THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO TỐC ĐỘ QUAY TỰ GHI

Có thể nói ở trong các ngành kỹ thuật thì việc đo tốc độ quay là hết sức cần thiết, từ việc đo tốc độ quay qua đó ta có thể xác định được gia tốc phục vụ cho việc khảo sát và tính toán và nghiên cứu các thiết bị trong kỹ thuật.

Mục lục

Lời nói đầu: 2

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo tốc độ quay 3

1.1 Các nguyên lý cơ bản dùng để đo tốc độ quay 3

1.1.1 Đo số vòng quay dựa trên nguyên lý của định luật faraday 3

1.1.2 Đo số vòng quay theo tần số của tín hiệu phát ra từ vật đang quay 5

2.1 Lựa chọn nguyên lý 7

Chương 2: Thiết kế mạch đo tần số quay 9

2.1 Lựa chọn loại vi điều khiển 9

2.1.1 Một số loại vi điều khiển hiện nay 9

2.1.2 Vi điều khiển họ AVR 9

2.2 Thiết kế mạch 11

2.2.1 Thiết kế mạch nguyên lý 11

2.2.2 Thiết kế các mạch phụ trợ khác 13

2.2.3 Nghiên cứu lập trình cho mạch điều khiển 18

Chương 3: Chế tạo nghiên cứu và khảo sát mạch 21

3.1 Quy trình chế tạo và lắp ráp 21

3.2 Thí nghiệm sơ đồ trên phần mềm 21

3.3 Thí nghiệm đo tấn số quay bộ phận máy và so sánh với thiết bị đo khác 22

Chương 4: Kết luận và đề nghị 26

1 Kết luận 26

2 Đề nghị 27

Tên đề tài:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO TỐC ĐỘ

QUAY TỰ GHI

Lời nói đầu:

Có thể nói ở trong các ngành kỹ thuật thì việc đo tốc độ quay là hết sức cần thiết, từviệc đo tốc độ quay qua đó ta có thể xác định được gia tốc phục vụ cho việc khảo sát vàtính toán và nghiên cứu các thiết bị trong kỹ thuật

Trong thực tế đã có nhiều thiết bị đo tốc độ quay được bán trên thị trường với nhiềunguyên lý đo khác nhau, nhưng nói một cách thực tế về điều kiện kinh tế hiện nay thìcác thiết bị đo đó còn quá đắt, chính vì thế nên việc mua một loại máy đo tốc độ quay đểtrang bị cho những cơ sở nhỏ lẽ là chưa thực hiện được Những người làm việc trong kỹthuật cần một loại máy với tác dụng đơn giản để đo tốc độ quay với một giá tiền phùhợp và tiện sử dụng khi có thể mang đi đến bất kì nơi nào mà không gặp phải một khókhăn nào Chính vì yêu cầu đó chúng tôi quyết định nghiên cứu và thực hiện đề tài vớimục tiêu: Thiết kế và chế tạo được một bộ cảm biến đo tự ghi tốc độ quay của một bộphận máy bất kì để trang bị cho Khoa Cơ Điện cũng như cho những người nghiên cứu

có thể lựa chọn một sản phẩm thay thế cho hàng nhập ngoại từ các nước khác

Dự kiến kết quả đạt được là:

Loại sản phẩm: thiết bị đo lường giá thành thấp, độ chính xác bảo đảm

Tên sản phẩm: Thiết bị đo tốc độ quay dải rộng tự ghi

Do thời gian thực hiện đề tài ngắn so với tính phức tạp và đa dạng của đề tài, do sựhạn chế về các thiết bị kiểm chứng bằng thực tế, bên cạnh đó là khả năng có hạn nên đềtài sẽ không tránh khỏi sự thiếu sót và hạn chế, tác giả sẽ tiếp tục đầu tư để có thể hoànthiện thêm

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo tốc độ quay 1.1 Các nguyên lý cơ bản dùng để đo tốc độ quay

Trong kĩ thuật, số vòng quay thực hiện được trong thời gian một phút là thông sốđược sử dụng rộng rãi và thường gọi tắt là số vòng quay Giữa số vòng quay và vận tốcgóc có mối quan hệ sau:

30

n

π

ω = rad/s Trong đó: ω : vận tốc góc

n : số vòng quay (vòng/phút) Các thiết bị đo số vòng quay hiện nay rất đa dạng, nhưng có thể gộp chúng lại thànhhai nhóm lớn theo phương pháp đo Nhóm thứ nhất gồm các thiết bị đo số vòng quaybằng cảm biến điện từ, còn các thiết bị thuộc nhóm thứ hai đo số vòng quay dựa trênphương pháp tần số (đếm xung)

1.1.1 Đo số vòng quay dựa trên nguyên lý của định luật faraday

lệ thuận với vận tốc quay.Trên hình 1 thể hiện tốc kế một chiều

Hình 1: Tốc kế một chiều

Trên hình 2 thể hiện tốc kế xoay chiều đồng bộ

Hình 2: tốc kế xoay chiều đồng bộ

Ưu điểm của cảm biến máy phát một chiều là:

Gợn sóng còn lại sau khi gom ở colector nhỏ (<2%)

Hình 3: Tốc kế xoay chiều không đồng bộ

1.1.2 Đo số vòng quay theo tần số của tín hiệu phát ra từ vật đang quay

Nhóm thiết bị này hoạt động trên nguyên tắc đo tần số của tín hiệu phát ra từ vậtđang quay, tần số này tỉ lệ với vận tốc góc hay số vòng quay của vật Trên hình 4 thểhiện sơ đồ nguyên lý nguyên lý hoạt động cảm biến đo số vòng quay

Cảm biến gồm một đĩa răng làm từ vật liệu sắt từ được gắn với vật cần đo tốc độquay, một cuộn dây có lõi sắt và một nam châm vĩnh cửu

Cảm biến hoạt động như sau: Khi đĩa quay, lần lượt các đĩnh răng và các rãnh đi quađầu cuộn dây làm cho từ thông đi qua nó thay đổi theo chu kỳ Nhờ đó, trong cuộn dâyxuất hiện dòng điện cảm ứng dạng xung với tần số xuất hiện với tỉ lệ với tốc độ quaycủa đĩa Dòng điện này được đưa vào thiết bị xử lý để xác định tần số xuất hiện xung và

từ đó tính ra số vòng quay trong một phút

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến đo số vòng quay

Loại cảm biến trên được dùng khá phổ biến nhờ có độ tin cậy và độ chính xác cao,việc xử lí tín hiệu đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp đắt tiền Tín hiệu ra củaloại này có dạng hình sin Khoảng cách giữa nam châm và đỉnh răng cũng ảnh hưởngđến biên độ tín hiệu ra Mặt khác khi tăng tần số quay làm cho biên độ tín hiệu tăng caonên cần có bộ đánh giá điện tử để hạn chế tín hiệu thông tin để đo tần số tốt nhất là tần

số của tín hiệu ra

Quan hệ giữa tần số tín hiệu và tần số quay tại cảm biến cảm ứng là tuyến tính vàphụ thuộc vào số răng của bánh răng sử dụng Về nguyên tắc nên chọn số răng lớn Tấtnhiên cũng có thể dẫn tới chiếm chỗ, vì còn tùy thuộc vào các tương quan bề rộng củarăng và bề rộng của cảm biến Nhưng nếu đo ở tốc độ quay thấp thì số răng càng lớn thìphép đo càng chính xác

Cũng với nguyên lý xác định tần số, người ta có thể sử dụng các loại cảm biến khác.Trên hình 5, 6 thể hiện hai nguyên lý đo sử dụng cảm biến quang học

Hình 5: Cảm biến quang (phương pháp 1)

Trong đó: 1: nguồn phát quang, 2: cảm biến quang,

5: thiết bị xử lý, hiển thị

Trong đó: 1: trục quay, 2: tấm phản quang,

3: đầu thu phát quang, 4: thiết bị xử lý, hiển thịThiết bị đo số vòng quay ở hình 5 bao gồm đĩa 3 với các lỗ khoan cách đều nhau.Phía bên trái của đĩa có bố trí nguồn phát quang 1 (nguồn sáng, điốt phát quang ) saocho tia sáng phát sang đi qua tâm lỗ khoan trên đĩa Ở phía đối diện nguồn sáng là cảmbiến quang 2 (tế bào quang điện, điốt cảm quang …) Với cách bố trí như vậy, cứ mỗikhi cảm biến nhận được tia sáng thì trong mạch đo 4 xuất hiện một xung điện Tần sốxuất hiện của các xung này tỷ lệ thuận với tốc độ quay của đĩa nên thiết bị 5 dễ dàngphân tích tín hiệu và tính được số vòng quay của đĩa

Thiết bị đo trên hình 6 bao gồm đầu phát quang và bộ phận xử lý và hiển thị kết quả

Để đo được số vòng quay của trục 1, người ta dán lên nó một miếng giấy phản quang 2rồi đặt thiết bị đo gần trục sao cho đầu thu phát 3 chiếu thẳng vào khu vực dán giấyphản quang Mỗi ki tấm phản quang đi qua nó sẽ phản hồi tia sáng từ đầu phát hắtngược trở lai đầu thu làm xuất hiện xung điện trong mạch đo cảu thiết bị tương tự nhưtrong trường hợp trên

2.1 Lựa chọn nguyên lý

Nguyên lý là thành phần quyết định đến việc thiết kế và chế tạo, chính vì thế nênviệc lựa chọn nguyên lý thích hợp là rất quan trọng Dựa trên yêu cầu của đề tài đặt ra làchế tạo được một thiết bị đo vận tốc quay có độ chính xác, có khả năng tự ghi lại, tiện

gá lắp để thực hiện đo, có tính cơ động cao, có thể hiển thị trực tiếp kết quả ra LCD, nênsau khi đã cân nhắc chúng tôi quyết định chọn nguyên lý cảm biến quang để thực hiệnquá trình ngiên cứu và chế tạo Ưu điểm của phương pháp này là:

Thiết bị đo tần số quay gọn nhẹ, có thể mang theo người

Gá lắp dễ dàng

Kết quả đo có độ chính xác cao

Có thể lưu lại kết quả đo nhiều lần

Có thể hiện thị trực tiếp trên LCD để chúng ta có thể theo dõi

Kết nối với máy tính để tiện cho việc tính toán

Chương 2: Thiết kế mạch đo tần số quay

2.1 Lựa chọn loại vi điều khiển

2.1.1 Một số loại vi điều khiển hiện nay

Bộ vi điều khiển (Microcontroller) là một mạch tích hợp trên chíp, có thể lập trìnhđược với hệ thống tập lệnh để làm một yêu cầu nào đó Bộ vi điều khiển ra đời sau bộ vi

xử lý Thực chất bộ vi điều khiển là bộ vi xử lý nhưng có thêm các mạch điện hỗ trợ,các thành phần I/O ngoại vi và bộ nhớ (bộ nhớ chương trình và bộ nhớ giữ liệu) đượctích hợp cùng nhau trên một bản mạch Bộ vi điều khiển ra đời đầu tiên năm 1971 là bộ

vi điều khiển 4 bít TMS 1000 của hãng Texas Instrument Sau khi dòng sản phẩm này rađời nó đuợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như máy tính bỏ túi hay điều khiển lò visóng hay sử dụng cho các bộ định thời công nghiệp…

Năm 1976, công ty Intelligen Electronics (Intel) cho ra đời thế hệ đầu tiên của viđiều khiển 8 bít với tên gọi 8084 Trong bộ vi điều khiển này, ngoài bộ xử lý trung tâmngười ta còn tích hợp thêm các bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, các cổng vào ra

số, các bộ định thời … Đến năm 1980, thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển ra đời, đó là

họ vi điều khiển 8051 Hiện nay vi điều khiển 8051 được sản xuất và sử dụng rộng rãi.Bên cạnh đó các công ty sản xuất cũng phát triển cho mình những bộ vi điều khiển cótính năng đặc biệt làm cho thị trường vi điều khiển ngày càng phong phú và đa dạng.Một số họ vi điều khiển thông dụng ngoài họ 8051 hiện nay

+ Họ PIC của Microchip

+ Họ CY(PSOC) của Cypress Microsystem

Sau khi tính toàn về lợi ích và các công việc cần phải tính toán theo nguyên lý cảmbiến quang và các yêu cầu đặt ra từ trước chúng em nhận thấy loại vi điều khiển thíchhợp nhất là loại vi điều khiển họ AVR mà cụ thể là vi điều khiển ATMEGA 8535

2.1.2 Vi điều khiển họ AVR

Họ vi điều khiển AVR là một sản phẩm của công ty Atmel mới được tung ra thịtrường trong những năm gần đây Đối với thị trường Việt Nam thì thực sự AVR là rấtmới Nằm trong số những thế hệ vi điều khiển ra đời sau nên AVR có những tính năng

và cấu trúc hơn hẳn những loại vi điều khiển thế hệ cũ như 8051 … Những đặc tính nỗibật của AVR:

Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp –lưu trữ (load- store) và 32 thanh ghi chức năng.

Kiến trúc đường ống lệnh kiểu hai tầng (two stage instruction pipeline) cho phéptăng tốc độ thực thi lệnh

Chứa nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chíp, bao gồm cổng I/O số, bộ biến đổi ADC,

bộ nhớ EPROM, bộ định thời, UART, bộ định thời RTC, bộ định thời WHATDOC, bộđiều chế độ rộng xung PWM…

Đến 48 đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được

Hai bộ truyền nhận UART lập trình được

Một dao diện SPI đồng bộ

Một dao diện SPI đồng bộ tương thích I2C

Ba bộ timer/counter 8 bít

Một bộ timer/ counter 16 bít với chức năng so sánh và bắt mẫu

Bốn lối ra điều biến độ rộng xung PWM

Một đồng hồ thời gian thực RTC

Một bộ biến đổi ADC 10 bít có 8 kênh lối vào

Một bộ phát hiện trạng thái sụt điện áp nguồn nuôi

Một bộ so sánh Analog

Một bộ định thời Watchdog

Hầu hết các lệnh, chỉ trừ lệnh nhảy và nạp/lưu trữ, đều được thực hiện trong một chu

kỳ xung nhịp

Hoạt động với tốc độ đồng hồ từ 6-12Mhz mà không phải thông qua bộ chia tần, tốc

độ xử lý lên đến 12MPIS (triệu lệnh trên một giây) gấp 12 lần so với các vi điều khiểnCISC thông thường

Trên hình 7 thể hiện sự so sánh thời gian thực hiện lệnh của các loại vi điều khiểnkhác nhau:

Hình 7: So sánh thời gian thực hiện lệnh của các loại vi điều khiển khác nhau

Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chíp:

Bộ nhớ EPROM xóa được kiểu Flash

Bộ nhớ EEPROM hay PROM xóa được bằng điện, nhưng nội dung vẫn giữ nguyênkhi mất điện

Bộ nhớ Ram tĩnh

Khả năng lập trình ngay trên mạch khi mạch đang được cấp điện mà không phải tháochíp ra

Được đóng trong vỏ với 8-64 chân để thích ứng với nhiều ứng dụng khác nhau

Hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao như hợp ngữ,C, …

Chế tạo bằng công nghệ CMOS 0.6µm và tiến rới là 0.35 µm, nhằm đạt đượcxung nhịp cao hơn 50% hiện nay, còn dòng điện tiêu thụ sẽ giảm đi 1/3

Điện áp làm việc cho phép thay đổi trong khoảng rộng từ 2.7 – 6.0V

Kiến trúc đơn giản và hợp lý giúp người sử dụng dễ làm quen

Có đến 133 lệnh trong tập lệnh, cho phép dễ dàng lập trình bằng hợp ngữ hoặc ngônngữ C

Kết cấu mạch nhỏ gọn, giá thành thấp (tổng cộng giá thành thiết kế và chế tạo), côngsuất tiêu thụ giảm

2.2 Thiết kế mạch

2.2.1 Thiết kế mạch nguyên lý

Xuất phát từ thực tế của máy kéo Shibaura SD3000A để tiện cho việc gá lắp đầu đođối diện với puli trục khuỷu việc thiết kế đi đến chọn tốc kế quang hoạt động theonguyên lý phản xạ như trên hình 8

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị đo

Trong đó:

+ R1, R3: Điện trở cố định có tác dụng hạn chế dòng điện

+ R5: Biến trở điều chỉnh độ nhạy của sensor

+ D1: Đèn phát tia hồng ngoại

+ Q1: Photo Điốt đóng ngắt khi có hoặc không có tia hồng ngoại

+ LM324: IC có nhiệm vụ là đưa ra một điện áp so sánh

+ J1: Các đầu ra, kết nối đầu ra này với bộ gom giữ liệu của máy tính

Nguyên lý hoạt động

Khi mạch điện được cấp nguồn, đèn LED D1 liên tục phát ra tia hồng ngoại (đây làmột loại sóng điện từ với bước sóng tương đối lớn), sau khi được phát ra, tia hồng ngoạinày được chiếu thẳng vào đĩa (hoặc trục) trên đĩa hoặc trục này có các phần tử phảnquang được bố trí tuần hoàn theo chu kỳ

• Khi tia hồng ngoại được phát ra và chiếu đến đĩa hoặc trục, tia này gặp phần tửphản quang trên trục hoặc đĩa, nó được phản xạ trở lại, tia phản xạ được Photo điốt Q1

có tên là MFOD200 hấp thụ, lúc đó dòng từ nguồng qua điện trở R3 và Q1 thông, dẫnđến đầu vào 3 của IC LM324 có áp, điện áp đầu vào này bằng điện áp của điểm N sovới đất Điện áp này sẽ bị dao động trong một khoảng nào đó tuỳ thuộc vào khoảng cách

Hình 9: Dạng của tín hiệu ra của đầu đo

Khi tia hồng ngoại phát ra được chiếu vào phần tử phản quang trên trục hoặc đĩa thìđiện áp ra là 5V khi tia hồng ngoại phát ra không chiếu được vào phần tử phản quangtrên đĩa thì điện áp ra là 0V

Sơ đồ nguyên lý chi tiết cảm biến đo tần số quay được thể hiện chi tiết trên hình 10

Hình 10: Sơ đồ nguyên lý chi tiết cảm biến đo tần số quay

2.2.2 Thiết kế các mạch phụ trợ khác

* Mạch chuyển đổi A/D

Những loại chíp thông thường, để có thể xử lý được một tín hiệu tương tự, người taphải biến đổi tín hiệu này sang dạng tín hiệu số thông qua các bộ biến đổi A/D bênngoài chíp, việc này làm tăng thêm kích thước mạch điện và tiêu thụ thêm công suất.Tích hợp bộ chuyển đổi A/D vào trong chíp ATMEGA8535 là một hướng phát triểnmới của AVR Bộ chuyển đổi A/D trong chíp sử dụng phương pháp chuyển đổi ADCxấp xỉ liên tiếp Chúng tôi sử dụng bộ biến đổi A/D trong chíp để chuyển hoá tín hiệuđiện sau khâu khuếch đại cảm biến nhiệt Tín hiệu được đưa vào chân 40 (PA0), đây làmột trong những chân vào của bộ chuyển đổi A/D Trên hình 11 là sơ đồ kết nối củakhối chuyển đổi A/D

Hình 11: Sơ đồ kết nối của khối chuyển đổi A/D

Nguồn cấp cho chuyển đổi A/D là nguồn +5V, được cấp vào chân 30(AVCC)thông qua điện cảm L1 Mục đích của L1(10uH), C7(105pF), C8(33pF) đảm bảo triệtnhiễu cho nguồn cấp A/D Chân 31(AGND) nối xuống đất

Thông thường nếu chân 32(AREF) để trống, ATMEGA8535 mặc định điện áptham chiếu là 2,56V, nó tương ứng với điện áp tương tự đầu vào biến đổi 0Vữ5V.Trong trường hợp này điện áp khuếch đại từ cảm biến biến đổi 0Vữ4V nên ta phải đưavào đầu AREF một điện áp là 2V, điện áp được lấy chuẩn thông qua biến trở R14

* Giao tiếp máy tính

Trong thiết kế ứng dụng với vi điều khiển thì ghép nối máy tính là một công việcbắt buộc:

+ Kết nối máy tính để phục vụ cho việc nạp chương trình điều khiển vào trongchíp

+ Kết nối máy tính để có thể thực hiện điều khiển và theo dõi kết quả ngay trênmáy tính

Những loại chíp thế hệ cũ như 8051 không được tích hợp bộ truyền nhậnUART, việc truyền nhận với máy tính chỉ có thể thực hiện bằng phần mềm và thực hiệntruyền nhận theo hướng đơn công - tức là tại một thời điểm chỉ có thể truyền hoặc nhận.ATMEGA8535 đã được tích hợp sẵn USART bên trong chíp, việc truyền nhận đượcthực hiện thông qua các thanh ghi nên việc truyền nhận thực hiện theo phương phápsong công - tức là tại một thời điểm có thể thực hiện đồng thời cả hai công việc là