4. TÍNH TOÂN THIẾT KẾ BỆ THỬ PHANH
4.6.2. Nguyín lý lăm việc
Bộ điều khiển điện tử lă một tổ hợp câc linh kiện điện tử được hăn trín một board mạch. Nó có chức năng chính lă phải nhận biết tình trạng hoạt động vă xử lí tín hiệu của bệ thử thông qua câc cảm biến tương ứng, để tính toân vă đưa ra kết quả chính xâc nhất cũng như đảm bảo an toăn cho thiế bị vă con người. Câc chức năng của từng bộ phận như sau:
* Cảm biến: cảm biến trọng lượng 3, cảm biến lực phanh 4, cảm biến tốc độ 2: (xem mục 4.5).
- Cảm biến an toăn: cảm biến an toăn có vai trò như một công tắc an toăn, được bố trí phía dưới cao lăn trơn thực hiện việc cung cấp tín hiệu cho bộ vi xử lý. Cảm biến an toăn lăm việc được nhờ trọng lượng của trục thử đỉ lín con lăn trơn. Vì vậy cảm biến an toăn thường dùng lă câc công tắc hănh trình.
* Bộ biến đổi dạng sóng vuông: tín hiệu từ cảm biến tốc độ lă tín hiệu hình sin, nhưng bộ vi xử lý chỉ lăm việc với câc tín hiệu số nín cần phải biến đổi tín hiệu sóng hình sin thănh tín hiệu sóng vuông để vi xử lý có thể đọc được.
Để biến đổi dạng sóng từ một tín hiệu sóng hình sin sang tín hiệu sóng vuông, người ta có nhiều phương phâp khâc nhau nhưng phổ biến nhất lă dùng mạch Trigger Schmitt.
Hình 4.22. Sơ đồ mạch Trigger schmitt sử dụng Op-Amp. - Nguyín lý hoạt động:
Thực chất đđy lă mạch so sânh, trạng thâi đầu ra chuyển sang V- khi điện âp văo V-in có giâ trị vượt ngưỡng tham chiếu dương V2, sau đó dùng mạch hồi tiếp đm qua điện trở R3 để giữ trạng thâi đầu ra cho đến khi điện âp văo V-in bị hạ xuống thấp hơn 1 ngưỡng tham chiếu đm V2’.
Quâ trình chuyển mạch được mô tả qua sơ đồ sau:
Hình 4.23. Sơ đồ chuyển trạng thâi Trigger schmitt. Câc điện âp tham chiếu V2 vă V2’ được tính như sau :
Ta có: 1 2 3 2 2 2 R V R V V R V Vref out = − + − ref Vout R R V R R V 3 123 2 123 2 = + Với: R123 = R1 // R2 // R3
=> Biến đổi công thức, ta có:
ref Vcc R R V R R V 3 123 2 123 2 = + ref Vcc R R V R R V 3 123 2 123 2'= −
* Bộ khuếch đại tín hiệu: tín hiệu thu được từ cảm biến có biín độ rất nhỏ nín cần phải được khuyếch đại lín để có dải biến đổi rộng hơn nhằm gia tăng độ chính xâc trong phĩp đo. Bộ khuyếch đại tín hiệu thường dùng lă cầu wheatstone.
E S B J1 J2 J3 J4 R3 R4 R1 R2 A C Hình 4.24. Cầu wheatstone. Ta có: S = ∑ = ∆ n i i R E 1 Ri . 4 Trong đó: Ri Ri ∆
: sự thay đổi tương đối của điện trở.
R R ∆ = L L K.∆ . K: hệ số cảm biến. L L ∆
: độ dên dăi tương đối của cảm biến.
* Bộ ADC: lă bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Tín hiệu từ câc cảm biến đưa về lă tín hiệu tương tự, để bộ vi xử lý có thể hiểu được thì phải chuyển sang tín hiệu số.
- Để kết nối nguồn tín hiệu tương tự với hệ thống xử lý tín hiệu số, người ta sử dụng câc bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) nhằm chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số hoặc bộ chuyển đổi số - tương tự (DAC) để chuyển đổi từ số sang tương tự.
- Nguyín tắc lăm việc của bộ chuyển đổi ADC như sau:
Hình 4.24. Nguyín tắc lăm việc của bộ chuyển đổi ADC.
Đầu tiín, tín hiệu tương tự cần chuyển đổi UA(t) đưa đến mạch lấy mẫu. Tại đđy, mạch lấy mẫu sẽ thực hiện 2 công việc:
- Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm khâc nhau vă câch đều nhau về mặt thời gian (nghĩa lă rời rạc hoâ tín hiệu về mặt thời gian).
- Giữ cho biín độ điện âp tại câc thời điểm lấy mẫu không bị thay đổi trong quâ trình chuyển đổi tiếp theo (tức lă trong quâ trình lượng tử hoâ vă mê hoâ).
Tiếp theo, mạch lượng tử hoâ có nhiệm vụ rời rạc hoâ tín hiệu tương tự về mặt biín độ. Sau mạch lượng tử hoâ lă mạch mê hoâ, tại đđy kết quả lượng tử hoâ được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định năo đó tuỳ thuộc văo mê yíu cầu trín đầu ra của bộ chuyển đổi. Phĩp biến đổi lượng tử hoâ vă mê hoâ gọi chung lă phĩp biến đổi ADC.
Quâ trình lấy mẫu được thực hiện theo định lý lấy mẫu Kachenhicop. Thông tin trong tín hiệu tương tự sẽ không bị ảnh hưởng khi lấy mẫu nếu thoả mên 2 điều kiện sau: uD t Mạch lấy mẫu ADC
Lượng tử hoâ mê hoâ
uA(t) uS(t)
uA(t)
Us(t)
t)
- Tín hiệu gốc uA(t) liín tục theo thời gian vă có băng tần hữu hạn. Tần số cao nhất lă fC.
- Tần số lấy mẫu fS = 2fC.
* Bộ vi xử lý: tiếp nhận thông tin từ câc cảm biến, xử lý số liệu vă xuất ra bảng hiển thị, mây in hoặc chuyển dữ liệu lín mây tính.
Về cơ bản, hai khâi niệm vă vi xử lý vă vi điều khiển không khâc nhau nhiều. Vi xử lý lă thuật ngữ chung đề cập đến kỹ thuật ứng dụng công nghệ vi điện tử, công nghệ tích hợp vă khả năng xử lý theo chương trình văo câc lĩnh vực khâc nhau. Văo những giai đoạn đầu trong quâ trình phât triển công nghệ vi xử lý, câc chip được chế tạo chỉ tích hợp những phần cứng thiết yếu như CPU cùng câc mạch giao tiếp giữa CPU vă câc phần cứng khâc. Trong giai đoạn năy, câc phần cứng khâc kể cả bộ nhớ thường không được tích hợp trín chip mă phải kết nối ra bín ngoăi. Câc phần cứng năy được gọi lă câc ngoại vi. Về sau nhờ sự phât triển vượt bậc của công nghệ tích hợp, câc ngoại vi cũng được tích hợp văo bín trong IC vă người ta gọi vi xử lý đê được tích hợp câc ngoại vi lă vi điều khiển. Việc tích hợp thím câc ngoại vi văo trong cùng một IC với CPU tạo ra nhiều lợi ích như lăm giảm thiểu câc ghĩp nối bín ngoăi, giảm số lượng linh kiện điện tử phụ, đơn giản hoâ việc thiết kế, ...
Về cơ bản, kiến trúc một bộ vi điều khiển bao gồm những phần cứng sau: - Ðơn vị xử lý trung tđm (CPU).
- Câc bộ nhớ (Memories).
- Câc cổng văo ra song song (Parallel I/O port). - Câc cổng văo ra nối tiếp (Serial I/O port). - Câc bộ đếm, bộ định thời.
Ngoăi ra đối với một số vi điều khiển cụ thể còn có thím một số phần cứng khâc như bộ biến đổi tương tự sang số ADC, bộ biến đổi số sang tương tự DAC, câc mạch điều chế dạng sóng WG, điều chế độ rộng xung PWM,...
Bộ nêo của mỗi vi xử lý hay vi điều khiển chính lă CPU. Câc phần cứng khâc chỉ lă câc cơ quan chấp hănh dưới quyền của CPU. Mỗi cơ quan năy có một có chế hoạt động nhất định mă CPU phải tuđn theo khi giao tiếp với chúng. Ðể có thể giao tiếp vă điều khiển câc cơ quan chấp hănh (câc ngoại vi), CPU sử dụng 3 loại
tín hiệu cơ bản lă: tín hiệu địa chỉ (address), tín hiệu dữ liệu (data) vă tín hiệu điều khiển (control). Tập hợp câc đường tín hiệu có cùng chức năng gọi lă câc BUS. Như vậy ta sẽ có: bus địa chỉ, bus dữ liệu vă bus điều khiển.
Hiện nay ở Việt Nam, có nhiều loại vi điều khiển được sử dụng tuy nhiín về cơ bản có câc họ vi điều khiển sau:
- Họ vi điều khiển của Microchip - Họ vi điều khiển AVR của ATMEL - Họ vi điều khiển 68HCxx của Motorola - Họ vi điều khiển Psoc của CYPRESS - Họ vi điều khiển 8051 của INTEL. - Vă một số họ khâc.
* Bộ chuyển đổi RS232: mây tính giao tiếp nối tiếp với câc thiết bị khâc thông qua cổng COM sử dụng giao thức RS232. Trong giao thức nối tiếp RS232, chuẩn điện âp của mức 1 vă mức 0 khâc so với chuẩn điện âp mức 1 vă mức 0 ở vi xử lý. Do đó cần phải có bộ chuyển đổi mức logic để giữa vi xử lý vă mây tính có thể giao tiếp được với nhau.
Để đảm bảo sự tương thích giữa câc thiết bị truyền dữ liệu nối tiếp do câc hêng khâc nhau sản xuất, năm 1960 hiệp hội công nghiệp điện tử EIA đê xđy dựng một chuẩn dao diện được gọi lă RS232. Năm 1963, chuẩn năy được cải tiến vă gọi lă RS232A, RS232B vă RS232C văo những năm 1965 vă 1969. Tăi liệu năy chỉ đề cập đến RS232. Ngăy nay, RS232 lă chuẩn dao diện I/O được sử dụng rộng rêi nhất. Tuy nhiín, do chuẩn năy ra đời đê khâ lđu, trước khi có họ mạch vi điện tử TTL, vì vậy câc mức điện âp văo/ra của nó không tương thích với TTL. Ở RS232, mức 1 tương ứng từ -3V÷ -25V, còn mức 0 tương ứng từ +3V ÷+25V, khoảng từ -3V ÷ +3V không xâc định. Do đó để nối RS232 với mây tính đều phải qua bộ biến đổi điện âp như MAX 232 để chuyển mức logic TTL sang mức điện âp của RS232 vă ngược lại.
* Bảng hiện thị 8, mây in 9, mây tính 10: (xem mục 3.4).
Vậy tín hiệu được truyền từ câc cảm biến lực phanh 3 vă cảm biến trọng lượng 4, thông qua bộ khuyếch đại tín hiệu 5, đến bộ chuyển đổi ADC thănh tín hiệu tương tự sang số. Cảm biến tốc độ 2 thu được dưới dạng tín hiệu sóng hình sin
được đưa qua bộ biến đổi dạng sóng vuông để thu được tín hiệu số. Sau đó tất cả câc tín hiệu năy được đưa về bộ vi xử lí 7. Bộ vi xử lí 7 có nhiệm vụ xử lí vă tính toân theo một chương trình đê nạp sẵn, sau đó xuất kết quả lín bảng hiển thị 8, mây in 9 hoặc gửi số liệu lín mây tính 10 thông qua bộ chuyển đổi RS232.
Cảm biến an toăn 1 có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu cho bộ vi xử lí 7 thực hiện việc đóng ngắt động cơ 11 đảm bảo an toăn cho con người vă câc thiết bị khi có sự cố xảy ra.