a. MCU
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại vi điều khiển khác nhau, có thể kể ra 1 loạt các vi điều khiển thông dụng như: họ 8051, họ vi điều khiển AVR của hãng Atmel, họ PIC của hãng Microchip… Căn cứ vào các yêu cầu của hệ thống điều khiển chúng tôi quyết định chọn vi điều khiển ATMega32 để xây dựng mạch xử lí trung tâm cho bộ điều khiển.
Vi điều khiển ATMega32, một trong những vi điều khiển thuộc họ AVR. Đây là một con vi điều khiển có cấu trúc khá phức tạp. ATMega32 là một vi điều khiển CMOS 8 bit công suất thấp trên nền kiến trúc AVR kiểu RISC với nhiều tính năng được xem là nổi bật so với nhiều vi điều khiển khác.
Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ cấp cao với nhiều phần mềm hỗ trợ như Win: AVR, CodeVisionAVR C, ICCAVR. C - CMPPILER của GNU… tạo nhiều thuận lợi cho người viết chương trình thông qua việc sử dụng các thư viện có sẵn của các chương trình này
Một số tính năng trên ATMega32:
131 lệnh, hầu hết thực thi trong một chu kỳ máy Bộ nhân tích hợp, thực thi trong 2 chu kỳ máy
32KB Flash bộ nhớ chương trình, ghi xóa được 10.000 lần 1024 Bytes EEPROM, ghi xóa được 100.000 lần, 2KB SRAM
Hai Timer/Counter 8 bít, một Timer/Counter 16 với chế độ so sánh và tràn 4 kênh điều chế độ rộng xung
8 kênh ADC 10 bit
I2C
USART và UART
Watchdog Timer với bộ dao động riêng trên chip
Có 32 I/O
Nguồn cấp: 4.5 - 5.5V cho ATmega32
Dao động ngoài: 0 - 16 MHz cho ATmega32
…
b.Cảm biến nhiệt độ dầu bôi trơn:
Cảm biến nhiệt độ có nhiều chủng loại như: Cặp nhiệt điện (Thermocouple), nhiệt điện trở (RTD-resitance temperature detector), Thermistor, Bán dẫn (Diode, IC ,….). Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc (hỏa kế- Pyrometer) dùng hồng ngoại hay lazer.
Lựa chọn cảm biến phải căn cứ vào điều kiện, môi trường làm việc của cảm biến, mức độ phổ biến cũng như giá thành... Trong ứng dụng này chọn cảm biến kiểu IC (DS18B20) tích hợp.
Hình 3.5: Hình dạng bên ngoài cảm biến DS18B20 Với các tính năng:
Giao tiếp số, chỉ một dây với MCU qua giao thức I2C.
Thiết lập chế độ hoạt động (9, 10, … 12 bít) dễ dàng bằng chương trình. Có thể kết nối nhiều IC trên cùng một dây.
Không cần mạch phụ trợ.
Dải nguồi thông dụng và rộng 3 ÷ 5V.
Có thể thiết lập chế độ cảnh báo với nhiệt độ cao và thấp
Hình 3.6: Cấu tạo của DS18B20
IC này sẽ biến đổi giá trị nhiệt độ thành số, tùy vào yêu cầu của người sử dụng, DS18B20 sẽ biến đổi về 9 ÷ 12 bít.
STT Số bít t0/đvị 1 9 0.50 2 10 0.250 3 11 0.1250 4 12 0.06250 c.Cảm biến tốc độ:
Trong thực tế người ta sử dụng các Encoder để đo tốc độ động cơ, tùy thuộc vào ứng dụng người ta sẽ lựa chọn loại Encoder tương đối (Incremental Encoder) hay Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder). Hình 3.12 là cấu tạo của một Encoder tương đối đơn giản.
Encoder gồm một cái đĩa được đục lỗ theo vòng tròn, khoảng các cũng như độ rộng lỗ là bằng nhau. Một bên có một mắt phát, mặt kia là mắt thu. Mỗi khi qua lỗ ánh sáng sẽ được mắt thu báo về một xung. Để chuẩn hóa các Encoder thường thiết kế các vi mạch trong nó. Các vi mạch này giúp chuẩn hóa tín hiệu, giảm nhiễu, và có thể kết nối trực tiếp với các thiết bị khác mà không cần mạch phụ trợ. Người ta thường tích
hợp mắt phát và mắt thu trong cùng một linh kiện
Hình 3.8: Cấu tạo và hình dáng của mắt phát, mắt thu Một số thông số quan tâm khi lựa chọn Encoder:
Phototransistor Led hồng
ngoại
Độ phân giải
Tốc độ
Chuẩn đầu ra
Nguồn cấp
Kích thước
Do yêu cầu của bài toán nên ta chỉ chọn Encoder tương đối (incremental encoder), với độ phân giải 5xung/vòng
d. Cảm biến lực
Hầu hết các thiết bị cảm biến lực trong công nghiệp sử dụng loadcell, chúng biến đổi giá trị lực thành tín hiệu điện. Tín hiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị.
Những loadcell này dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ.
Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, với những tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứng dụng của người dùng. Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng. Các dạng phổ biến: dạng kéo (shear), dạng uốn(bending), dạng nén (compression)…
Hình 3.10: Một số Loadcell thực tế
Tùy vào sự kéo căng hay nén lại mà giá trị điện trở của mỗi strain gauge thay đổi tăng hay giảm. Khi lắp bốn strain gauge vào, người ta phải tính toán sao cho hai strain gauge đối điện cùng bị kéo căng hoặc cùng bị nén.
Hình 3.11: Loadcell đo lực uốn
Do tín hiệu đầu ra của Loadcell nhỏ và vi sai nên nó cần phải qua một bộ khuếch đại vi sai với hệ số k lớn.
Hình 3.12: Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai
