đồ án đo tốc độ theo nguyên lý không tiếp xúc

mạch đo tốc độ theo nguyên lý không tiếp xúc , sử dụng cảm biến để nhận biết số vòng quay sau đó sử dụng arduino để phân tích và xử lý tín hiệu nhận được ,mạch đo tốc độ theo nguyên lý không tiếp xúc , sử dụng cảm biến để nhận biết số vòng quay sau đó sử dụng arduino để phân tích và xử lý tín hiệu nhận được ,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Sinh viên : NGUYỄN VĂN BẢN

LƯỜNG VĂN NGHĨA

Lớp : K48 CDT 01

Thái Nguyên,ngày tháng năm 2016

KHOA ĐIỆN TỬ Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Bộ môn Cơ điện tử Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

Lời cảm ơn

Trong suốt thời gian tìm hiểu và thi công đồ án môn học, được sự giảng dạy,

hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ thầy Vũ Đức Vương cùng các thầy cô bộ môn

cơ điện tử học đã giúp chúng em hoàn thành đồ án các thống đo cơ điện

tử.Chúng em xin chân thành gửi lời cám ơn đến thầy Vũ Đức Vương cùng các

thầy bộ môn cơ điện tử đã truyền thụ cho chúng em những kiến thức rất bổ ích

không chỉ cần thiết cho đồ án mà còn cần thiết cho công việc sau này

Lời nói đầu

Trong sự phát triển của ngành kỹ thuật điện tử ngày nay, vi điều khiển

đang dần chiếm ưu thế về số lượng các ứng dụng của nó trên nhiều thiết bị dân

dụng cũng như chuyên dụng Ngoài ra, vi điều khiển cũng được phổ biến trong

lĩnh vực đo lường điều khiển,…v v…

Trên cơ sở những kiến thức đã được học Chúng em quyết định chọn,

thiết kế và thi công đề tài: “ Thiết kế hệ thống đo tốc độ trục quay theo nguyên lý

không tiếp xúc” dùng vi điều khiển arduino uno để hiểu rõ hơn cũng như các ứng

dụng thực tiễn của nó trong tương lai

Do kiến thức còn hạn hẹp và lần đầu thiết kế Mặc dù đã cố gắng khắc

phục những khuyết điểm, nhưng chúng em không thể tránh khỏi sai sót và

nhiều hạn chế Tập thể nhóm chúng em mong nhận được sự góp ý từ các thầy cô

để chúng em khắc phục sai sót mắc phải trong đồ án tốt nghiệp sau này

Một lần nữa, chúng em xin chân thành cám ơn thầy Vũ Đức Vương và các

thầy cô bộ môn cơ điện tử đã giúp chúng em thiết kế và hoàn thành đề tài

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ 6

1.1 Cấu tạo chung về hệ thống cơ điện tử 6

1.2 Vai trò và vị trí của hệ thống đo trong cơ điện tử 7

1.3 Ứng dụng của hệ thống đo tốc độ của trục quay 9

1.4 Kết luận 10

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ TRỤC QUAY THEO NGUYÊN LÝ KHÔNG TIẾP XÚC 11

2.1 Nguyên lý đo tốc độ 11

2.2 Thiết kế mạch điện tử 11

2.2.1 xây dựng sơ đồ nguyên lý 11

2.2.2 Mạch vi xử lý Adruino 12

2.2.3 Hiển thị LCD 13

2.2.4 Biến trở và một số các linh kiện khác 13

2.3 Bảng tổng hợp linh kiện 16

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG 18

3.1 Mô phỏng hệ thống đo tốc độ 18

3.1.1 Giới thiệu về phần mềm proteus 7 18

3.1.2 Giới thiệu về phần mềm arduiro 26

3.2 Thi công sản phẩm 31

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

1.1 Cấu tạo chung về hệ thống cơ điện tử

Hệ thống Cơ điện tử : Tổng hợp sơ đồ nguyên lý sản phẩm Cơ điện tử nhằm thể

hiện được các mô đun cấu thành nên sản phẩm, thấy được sự tích hợp và ghép nối

giữa các thành phần này Có thể biểu diễn sơ đồ này dưới dạng khối như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Cơ điện tử

Trong đó ý nghĩa các khối được như sau:

- Phần công tác: là phần trực tiếp đưa ra các thao tác công nghệ

- Đo lường: là modul kết nối đối tượng với bộ điều khiển, nó tạo tín hiệu phản

hồi làm đầu vào cho bộ điều khiển

- Mô hình hóa: là modul tạo tín hiệu đặt cho bộ điều khiển

- Bộ điều khiển: nhận tín hiệu từ modul đo lường, tính toán hiệu chỉnh và đưa

lệnh điều khiển nguồn động lực để có các thao tác chính xác

Cơ cấu chấp hành (CCCH): là modul tạo nguồn động lực cho phần công tác, nó

nhận lệnh điều khiển trực tiếp từ bộ điều khiển

- DSP: Khối xử lý tín hiệu số

Qua sơ đồ trên ta có thể thấy, từ phần công tác (có thể là điện, hệ cơ học, máy

công cụ, tay máy,…) bằng cách xem xét cấu trúc và các mối quan hệ động lực học

nội tại của đối tượng ta thiết lập được phương trình toán mô tả hoạt động của đối

tượng, đó chính là mô đun Mô hình hóa Từ đó phương trình này ta có thể xác định

được các yếu tố động lực học cần thiết để đối tượng thực hiện được đầu ra đúng ý

đồ công nghệ.Các thông số động lực học này sẽ được lưu trữ trong Bộ điều khiển

dưới dạng tín hiệu đặt phục vụ cho việc hiệu chỉnh hệ thống Khi đối tượng hoạt

động, tín hiệu ra thường được giám sát bởi các Sensor, đó chính là Mô đun đo

lường được bố trí ở cuối hệ thống để thu thập được thông tin hoạt động của Phần

công tác, tín hiệu thu được thường ở dạng Analog nên cần phải mã hóa và xử lý

trước khi đưa vào Bộ điều khiển (Bộ điều khiển làm việc với Digital Signal) Quá

trình này được thực hiện nhờ Bộ DSP 1 (mô đun xử lý tín hiệu), có quá trình này có

thể gồm chuyển đổi AD, lọc, điều chế… Dưới sự tích hợp của các thành phần bao

gồm: Máy tính, mạch điện tử, Vi xử lý thì Bộ điều khiển tiến hành so sánh tín hiệu

thu được với tín hiệu đặt và tính toán để đưa ra hiệu chỉnh khi có sai lệch hoặc có

sự thay đổi tín hiệu đặt Tín hiệu điều khiển được đưa ra bởi bộ điều khiển ở dạng

số (Digital) nên phải qua Bộ DSP2 để biến đổi DA đưa về dạng Analog để tác động

lên CCCH (cơ cấu chấp hành) để điều khiển nó cung cấp nguồn động lực giúp phần

công tác hoạt động đúng ý đồ công nghệ mong muốn

1.2 Vai trò và vị trí của hệ thống đo trong cơ điện tử

Hình 1.2 Các phần tử cơ bản của một hệ thống đo trong cơ điện tử

Cảm biến (sensor) cảm nhận những đại lượng điện và không điện, chuyển đổi

chúng trở thành những tín hiệu điện phù hợp với thiết bị thu nhận tín hiệu

Gia công tín hiệu (signal conditioning) chuyển đổi các tín hiệu từ cảm biến thành

trạng thái phù hợp để hiển thị hoặc vào mô đun xử lý, thực xích điều khiển

Hệ thống hiển thị (display system) là nơi tín hiệu ra từ bộ gia công tín hiệu được

thể hiện dưới dạng con số so với đơn vị đo (hiển thị số) hoặc dạng biểu đồ (hiển thị

tương tự)

Mô đun đo lường được bố trí ở cuối hệ thống để thu thập được thông tin hoạt

động của Phần công tác, hệ thống đo tạo ra sự kết nối và tương tác giữa phần công

tác và bộ điều khiển, từ hệ thống đo ta có tín hiệu phản hồi để làm đầu vào khởi tạo

bài toán hiệu chỉnh ở bộ điều khiển

Tín hiệu thu được từ hệ thống đo thường ở dạng Analog nên cần phải mã hóa và

xử lý trước khi đưa vào Bộ điều khiển (Bộ điều khiển làm việc với Digital Signal)

Quá trình này được thực hiện nhờ Bộ DSP 1 (mô đun xử lý tín hiệu), các quá trình

này có thể gồm khuếch đại, chuyển đổi AD, lọc, điều chế, tách sóng…

- Khuếch đại: khi tín hiệu nhỏ thì cần khuếch đại, bản chất quá trình này là dùng

các mạch khuếch đại có thể làm tăng biên độ hoặc tần số của tín hiệu cho phù hợp

- Chuyển đổi AD: chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, bản chất quá

trình này là mã hóa thông tin

- Lọc: là quá trình ngăn không cho một số tín hiệu có tần số tạp đi qua, quá trình

này giúp loại bỏ các tín hiệu nhiễu từ bên ngoài tác động vào hệ thống

- Điều chế: khi cần truyền dẫn không dây trong trường hợp trung tâm điều khiển

nằm cách xa phần công tác Bản chất quá trình này là ghép tín hiệu cần xử lý có

biên độ nhỏ vào sóng mang cao tần để có đủ năng lượng truyền đi xa mà không làm

méo dạng tín hiệu

Tách sóng: là quá trình thu hồi lại tín hiệu nguyên thủy từ tín hiệu điều chế

=> Hệ thống đo là một bộ phận của hệ thống cơ điện tử và nó đóng vai trò vô

cùng quan trọng Hệ thống đo như là đôi mắt của hệ thống cơ điện tử giúp hệ biết

được các thông số, tính chất của các giá trị như nhiệt độ, độ dịch chuyển, áp suất,

khoảng cách ….từ đó thì hệ thống cơ điện tử sẽ nhận được các thông số sau đó

phân tích và đưa ra các biện pháp để điều khiển giữ cho các thông số của của hệ

thống phù hợp với yêu cầu đưa ra

Trong hệ thống cơ điện tử hệ thống đo nằm sau hệ thống được điều khiển và nằm

trước bộ điều khiển của hệ thống

Hệ thống đo nằm sau bộ điêu khiển nhằm mục đích đo lường, cảm nhận các thông

số cần quan tâm của hệ thống cần đo, xử lý và biến đổi thành các đại lượng phù

hợp với yêu cầu đầu ra của hệ thống đo

Hệ thống đo nằm sau hệ thống điều khiển vì sau khi nhận được các giá trị cần

quan tâm từ hệ thống được điều khiển thì hệ thống đo sẽ biến đổi, xử lý cho phù

hợp và chuyển các thông số nhận được sang bộ điều khiển để bộ điều khiển đưa ra

các biến pháp điều khiển các thông số cho phù hợp với yêu cầu đưa ra của hệ

thống

1.3 Ứng dụng của hệ thống đo tốc độ của trục quay

Mạch đo tốc độ của động cơ được thiết kế như một mạch đếm tự động, có chức

năng hiển thị các giá trị vòng quay của trục động cơ trong một thời gian nhất định

Để xác định tốc độ mà động cơ đang quay

Có 3 phương pháp dùng để đo tốc độ của vòng quay khác nhau, tùy từng vào mục

đích sử dụng để có thể đo được tốc độ vòng quay động cơ chính xác nhất

1 3.1 Phương pháp đo tiếp xúc

Đây là phương pháp củ nhất trong các phương pháp đo rpm Tốc độ vòng quay của

vật cần đo sẽ được cảm biến chuyển đổi thành tín hiệu điện, tín hiệu này sẽ được

thiết bị phân tích và hiển thị Phương pháp đo này vẫn được sử dụng thường xuyên

nhưng chủ yếu dùng cho những vật có vận tốc quay thấp từ 20 rpm đến 20.000

rpm Sự bất lợi của phương pháp đo này là tốc độ quay của tải phụ thuộc rất nhiều

vào lực tiếp xúc Ngoài ra, phương pháp đo này không thể đo cho những vật có

kích thước nhỏ Nếu như tốc độ vòng quay quá lớn cảm biến sẽ bị trượt ra ngoài

1.3.2 Phương pháp đo không tiếp xúc (đo bằng phản quang)

Tốc độ vòng quay sẽ được đo bằng cách đo thời gian của chùm tia phản xạ tại vật

cần đo Thiết bị sẽ phát ra 1 chùm tia hồng ngoại, chùm tia ánh sáng này sẽ bị phản

xạ lại tại vật cần đo bởi tấm phản quang được dán trên vật cần đo Chú ý rằng

khoảng cách lớn nhất giữa tấm phản quang và thiết bị đo không vượt quá 350 mm)

Phương pháp đo này sẽ cao cấp hơn phương pháp đo tiếp xúc Tuy nhiên, không

phải lúc nào ta cũng có thể dán được tấm phản quang lên trên vật cần đo

Dải đo: 20 rpm đến 100.000 rpm

1.3.3 Phương pháp đo sử dụng tần số chớp

Dựa vào nguyên lý của tần số chớp, các vật thể sẽ đứng yên trong mắt người quan

sát khi tần số chớp tốc độ cao đồng bộ với sự di chuyển của vật Phương pháp đo

này có những đặc tính nổi bật hơn các phương pháp đo khác là:

Phương pháp đo có thể đo được cho những vật rất nhỏ hoặc đo được ở những nơi ta

không chạm đến được Không cần thiết phải dán tấm phản quang lên vật cần đo Ví

dụ như ta không cần thiết phải dừng lại quy trình sản xuất

Dải đo: 30 rpm đến 20.000 rpm

Ngoài ra, phương pháp đo này không chỉ đo được rpm mà nó còn có thể đo rung và

theo dõi chuyển động ví dụ như: các màng rung, màng loa

1.4 Kết luận

Chọn phương án 2 : Phương pháp đo không tiếp xúc dùng led hồng ngoại Bởi một

số đặc điểm sau:

- Phát hiện vật thể nhưng không cần tiếp xúc với vật thể đó

- Ít bị hao mòn, có tuổi thọ và độ chính xác, tính ổn định cao

- Thời gian đáp ứng nhanh, có thể điều chỉnh độ nhạy theo ứng dụng

- Cấu trúc của cảm biến khá đơn giản, giá thành rẻ…

Hình 1.3: Hình ảnh cảm biến khi thi công

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ TRỤC QUAY THEO NGUYÊN

LÝ KHÔNG TIẾP XÚC

2.1 Nguyên lý đo tốc độ

Tốc độ vòng quay sẽ được đo bằng cách đo thời gian của chùm tia phản xạ tại vật

cần đo Thiết bị sẽ phát ra 1 chùm tia hồng ngoại, chùm tia ánh sáng này sẽ bị phản

xạ lại tại vật cần đo bởi tấm phản quang được dán trên vật cần đo Chú ý rằng

khoảng cách lớn nhất giữa tấm phản quang và thiết bị đo không vượt quá 350 mm)

Dải đo : từ 20 rpm đến 100000 rpm.(vòng trên phút)

2.2.2 Mạch vi xử lý Adruino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với

nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch

nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel

32-bit

Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào

analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Thông số mạnh xử lý :

Xung nhịp: 16MHz

EEPROM: 1KB (ATmega328) và 4KB (ATmega2560)

SRAM: 2KB (Atmega328) và 8KB (Atmega2560)

Flash: 32KB (Atmega328) và 256KB (Atmega2560)

Hình 2.3 : Hình ảnh về mạch vi xử lý Adruino

2.2.3 Hiển thị LCD

Thiết bị hiển thị LCD ( Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các

ứng dụng của vi điều khiển LCD có nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác:

Nó có khả năng hiển thị ký tự đa dạng, trực quan (chữ, số và ký tự đồ họa), dễ dàng

đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài

guyên hệ thống và giá thành rẻ…Ở đây ta dùng LCD 16x2 để hiển thị

Hình 2.4 : Hình ảnh của LCD 16x2 2.2.4 Biến trở và một số các linh kiện khác

- Biến trở là điện trở có thể thay đổi được trị số được sử dụng để thay đổi cường độ

dòng điện trong mạch

Hình 2.5 : Hình ảnh biến trở

- IC 74HC595 : chức năng của IC là để tiết kiệm số chân VDK tối đa (3 chân)

Có thể mở rộng số chân vi điều khiển bao nhiêu tùy thích mà k ic nào có thể làm dc

bằng việc mắc nối tiếp đầu vào dữ liệu các ic với nhau

Hình 2.6 : Hình ảnh IC74HC595

Sơ đồ chân của nó như sau:

Hình 2.7: Hình ảnh sơ đồ chân của IC 74HC595

Giải thích ý nghĩa hoạt động của một số chân quan trọng:

(input)

- Chân 14 : đầu vào dữ liệu nối tiếp Tại 1 thời điểm xung clock chỉ đưa vào được

1 bit

(output)

QA=>QH : trên các chân (15,1,2,3,4,5,6,7)

Xuất dữ liệu khi chân chân 13 tích cực ở mức thấp và có một xung tích cực ở sườn

âm tại chân chốt 12

(output-enable)

- Chân 13 : Chân cho phép tích cực ở mức thấp (0) Khi ở mức cao, tất cả các đầu

ra của 74595 trở về trạng thái cao trở, không có đầu ra nào được cho phép

(SQH)

- Chân 9: Chân dữ liệu nối tiếp Nếu dùng nhiều 74595 mắc nối tiếp nhau thì chân

này đưa vào đầu vào của con tiếp theo khi đã dịch đủ 8bit

(Shift clock)

- Chân 11: Chân vào xung clock Khi có 1 xung clock tích cực ở sườn dương(từ 0

lên 1) thì 1bit được dịch vào ic

(Latch clock)

- Chân 12 : xung clock chốt dữ liệu Khi có 1 xung clock tích cực ở sườn dương thì

cho phép xuất dữ liệu trên các chân output lưu ý có thể xuất dữ liệu bất kỳ lúc nào

bạn muốn ,ví dụ đầu vào chân 14 dc 2 bit khi có xung clock ở chân 12 thì dữ liệu sẽ

ra ở chân Qa và Qb (chú ý chiều dịch dữ liệu từ Qa=>Qh)

hồng ngoại thu ,1 led

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG

3.1 Mô phỏng hệ thống đo tốc độ

3.1.1 Giới thiệu về phần mềm proteus 7

Trong lĩnh vực khoa học công nghệ ngày càng phát triển không ngừng ngành tin

học nói chung đã có mặt hầu như trong tất cả các ngành nghề từ đơn giản đến phức

tạp Công nghệ tin học đã giúp ích không nhỏ vào công việc giảng dạy và mang lại

nhiều kết quả không nhỏ Proteus VSM (Virtual Simulation Microprocessor) là

chương trình tạo và chạy các mạch điện ,các mạch có vi xử lý và mô phỏng quá

trình làm việc của mạch nguyên lý, giúp cho người học điện tử hình dung trực quan

hơn vào thực tế của các linh kiện điện tử Phần mềm Proteus VSM được viết bởi

công ty Labcenter Electronics Proteus đã được sử dụng khá rộng rãi trên 35 quốc

gia Proteus đã tự khẳng định thế mạnh của nó về mô phỏng các mạch nguyên lý

sát với thực tế, trên 12 năm càng ngày nó càng được hoàn thiện và phát triển mạnh

.Protesu cung cấp cho người sử dụng hầu như toàn bộ các linh kiện điện tử để

người dùng có thể tạo ra được các mạch nguyên lý và sau cùng là chạy thử và so

sánh với kết quả thực tế Chính vì Proteus có thể tạo và chạy được các mạch đơn

giản cũng như các mạch phức tạp nên có thể dùng nó trong giảng dạy, trong các

phòng thí nhiệm điện tử cũng như trong thực hành vi xử lý … Phần mềm Proteus

chạy trong môi trường Window 32 bit , yêu cầu của nó về phần cứng cũng đơn giản

CPU 300MHz trở lên

Phần mềm Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử

bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều

khiển như MCS-51, PIC, AVR, … Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho

phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in

Khởi động chương trình :

Start > All Program > Proteus 7 Professional

Hình 3.1: Khởi động chương trình proteus

- Cửa sổ chương trình sau khi khởi động:

Hình 3.1: Hình ảnh giao diện làm việc trên proteus