Đề tài Đo tốc độ và hướng gió

Tốc độ và hướng gió Đề tài : Đo tốc độ và hướng gió 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 Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 1 Tốc độ và hướng gió 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 Tốc độ và hướng gió 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 : 8 1 360 1.41 2 × = o o 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 Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 3 Tốc độ và hướng gió Ưu điểm của cảm biến : - Có độ chính xác , độ nhạy cao . - 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 Tốc độ và hướng gió total R Vout Vin R α = × Mặt khác R α α : nên Vout α : , đo Vout ta sẽ xác định được 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 : - Độ chính xác không cao , vì biến trở bị phụ thuộc vào nhiều yếu tố 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 Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 5 Tốc độ và hướng gió 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 Tốc độ và hướng gió 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 . Kênh A Kênh B 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 :  Dễ lưu trữ , xử lý  Hơn nữa , cảm biến quang có tốc độ đáp ứng nhanh , độ nhạy lớn , 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 Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 7 Tốc độ và hướng gió 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 :  Chuẩn hóa mức điện áp rồi đưa vào một ngõ của mạch so sánh như trên sơ đồ  Tín hiệu ra Uout sẽ có dạng xung vuông , ta cho qua một bộ 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 Tốc độ và hướng gió x N T  Cuối cùng tốc độ được suy ngược từ công thức : 60 f n p = Ưu điểm của phương pháp :  Tín hiệu xử lý ở dạng tương tự , nên không bị giới hạn về độ phân giải , cấp chính xác có thể tăng lên khi tăng thời gian đếm xung ( hằng số T ) . Nhược điểm :  Tín hiệu về dòng điện cảm ứng hay điện áp là tương tự nên luôn có 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 Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 9 Tốc độ và hướng gió 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 [...]... , 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... 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 Tốc độ và hướng gió  Kết nối... –K51 18 Tốc độ và hướng gió Sản phẩm 05103AP-10 05305-10 M (m/s) 0.0980 0.1024 IV, Kết luận Qua đồ án này , chúng em đã dần dần nắm được : • Nguyên tắc đo tốc độ và hướng gió • Biết quy trình thiết kế một thiết bị đo • Kết hợp các kiến thức đo lường và điện tử - vi xử lý để hiện thực 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... 17 Tốc độ và hướng gió ISR(INT2_vect) { 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. .. –K51 12 Tốc độ và hướng gió 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 Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 13 Tốc độ và hướng gió vào cổng P1 , sau đó 89C51 sẽ có nhiệm vụ hiển thị số đo góc lên.. .Tốc độ và hướng gió 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... « 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 và sau khi đo xong , chúng ta lưu lại Xđo , dùng vi điều khiển tính toán và lưu lại Mđo vào bộ nhớ Để kết thúc ta có thể tham khảo bảng... 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 Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 15 Tốc độ và hướng 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 #include... công nghiệp –K51 11 Tốc độ và hướng gió 8 bit LCD P1 Flip-flop MCS_51 Clk Encoder 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... #include #define processing_time #define num_track 25// chu ki cap nhat so lieu 100 // so ranh volatile long int Pulse , pre_pulse ; Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 16 Tốc độ và hướng gió 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 . Tốc độ và hướng gió Đề tài : Đo tốc độ và hướng gió 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. 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. 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