Đồ án thiết kế hệ thống đóng mở cửa tự động

Đồ án đóng mở cửa tự động bằng động cơ xoay chiều ACMạch đóng mở cửa tự động sử dụng cảm biến, điều khiển động cơ AC 1kW gồm 50 cấp độ khác nhau có hồi tiếp.Trong hệ thống còn có khối giao tiếp RF để giao tiếp giữa cảm biến và khối xử lý trung tâm.Có hệ thống bảo mật bằng khóa từ.

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ Tên Nhiệm vụ Trương Thanh Dũng Khối công suất + hồi tiếp + phát điểm Trương Cơng Đức Nguyễn Văn Nhân Chương trình đọc xung điểm + Điều khiển Khối nguồn 12V + Khối bảo vệ q dòng, q áp + Nguồn ni 5V ngoại vi Khối xử lý trung tâm + Khối Đọc cảm biến + quét nguồn 5V cho khối XLTT + Khối phím + đóng mở khóa từ thu, phát RF +Đóng mở khóa từ +Cảm biến I Nhiệm vụ chi tiết đề tài - Mạch đóng mở cửa tự động sử dụng cảm biến, điều khiển động AC 1kW gồm 50 cấp độ khác có hồi tiếp - Trong hệ thống có khối giao tiếp RF để giao tiếp cảm biến khối xử lý trung tâm - Có hệ thống bảo mật khóa từ SƠ ĐỒ KHỐI PHÁT RF KHỐI CẢM BIẾN KHỐI NGUỒN THU RF KHỐI ĐIỀU KHIỂN KHỐI HỒI TIẾP KHỐI NGUỒN II Nguyên lý làm việc tổng thể - Khối xử lý trung tâm nhận tất lệnh từ khối khác, xử lý lệnh đồng thời lệnh cho khối khác làm việc - Nhập mật mã từ bàn phím đưa tín hiệu khối xử lý trung tâm để điều khiển khóa từ - Cảm biến thực việc nhận diện vật thể chuyển động phạm vi quét gửi liệu tương ứng khối xử lý trung tâm - Khối giao tiếp RF thực việc truyền nhận liệu sóng RF để giao tiếp cảm biến khối xử lý trung tâm - Khối công suất nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm để thay đổi tốc độ quay động AC - Khối nguồn cung cấp nguồn điện cho tất khối khác thực 1.1 Khối nguồn, khối bảo vệ dòng q áp (Trương Cơng Đức) a Khối nguồn 12V/2A * Nhiệm vụ chi tiết: - Cung cấp nguồn điện áp chiều ổn định Vo=(11,5-12,2)v dòng I=(02)A cho động DC linh kiện mạch từ điện áp xoay chiều Vin=(180-240)v * Phương pháp thực hiện: - Sử dụng diode để sụt áp: không ổn định sụt áp diode cố định mà điện áp đầu vào không ổn định nên điện áp khơng ổn định.Nếu điện áp ổn định cần dùng nhiều diode mắc nối tiếp với gây tốn - Mạch ổn áp sử dụng Diode Zener: đơn giản cho dòng nhỏ Icho dòng nhỏ mà muốn cho dòng lớn => điện trở nhỏ => I lớn => nên điện trở phải dùng trở công suất => vừa to, khơng hợp lí , tốn - Mạch dùng transitor, IC ổn áp: cho điện áp ổn định cho dòng lớn, mạch mắc đơn giản, linh kiện có thị trường, hiệu suất cao => chọn phương pháp sử dụng IC ổn áp * Chọn linh kiện : -Các IC ổn áp dùng LM7805, LM7905, LM7809, LM7909, LM7812, LM7912, LM7815,LM7915, LM7824, LM7924 * Biện luận chọn linh kiện chính: -Vì u cầu nhiệm vụ mạch nguồn +12 V nên ta sử dụng IC ổn áp LM7815,trong IC LM 7812 có (12.5 Vdc ≤ Vin ≤ 35 Vdc), Vout =(11,812,2)Vdc * Chọn lựa linh kiện phụ trợ: - Chọn BJT để gánh dòng cho IC dòng IC ổn áp thường nhỏ cần phải dùng BJT mắc song song với + Chọn BJT có dòng định mức lớn dòng tải tối đa mạch + Điện áp Vce tối đa > Vi-Vout + Công suất tỏa nhiệt > (Vi-Vout).Imax BJT B688 +Hệ số khuếch đại dòng :80-160 +Icmax=8A +Vce=5v +P=80w BJT 2N4401 : 40v-0.6A BJT MJTF15031 : 150V-8A =>lựa chọn BJT B688 giá thành phù hợp, có ngồi thị trường, đáp ứng đủ u cầu - Sơ đồ mạch: - Nguyên lý làm việc: i Trường hợp không tải : - Điện áp Vi=(180-240)Vac lấy từ lưới điện xoay chiều qua biến áp để hạ áp xuống mức điện áp Vo1=(13,515,5)Vac,vì cần dòng diện chiều nên ta đưa qua cầu diode để chỉnh lưu dòng xoay chiều thành dòng chiều với điện áp Vo2=(16,8-20,2)Vdc,sau dòng điện qua tụ lọc 4700uF tụ 2200uF để lọc tín hiệu nhấp nhơ từ cầu điện áp phẳng để vào IC 7812 ổn định điện áp đầu Vo3=(11,8-12,2)Vdc điện áp tiếp tục qua tụ lọc 470uF để lọc nhiễu đầu tụ 10uF để tránh dao động tự kích IC ii Trường hợp có tải 6,6 ohm/25w dòng max 2A -Ngun lí hoạt động tương tự có tải nên mức điện áp bị giảm so với trường hợp chưa tải Vin=(180-230)Vac Vo1=(13,2-15)Vac Vo2=(15,2-17,5)Vdc Vo3=(11,5-12)Vdc V tải =(11,5-12)Vdc b Khối bảo vệ áp: * Nhiệm vụ chi tiết: - Có nhiệm vụ ngắt mạch điện áp vượt ngưỡng (>12V) để đảm bảo an toàn cho mạch * Phương pháp thực hiện: - Phương pháp kẹp điện áp: mạch đơn giản sử dụng linh kiện nhược điểm:độ xác thấp ,gây tượng ngắn mạch làm cho linh kiện nóng lên gây hư hỏng - Phương phán giới hạn điện áp: độ xác tương đối cáo khơng gây ngắn mạch Nhược điểm : mạch phức tạp sử dụng nhiều linh kiện - Phương pháp so sánh điện áp: mạch không phức tạp,sử dụng linh kiện, có độ xác tương đối cao, không gây ngắn mạch.Nhược điểm: cần dùng nguồn cung cấp riêng để hoạt động => Chọn phương pháp so sánh điện áp * Chọn linh kiện : - Để tạo mạch so sánh điện áp ta dùng Opamp điện trở thích hợp + IC Opamp : LM386, LM358,LM741,LM339 LM386: IC chứa opamp, có chân khơng cần dùng đến mạch so sánh, thường dùng mạch khuếch đại âm công suất nhỏ LM358: IC có chứa opamp, thích hợp mạch so sánh LM339: IC có chứa opamp ,thích hợp cho mạch so sánh lại có thị trường LM741: IC chứa opamp, có chân khơng dùng đến mạch so sánh => chọn LM358 * Chọn linh kiện phụ trợ: - Cần linh kiện để đóng ngắt nguồn cơng tắc điều khiển tín hiệu từ đầu mạch so sánh =>Relay đáp ứng yêu cầu - Cường độ dòng từ đầu khối so sánh nhỏ nên khơng thể kích cho Relay hoạt động nên cần chuyển mạch bán dẫn đóng ngắt tín hiệu từ khối so sánh.Có thể dùng Mosfet,Bjt,JFET,cần chuyển mạch tần số thấp công suất nhỏ =>Chọn BJT - Sử dụng biến trở điện trở cho mạch so sánh - Sơ đồ mạch: - Nguyên lý làm việc: i Trường hợp chưa xảy áp : - Điện áp Vin1=(11,8-12,2) lấy từ nguồn qua điện trở 10k 4,7k để lấy điện áp đầu vào không đảo opamp V(+)=(3,75-4,0)V so sánh với điện áp ngưỡng đầu vào đảo opamp V(-)=(4,01-4,15) hiệu chỉnh từ biến trở 10K có nguồn V(in)=(4,7-5,2)V Hai mức điện áp opamp so sánh với nhau: lúc V+ < V- => Opamp xuất mức với điện áp V=(00,05)V qua trở 220 ohm vào chân B BJT nâng dòng lên dòng từ opamp nhỏ khơng đủ để kích cho Relay (trong trường hợp điện áp nhỏ nên không đủ để phân cực cho BJT dẫn ), Vbe=(0=0,05)v điện áp chân E chân C BJT Vce=(3,8-5,05)v khơng có dòng để kích cho Relay hoạt động nên lúc đèn không sáng ii Trường hợp xảy áp: - Nguyên lí hoạt động tương tự xảy áp ta có mức điện áp khác nhau: +Vin1=(12,5-13,5)v +V(+)=(4,15 - 4,25)v +V(-)=(4,01 - 4,15)v +V(+) > V(-) nên opamp xuất mức với điện áp Vo=(3,24,9)v.Lúc điện áp Vbe =(0,6-0,85)v nên BJT dẫn Vce=(00,18)v làm cho Relay hoạt động ngắt nguồn dẫn đến đèn sáng báo hiệu nguồn ngắt c Khối bảo vệ q dòng * Nhiệm vụ chi tiết: - Đóng ngắt nguồn cường độ dòng điện nguồn vượt 2A để bảo vệ cho tải linh kiện mạch * Phương pháp thực hiện: - Phương pháp hạn dòng: mạch hoạt động liên tục với dòng tải khơng vượt q giá trị định mức xảy tượng ngắn mạch tải Nhược điểm : cơng suất tiêu tán BJT lớn ,có khả hỏng nhiệt dẫn thời gian dài,khá phức tạp sử dụng nhiều linh kiện - Phương pháp cắt dòng : mạch phức tạp,sử dụng nhiều linh kiện - Phương pháp so sánh điện áp: mạch so sánh điện áp quy đổi từ dòng điện thơng qua điện trở so sánh với điện áp lấy mẫu Mạch không phức tạp,độ xác tương đối cao,khơng gây tượng ngắn mạch => chọn phương pháp so sánh điện áp * Chọn linh kiện phụ trợ: - Sử dụng BJT đóng vai trò cơng tắc - Sử dụng Opamp để so sánh điện áp - Cần chuyển mạch mà cần có xung kích chuyển thành trạng thái dẫn => chọn thyristor Scr - Các biến trở trở mạch so sánh -Relay đóng ngắt nguồn - Sơ đồ mạch: - Nguyên lí làm việc: i Trường hợp chưa xảy dòng: - Dòng điện I=(0-2)A qua trở 0,33 ohm 5w để lấy mức điện áp để phân cực cho BJT dẫn Vr=(0-0,2)v.BJT đóng vai trò cơng tắc phân cực mở Khi điện áp đầu E B BJT Vbe=(0-0,2)v BJT chưa dẫn Vce=(00,1)v, biến trở VR1 dùng để điều chỉnh điện áp ngõ vào không đảo cho opamp V(+)=(0-0,05)v so sánh với điện áp ngưỡng ngõ vào đảo định mức qua biến trở V(-)=(1,75-1,95)v.Opamp so sánh mức điện áp ngõ không đảo ngõ vào đảo với V+ < V- nên điện áp opamp Vo=(0-0,05)v qua trở 220ohm vào chân G Vg=(00,05)V để kích cho thyristor dẫn ( dòng không đủ để thyristor dẫn ) nên Vak=(3,6-4,9)v,Relay dùng để đóng ngắt nguồn lúc chưa hoạt động chưa nhận tín hiệu từ thyristor nên đèn chưa sáng ii Trường hợp xảy q dòng: - Ngun lí hoạt động tương tự xảy dòng dòng qua trở I=(2,1-2,5)A làm chênh lệch mức điện áp chân B E BJT Vbe=(0,6-1,1)v làm cho BJT dẫn Điện áp sau tụ C3 : 4,85V ∈ (4,5– 5,2V) Điện áp tải : 4,83V ∈ ( 4,5 – 5,2V) Dạng sóng :  Vào cầu diode:  Ra cầu diode (đưa vào mạch điểm 0):  Sau diode D1:  Nhiễu đầu ra: Nhận xét : Số liệu đo nằm khoảng điện áp lý thuyết, đảm bảo nguyên lý làm việc d Khối thu RF phát RF : Kiểm tra linh kiện :  Kiểm tra đồng IC phát thu RF :  Mắc theo sơ đồ sau :  Chân TE chân cho phép phát tin hay không phát tin Nếu chân TE nối xuống mass cho phép phát tin  Nối chân TE với phím bấm nối xuống mass Khi giữ nút chân 13 nhấn chân TE (14) PT2272 nhận tín hiệu  Khi muốn phát tín hiệu, đồng thời cho chân phát liệu lên mức chân TE mức  PT2262 : o Điện trở dao động : 4,7M o Điện áp chân 13 :  Khi chưa phát tín hiệu : 900mV  Khi phát tín hiệu : 5,2V  PT2272 : o Điện trở dao động : 820K o Điện áp chân 13 :  Khi chưa nhận tín hiệu : 400mV  Nhận tín hiệu : 3,57V Nhận xét : Sau q trình kiểm tra, hai IC thu phát có đồng việc truyền nhận tín hiệu  Kiểm tra khuếch đại LM358 khối thu RF :  Mắc mạch rời hình vẽ : - Vì máy tạo sóng khơng tạo sóng có tần số cao ta mong muốn thiết kế 250 – 350MHz, nên ta thử sóng có tần số nhỏ để kiểm tra khuếch đại LM358 - Cấp sóng vào điểm A - Cấp nguồn 5V cho opamp hoạt động TH1 : Cấp sóng vng có tần số f = 300Hz Tại điểm B :  Biên độ sóng vào : Vdd = 23mV  Biên độ sóng : Vdd = 52mV Tại điểm C :  Biên độ sóng vào : Vdd = 23mV  Biên độ sóng : Vdd = 176mV TH2 : Cấp sóng vng có tần số f = 3KHz Tại điểm B :  Biên độ sóng vào : Vdd = 24,6mV  Biên độ sóng : Vdd = 68,4mV Tại điểm C :  Biên độ sóng vào : Vdd = 24,6mV  Biên độ sóng : Vdd = 140mV Nhận xét : Opamp LM358 khối thu RF hoạt động tốt, khuếch đại tín hiệu 2.3 Khối công suất, hồi tiếp phát điểm (Trương Thanh Dũng) Kiểm tra linh kiện: - Kiểm tra BJT NPN C1815 Bước : Chuẩn bị đo để đồng hồ thang x1Ω Bước bước : Đo thuận chiều BE BC => kim lên Bước bước : Đo ngược chiều BE BC => kim không lên Bước : Đo C E kim không lên => Transistor hoạt động tốt - Kiểm tra TRIAC BTA41 Bước 1: Chuẩn bị đo để đồng hồ thang x1Ω Bước 2: Đo T1 T2 => kim không lên Bước 3: Đo T2 G => kim không lên Bước 4: Đo T1 G => kim lên => Triac hoạt động tốt - Vặn thang đo Ω kiểm tra tất trở hoạt động tốt - Kiểm tra Diode Đo thuận 0.3V đến 0.8V, đo nghịch hiển thị 0L  Diode hoạt động tốt Khối cơng suất Đo kiểm tra nguyên lý làm việc: Trường hợp quay chiều thuận có tải P = 1kW, I = 5A Tín hiệu mức 0: Uvào = 0.2V Є (0V ÷ 0.2V), Ura =217V Є (180V ÷ 240V) VBE =0.2V Є (0V ÷ 0.3V) VBC = -0.2V Є (-0.2V ÷ 0.2V) VCE = 0.2V Є (0V ÷ 0.2V) Transistor NPN C1815 khơng dẫn Vdiot = -0.16V Є (-0.2V ÷ 0V) Vdiac = 216V(180V ÷ 240V) TRIAC: VT1G = 0V Є (0V ÷ 1V) VT2G = 217V Є (180V ÷ 240V) VT1T2 = 217V Є (180V ÷ 240V) Tín hiệu mức 1: Uvào =4.7V Є (4.7V ÷ 5.2V), Ura = 217V Є (180V ÷ 240V) VBE = 0.76V Є (0.7V ÷ 1V) VBC = 0.74V Є (0.7V ÷ 1V) VCE = 0.02V Є (0V ÷ 0.05V) Transistor NPN C1815 dẫn Vdiot = 1.18V Є (1.1V ÷ 1.3V) Vdiac = 0V Є (0V ÷ 0.02V) TRIAC: VT1T2 (Dạng sóng): VT1G (Dạng sóng): Nhận xét: - Dạng sóng nhận có chu kì 20ms, biên độ 1V Trường hợp quay nghịch có tải P = 1kW, I = 5A Tín hiệu mức 0: Uvào = 0.2V Є (0V ÷ 0.2V), Ura =218V Є (180V ÷ 240V) VBE =0.15V Є (0V ÷ 0.3V) VBC = -0.18V Є (-0.2V ÷ 0.2V) VCE = 0.19V Є (0V ÷ 0.2V) Transistor NPN C1815 khơng dẫn Vdiot = -0.15V Є (-0.2V ÷ 0V) Vdiac = 217V(180V ÷ 240V) TRIAC: VT1G = 0V Є (0V ÷ 1V) VT2G = 218V Є (180V ÷ 240V) VT1T2 = 218V Є (180V ÷ 240V) Tín hiệu mức 1: Uvào =4.7V Є (4.7V ÷ 5.2V), Ura = 217V Є (180V ÷ 240V) VBE = 0.78V Є (0.7V ÷ 1V) VBC = 0.76V Є (0.7V ÷ 1V) VCE = 0.018V Є (0V ÷ 0.05V) Transistor NPN C1815 dẫn Vdiot = 1.19V Є (1.1V ÷ 1.3V) Vdiac = 0V Є (0V ÷ 0.02V) TRIAC: VT1T2 (Dạng sóng): VT1G (Dạng sóng): - Nhận xét: Dạng sóng nhận có chu kì 20ms, biên độ 1V a Khối hồi tiếp Đo kiểm tra nguyên lý làm việc: TH1: LED thu khơng nhận tín hiệu từ LED phát BJT C1815 + V B,max = 0.47V Є (0V ÷ 0.6V) + V E,max = 0V Є (0V ÷ 0.2V) OPAMP LM358 + V 1,max = 0.01V Є (0V ÷ 0.2V) + V 2,max = 2.2V Є (2V ÷ 2.4V) + V 3,max = 0.1V Є (0V ÷ 0.2V) TH2: LED thu nhận tín hiệu từ LED phát BJT C1815 + V B,max = 4.98V Є (4.7V ÷ 5.2V) + V E,max = 4.37V Є (4.1V ÷ 4.4V) OPAMP LM358 + V 1,max = 3.57V Є (3.4V ÷ 3.7V) + V 2,max = 2.2V Є (2V ÷ 2.4V) + V 3,max = 4.37V Є (4.3V ÷ 4.7V) b Phát điểm Đo kiểm tra nguyên lý làm việc: - Dạng sóng sau cầu diode: - Dạng sóng đầu diode zener: - Dạng sóng Vout: Độ rộng xung t = 1,1ms Є (0.8ms ÷ 1.4ms) Nhận xét: Mạch tạo dạng xung mong muốn Kiểm tra tổng thể mạch :  Khối nguồn hoạt động tốt, ngắt nguồn 12V bị ngắn mạch Nguồn 5V cung cấp cho khối khác hoạt động ổn định  Cảm biến hoạt động ổn định, đơi lúc nhiễu mơi trường bên ngồi  Hồi tiếp tốc độ động chưa ổn định nhiễu lúc khởi động động  Khối phát RF thu RF chưa hoạt động cuộn dây cảm kháng giá trị nhỏ, tạo dao động mạch, khó khăn q trình làm mạch Giải pháp : Tìm cuộn dây có cảm kháng phù hợp với mạch  Khóa từ hoạt động tốt, điều khiển đóng mở ổn định  Do phần code chưa hồn thiện nên chưa thể điều khiển mạch tổng thể với  Mạch bảo vệ dòng hoạt động chưa ổn định nhiễu