bài tập lớn môn thiết kế hệ điều khiển nhúng, thiết kế chi tiết phần cứng và phần mềm bộ điều khiển nâng hạ vật bằng từ trường sử dụng vi điều khiển stm32. Bộ điều khiển có tích hợp các loại đầu ra và đầu vào dạng AI, DI, giao tiếp RS485, giao diện người dùng. Tài liệu bao gồm cách thiết kế, sơ đồ thiết kế, tinhd toán chi tiết, code chi tiết cho vi điều khiển
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ KHOA TỰ ĐỘNG HÓA BÀI TẬP LỚN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU NÂNG HẠ VẬT BẰNG TỪ TRƯỜNG Hà Nội, năm 2023 MỤC LỤC MỤC LỤC .2 A Giới thiệu công nghệ nâng hạ vật từ trường. 1.Giới thiệu .3 Tàu đệm từ. 3 Ổ bi từ. 4.Tìm hiểu sản phẩm phục vụ có mặt thị trường. 5 Tính năng. .5 B Thiết kế sơ Yêu cầu Ý tưởng thiết kế thiết bị Tính kĩ thuật: C Thiết kế phần cứng .8 Ý Tưởng Thiết Kế Mạch Điện: .8 Thiết kế phần cứng 2.1 DI 2.2 DO 12 2.3 AI .14 2.4 AO 17 2.5 Cảm biến 20 2.6 LCD 20 2.7 Ma trận phím 4x4 .21 2.8 Khối nguồn 22 2.9 Vi điều khiển 23 D Thiết kế phần mềm 23 Sơ đồ giao diện người dùng 24 Sơ đồ trạng thái điều khiển 25 3.Phần lập trình cho vi điều khiển stm32f103c8t6 26 A Giới thiệu công nghệ nâng hạ vật từ trường. 1.Giới thiệu Hệ thống nâng hạ vật từ trường ( tên tiếng Anh là: Magnetic leviation system) có nhiều ứng dụng thực tế với yêu điểm giảm ma sát Các hệ thống ứng dụng nhiều ngành công nghiệp, giao thông vận tải; đặc biệt sử dụng công nghệ chế tạo tàu đệm từ trường, ổ bi từ, công nghệ chế tạo loa, … Dưới số ứng dụng tiêu biểu nay. Tàu đệm từ. Hiện Nhật Bản họ phát triển hệ thống tàu điện sử dụng đệm từ trường, đệm từ trường giúp cho tốc độ tàu tăng lên đệm từ trường hạn chế ma sát tàu vật khác, với đệm từ trường nâng tàu lợ lửng khơng khí dẫn đến ma sát tầu khơng khí làm giảm tốc độ tàu Nhờ có đệm từ trường mà tốc độ tầu điện 499Km/h ) chạy êm hơn, phát tiếng động tàu bánh xe bình thường Sử dụng đệm từ trường ta quan tâm đến vấn đề bánh xe thời tiết để tàu hoạt động, ngồi đệm từ trường cịn giảm tốc điều khiển tốt so với tàu bánh xe thông thường Ổ bi từ. Các hệ thống vịng bi từ tính lý tưởng dùng cho ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao độ rung động thấp Khơng có tiếp xúc vật lý, nên khơng cần bơi trơn, sửa chữa thay vịng bi Mức tiêu thụ điện thấp, quản lý chủ động, tái định vị quản lý độ rung động tích hợp sẵn lợi ích hệ thống vịng bi từ tính 4.Tìm hiểu sản phẩm phục vụ có mặt thị trường. -Cảm biến: Tìm hiểu loại cảm biến xác định vị trí, đo khoảng cách có mặt thị trường. Trong khuôn khổ đề tài ta sử dụng cảm biến siêu âm SRF04 - Nam châm điện: cuộn sắt từ có điện cảm 15mH có điện trở omh. - Quả cầu sắt: nặng 0.2kg Tính năng. + Sử dụng nam châm điện hình chữ I, thay đổi dòng điện vào cuộn dây dẫn đến thay đổi cảm ứng từ -> thay đổi lực từ tác động lên vật -> thay đổi vị trị vật. + Vị trí của cầu đo cảm biến siêu âm HC-SR04 đưa lại điều khiển. + Lực điện tác dụng lên cầu có hướng lên, cân bằng, lực điện cân với trọng lượng cầu. +Có nút để nhập đầu vào theo khoảng cách hiển thị hình LCD (sử dụng ma trận Keypad 4x4) + Có nút reset để đặt lại vị trí cho vật, đặt lại vị trí dịng điện qua nam châm delay khoảng 15s thay đổi từ từ sau ấn RESET. B Thiết kế sơ Yêu cầu Để thiết kế hệ thống đệm từ trường trước tiên ta phải có phần từ - Nam châm vĩnh cửu: Ta gắn vật cần lơ lửng lên nam châm vĩnh cửu nhờ lực hút nam châm điện nam châm vĩnh cửu làm cho vật lơ lửng theo - Nam châm điện: Nam châm điện phần tạo từ trường tạo lực hút tác động vào nam chạm vĩnh cửu, giữ cho vật cần lợ lừng không bị rơi Ta cho nam châm điện nam châm vĩnh cửu tương tác với Ý tưởng thiết kế thiết bị Bao gồm : -Khối Nam Châm Điện + Sensor đặt có tác dụng tạo lực hút xác định vị trí nam châm vĩnh cửu -Nam châm vĩnh cửu gắn trực tiếp vào vật cần Lơ Lửng -Mạch điều khiển cho toàn hệ thống đặt bên cùng, vừa hạn chế ảnh hưởng từ trường tới mạch, vừa tận dụng làm đế cho hệ thống Tính kĩ thuật: Các đầu vào: cổng DI: 24V cổng DI dung để nhận tín hiệu từ cảm biến cổng AI: loại 4-20mA, loại 0-10V Các đầu ra: cổng DO: 24V cổng AO: loại 0-10V, loại 2-20mA Giao diện người dùng: Hiển thị hình LCD giá trị thực, giá trị đặt giao diện cài đặt 16 nút bấm C Thiết kế phần cứng Yêu Cầu Của Hệ Thống Là: -Vật cần lơ lửng phải đứng yên, lơ lửng không mà không căng giữ vật dây - Nam châm điện nam châm vĩnh cửu có khoảng cách gần khơng đổi Ý Tưởng Thiết Kế Mạch Điện: - Khối ma trận nút nhấn Keypad 4x4: nhập liệu khoảng cách đầu vào từ vật tới cảm biến(ở cảm biến đặt sát với đầu nam châm điện) -Khối cảm biến siêu âm: HC-SR04 đọc vị trí vật dựa vào cách tính khoảng thời gian truyền nhận phản hồi: s = t/2*v; v vận tốc siêu âm - Khối LCD đọc giá trị nhập vào Keypad dòng thứ hiển thị giá trị thực vật dòng thứ - Khối khuếch đại dòng: dòng điện đầu vi điều khiển tương đối thấp nên để đảm bảo đủ điều kiện nâng vật cần dịng điện đủ lớn - Mặt khác khối AI,AO,DI,DO đảm bảo cho vi điều khiển tránh nhiễu loạn đột ngột thay đổi khối bên - Thiết kế phần cứng 2.1 DI a) yêu cầu - Đầu vào mức cao 10-36V, mức thấp 0V - Bảo vệ điện áp đầu vào, bảo vệ tĩnh điện ESD - Cách li với điều khiển b) phương án sử dụng -Sử dụng Opto-coupler PC817 để cách ly đầu vào số với vi điều khiển Khi đầu vào mức cao có dải rộng (10-36 VDC), để đảm bảo yêu cầu mức logic, ta cần mạch phân áp so sánh trước nhằm cố định đầu vào -Sử dụng OPAM giúp thay đổi Dead-band mạch Trigger-Smith Lựa chọn OPAM LM324 -Bảo vệ điện áp cao thấp đầu vào diode SMAJ40CA c) Sơ đồ thiết kế d) Lựạ chọn linh kiện Diode TVS: Dùng để bảo vệ mạch chống xung điện áp cao từ trình độ hay xả tĩnh điện Diode TVS lựa chọn dựa điện áp làm việc, điện áp đánh thủng Điện áp vào max 36V nên phải chọn diode có điện áp làm việc >36V Chọn Diode SMAJ40CA có thơng số: +Điện áp làm việc: 40V +Điện áp đánh thủng: 49,1V Diode bảo vệ điện áp đầu vào: Bảo vệ áp cao: Khi điện áp vào chân không đảo OPAM lớn 12.6V => D ≥ 0.6 V => D5dẫn →Điện áp vào OPAM lớn là: 12.6V Bảo vệ áp thấp: Khi điện áp vào nhỏ -0.6V => D ≥0.6 V => D5 dẫn →Điện áp vào OPAM thấp là: -0.6V Vậy chọn Diode 1N4005 có: VRSM: 400V, IR: 5µA Điện trở mạch phân áp 10