môn thực tập điều khiển tự động báo cáo tuần 11 chương 1 miêu tả các thiết bị sử dụng trong bộ thí nghiệm

Đây là thiết bị điện tử được sử dụng để đo khoảng cách của một đối tượng mục tiêu bằng cách phát ra sóng siêu âm, sau đó âm thanh phản xạ được chuyển đổi thành tín hiệu điện.. Theo đó, b

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-⸙∆⸙ -MÔN: THỰC TẬP ĐIỀU KHIỂN TỰ

ĐỘNG BÁO CÁO TUẦN 11

GVHD: TS Trần Đức Thiện SVTH: Trần Trọng Nguyên MSSV: 21151294

TP HCM, THÁNG 4 NĂM 2024

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MIÊU TẢ CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG BỘ THÍ

NGHIỆM 3

1 Hộp điều khiển: 3

1.1 Arduino Mega 2560: 4

1.2 Arduino Uno: 5

1.3 Mạch cầu H BTS 7960 IBT-02: 6

1.4 Nguồn tổ ong: 7

2 Mô hình bồn nước: 7

2.1 Máy bơm: 7

2.2 Sensor : 8

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CÁC BỘ PHẬN 10

2.1 Trình bày nguyên lí hoạt động của cảm biến: 10

2.2 Trình bày nguyên lí điều khiển bơm nước 1 chiều: 11

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BỒN NƯỚC TRÊN MATLAB SIMULINK 12

3.1 Dựa vào hình 7.1, hãy xây dựng chương trình bộ điều khiển PID trên MATLAB Simulink 12

3.2 Giải thích chức năng từng khối: 12

TÀI LIỆU KHAM KHẢO 14

DANH MỤC HÌNH ẢN

Hình 1 Hộp điều khiển 3

Hình 2 Arduino Mega 2560 4

Hình 3 Arduino Uno 5

Hình 4 Nguồn tổ ong 7

Hình 5 Máy bơm mini 7

Hình 6 Cảm biến siêu âm 9

Hình 7 Nguyên lí hoạt động cảm biến siêu âm 10

Hình 8 Hệ thống bồn nước dùng bộ điều khiển PID 12

Hình 9 Sơ đồ tổng quan 12

CHƯƠNG 1: MIÊU TẢ CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG BỘ

THÍ NGHIỆM

1 Hộp điều khiển:

Hình 1 Hộp điều khiển

Hộp điều khiển bao gồm:

- Arduino Mega 2560

- Arduino Uno

- Mạch cầu H BTS 7960 IBT-02

- Nguồn tổ ong 12V, 5A

.1 Arduino Mega 2560:

Hình 2 Arduino Mega 2560

Mạch Mega 2560 CH340 (Arduino Mega 2560 Compatible) có thiết kế tương

thích với Arduino Mega 2560 và là phiên bản nâng cấp của Arduino Uno với số chân giao tiếp, ngoại vi và bộ nhớ nhiều hơn, mạch Mega 2560 sử dụng IC nạp chương trình và giao tiếp máy tính CH340

Thông số kỹ thuật:

 Vi điều khiển chính: ATmega2560

 IC nạp và giao tiếp UART: CH340

 Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC (nếu sử dụng nguồn ngoài từ giắc tròn DC Hshop.vn khuyên bạn nên cấp nguồn từ 6~9VDC để đảm bảo mạch hoạt động tốt, nếu bạn cắm 12VDC thì IC ổn áp rất nóng, dễ cháy và gây hư hỏng mạch)

 Số chân Digital I/O: 54 (trong đó 15 chân có khả năng xuất xung PWM)

 Số chân Analog Input: 16

 Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20mA

 Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50mA

 Flash Memory: 256 KB trong đó 8 KB sử dụng cho bootloader

 SRAM: 8 KB

 EEPROM: 4 KB

 Clock Speed: 16 MHz

 LED_BUILTIN: 13

 Kích thước: 101.52 x 53.3 mm.

1.2 Arduino Uno:

Hình 3 Arduino Uno

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD, …

Thông số kĩ thuật:

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

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

Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởibootloader

SRAM 2 KB (ATmega328)

1.3 Mạch cầu H BTS 7960 IBT-02:

Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A High-power Motor Driver có khả năng điều khiển 1 động cơ DC sử dụng IC điều khiển động cơ BTS7960 với công suất tối đa lên đến 43A theo thông số nhà sản xuất, ngoài ra mạch còn được thiết

kế thêm IC buffer chuyển mức tín hiệu 74HC244 giúp bạn kết nối an toàn với vi điều khiển khi sử dụng

Thông số kỹ thuật:

 Nguồn cấp: 6 ~ 27VDC

 Dòng điện tải mach: 43A (Tải trở) hoặc 15A (Tải cảm)

 Tín hiệu logic điều khiển: 3.3 ~ 5VDC

 Tần số điều khiển tối đa: 25KHz

 Tự động shutdown khi điện áp thấp: để tránh điều khiển động cơ ở mức điện áp thấp thiết bị sẽ tự shutdown Nếu điện áp < 5.5VDC, driver sẽ tự ngắt điện và sẽ mở lại sau khi điện áp > 5.5VDC

 Bảo vệ quá nhiệt: BTS7960 bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích hợp bên trong Đầu ra sẽ bị ngắt khi có hiện tượng quá nhiệt

 Kích thước: 40 x 50 x12mm

Sơ đồ chân:

 VCC : Nguồn tạo mức logic điều khiển (3.3~5VDC)

 GND : Chân đất

 R_EN = 0 Disable nửa cầu H phải R_EN = 1 : Enable nửa cầu H phải

 L_EN = 0 Disable nửa cầu H trái L_EN = 1 : Enable nửa cầu H trái

 RPWM và LPWM : chân điều khiển đảo chiều và tốc độ động cơ

 RPWM = 1 và LPWM = 0 : Mô tơ quay thuận

 RPWM = 0 và LPWM = 1 : Mô tơ quay nghịch

 RPWM = 1 và LPWM = 1 hoặc RPWM = 0 và LPWM = 0: Dừng

 R_IS và L_IS: kết hợp với điện trở để giới hạn dòng qua cầu H

Với ứng dụng bình thường RPWM, LPWM nối với GPIO (VD : chân digital 2,3)

để điều khiển chiều quay của động cơ

Chân R_EN, L_EN nối chung lại rồi nối với PWM (VD chân digital 5) để điều khiển tốc độ động cơ

1.4 Nguồn tổ ong:

Hình 4 Nguồn tổ ong

Nguồn tổ ong hay còn được biết tới với tên gọi là nguồn xung Giống như tên gọi, loại nguồn này có hình dạng các lỗ thông hơi có chức năng thoát nhiệt hình lục giác giống như hình dáng của những chiếc tổ ong

2.1 Máy bơm:

Hình 5 Máy bơm mini

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp: 12V

- Áp lực: 0.85Mpa - 123 PSI - 8.5 bar - 8.67 kg/cm3

- Lưu lượng nước: 7 - 9L/phút

- Cường độ dòng điện: 4-6.5V

- Công suất: 150W

- Trọng lượng máy: 1,2kg

Chú ý khi sử dụng máy bơm:

- Không để bơm chìm trong nước

- Sử dụng đúng nguồn điện 12V, tuyệt đối không cắm thẳng điện 220V vì sẽ bị hỏng ngay lập lập tức

- Cần thiết có bộ đổi nguồn từ 220V sang 12V để sử dụng Hoặc sử dụng ắc quy 12V (tương tự ắc quy xe máy)

- Dây đỏ là cực dương (+), dây màu đen là cực âm (-)

2.2 Sensor :

Cảm biến siêu âm (ultrasonic sensor) hay còn gọi cảm biến phát hiện vật cản Đây

là thiết bị điện tử được sử dụng để đo khoảng cách của một đối tượng mục tiêu bằng cách phát ra sóng siêu âm, sau đó âm thanh phản xạ được chuyển đổi thành tín hiệu điện Theo đó, bộ phát của cảm biến có khả năng tạo ra âm thanh nhờ sử dụng tinh thể áp điện Còn bộ thu có vai trò tiếp nhận âm thanh đến và đi từ các vị trí khác nhau Ngoài ra còn được sử dụng trong các ứng dụng như làm sạch bằng sóng siêu âm hoặc dùng trong siêu âm y khoa (siêu âm chuẩn đoán hình ảnh)

Hình 6 Cảm biến siêu âm

Cấu tạo:

Cảm biến siêu âm được cấu tạo bởi một bộ phận đầu dò phát ra tín hiệu Đầu dò của cảm biến hoạt động như một microphone để nhận và phát âm thanh siêu âm Chúng được thiết kế với nhiều hình dạng như:

 Đầu dò thẳng (sóng dọc).

 Đầu dò ngang (sóng ngang).

 Đầu dò sóng bề mặt.

 Đầu dò kép (một đầu phát và một đầu nhận tín hiệu).

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CÁC BỘ PHẬN 2.1 Trình bày nguyên lí hoạt động của cảm biến:

Cảm biến siêu âm có nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình cho và nhận, có nghĩa

là hệ thống cảm biến sẽ liên tục phát ra các sóng âm thanh ngắn với tần số cao hơn mức mà con người có thể nghe và có tốc độ lan truyền mạnh Khi các sóng âm này gặp phải vật cản là chất rắn hay chất lỏng thì sẽ tạo ra các bước sóng phản hồi Dựa vào thời gian phản xạ và vận tốc của sóng, cảm biến sẽ tính ra được khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt phản xạ

Hình 7 Nguyên lí hoạt động cảm biến siêu âm

Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds - us) từ chân Trig Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở pin này Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biển và quay trở lại

Tốc độ của âm thanh trong không khí là 340 m/s (hằng số vật lý), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106/ (340*100)) Khi đã tính được thời gian, ta sẽ chia cho 29,412 để nhận được khoảng cách

2.2 Trình bày nguyên lí điều khiển bơm nước 1 chiều:

-Van 1 chiều máy bơm nước hoạt động hoàn toàn tự động dựa vào tác động của áp lực nước Cụ thể khi không có dòng nước xuất hiện, cửa xoay của van dưới tác dụng của trọng lượng hoặc lực lò xo sẽ được giữ chặt ở vị trí đóng Khi có dòng nước chảy qua cửa xoay sẽ chịu tác động của áp lực nước và bị đẩy khỏi vị trí đóng

và cho phép dòng chảy di chuyển qua van

-Khi vận tốc dòng chảy bằng 0, cửa xoay sẽ quay về vị trí đóng, lúc này áp suất cửa ra của van tác động lên phần tử trượt giữ chặt phần tử trượt ở vị trí đóng và ngăn cản dòng chảy ngược về máy bơm

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BỒN NƯỚC

TRÊN MATLAB SIMULINK

3.1 Dựa vào hình 7.1, hãy xây dựng chương trình bộ điều khiển PID trên MATLAB Simulink .

Hình 8 Hệ thống bồn nước dùng bộ điều khiển PID

Chương trình trong hàm MATLAB function:

function [PWM1, PWM2, ENR, ENL] = Driver(u)

PWM1 = abs(u);

PWM2 = 0;

ENR = 1;

ENL = 1;

3.2 Giải thích chức năng từng khối:

Hình 9 Sơ đồ tổng quan

Khối điều khiển: Truyền và nhận dữ liệu từ máy tính để tính toán các tín hiệu điều khiển, sai số

Bơm: Nhận dữ liệu từ khối điều khiển để bơm nước vào bồn nước tới một mức nước đã cài đặt

Bồn nước: Chứa nước

Cảm biến siêu âm: Nhận biết mức nước hiện tại trong bồn rồi truyền dữ liệu về khối điều khiển và tiếp tục vòng lặp hồi tiếp kín

TÀI LIỆU KHAM KHẢO

[1] thegioiic.com

[2] Thiết kế bộ điều khiển PID cho bồn nước sử dụng MATLAB nhúng cho Adruino Uno: https://youtu.be/DUgovjj9jmQ

[3] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB ĐHBK TPHCM