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, 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. Trong thực tế đã có nhiều thiết bị đo tốc độ quay được bán trên thị trường với nhiều nguyên lý đo khác nhau, nhưng nói một cách thực tế về điều kiện kinh tế hiện nay thì các thiết bị đo đó còn quá đắt, chính vì thế nên việc mua một loại máy đo tốc độ quay để trang bị cho những cơ sở nhỏ lẽ là chưa thực hiện được. Những người làm việc trong kỹ thuật cần một loại máy với tác dụng đơn giản để đo tốc độ quay với một giá tiền phù hợp và tiện sử dụng khi có thể mang đi đến bất kì nơi nào mà không gặp phải một khó khăn nào. Chính vì yêu cầu đó chúng tôi quyết định nghiên cứu và thực hiện đề tài với mục tiêu: Thiết kế và chế tạo được một bộ cảm biến đo tự ghi tốc độ quay của một bộ phận 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 sự hạn chế về các thiết bị kiểm chứng bằng thực tế, bên cạnh đó là khả năng có hạn nên đề tài sẽ không tránh khỏi sự thiếu sót và hạn chế, tác giả sẽ tiếp tục đầu tư để có thể hoàn thiện 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 số được sử dụng rộng rãi và thường gọi tắt là số vòng quay. Giữa số vòng quay và vận tốc góc 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 thành hai nhóm lớn theo phương pháp đo. Nhóm thứ nhất gồm các thiết bị đo số vòng quay bằng cảm biến điện từ, còn các thiết bị thuộc nhóm thứ hai đo số vòng quay dựa trên phương pháp tần số (đếm xung). 1.1.1. Đo số vòng quay dựa trên nguyên lý của định luật faraday Định luật Faraday: e = - dt d φ Nghĩa là sức điện động e xuất hiện trong một cuộn dây tỉ lệ thuận với sự biến thiên cảu từ thông φ đi qua nó. Nếu từ thông được biểu diễn dưới dạng: φφ = )(x o .F(x) Với x là góc quay, thì sức điện động cuộn dây sẽ tỉ lệ với vận tốc góc (dx/dt): e= - φ 0 dx xdF )( . dt dx Dựa trên nguyên lý này người ta chế tạo các loại cảm biến hoạt động tương tự như các máy phát điện (một chiều hoặc xoay chiều). Loại này thường là các tachomet máy phát, cũng có thể là loại một chiều (tốc kế một chiều) hoặc loại hai chiều đồng bộ hoặc không đồng bộ. Các cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên tắc của máy phát điện. Khi rôto quay trên phần ứng tạo một điện áp tỷ 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%) Có thể nhận biết chiều quay Khoảng cách đo lớn 0.1 – 1000V/ph Nhược điểm là thời gian làm việc của cổ góp. Cũng có loại cảm biến đặc biệt là máy phát một chiều không có cổ góp. Khi đó điện áp phần ứng được gom nhờ chỉnh lưu điốt. Nhưng nhược điểm là cần có chi phí kĩ thuật cao và có yêu cầu năng lượng phụ trợ. Trên hình 3 thể hiện tốc kế xoay chiều không đồng bộ. -------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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 vật đang quay, tần số này tỉ lệ với vận tốc góc hay số vòng quay của vật. Trên hình 4 thể hiện 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 độ quay, 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 qua đầu cuộn dây làm cho từ thông đi qua nó thay đổi theo chu kỳ. Nhờ đó, trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng dạng xung với tần số xuất hiện với tỉ lệ với tốc độ quay của 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 của loại này có dạng hình sin. Khoảng cách giữa nam châm và đỉnh răng cũng ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu ra. Mặt khác khi tăng tần số quay làm cho biên độ tín hiệu tăng cao nên 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 và phụ thuộc vào số răng của bánh răng sử dụng. Về nguyên tắc nên chọn số răng lớn. Tất nhiên cũng có thể dẫn tới chiếm chỗ, vì còn tùy thuộc vào các tương quan bề rộng của răng và bề rộng của cảm biến. Nhưng nếu đo ở tốc độ quay thấp thì số răng càng lớn thì phép 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, 3: đĩa quay, 4: Mạch đo 5: thiết bị xử lý, hiển thị Hình 6: Cảm biến quang (phương pháp 2) Trong đó: 1: trục quay, 2: tấm phản quang, 3: đầu thu phát quang, 4: thiết bị xử lý, hiển thị Thiết 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 ) sao cho tia sáng phát sang đi qua tâm lỗ khoan trên đĩa. Ở phía đối diện nguồn sáng là cảm biến quang 2 (tế bào quang điện, điốt cảm quang …). Với cách bố trí như vậy, cứ mỗi khi cảm biến nhận được tia sáng thì trong mạch đo 4 xuất hiện một xung điện. Tần số xuất hiện của các xung này tỷ lệ thuận với tốc độ quay của đĩa nên thiết bị 5 dễ dàng phân 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 2 rồi đặt thiết bị đo gần trục sao cho đầu thu phát 3 chiếu thẳng vào khu vực dán giấy phản quang. Mỗi ki tấm phản quang đi qua nó sẽ phản hồi tia sáng từ đầu phát hắt ngược trở lai đầu thu làm xuất hiện xung điện trong mạch đo cảu thiết bị tương tự như trong 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 nên việc lựa chọn nguyên lý thích hợp là rất quan trọng. Dựa trên yêu cầu của đề tài đặt ra là chế 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, nên sau khi đã cân nhắc chúng tôi quyết định chọn nguyên lý cảm biến quang để thực hiện quá 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 trình được 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) . được tích 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 ra đời nó đuợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như máy tính bỏ túi hay điều khiển lò vi sóng 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 vi điều khiển 8 bít với tên gọi 8084. Trong bộ vi điều khiển này, ngoài bộ xử lý trung tâm người 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 có tính 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 68HC của Motorola + Họ Z8 của Zilog + Họ PIC của Microchip + Họ H8 của Hitachi + Họ AVR của Atmel + Họ CY(PSOC) của Cypress Microsystem Sau khi tính toàn về lợi ích và các công việc cần phải tính toán theo nguyên lý cảm biến quang và các yêu cầu đặt ra từ trước chúng em nhận thấy loại vi điều khiển thích hợp 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 thị trường trong những năm gần đây. Đối với thị trường Việt Nam thì thực sự AVR là rất mới. 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 nỗi bật 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 phép tăng 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, bộ điều 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 khiển CISC thông thường. Trên hình 7 thể hiện sự so sánh thời gian thực hiện lệnh của các loại vi điều khiển khác nhau: -------------------------------------------------------------------------------------------------------- [...]... một số thí nghiệm với các bộ phận chuyển động quay bất kỳ như quạt, máy xay sinh tố, máy mài … và so sánh với thiết bị đo BR4M-TDTG Sau đây là một vài ví dụ về kết quả đo được (BR4M-TDTG: Cảm biến đo tốc độ quay không có hiển thị ra LCD, không có lưu trử kết quả, sản phẩm của Đức): • Thí nghiệm đo tần số quay của quạt khi khởi động: Thí nghiệm đo tần số quay của quạt điện bắt đầu từ khi bật sau đó tăng... Chương 3: Chế tạo nghiên cứu và khảo sát mạch 3.1 Quy trình chế tạo và lắp ráp - Thiết kế mạch trên phần mềm mô phỏng - Mô phỏng thành công - Lập trình phần mềm điều khiển chíp - Mua các thiết bị và bắt đầu thiết kế mạch - Thử nghiệm 3.2 Thí nghiệm sơ đồ trên phần mềm Mô phỏng là một công cụ quan trọng đối với người lập trình,... ngữ hoặc ngôn ngữ C Kết cấu mạch nhỏ gọn, giá thành thấp (tổng cộng giá thành thiết kế và chế tạo) , công suất 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 đo đối diện với puli trục khuỷu việc thiết kế đi đến chọn tốc kế quang hoạt động theo nguyên lý phản xạ như trên hình 8 ... hoạt động khá ổn định và sai số là nhỏ, hoạt động mô phỏng khá ổn định Chính vì thế đã dùng chương trình để nạp vào chip để phục vụ cho việc đo tần số quay trong thực tế 3.3 Thí nghiệm đo tấn số quay bộ phận máy và so sánh với thiết bị đo khác Tiến hành một số thí nghiệm với các bộ phận chuyển động... của tín hiệu ra của đầu đo Khi tia hồng ngoại phát ra được chiếu vào phần tử phản quang trên trục hoặc đĩa thì điện áp ra là 5V khi tia hồng ngoại phát ra không chiếu được vào phần tử phản quang trên 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... khuếch đại từ cảm biến biến đổi 0Vữ4V nên ta phải đưa vào 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 việc bắt buộc: + Kết nối máy tính để phục vụ cho việc nạp chương trình điều khiển vào trong chíp + Kết nối máy tính để có thể thực hiện điều khiển và theo dõi kết quả ngay trên... tần số quay của quạt khi khởi động: Thí nghiệm đo tần số quay của quạt điện bắt đầu từ khi bật sau đó tăng dần từ số 1 đến số 3 (nhanh dần) ta thu được kết quả sau: Bảng 1: Kết quả đo tần số quay quá trình khởi động của quạt Lần đo Kết quả của máy đo tốc độ BR4M-TDTG Đơn vị 1 0 0 Vòng/phút 2 120 120 Vòng/phút 3 180 180 Vòng/phút 4 240 240 Vòng/phút 5 560 560 Vòng/phút 6 690 690 Vòng/phút 7 790 790 Vòng/phút... Hình 13:Sơ đồ chân và cấu tạo của MAX 232 Các đặc tính của MAX232: + Nguồn cấp Vcc 1,5 - 5,5V, + Vào mức thấp VIL 2V, + Dòng cấp Icc 8 - 10mA Để có thể hoạt động ta cần phải thêm vào một số tụ theo khuyến cáo của nhà sản xuất Các tụ thêm vào được nối tới các chân theo sơ đồ trên * Thiết bị hiển thị Bên cạnh việc hiển thị trên máy tính, hiển thị trên thiết bị điều khiển là... truyền 4 bit và phương pháp truyền 8 bit Phương pháp truyền 4 bit lập trình khó hơn rất nhiều so với truyền 8 bit nhưng đổi lại nó tiết kiệm đầu kết nối Trong thiết kế này chúng tôi lựa chọn phương pháp truyền 4 bit PortC được sử dụng để nối kết với LCD, từ bit 7 đến bit 4 làm chân dữ liệu, từ bit 0 đến bit 2 là chân điều khiển R 2120K, R22 20K là các biến trở điều chỉnh độ tương phản và độ sáng của... 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