Trong cơ học cổ điển, khối lượng có giá trị không đổi, bất kể chuyển động của vật. Do đó, phương trình định luật II Newton trở thành:
31
𝐹⃗ = 𝑚. 𝑎⃗ (4.17) Với : 𝐹⃗ : vecto lực (vật (trong SI, lực đo bằng đơn vị N)
m là khối lượng của vật (trong SI, khối lượng đo bằng đơn vị kg) 𝑎⃗ là gia tốc của vật (trong SI, gia tốc đo bằng đơn vị m/s2).
Như vậy trong cơ học cổ điển, tổng ngoại lực bằng tích của khối lượng và gia tốc. Ta có khái niệm động lượng là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự truyền tương tác giữa vật đó với các vật khác. Khi động lượng không phải hằng số tức là tồn tại một lực bên ngoài tác dụng vào (bánh xe tác dụng vào rulo làm quay chuyển động) thì độ lớn và hướng của lực sẽ được tính toán dựa vào sự gia tốc.
Ta hiểu đơn giản công suất là tốc độ tức thời mà tại đó công được thực hiện (hoặc năng lượng sản sinh ra). Nếu ta đo được lực cần thiết để di chuyển đối tượng, khoảng cách di chuyển và khoảng thời gian cần thiết để di chuyển khoảng cách đó, thì ta hoàn toàn có thể tính toán công suất trung bình được áp dụng trong suốt chuyển động đó và trong khoảng thời gian đó.Một số công thức biểu diễn cho suy luận trên:
A = F.s (4.18)
Trong đó: A : công thực hiện (J) F: lực tác động (N)
s: quãng đường dịch chuyển được (m)
P = F.v (4.19) Trong đó: P: công suất phát sinh(W)
F: lực tác động (N)
v: vận tốc dịch chuyển (m/s)
4.3.2. Đối với chuyển động quay.
Nhiều các khái niệm trong chuyển động tịnh tiến có thể được mở rộng để áp dụng cho chuyển động quay. Chính vì thế đối với chuyển động quay trong định luật II Newton có
dạng: 𝑀 = 𝐼.𝑑𝜔
𝑑𝑡 = 𝐼. 𝜖 (4.20) Trong đó: M là mô men lực (N.m)
32
I là mô men quán tính đối với trục quay của vật (kg.m2) 𝜖: gia tốc góc (rad/s2)
Mô men quán tính là một đại lượng vật lý (với đơn vị đo trong SI là kilôgam mét vuông kg.m2) đặc trưng cho mức quán tính của các vật thể trong chuyển động quay, tương tự như khối lượng trong chuyển động thẳng.
Mô men quán tính I của một chất điểm có khối lượng là m, cách trục quay một khoảng là r, được xác định bằng công thức như sau:
𝐼 = 𝑚𝑟2 (4.21)
Với I: mô men quán tính (kg.m2) m: khối lượng vật thể (kg) r: bán kính vật thể (m)
Vậy khi công được thực hiện để tăng động năng của vật thể quay, hay nói cách khác là tính toán động năng của Rulo di chuyển với tốc độ quay và thời điểm quán tính ban đầu của nó ta sẽ cho ra được công suất. Dựa vào các tính chất vật lí cơ bản được nêu ở trên, ta có thể có hai phương pháp để đo công suất:
Phương pháp thứ nhất:
Cho xe tăng tốc tới khi cho tốc độ quán tính nhanh nhất có thể, đo gia tốc góc tại các điểm liên tục. Mỗi lần Rulo quay se tạo ra các xung điện, các xung sẽ kích hoạt ghi lại khoảng thời gian liên tục giữa các xung. Sau đó gia tốc trung bình được tính cho từng cặp giá trị xung liền kề bằng cách đo chênh lệch vận tốc góc trung bình liền kề với chênh lệch thời gian tương ứng. Đối với mỗi giá trị gia tốc trung bình, ta sẽ tính được mô men trung bình trong khoảng thời gian tương ứng bằng cách nhân gia tốc trung bình với mô men quán tính của Rulo.
𝜖 =𝜔2−𝜔1
𝑡2−𝑡1 (4.22) Trong đó:
𝜖: gia tốc góc (rad/s2)
𝜔2, 𝜔1: tốc độ góc tại 2 điểm liên tục (rad/s) 𝑡2, 𝑡1: khoảng thời gian 2 điểm liên tục(s)
33
Với M = I . 𝝐 (4.23)
Trong đó:
M là mô men lực (N.m)
I là mô men quán tính đối với trục quay của vật (kg.m2) 𝜖: gia tốc góc (rad/s2)
P = M . 𝜔2
P: công suất xe (W) M: mô men xoắn (N.m)
𝜔2: tốc độ góc tại thời điểm hiện tại (rad/s) [2]
Phương pháp thứ hai:
Khái niệm động năng được định nghĩa là công cần thực hiện để gia tốc một vật với khối lượng cho trước từ trạng thái nghỉ tới vận tốc hiện thời của nó.
Chính vì thế ta có thể phát biểu: độ biến thiên động năng của một chất điểm trong một quãng đường nào đó có giá trị bằng công của ngoại lực tác dụng lên chất điểm sinh ra trong quãng đường đó. [4]
Trong chuyển động quay: 𝑊đ =𝐼.
2𝜔2 (4.24)
Với 𝑊đ: động năng sinh ra (J)
I: mô men quán tính của vật thể (kg/m2) 𝜔: tốc độ góc (rad/s)
Trong một khoảng thời gian hữu hạn, vận tốc biến thiên từ 𝜔1 đến 𝜔2,ta có công thực hiện được:
𝐴 = 𝑊đ2− 𝑊đ1 =𝐼.𝜔22
2 −𝐼.𝜔12
2 (4.25)
Giả thiết trong khoảng thời gian ∆𝑡, một lực sinh công 𝐴 (bánh xe tác động lên Rulo) ,công suất lúc này ta viết dưới dạng:
𝑃 = 𝐴
∆𝑡 (4.26)
P: công suất xe (W)
A: công thực hiện được (J).
34
4.4. Tính toán ước lượng sơ bộ để thiết kế con lăn Rulo.
Dựa vào công thức sơ bộ bên dưới để chọn vật liệu và để ước lược kích thước.
• Mô men quán tính J = khối lượng x (bán kính R²/2) kg/m² ( dành cho trụ tròn đặc)
• Mô men quán tính J = khối lượng x (bán kính trong² + bán kính ngoài² / 2) kg/m² ( dành cho trụ tròn rỗng )
• Vận tốc góc 𝜔 = (số vòng / 60) x 2 x 3.14 rad/giây
• Động lượng W = mô men quán tính J x (𝜔 ² / 2) Jun
• Công A = (mô men quán tính J x (vận tốc góc sau 𝜔 ² / 2)) – (mô men quán tính J x (vận tốc góc trước 𝜔 ² / 2)) Jun
• Công suất kW = Delta Erot / thời gian xe chuyển động / 1000
• Mô men xoắn Nm = (công suất Kw x 9549.305) / vòng động cơ
• Công suất HP = Kw * 1.3410 & mô men xoắn ft/lbs = Nm * 0.7376 [2]
Với nguyên lý đo công suất như trên, vậy khi đặt xe lên băng thử để thử nghiệm, ta phải ước lượng sao cho xe chạy trên băng thử phải mô phỏng gần sát với xe chạy trên mặt đường. Nghĩa là khi xe giảm tốc thả trớn thì bánh xe sẽ không chịu tác động từ quán tính của Rulo và sẽ cho ra kết quả thực tế hơn.
Vậy để xe và Rulo tương tác phù hợp với nhau, ta sẽ dựa vào mô men quán tính để thiết kế con lăn Rulo.
Khi xe đặt lên Rulo,ta coi như khối lượng (xe cộng với người lái ) khoảng 100 (kg) sẽ tác động lực hoàn toàn lên Rulo, ta chọn bán kính Rulo sẽ là khoảng 100 (mm), ta sẽ tính được mô men quán tính cần tìm:
I= mr2 = 100. 0,12 = 1 (kg.m2).Từ đó ta sẽ suy ra khối lượng để thiết kế Rulo phù hợp cho băng thử.
35
CHƯƠNG 5: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ PHẦN MỀM LABVIEW 5.1. Linh kiện điện tử.
5.1.1. Cảm biến tiềm cận.
Cảm biến được sử dụng là cảm biến tiềm cận
Cấu tạo:
Hình 5.1 Cảm biến tiệm cận LJ18A3-8-Z/BX (loại NPN)
Chân Black tín hiệu NPN,khi cảm biến ở trạng thái không có kim loại cắt mặt thì đầu vào của cảm biến ở mức điện áp 12V, khi phát hiện kim loại thì chân Black gửi tín hiệu với mức điện áp 0V.
Bằng việc xác định đo chu kỳ xung từ cảm biến thông qua mạch điều khiển ta sẽ tính ra được tốc độ vòng quay của Rulo, từ đó suy ra nhiều thông số khác.
36
5.1.2. Gới thiệu Arduino
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau
hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.
Giá của các board Arduino dao động xung quanh €20, hoặc $27 hoặc 574 468VNĐ, nếu được "làm giả" thì giá có thể giảm xuống thấp hơn $9. Các board Arduino có thể được đặt hàng ở dạng được lắp sẵn hoặc dưới dạng các kit tự-làm-lấy. Thông tin thiết kế phần cứng được cung cấp công khai để những ai muốn tự làm một mạch Arduino bằng tay có thể tự mình
Hình 5.2 Cảm biến được lắp đặt trên khung thử
37
thực hiện được (mã nguồn mở). Người ta ước tính khoảng giữa năm 2011 có trên 300 ngàn mạch Arduino chính thức đã được sản xuất thương mại, và vào năm 2013 có khoảng 700 ngàn mạch chính thức đã được đưa tới tay người dùng.
5.1.2.1. Lịch sử.
Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy. Vào thời điểm đó các sinh viên sử dụng một "BASIC Stamp" (con tem Cơ Bản) có giá khoảng $100, xem như giá dành cho sinh viên. Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea. Cái tên "Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt. Bản thân quán bar này có được lấy tên là Arduino, Bá tước của Ivrea, và là vua của Italy từ năm 1002 đến 1014.]
Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Colombia tên là Hernando Barragan. Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn mở. Trường này cuối cùng bị đóng cửa, vì vậy các nhà nghiên cứu, một trong số đó là David Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này.
Giá hiện tại của board mạch này dao động xung quanh $30 và được làm giả đến mức chỉ còn $9. Một mạch bắt chước đơn giản Arduino Mini Pro có lẽ được xuất phát từ Trung Quốc có giá rẻ hơn $4, đã trả phí bưu điện. [4]
38
5.1.2.2. Phần cứng
Hình 5.3 Cận cảnh con Arduino Uno
Đối với chúng ta lập trình cho Arduino thì trước tiên quan tâm những thành phần được đánh số ở trên:
1. Cổng USB (loại B): đây là cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điểu khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điểu khiển với máy tính.
2. Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được. Lúc đó, ta cần một nguồn 9V đến 12V.
3. Hàng Header: đánh số từ 0 đến 12 là hàng digital pin, nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu số. Ngoài ra có một pin đất (GND) và pin điện áp tham chiếu (AREF).
4. Hàng header thứ hai: chủ yếu liên quan đến điện áp đất, nguồn.
5. Hàng header thứ ba: các chân để nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu analog. Ví dụ như đọc thông tin của các thiết bị cảm biến.
6. Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bo mạch. Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip này khác nhau. Ở con Arduino Uno này thì sử dụng ATMega328.
39
Một board Arduino đời đầu gồm một cổng giao tiếp RS-232 và một chip vi xử lý Atmel ATmega8, 14 chân I/O số nằm ở phía trên và 6 chân analog đầu vào ở phía đáy.
Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác. Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield. Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khách nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C-nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song. Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560. Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích. Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị. Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài. Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chương trình.
Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cả các board được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng. Các board Serial Arduino có chứa một mạch chuyển đổi giữa RS232 sang TTL. Các board Arduino hiện tại được lập trình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232. Vài biến thể, như Arduino Mini và Boarduino không chính thức, sử dụng một board adapter hoặc cáp nối USB-to-serial có thể tháo rời được, Bluetooth hoặc các phương thức khác. (Khi sử dụng một công cụ lập trình vi điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụ lập trình AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được sử dụng.)
Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho những mạch ngoài. Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra 14 chân I/O kỹ thuật số, 6
40
trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số. Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm). Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng được thương mại hóa. Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard.
Có nhiều biến thể như Arduino-compatible và Arduino-derived. Một vài trong số đó có chức năng tương đương với Arduino và có thể sử dụng để thay thế qua lại. Nhiều mở rộng cho Arduino được thực thiện bằng cách thêm vào các driver đầu ra, thường sử dụng trong các trường học để đơn giản hóa các cấu trúc của các 'con rệp' và các robot nhỏ. Những board khác thường tương đương về điện nhưng có thay đổi về hình dạng-đôi khi còn duy trì độ tương thích với các shield, đôi khi không. Vài biến thể sử dụng bộ vi xử lý hoàn toàn khác biệt, với các mức độ tương thích khác nhau. [6]
5.2. Phần mềm LabVIEW. 5.2.1. Giới thiệu. 5.2.1. Giới thiệu.
LabVIEW (viết tắt của nhóm từ Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty National Instruments,
Hoa kỳ. LabVIEW còn được biết đến như là một ngôn ngữ lập trình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như ngôn ngữ C, Pascal. Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua các hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, LabVIEW đã được gọi với tên khác là lập trình G (viết tắt của Graphical, nghĩa là đồ họa).
LabVIEW là một môi trường lập trình đồ họa mà bạn có thể sử dụng để tạo các ứng dụng với giao diện người dùng chuyên nghiệp một cách nhanh chóng và hiệu quả. Hàng triệu kỹ sư và nhà khoa học sử dụng LabVIEW để phát triển các ứng dụng đo lường, kiểm thử, và điều khiển tinh vi bằng cách sử dụng các biểu tượng trực quan và dây nối tín hiệu. Ngoài ra, LabVIEW có thể được mở rộng cho nhiều nền tảng phẩn cứng và hệ điều hành khác