2. Tính toán và thiết kế các chi tiết bộ phạn của máy BKM-10
3.3.1. Tìm hiểu các thành phần cơ bản của mạch lấy tín hiệu
3.3.1.1. Vi điều khiển
a. Vi điều khiển ATMEGA 16
- Một số đặc tính của Atmega16
Atmelga16L có đầy đủ tính năng của họ AVR, về giá thành so với các loại khác thì giá thành là vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 103
dụng tới vi điều khiển. Tính năng:
- Bộ nhớ 16K(flash). - 512 byte (EEPROM). - 1 K (SRAM).
- Đóng vỏ 40 chân , trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT A, B, C, D. Các chân này đều có chế độ pull_up resistors.
- Giao tiếp SPI. - Giao diện I2C. - Có 8 kênh ADC 10 bit. - 1 bộ so sánh analog. - 4 kênh PWM.
- 2 bộ timer/counter 8 bit, 1 bộ timer/counter1 16 bit. - 1 bộ định thời Watchdog.
- 1 bộ truyền nhận UART lập trình đƣợc
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 104
Hình 3.4 Hình ảnh của Atmega 16
b. Vi điều khiển 8051
Các vi điều khiển thuộc họ 8051 đều tổ chức thành 2 không gian chƣơng trình và dữ liệu. Kiến trúc vi xử lý 8 bit của 8051 này cho phép truy nhập và tính toán nhanh hơn đối với không gian dữ liệu nhờ việc phân chia 2 không gian bộ nhớ chƣơng trình và dữ liệu. Tuy bộ nhớ ngoài đƣợc truy nhập bởi hệ thống 16 bit địa chỉ vẫn có thể thực hiện nhờ thanh ghi con trỏ.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 105
Hình 3.5 Sơ đồ chân
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 106
3.2.1.2. Cảm biến sử dụng a. Đồng hồ đo áp suất
Hình 3.7 : Đồng hồ đo áp suất
Các máy đo áp suất thủy động trƣớc đây thƣờng dùng các đồng hồ đo áp suất cơ học. Do vậy, các giá trị áp suất đo đƣợc và vùng phân bố áp suất thƣờng không chính xác do đó có độ trễ.
Số liệu nhận đƣợc: Kết quả nhận đƣợc trong quá trình đo chỉ là một số ít các điểm trên chu vi bạc hoặc đồ thị thể hiện hình dạng phân bố áp suất.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 107
Bảng kết quả đo áp suất theo tải trọng và tốc độ (Psi):
Tải trọng Tốc độ 50 (N) 100(N) 150(N) 900(vòng/phút) 48 52 60 1350 80 98 110 2025 108 128 140
b. Cảm biến áp suất đầu ra là tín hiệu điện
a. Cảm biến sử dụng: ML100PS2PG
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 108
Các thông số chính của cảm biến sử dụng
Hình 3.9 Cảm biến ML100PS2PG
Bảng mã PIN và dây.
PINS Điện áp Dòng điện
A Kích thíc + Kích thíc +
B Output Kích thíc -
C Nối đất NC
ML100PS2PG là cảm biến áp suất thông dụng có vỏ làm bằng thép không gỉ, khuếch đại đầu ra, có các cổng đƣợc chế tạo theo tiêu chuẩn, đƣợc thiết kế cho các nhà sản xuất thiết bị gốc sử dụng và có dải đo từ 0 psi đến 100 psi.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 109
Tính năng của cảm biến:
- Giá trị đo cao và hiệu suất nổi bật.
- Không có con dấu đàn hồi nội bộ của hãng. - Lựa chọn thang đo có sẵn rộng.
- Các đầu ra khuếch đại.
- Có bảo vệ dòng phản hồi ngƣợc lại.
- Thời gian đáp ứng nhở hơn 500micro giây. - Thiết kế đáp ứng tiêu chuẩn IP65.
- Đáp ứng đƣợc các tiêu chuẩn công nghiệp Châu Âu. - Có giá trị tuyệt vời đối với các nhà sản xuất thiết bị gốc. - Loại bỏ đƣợc các vấn đề không tƣơng thíc.
- Loại bỏ đƣợc các chi phí dùng cho bộ khuếch đại bên ngoài. - Không bị hƣ hỏng bởi các tín hiệu kích thích ngƣợc lại. - Tốc độ đo lƣờng với độ chính xác cao.
- Tránh đƣợc các ảnh hƣởng của môi trƣờng.
Các ứng dụng điển hình.
- Động cơ diezen.
- Hệ thống làm lạnh và cơ điện lạnh HVAC.
- Đo áp suất chất lỏng trong các hệ thống thủy lực. - Đo áp suất trong các ngành công nghiệp nói chung. - Đóng đƣờng cung cấp nhiên liệu của xe.
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 110
Mô tả khái quát về cảm biến.
Cảm biến biến áp suất chuyển đổi model ML bao gồm công nghệ vi mạch tích hợp chuyên dùng mới nhất với thiết kế bằng thép không gỉ đã đƣợc chứng minh của chúng tôi. Với công nghệ kỹ thuật số bù này cung cấp một kết quả chính xác và nó tạo ra đƣợc hiệu suất kết hợp cảm biến áp suất lý tƣởng cung cấp giải pháp cho yêu cầu về tự động và các ứng dụng công nghiệp. Khi nhiệt độ bổ xung đầy đủ, hiệu chuẩn và khuếch đại cảm biến này có thể đo đƣợc dải áp suất từ 100 PSIS tới 5000 PSIS.
Cảm biến dạng model ML có thể có 3 cổng ra lựa chọn: 0.05 Vdc tới 4.50 Vdc tỷ lệ số liệu đầu ra nguồn điện áp kích thích là 5 Vdc, 1 Vdc tới 6 Vdc đầu ra với 1 nguồn không kiểm soát và đầu ra là 4 mA tới 20 mA. Bộ chuyển đổi của cảm biến cung cấp ± 0.25% quy mô đầy đủ và chính xác (BFSL) vƣợt ra 1 phạm vi rộng nhiệt độ từ 400C tới 1250C và sử dụng nhƣ một sự chúng minh sự kết nối của các nền công nghiệp tiêu chuẩn cho độ tin cậy cao và sử dụng linh hoạt.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 111
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 112
b. Sensys M5100
Hinh1.10: hình ảnh thực tế về cảm biến Sensys ML100
Địa điểm có thể mua cảm biến. Địa chỉ: Công ty CP DCA Việt Nam
Phòng 20.1 CT2 VIMEXO, Trần Duy Hƣng, Cầu Giấy, Hà Nội.
Điện thoại: 0435572682
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 113
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 114
Kích thƣớc của cảm biến.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 115
c. Đo áp suất bằng phần tử nhạy cảm với biến dạng
Nguyên lý tác dụng của các dụng cụ đo áp suất bằng biến dạng dựa trên cơ sở biến dạng đàn hồi của các phần tử cảm biến hay chính sự tạo ra ứng lực trong chúng. Ngƣời ta chia làm ba loại cảm biến chính đƣợc sử dụng rộng rãi trong các phép đo thực tế là :
+ Lò xo ống + Ống xiphông + Màng mỏng
Lò xo ống
Lò xo ống là một ống kim loại đƣợc uốn cong, một đầu giữ cố định còn một đầu để tự do. Lò xo ống chủ yếu dngf để biến đổi áp suất của đối tƣợng đo đƣợc đƣa vào trong ống thành sự dịch chuyển của đầu đo. Phổ biến nhất là lò xo ống có 1 vòng, đó là một cung tròn có tiết diện ngang hình trái xoan ( hình 3.4a )
Dƣới tác dụng của áp suất dƣ trong ống, lò xo sẽ giãn ra, còn dƣới tác dụng của áp suất lò xo sẽ co lại . Sự dịch chuyển ống theo hƣớng nhƣ vậy giải thích rằng : Dƣới tác dụng của áp suất dƣ chỉ có trục nhỏ b của ống tăng lên còn chiều của ống không đồi .
Đối với các ống thành mỏng sự thay đổi góc ở tâm của lò xo ống dƣới áp suất P đƣợc biểu diễn thành công thức :
2 2 2 2 2 ). 1 .( . . 1 . . x a b h b R E p y Trong đó : : Góc ở tâm của ống . : Hệ số Poisson.
E : Môdul đàn hồi của vật liệu làm ống.
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 116
h : Bề dày thành ống.
a,b : Bán kính trục lớn và nhỏ tiết diện ôvan .
, : Hệ số thực nghiệm tùy thuộc vào hình dáng tiết diện ngang của ống .
X= R.h/a2 : Tham số chính của ống .
R NR NF N a) P b) A-A P A-A A A c)
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 117
Hình 3.13 Cảm biến áp suất loại cơ học
Lực thành phần theo hƣớng tiếp tuyến với trục ở đầu tự do của ống thành mỏng ( tỷ số h/b = 0,6 – 0,7 ) có thể tính từ biểu thức: N1 = P.a.b.(1- 2 2 b a ). cos . sin sin . 4 . 3 sin . . . 48 2 x s Lực hƣớng kính: Nr = P.a.b.(1- 2 2 b a ). cos . sin cos . . . 48 2 x s Trong đó:
S, : Các hệ số phụ thuộc vào tỷ số b/a.
Trong các công thức trên tất cả các giá trị đều là hằng số (trừP), cho nên đối với lò xo ống ta nên luôn có đẳng thức N = k.P với k = f(a,b,h,R, ). Bằng cách thay đổi với a, b, R, h, ta có thể thay đổi giá trị y bằng cách tăng số vòng của lò xo. Trên hình 3.4b chỉ ra lò xo ống có n vòng . Giá trị trong cảm biến loại này là 360o.
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 118
Để đo áp suất cao đến 1000Mpa ngƣời ta dùng lò xo ống cong hay thẳng chỉ ra trên hình 3.4.c
Sự di chuyển đầu tự do của lò xo không đi qua phía sau tiết diện thay đổi, còn mômen uốn:
M = .r2.l.P .r2 : Diện tích ống dẫn
l : Khoảng cách từ tâm ống dẫn đến trọng tâm.
P : Áp suất dƣ đo đƣợc hƣớng về phía thành mỏng hơn.
Nhƣợc điểm chính của lò xo đã khảo sát ở trên là góc quay nhỏ, điều đó yêu cầu sử dụng cơ cấu truyền động. Nhƣợc điểm này đƣợc loại trừ trong cảm biến loại lò xo ống xoắn có tiết diện ôvan hay hình răng khía. Góc quay của vít lò xo từ 40o
– 60o. Do đó không phải dùng cơ cấu truyền động, vì rằng kim chỉ thị có thể gắn trực tiếp trên đầu tự do của lò xo. Lò xo ống để khảo sát đến 5Mpa chế tạo bằng đồng thau, đồng hợp kim nhẹ, thép hợp kim. Còn với áp suất 1000 Mpa và lớn hơn ngƣời ta dùng thép gió.
b. Màng
Ngƣời ta chia thành màng đàn hồi và màng dẻo.
Màng đàn hồi có dạng phẳng tròn hay uốn nếp, có khả năng chịu uốn dƣới tác dụng của áp suất ( hình 3.6 a,b ). Đặc tính tĩnh của màng phẳng thay đổi phi tuyến khi tăng áp suất, cho nên ngƣời ta sử dụng trong phạm vi làm việc một phần nhỏ có khả năng di chuyển này. Màng uốn nếp có khả năng sử dụng khi có độ võng lớn hơn màng phẳng vì chúng có đặc tính phi tuyến nhỏ. Các màng đƣợc chế tạo từ những mác thép khác nhau.
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 119
P h P P a) b) c)
Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo áp suất bằng màng đàn hồi
Giá trị độ võng tâm của màng phẳng đƣợc giữ chặt quanh vòng tròn khi có sự thay đổi nhỏ của áp suất P tác dụng lên màng:
2 2 2 . . 16 . ) 1 ( 3 h E R P Trong đó: R: Bán kính làm việc của màng
Giá trị độ võng của màng uốn nếp đƣợc xác địng từ biểu thức:
4 4 3 3 Eh PR h b h a
Ở đây là các hệ số phụ thuộc vào hình dạng và bề dày của màng.
Các nếp uốn có dạng tam giác, hình thang hình sin hay hình tròn. Khi cần có độ uốn lớn ngƣời ta nối màng than hộp nhỏ (hình 36c) và ngay cả khối tạo từ một vài hộp nhỏ. Chiều sâu uốn có ảnh hƣởng chủ yếu đến độ
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 120
tuyến tính của đặc tính tĩnh càng cao. Khi đo áp suất khí quyển, sự phân bố nếp uốn ở trong hộp đƣợc cách ly với không khí.
Màng dẻo dùng đo áp suất nhỏ và hệ số áp suất. Chúng là các mặt bích phẳng hay đĩa uốn nếp, có dạng chế tạo từ vải cao su hay Teflon. Màng dẻo phẳng hay uốn nếp dùng để tạo ứng suất đủ lớn khi có sự dịch chuyển không lớn.
Ứng suất di chuyển của màng dẻo phụ thuộc vào diện tích hiệu dụng và khi nhân với áp suất tạo ra ứng suất đặt vào tâm hình học của màng. Diện tích của màng dẻo phẳng có mặt bích chịu nén trung gian. Khi độ võng của màng nhỏ gần bằng 1/3 diện tích hình học toàn phần (2/3 diện tích còn lại truyền ứng suất cho gối đỡ) nghĩa là:
12
2
D
Fhd Với D là đƣờng kính ổ đỡ màng Ứng suất di chuyển tạo nên trong màng:
12 . . . 2 D P F P N hd
Trong nhiều trƣờng hợp ngƣời ta chỉ sử dụng một phần di chuyển khả dĩ của màng (đến 100%). Việc di chuyển lớn của màng có liên quan giữa lực N và dịch chuyển tâm của màng một cách phi tuyến. Để giảm độ phi tuyến và tăng ứng suất, ngƣời ta dùng màng dẻo có tâm đúng nghĩa là màng đƣợc gắn cứng giữa hai đĩa kim loại.
Ứng suất tạo ra ở màng có tâm cứng dƣới tác dụng của lực P là :
p d d D D N 12 . 2 2 Trong đó: D: Đƣờng kính của màng
Bộ môn: Máy và ma sát học Đồ án tốt nghiệp
Thực hiện:Nguyễn Tiến Long_Vũ Hoàng Thanh_Nguyễn Tiến Thành 121