sao cho chỉ khác biệt nhau 1 bit

Ví dụ dưới đây là bảng mã Gray 4 bit

Ưu điểm của cảm biến :

- Đầu ra cảm biến là tín hiệu số , nên có thể hiển thị và lưu trữ dễ dàng

Nhược điểm :

- Độ phân giải cố định và số bit là hạn chế trước

1.2 , Sử dụng biến trở ( Potentiometer )

- Tác động của gió làm quay biến trở , góc quay của biến trở chính là phương của gió so với hướng Bắc Mắc biến trở theo sơ đồ sau :

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 4

total

R Vout Vin

R

α

Ưu điểm của phương pháp :

- Thiết bị đơn giản , giá thành rẻ

- Cảm biến là tương tự nên không bị giới hạn độ phân giải

Nhược điểm :

như nhiệt độ

- Cơ cấu quay có ma sát lớn ,nên độ nhạy thấp

Trong khuôn khổ đồ án , nhóm lựa chọn phương pháp đo góc bằng quang học

2 Phương pháp đo tốc độ gió

Nguyên lý chung là quy tốc độ gió về đo tốc độ quay của các cơ cấu khác

Ta cũng xét ở đây 2 phương pháp đô vận tốc quay thường dùng trong thực

tế :

2.1 Đo tốc độ nhờ Encoder tương đối

Cấu tạo của Encoder tương đối

: Encoder loại này thường có 3 kênh ( channel ) hay 3 đầu ra , đó là kênh A , kênh B , và kênh I Trong hình trên , ta thấy 2 cặp cảm biến hồng ngoại phát và thu , trong đó , cặp phát và thu cho lỗ nhỏ chính là kênh I của Encoder Kênh I sẽ có một xung mỗi khi encoder quay hết một vòng Kênh A nằm ngoài vành đĩa , và được chia thành các rãnh nhỏ , và có một cặp thu phát riêng Kênh A tương tự kênh I , điểm khác biệt là khi encoder quay hết một vòng , kênh A có N xung , N chính là số rãnh trên xung – hay

độ phân giải ( resolution ) của encoder , N càng lớn , tốc độ quay càng được đo chính xác Thông qua việc đếm số xung trên 1s , ta có thể suy ra tốc độ quay của encoder

Một đặc điểm nữa của encoder tương đối , đó là chúng ta có thể xác định được chiều quay của động cơ Đó là tác dụng của kênh B , được bố trí lệch pha 90 với các rãnh của kênh A Nếu chiều quay là thuận kim đồng hồ , mỗi khi có xung từ cao xuống thấp ở kênh A thì kênh B sẽ có mức logic thấp Tương tự , khi kênh B có xung từ cao xuống thấp , thì kênh A sẽ có

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 6

mức logic cao Ngược lại vơi trường hợp chiều quay nghịch chiều kim đồng hồ

Quay theo chiều thuận kim đồng hồ

Việc biết thêm chiều quay là một thông tin cần thiết để tính toán vận tốc quay , nếu chiểu quay giữ nguyên , số xung đếm tăng lên , nếu đổi chiều quay , số xung bị giảm đi

Clockwise Sườn xuống 0

Sườn lên 1

Counter clockwise Sườn xuống 1

Sườn lên 0

Như đã đề cập ở phần đo phương của gió ở trên , phương pháp đo tốc độ gió sử dụng Encoder cũng mang đầy đủ các ưu điểm của một phương pháp xử lý số :

, độ chính xác cao

2.2 , Phương pháp cảm ứng điện từ

Như tên gọi ,nguyên tắc của phương pháp là hiện tượng cảm ứng điện từ , ta biến cơ cấu quay ( cánh quạt ) thành rotor của một máy phát điện xoay

chiều 3 pha Trên rotor có p cặp cực nam châm , stato gắn trên thành bao gồm 3 cuộn dây bố trí lệch pha nhau 120 Như vậy , trong rô to xuất hiện sức điện động cảm ứng , nếu nối với mạch ngoài , trong mạch sẽ tồn tại dòng điện cảm ứng xoay chiểu với tần số :

60

np

f = Với : n là số vòng quay của rotor ( vòng /phút )

P là số đối cực của rotor

Việc xác định tốc độ của rotor thực chất là xác định tần số của dòng điện ( hoặc điện áp ) xoay chiều Phương pháp đo tần số tuân theo các bước sau :

như trên sơ đồ

Counter , và đếm số xung xuất hiện trong 1 đơn vị thời gian T ( 1s , 10s ,100 s ,… ) Tần số sẽ được tính bằng công thức :

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51

Uout Ein

8

Nx

T

p

=

Ưu điểm của phương pháp :

giải , cấp chính xác có thể tăng lên khi tăng thời gian đếm xung ( hằng số T )

Nhược điểm :

một độ trễ nhất định khi có sự chuyển đổi giá trị , do đó độ nhạy không cao bằng cảm biến quang

Từ việc phân tích 2 giải pháp trên , nhóm chúng em quyết định chọn phương pháp sử dụng encoder quang vì tốc độ đáp ứng nhanh và rất chính xác

III Thiết kế thiết bị

1. Thiết kế khối chức năng

Ta có thể vận dụng thiết kế rất phổ biến của các thiết bị đo gió hiện nay , đó là dạng trực thăng gắn trên trục có thể quay được

Anemometer kiểu trực thăng

Trên thiết bị này tích hợp cả 2 chức năng , đo hướng gió và tốc độ ( lưu lượng ) gió Về vị trí và thiết kế cụ thể của 2 khối như sau :

1.1 , Thiết kế cho khối đo hướng gió

a, Cấu tạo của cơ cấu

Thiết bị gồm 2 phần : thân trên nằm ngang , có thể quay xung quanh thân trục dưới mỗi khi có tác động của gió Thiết kế mở rộng

về phần đuôi của thân trên để tăng sức cản của không khí , giúp cho cơ cấu sớm đạt đến trạng thái cân bằng , có phương trùng với phương của gió

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51

Encoder

10

Cấu tạo của Encoder đo hướng gió

Trục quay gắn với encoder tuyệt đối – được mã hóa Gray trên mặt đĩa Trên thành của trục gắn 1 bộ phát – thu hay đầu đọc encoder Sau những khoảng thời gian nhất định , dữ liệu đầu ra gồm n bit , trong bài này ta sẽ chọn n=8 , sẽ được gửi đi để lưu trữ lại

b, Cấu tạo mạch điện tử

Sơ đồ khối của khâu đo hướng gió

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 11

Sau đây là sơ đồ tham khảo mạch phát –thu encoder ( Theo sách của G.Asch et al) Trong sơ đồ , giữa các LED phát và thu được ngăn cách bởi các rãnh của đĩa , nếu trên đĩa có màu trắng , LED thu sẽ nhận được tín hiệu , transistor thứ n sẽ thông , và do đó , đầu ra OUT n

sẽ ở mức ‘1’ Ngược lại , nếu chiếu vào rãnh đen , LED nhận sẽ

không được thông , do đó vẫn ở mức ‘0’

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51

MCS_51 Flip-flop

Encoder

8 bit

Clk

12

Các đầu ra của encoder sẽ được kết nối với Flip-Flop để chốt dữ liệu vào vi điều khiển MCS_51 , thời điểm chốt và đọc dữ liệu sẽ được quyết định bởi một tín hiệu đồng hồ từ một chân trên vi điều khiển Dữ liệu 1byte được đọc

vào cổng P1 , sau đó 89C51 sẽ có nhiệm vụ hiển thị số đo góc lên màn hình LCD

1.2 Thiết kế cho khối đo tốc độ gió

a, Mô tả cơ cấu

Cánh quạt quay mỗi khi có gió ,trục quay của quạt có gắn encoder tương đối , và 1 bộ thu – phát trên thành , tương tự như trong khối đo hướng gió Khi encoder quay , ta thu thập các tín hiệu kênh A , B ( ta không sử dụng kênh I ) Phương pháp tính tốc độ như sau :

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 14

 Kết nối kênh A với 1 chân ngắt ngoài của atmega32 ,ví dụ INT2 , kênh B được nối với 1 chân bất kỳ khác

INT , vi điều khiển sẽ gọi chương trình phục vụ ngắt

kênh B, tùy theo mức của kênh B mà giá trị biến đếm đươc tăng hay giảm đi

, vi điều khiển tính ra số xung xuất hiện trong khoảng thời gian trên , từ đó tính ra được số xung ( số vòng ) trên 1 đơn vị thời gian

b, Mô tả mạch điện tử

Sơ đồ mạch của hệ thống đo tốc độ gió

C, lập trình phần mềm cho chức năng

Code viết trên Codevision AVR , trong đó ta giả định , thời gian chu trình xử lý là 25ms và encoder loại 100 xung/vòng

-#include <avr/io.h>

#include<util/delay.h>

#include<avr/interrupt.h>

#include<math.h>

#include<stdio.h>

#include<myLCD.h>

#define processing_time 25// chu ki cap nhat so lieu

#define num_track 100 // so ranh

volatile long int Pulse , pre_pulse ;

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 16

volatile long int speed ;

int main(void)

{

unsigned char buffer_LCD[5];

Pulse =0;

DDRB=0x00; set Portb in Input mode

PortB=0xFF; dat dien tro keo cho encoder

- ngat ngoai MSCUCSR|=(0<<ISC2) ; // ngat INT2 la suon xuong

GICR |=(1<<INT2) ; // bat ngat INT2

timer 2 dinh thoi , T=25ms TCCR2=(1<<CS22)|(1<<CS21)|(1<<CS20);

TCNT2=60;

TIMSK=(1<<TOIE2);

init_LCD() ; // khoi tao LCD

clr_LCD();

print_LCD("toc do : /25ms ");

while(1)

{

sprintf(buffer_LCD,"%i",speed);

move_LCD(1,8);

print_LCD(" ");

print_LCD(buffer_LCD);

}

}

ISR (Timer2_OVF_vect)

{

TCNT2=60 ;// thiet dat lai tham so cho timer2 speed=(pulse-pre_pulse)/num_track;

pre_pulse=pulse ;

}

{

if (bit_is_set(PINB,0)) pulse++;

else Pulse ;

}

2.Vấn đề chuẩn độ của hệ thống

- Chuẩn độ là 1 chức năng quan trọng của hệ thống đo , có tác dụng chỉnh định lại các tham số các hằng số được sử dụng trong hệ thống

- Đối với hệ thống đo hướng gió như đã miêu tả , việc chuẩn độ hướng chính Bắc được tiến hành một lần , ngay tại thời điểm sản xuất

- Đối với khối đo tốc độ gió , ta cần công thức quy đổi giữa tốc độ quay của cánh quạt và tốc độ gió ( theo[2] và [3])

U = M.X + B (*)

Trong đó , U là vận tốc gió

X là vận tốc quay của cánh quạt ( số xung / giây )

M là hằng số tỉ lệ , B là 1 hằng số Offset

Hằng số M và B phụ thuộc vào môi trường không khí và đặc biệt vào kết cấu của hệ thống Trong 2 hằng số này , hằng số B đại diện cho « sức ỳ « -

ma sát giữa các khớp quay lúc khởi động , hoàn toàn có thể cải thiện được

và làm cho B nhỏ đi , tới mức có thể coi là « zero » trong công thức (*) Công thức chính còn lại là : U=M.X

Muốn chuẩn độ M , cần phải có « mẫu » , tức là một lưu lượng gió biết trước

Để kết thúc ta có thể tham khảo bảng số liệu về M của hãng Campbell

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 18

Sản phẩm M (m/s)

IV, Kết luận

Qua đồ án này , chúng em đã dần dần nắm được :

hóa các thiết kế

Tuy nhiên , đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót , như chưa đưa ra được các giải pháp để xử lý vấn đề tự động chuẩn độ một cách linh hoạt Các thiết kế và cấu trúc mạch còn đơn giản , sẽ cần phải được cải tiến rất nhiều để đáp ứng các yêu cầu khác nhau từ thực tế

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn của cô , và tin rằng đây sẽ

là những kinh nghiệm để các thiết kế trong tương lai sẽ được hoàn thiện hơn

Appendix – Tài liệu tham khảo

1 Geogres Asch et al , Les capteurs en instrumentation industrielle –

DUNOD

2 Campbell Scientific Corp (CSC ) – Datasheet Young Wind monitor

05103AP-10

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 20