Đề tài Thiết kế và chế tạo cảm biến đo tốc độ quay tự ghi

Mục lục Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO TỐC ĐỘ QUAY TỰ GHI Lời nói đầu: Có thể nói ở trong các ngành kỹ thuật thì việc đo tốc độ quay là hết sức cần thiết, từ việc đo tốc độ quay qua đó ta có thể xác định được gia tốc phục vụ cho việc khảo sát và tính toán và nghiên cứu các thiết bị trong kỹ thuật. Trong thực tế đã có nhiều thiết bị đo tốc độ quay được bán trên thị trường với nhiều nguyên lý đo khác nhau, nhưng nói một cách thực tế về điều kiện kinh tế hiện nay thì các thiết bị đo đó còn quá đắt, chính vì thế nên việc mua một loại máy đo tốc độ quay để trang bị cho những cơ sở nhỏ lẽ là chưa thực hiện được. Những người làm việc trong kỹ thuật cần một loại máy với tác dụng đơn giản để đo tốc độ quay với một giá tiền phù hợp và tiện sử dụng khi có thể mang đi đến bất kì nơi nào mà không gặp phải một khó khăn nào. Chính vì yêu cầu đó chúng tôi quyết định nghiên cứu và thực hiện đề tài với mục tiêu: Thiết kế và chế tạo được một bộ cảm biến đo tự ghi tốc độ quay của một bộ phận máy bất kì để trang bị cho Khoa Cơ Điện cũng như cho những người nghiên cứu có thể lựa chọn một sản phẩm thay thế cho hàng nhập ngoại từ các nước khác. Dự kiến kết quả đạt được là: Loại sản phẩm: thiết bị đo lường giá thành thấp, độ chính xác bảo đảm Tên sản phẩm: Thiết bị đo tốc độ quay dải rộng tự ghi Do thời gian thực hiện đề tài ngắn so với tính phức tạp và đa dạng của đề tài, do sự hạn chế về các thiết bị kiểm chứng bằng thực tế, bên cạnh đó là khả năng có hạn nên đề tài sẽ không tránh khỏi sự thiếu sót và hạn chế, tác giả sẽ tiếp tục đầu tư để có thể hoàn thiện thêm. Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo tốc độ quay 1.1. Các nguyên lý cơ bản dùng để đo tốc độ quay Trong kĩ thuật, số vòng quay thực hiện được trong thời gian một phút là thông số được sử dụng rộng rãi và thường gọi tắt là số vòng quay. Giữa số vòng quay và vận tốc góc có mối quan hệ sau: rad/s Trong đó: : vận tốc góc n : số vòng quay (vòng/phút) Các thiết bị đo số vòng quay hiện nay rất đa dạng, nhưng có thể gộp chúng lại thành hai nhóm lớn theo phương pháp đo. Nhóm thứ nhất gồm các thiết bị đo số vòng quay bằng cảm biến điện từ, còn các thiết bị thuộc nhóm thứ hai đo số vòng quay dựa trên phương pháp tần số (đếm xung). 1.1.1. Đo số vòng quay dựa trên nguyên lý của định luật faraday Định luật Faraday: e = - Nghĩa là sức điện động e xuất hiện trong một cuộn dây tỉ lệ thuận với sự biến thiên cảu từ thông đi qua nó. Nếu từ thông được biểu diễn dưới dạng: o.F(x) Với x là góc quay, thì sức điện động cuộn dây sẽ tỉ lệ với vận tốc góc (dx/dt): e= -0. Dựa trên nguyên lý này người ta chế tạo các loại cảm biến hoạt động tương tự như các máy phát điện (một chiều hoặc xoay chiều). Loại này thường là các tachomet máy phát, cũng có thể là loại một chiều (tốc kế một chiều) hoặc loại hai chiều đồng bộ hoặc không đồng bộ. Các cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên tắc của máy phát điện. Khi rôto quay trên phần ứng tạo một điện áp tỷ lệ thuận với vận tốc quay.Trên hình 1 thể hiện tốc kế một chiều. Hình 1: Tốc kế một chiều Trên hình 2 thể hiện tốc kế xoay chiều đồng bộ Hình 2: tốc kế xoay chiều đồng bộ Ưu điểm của cảm biến máy phát một chiều là: Gợn sóng còn lại sau khi gom ở colector nhỏ (<2%) Có thể nhận biết chiều quay Khoảng cách đo lớn 0.1 – 1000V/ph Nhược điểm là thời gian làm việc của cổ góp. Cũng có loại cảm biến đặc biệt là máy phát một chiều không có cổ góp. Khi đó điện áp phần ứng được gom nhờ chỉnh lưu điốt. Nhưng nhược điểm là cần có chi phí kĩ thuật cao và có yêu cầu năng lượng phụ trợ. Trên hình 3 thể hiện tốc kế xoay chiều không đồng bộ. Hình 3: Tốc kế xoay chiều không đồng bộ 1.1.2. Đo số vòng quay theo tần số của tín hiệu phát ra từ vật đang quay Nhóm thiết bị này hoạt động trên nguyên tắc đo tần số của tín hiệu phát ra từ vật đang quay, tần số này tỉ lệ với vận tốc góc hay số vòng quay của vật. Trên hình 4 thể hiện sơ đồ nguyên lý nguyên lý hoạt động cảm biến đo số vòng quay. Cảm biến gồm một đĩa răng làm từ vật liệu sắt từ được gắn với vật cần đo tốc độ quay, một cuộn dây có lõi sắt và một nam châm vĩnh cửu. Cảm biến hoạt động như sau: Khi đĩa quay, lần lượt các đĩnh răng và các rãnh đi qua đầu cuộn dây làm cho từ thông đi qua nó thay đổi theo chu kỳ. Nhờ đó, trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng dạng xung với tần số xuất hiện với tỉ lệ với tốc độ quay của đĩa. Dòng điện này được đưa vào thiết bị xử lý để xác định tần số xuất hiện xung và từ đó tính ra số vòng quay trong một phút. Hình 4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến đo số vòng quay Loại cảm biến trên được dùng khá phổ biến nhờ có độ tin cậy và độ chính xác cao, việc xử lí tín hiệu đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp đắt tiền. Tín hiệu ra của loại này có dạng hình sin. Khoảng cách giữa nam châm và đỉnh răng cũng ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu ra. Mặt khác khi tăng tần số quay làm cho biên độ tín hiệu tăng cao nên cần có bộ đánh giá điện tử để hạn chế tín hiệu. thông tin để đo tần số tốt nhất là tần số của tín hiệu ra. Quan hệ giữa tần số tín hiệu và tần số quay tại cảm biến cảm ứng là tuyến tính và phụ thuộc vào số răng của bánh răng sử dụng. Về nguyên tắc nên chọn số răng lớn. Tất nhiên cũng có thể dẫn tới chiếm chỗ, vì còn tùy thuộc vào các tương quan bề rộng của răng và bề rộng của cảm biến. Nhưng nếu đo ở tốc độ quay thấp thì số răng càng lớn thì phép đo càng chính xác. Cũng với nguyên lý xác định tần số, người ta có thể sử dụng các loại cảm biến khác. Trên hình 5, 6 thể hiện hai nguyên lý đo sử dụng cảm biến quang học. Hình 5: Cảm biến quang (phương pháp 1) Trong đó: 1: nguồn phát quang, 2: cảm biến quang, 3: đĩa quay, 4: Mạch đo 5: thiết bị xử lý, hiển thị Hình 6: Cảm biến quang (phương pháp 2) Trong đó: 1: trục quay, 2: tấm phản quang, 3: đầu thu phát quang, 4: thiết bị xử lý, hiển thị Thiết bị đo số vòng quay ở hình 5 bao gồm đĩa 3 với các lỗ khoan cách đều nhau. Phía bên trái của đĩa có bố trí nguồn phát quang 1 (nguồn sáng, điốt phát quang ..) sao cho tia sáng phát sang đi qua tâm lỗ khoan trên đĩa. Ở phía đối diện nguồn sáng là cảm biến quang 2 (tế bào quang điện, điốt cảm quang …). Với cách bố trí như vậy, cứ mỗi khi cảm biến nhận được tia sáng thì trong mạch đo 4 xuất hiện một xung điện. Tần số xuất hiện của các xung này tỷ lệ thuận với tốc độ quay của đĩa nên thiết bị 5 dễ dàng phân tích tín hiệu và tính được số vòng quay của đĩa. Thiết bị đo trên hình 6 bao gồm đầu phát quang và bộ phận xử lý và hiển thị kết quả. Để đo được số vòng quay của trục 1, người ta dán lên nó một miếng giấy phản quang 2 rồi đặt thiết bị đo gần trục sao cho đầu thu phát 3 chiếu thẳng vào khu vực dán giấy phản quang. Mỗi ki tấm phản quang đi qua nó sẽ phản hồi tia sáng từ đầu phát hắt ngược trở lai đầu thu làm xuất hiện xung điện trong mạch đo cảu thiết bị tương tự như trong trường hợp trên. 2.1. Lựa chọn nguyên lý Nguyên lý là thành phần quyết định đến việc thiết kế và chế tạo, chính vì thế nên việc lựa chọn nguyên lý thích hợp là rất quan trọng. Dựa trên yêu cầu của đề tài đặt ra là chế tạo được một thiết bị đo vận tốc quay có độ chính xác, có khả năng tự ghi lại, tiện gá lắp để thực hiện đo, có tính cơ động cao, có thể hiển thị trực tiếp kết quả ra LCD, nên sau khi đã cân nhắc chúng tôi quyết định chọn nguyên lý cảm biến quang để thực hiện quá trình ngiên cứu và chế tạo. Ưu điểm của phương pháp này là: Thiết bị đo tần số quay gọn nhẹ, có thể mang theo người Gá lắp dễ dàng Kết quả đo có độ chính xác cao Có thể lưu lại kết quả đo nhiều lần Có thể hiện thị trực tiếp trên LCD để chúng ta có thể theo dõi Kết nối với máy tính để tiện cho việc tính toán Chương 2: Thiết kế mạch đo tần số quay 2.1. Lựa chọn loại vi điều khiển 2.1.1. Một số loại vi điều khiển hiện nay Bộ vi điều khiển (Microcontroller) là một mạch tích hợp trên chíp, có thể lập trình được với hệ thống tập lệnh để làm một yêu cầu nào đó. Bộ vi điều khiển ra đời sau bộ vi xử lý. Thực chất bộ vi điều khiển là bộ vi xử lý nhưng có thêm các mạch điện hỗ trợ, các thành phần I/O ngoại vi và bộ nhớ (bộ nhớ chương trình và bộ nhớ giữ liệu)... được tích hợp cùng nhau trên một bản mạch. Bộ vi điều khiển ra đời đầu tiên năm 1971 là bộ vi điều khiển 4 bít TMS 1000 của hãng Texas Instrument. Sau khi dòng sản phẩm này ra đời nó đuợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như máy tính bỏ túi hay điều khiển lò vi sóng hay sử dụng cho các bộ định thời công nghiệp… Năm 1976, công ty Intelligen Electronics (Intel) cho ra đời thế hệ đầu tiên của vi điều khiển 8 bít với tên gọi 8084. Trong bộ vi điều khiển này, ngoài bộ xử lý trung tâm người ta còn tích hợp thêm các bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, các cổng vào ra số, các bộ định thời … Đến năm 1980, thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển ra đời, đó là họ vi điều khiển 8051. Hiện nay vi điều khiển 8051 được sản xuất và sử dụng rộng rãi. Bên cạnh đó các công ty sản xuất cũng phát triển cho mình những bộ vi điều khiển có tính năng đặc biệt làm cho thị trường vi điều khiển ngày càng phong phú và đa dạng. Một số họ vi điều khiển thông dụng ngoài họ 8051 hiện nay + Họ 68HC của Motorola + Họ Z8 của Zilog + Họ PIC của Microchip + Họ H8 của Hitachi + Họ AVR của Atmel + Họ CY(PSOC) của Cypress Microsystem Sau khi tính toàn về lợi ích và các công việc cần phải tính toán theo nguyên lý cảm biến quang và các yêu cầu đặt ra từ trước chúng em nhận thấy loại vi điều khiển thích hợp nhất là loại vi điều khiển họ AVR mà cụ thể là vi điều khiển ATMEGA 8535. 2.1.2. Vi điều khiển họ AVR Họ vi điều khiển AVR là một sản phẩm của công ty Atmel mới được tung ra thị trường trong những năm gần đây. Đối với thị trường Việt Nam thì thực sự AVR là rất mới. Nằm trong số những thế hệ vi điều khiển ra đời sau nên AVR có những tính năng và cấu trúc hơn hẳn những loại vi điều khiển thế hệ cũ như 8051 … Những đặc tính nỗi bật của AVR: Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp – lưu trữ (load- store) và 32 thanh ghi chức năng. Kiến trúc đường ống lệnh kiểu hai tầng (two stage instruction pipeline) cho phép tăng tốc độ thực thi lệnh Chứa nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chíp, bao gồm cổng I/O số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EPROM, bộ định thời, UART, bộ định thời RTC, bộ định thời WHATDOC, bộ điều chế độ rộng xung PWM… Đến 48 đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được Hai bộ truyền nhận UART lập trình được Một dao diện SPI đồng bộ Một dao diện SPI đồng bộ tương thích I2C Ba bộ timer/counter 8 bít Một bộ timer/ counter 16 bít với chức năng so sánh và bắt mẫu Bốn lối ra điều biến độ rộng xung PWM Một đồng hồ thời gian thực RTC Một bộ biến đổi ADC 10 bít có 8 kênh lối vào Một bộ phát hiện trạng thái sụt điện áp nguồn nuôi Một bộ so sánh Analog Một bộ định thời Watchdog Hầu hết các lệnh, chỉ trừ lệnh nhảy và nạp/lưu trữ, đều được thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp Hoạt động với tốc độ đồng hồ từ 6-12Mhz mà không phải thông qua bộ chia tần, tốc độ xử lý lên đến 12MPIS (triệu lệnh trên một giây) gấp 12 lần so với các vi điều khiển CISC thông thường. Trên hình 7 thể hiện sự so sánh thời gian thực hiện lệnh của các loại vi điều khiển khác nhau: Hình 7: So sánh thời gian thực hiện lệnh của các loại vi điều khiển khác nhau Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chíp: Bộ nhớ EPROM xóa được kiểu Flash Bộ nhớ EEPROM hay PROM xóa được bằng điện, nhưng nội dung vẫn giữ nguyên khi mất điện. Bộ nhớ Ram tĩnh Khả năng lập trình ngay trên mạch khi mạch đang được cấp điện mà không phải tháo chíp ra Được đóng trong vỏ với 8-64 chân để thích ứng với nhiều ứng dụng khác nhau Hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao như hợp ngữ,C, … Chế tạo bằng công nghệ CMOS 0.6m và tiến rới là 0.35 m, nhằm đạt được xung nhịp cao hơn 50% hiện nay, còn dòng điện tiêu thụ sẽ giảm đi 1/3 Điện áp làm việc cho phép thay đổi trong khoảng rộng từ 2.7 – 6.0V Kiến trúc đơn giản và hợp lý giúp người sử dụng dễ làm quen. Có đến 133 lệnh trong tập lệnh, cho phép dễ dàng lập trình bằng hợp ngữ hoặc ngôn ngữ C Kết cấu mạch nhỏ gọn, giá thành thấp (tổng cộng giá thành thiết kế và chế tạo), công suất tiêu thụ giảm 2.2. Thiết kế mạch 2.2.1. Thiết kế mạch nguyên lý Xuất phát từ thực tế của máy kéo Shibaura SD3000A để tiện cho việc gá lắp đầu đo đối diện với puli trục khuỷu việc thiết kế đi đến chọn tốc kế quang hoạt động theo nguyên lý phản xạ như trên hình 8. Hình 8: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị đo Trong đó: + R1, R3: Điện trở cố định có tác dụng hạn chế dòng điện. + R5: Biến trở điều chỉnh độ nhạy của sensor. + D1: Đèn phát tia hồng ngoại. + Q1: Photo Điốt đóng ngắt khi có hoặc không có tia hồng ngoại. + LM324: IC có nhiệm vụ là đưa ra một điện áp so sánh. + J1: Các đầu ra, kết nối đầu ra này với bộ gom giữ liệu của máy tính. Nguyên lý hoạt động Khi mạch điện được cấp nguồn, đèn LED D1 liên tục phát ra tia hồng ngoại (đây là một loại sóng điện từ với bước sóng tương đối lớn), sau khi được phát ra, tia hồng ngoại này được chiếu thẳng vào đĩa (hoặc trục) trên đĩa hoặc trục này có các phần tử phản quang được bố trí tuần hoàn theo chu kỳ. • Khi tia hồng ngoại được phát ra và chiếu đến đĩa hoặc trục, tia này gặp phần tử phản quang trên trục hoặc đĩa, nó được phản xạ trở lại, tia phản xạ được Photo điốt Q1 có tên là MFOD200 hấp thụ, lúc đó dòng từ nguồng qua điện trở R3 và Q1 thông, dẫn đến đầu vào 3 của IC LM324 có áp, điện áp đầu vào này bằng điện áp của điểm N so với đất. Điện áp này sẽ bị dao động trong một khoảng nào đó tuỳ thuộc vào khoảng cách từ sensor đến đĩa hoặc trục và khả năng phản quang của phần tử phản xạ. Điện áp này được so sánh với điện áp ở đầu vào 2, nếu điện áp đầu vào 3 lớn hơn điện áp ở 2 thì IC LM324 sẽ kéo điện áp ở 3 lên đến 5V và đưa ra đầu ra J1, còn nếu điện áp đầu vào 3 nhỏ hơn điện áp ở cổng 2 thì IC LM324 kéo điện áp này về không. Như vậy thì điện áp ở 2 là điện áp so sánh, điện áp này có thể thay đổi nhờ biến trở R5 để làm sao điện áp ở cổng 2 nằm trong khoảng dao động của điện áp trên cổng 3. • Khi tia hồng ngoại được phát ra chiếu đến trục hoặc đĩa không gặp phần tử phản quang thì tia hồng ngoại không phản xạ trở lại dẫn đến không có dòng qua photodiot Q1, điện áp của N bằng không, không có tín hiệu ra cổng J1. Như vậy tín hiệu ra ở J1 sẽ ở dạng xung vuông như hình 9. Hình 9: Dạng của tín hiệu ra của đầu đo Khi tia hồng ngoại phát ra được chiếu vào phần tử phản quang trên trục hoặc đĩa thì điện áp ra là 5V khi tia hồng ngoại phát ra không chiếu được vào phần tử phản quang trên đĩa thì điện áp ra là 0V. Sơ đồ nguyên lý chi tiết cảm biến đo tần số quay được thể hiện chi tiết trên hình 10. Hình 10: Sơ đồ nguyên lý chi tiết cảm biến đo tần số quay 2.2.2. Thiết kế các mạch phụ trợ khác * Mạch chuyển đổi A/D Những loại chíp thông thường, để có thể xử lý được một tín hiệu tương tự, người ta phải biến đổi tín hiệu này sang dạng tín hiệu số thông qua các bộ biến đổi A/D bên ngoài chíp, việc này làm tăng thêm kích thước mạch điện và tiêu thụ thêm công suất. Tích hợp bộ chuyển đổi A/D vào trong chíp ATMEGA8535 là một hướng phát triển mới của AVR. Bộ chuyển đổi A/D trong chíp sử dụng phương pháp chuyển đổi ADC xấp xỉ liên tiếp. Chúng tôi sử dụng bộ biến đổi A/D trong chíp để chuyển hoá tín hiệu điện sau khâu khuếch đại cảm biến nhiệt. Tín hiệu được đưa vào chân 40 (PA0), đây là một trong những chân vào của bộ chuyển đổi A/D. Trên hình 11 là sơ đồ kết nối của khối chuyển đổi A/D. Hình 11: Sơ đồ kết nối của khối chuyển đổi A/D Nguồn cấp cho chuyển đổi A/D là nguồn +5V, được cấp vào chân 30(AVCC) thông qua điện cảm L1. Mục đích của L1(10uH), C7(105pF), C8(33pF) đảm bảo triệt nhiễu cho nguồn cấp A/D. Chân 31(AGND) nối xuống đất. Thông thường nếu chân 32(AREF) để trống, ATMEGA8535 mặc định điện áp tham chiếu là 2,56V, nó tương ứng với điện áp tương tự đầu vào biến đổi 0Vữ5V. Trong trường hợp này điện áp khuếch đại từ cảm biến biến đổi 0Vữ4V nên ta phải đưa vào đầu AREF một điện áp là 2V, điện áp được lấy chuẩn thông qua biến trở R14. * Giao tiếp máy tính Trong thiết kế ứng dụng với vi điều khiển thì ghép nối máy tính là một công việc bắt buộc: + Kết nối máy tính để phục vụ cho việc nạp chương trình điều khiển vào trong chíp. + Kết nối máy tính để có thể thực hiện điều khiển và theo dõi kết quả ngay trên máy tính... Những loại chíp thế hệ cũ như 8051... không được tích hợp bộ truyền nhận UART, việc truyền nhận với máy tính chỉ có thể thực hiện bằng phần mềm và thực hiện truyền nhận theo hướng đơn công - tức là tại một thời điểm chỉ có thể truyền hoặc nhận. ATMEGA8535 đã được tích hợp sẵn USART bên trong chíp, việc truyền nhận được thực hiện thông qua các thanh ghi nên việc truyền nhận thực hiện theo phương pháp song công - tức là tại một thời điểm có thể thực hiện đồng thời cả hai công việc là truyền và nhận. Đây là một ưu điểm nổi trội của vi điều khiển họ AVR. * Cổng song song (LPT) Cổng song song là cổng ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính. Mức logic của cổng song song là mức TTL, để thực hiện ghép nối với cổng song song ta phải sử dụng các mạch tương thích TTL hoặc các mạch ghép mức. Cổng song song có hai loại: loại 25 chân và loại 36 chân. Loại 25 chân là loại thông dụng hiện nay, vì vậy ta chỉ đề cập đến loại này. Trên hình 17 thể hiện hình dạng của cổng song song. 13 25 14 1 DB-25 Hình 12: Hình dạng cổng song song Cấu trúc cổng song song rất đơn giản với tám đường dẫn dữ liệu, một đường dẫn mass chung, bốn đường dẫn tín hiệu điều khiển, năm đường dẫn trạng thái thiết bị ngược về máy tính. Cổng song song truyền dữ liệu theo các bit song song, hay byte nối tiếp còn bít song song. Tốc độ truyền dữ liệu đạt đến 1Mbit/s nhưng khoảng cách bị hạn chế vì điện dung kí sinh và hiện tượng cảm ứng giữa các đường dẫn. Khoảng cách thông thường 1,5 - 2m. * Cổng nối tiếp Cổng nối tiếp cũng là một dạng cổng ghép nối máy tính với các thiết bị ngoại vi. So với cổng song song thì cổng nối tiếp được sử dụng rộng rãi hơn, vì vậy đã hình thành những chuẩn như RS232, RS449, RS485... Sự khác nhau cơ bản giữa cổng song song và cổng nối tiếp chính là ở phương pháp truyền dữ liệu: trong một thời điểm chỉ có một bit được gửi đi dọc theo một đường dẫn, đường gửi và đường nhận tách rời nhau. Tốc độ truyền lớn hơn 100Kbit/s, khoảng cách truyền trên một khoảng đơn cao hơn 1Km. Cấu trúc cổng nối tiếp rất đơn giản: chỉ có hai đường dữ liệu, một đường nối đất, còn lại là các đường trạng thái thiết bị và điều khiển. * IC 74VHC244 Ghép nối trực tiếp giữa thiết bị ngoại vi với máy tính qua cổng song song sẽ gây ra những rối loạn về thông tin cho cả hai thiết bị. Mặc dù cùng là mức TTL nhưng vẫn có sự chênh lệch mức tín hiệu. Vì vậy mà người ta phải dùng các bộ đệm làm trung gian trên đường giao tiếp. IC 74VHC244 là bộ đệm 8 bit ba trạng thái, được thiết kế để phục vụ cho giao tiếp mức TTL (3 đến 5 vôn). Tất cả các đầu vào ra được trang bị mạch bảo vệ tĩnh điện, bảo vệ sụt áp trên lối vào. + Điện áp vận hành VCC 2,0V - 5,5V , + Mức vào VIN 0V - 5,5V , + Mức ra VOUT 0V - VCC . * IC MAX232 (Hình 13) Cổng nối tiếp (COM) của máy tính sử dụng chuẩn RS232. Chuẩn này không tương thích với mức TTL. Vì vậy phải có những thiết bị chuyển đổi chuẩn này sang chuẩn kia và ngược lại. IC MAX232 được thiết kế để phục vụ cho công việc này. Điều đặc biệt là MAX232 chuyển đổi mà không cần tới điện áp cấp ±12V. Hình 13:Sơ đồ chân và cấu tạo của MAX 232 Các đặc tính của MAX232: + Nguồn cấp Vcc 1,5 - 5,5V, + Vào mức thấp VIL <0,8V, + Vào mức cao VIH >2V, + Dòng cấp Icc 8 - 10mA... Để có thể hoạt động ta cần phải thêm vào một số tụ theo khuyến cáo của nhà sản xuất. Các tụ thêm vào được nối tới các chân theo sơ đồ trên. * Thiết bị hiển thị. Bên cạnh việc hiển thị trên máy tính, hiển thị trên thiết bị điều khiển là một yêu cầu bắt buộc trong thiết kế. Việc hiển thị ngay trên thiết bị giúp người điều khiển theo dõi thông số hệ thống và điều khiển trực tiếp ngay trên thiết bị. - Phương pháp hiển thị Thực tế có rất nhiều cách hiển thị, nhưng có hai cách hiển thị mà người ta hay sử dụng nhất hiện nay: * Hiển thị bằng LED 7 vạch (hình 14) Hình 14: Hình dạng và cấu tạo của LED 7 vạch Phương pháp này có ưu điểm: + Rẻ tiền, hiển thị số một cách trực quan, trông rõ từ xa. Nhược điểm: +Hình ảnh hiển thị không linh động, chỉ có khả năng hiển thị chữ số, để hiển thị hình ảnh hay chữ viết thì phải sử dụng loại đèn LED chéo hay LED ma trận, dẫn đến lập trình khó khăn. + Công suất tiêu tốn lớn, không phù hợp với những thiết kế có công suất nhỏ. + Phải sử dụng nhiều cổng kết nối... * Hiển thị bằng màn hình tinh thể lỏng LCD (Liquid Crystal Display): Hình 15 Hình 15: Hình dạng bên ngoài của LCD 16x2 Ngược lại với LED 7 vạch, những khuyết điểm của LED 7 vạch lại là những ưu điểm của LCD, những ưu điểm của LED 7 vạch là khuyết điểm của LCD. Thực chất cấu tạo của LCD là những ma trận điểm, mỗi ô gồm nhiều điểm sáng kết hợp lại. Tuỳ theo yêu cầu hiển thị mà người ta kết hợp một hay nhiều ô có kích thước to nhỏ khác nhau. Người ta gọi tên LCD theo số ô ma trận dọc và ngang như: 8x2, 16x2, 40x2... LCD có tích hợp sẵn bộ làm tươi bên trong nên trong quá trình hiển thị không cần sự can thiệp của vi điều khiển... Do yêu cầu của thiết kế phải hiển thị theo dạng bảng chọn (menu), mặt khác giá của LCD cũng rẻ đi nhiều, vì vậy chúng tôi chọn LCD 8x2 cho thiết kế của mình. Để hiển thị một chữ cái hay một con số, mã ASCII của chữ cái hay con số đó được đưa đến chân dữ liệu. Các chân RS=1, RW=0 (chọn thanh ghi dữ liệu và gửi dữ liệu lên LCD). Một mức cao xuống mức thấp trên chân E sẽ để LCD chốt dữ liệu, xung này phải rộng tối thiểu 450ns. - Mạch điện hiển thị Mạch điện khối hiển thị được mô tả trong hình 16. Có hai phương pháp chính đưa dữ liệu tới LCD là phương pháp truyền 4 bit và phương pháp truyền 8 bit. Phương pháp truyền 4 bit lập trình khó hơn rất nhiều so với truyền 8 bit nhưng đổi lại nó tiết kiệm đầu kết nối. Trong thiết kế này chúng tôi lựa chọn phương pháp truyền 4 bit. PortC được sử dụng để nối kết với LCD, từ bit 7 đến bit 4 làm chân dữ liệu, từ bit 0 đến bit 2 là chân điều khiển. R2120K, R22 20K là các biến trở điều chỉnh độ tương phản và độ sáng của LCD. Hình 16: Mạch nguồn Yêu cầu mạch điện cần có hai mức điện áp là 5V và 12V, vì vậy chúng tôi lựa chọn các IC ổn áp L7805 (ổn áp 5V) và L7812 (ổn áp 12V): * Sơ đồ kết nối với máy vi tính Sơ đồ mạch kết nối và hiển thị trên máy vi tính được thể hiển trên hình 17 Hình 17: Mạch kết nối với máy tính Mạch giao tiếp máy tính được thiết kế ra với mục đích trước mắt là có thể hiển thị thông số hệ thống như: nhiệt độ đặt, nhiệt độ lò sấy... lên máy tính, người điều khiển có thể theo dõi, đồng thời tác động trực tiếp lên các thông số qua máy tính. Vì chíp vi điều khiển ATMEGA8535 đã tích hợp sẵn bộ truyền nhận USART nên chúng tôi chỉ cần sử dụng IC MAX232 làm bộ đệm chuyển mức TTL sang RS232 và kết nối trực tiếp với máy tính qua cổng COM. Lý do chúng tôi chọn cổng nối tiếp thay cho cổng song song là vì cổng nối tiếp có khả năng bảo toàn tín hiệu, hình thức truyền đơn giản và có khả năng truyền đi xa... 2.2.3. Nghiên cứu lập trình cho mạch điều khiển Việc thiết kế mạch vi điều khiển họ AVR, công ty Atmel cũng cho ra đời trình dịch AVR - Assembler, phục vụ cho vi điều khiển loại này. AVR - Assembler hỗ trợ việc viết chương trình bằng ngôn ngữ assembly, biên dịch nó sang file.hex; nhưng để có thể sử dụng được công cụ này thì người lập trình phải rất am hiểu về cấu trúc của AVR. Tuy nhiên AVR cũng hỗ trợ ngôn ngữ C, vì vậy các công ty ứng dụng AVR thường tạo ra công cụ riêng của mình dựa trên ngôn ngữ C. Các hàm trong ngôn ngữ C được viết dựa trên khối các lệnh assembly. Khi sử dụng ngôn ngữ C, công việc lập trình trở nên đơn giản hơn và người lập trình không cần phải quan tâm nhiều đến cấu trúc phần cứng của chíp. Trong thiết kế này chúng tôi sử dụng công cụ lập trình Code Vision AVR C Compiler Evaluation của công ty Pavel Haiduc - HP InfoTech s.r.l. Công cụ này hỗ trợ cả lập trình C và Assembly (hình 22): Hình 18: Phần mềm lập trình điều khiển CodeVisionAVR Chương trình lập trình (chỉ lấy một đoạn ví dụ): #include #include #include #include // Alphanumeric LCD Module functions #asm .equ __lcd_port=0x1B ;PORTA #endasm #include unsigned char a,b,c,d; flash char *data[]={"TIME:","SPEED(V/P):","RERULT:","INPUT YOUR COMPUTER"}; unsigned int dem,tg,kq; char str[4]; int luu[100]; int tick=0; #define RXB8 1 #define TXB8 0 #define UPE 2 #define OVR 3 #define FE 4 #define UDRE 5 #define RXC 7 #define FRAMING_ERROR (1<<FE) #define PARITY_ERROR (1<<UPE) #define DATA_OVERRUN (1<<OVR) #define DATA_REGISTER_EMPTY (1<<UDRE) #define RX_COMPLETE (1<<RXC) // USART Transmitter buffer #define TX_BUFFER_SIZE 8 char tx_buffer[TX_BUFFER_SIZE]; #if TX_BUFFER_SIZE<256 unsigned char tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter; #else unsigned int tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter; #endif // USART Transmitter interrupt service routine interrupt [USART_TXC] void usart_tx_isr(void) { if (tx_counter) { --tx_counter; if (++tx_rd_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_rd_index=0; Chương 3: Chế tạo nghiên cứu và khảo sát mạch 3.1. Quy trình chế tạo và lắp ráp. - Thiết kế mạch trên phần mềm mô phỏng - Mô phỏng thành công - Lập trình phần mềm điều khiển chíp - Mua các thiết bị và bắt đầu thiết kế mạch - Thử nghiệm 3.2. Thí nghiệm sơ đồ trên phần mềm. Mô phỏng là một công cụ quan trọng đối với người lập trình, nó cho phép kiểm tra lỗi của phần lập trình trước khi nạp chính thức. Hơn nữa nó còn cho phép lựa chọn các phần tử thích hợp và đề phỏng các trường hợp xảy ra trong khi làm thực tế. Trong thiết kế này chúng tôi sử dụng phần mềm mô phỏng Proteus 6 Professional để thực hiện mô phỏng. Màn hình của chương trình cũng như màn hình kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 19 Hình 19: Kết quả chạy thử nghiệm trên phần mền mô phỏng Qua thực hiện mô phỏng trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng, kết quả thu được là rất khả quan, có thể nói mạch được mô phỏng hoạt động khá ổn định và sai số là nhỏ, hoạt động mô phỏng khá ổn định. Chính vì thế đã dùng chương trình để nạp vào chip để phục vụ cho việc đo tần số quay trong thực tế. 3.3 Thí nghiệm đo tấn số quay bộ phận máy và so sánh với thiết bị đo khác. Tiến hành một số thí nghiệm với các bộ phận chuyển động quay bất kỳ như quạt, máy xay sinh tố, máy mài … và so sánh với thiết bị đo BR4M-TDTG. Sau đây là một vài ví dụ về kết quả đo được (BR4M-TDTG: Cảm biến đo tốc độ quay không có hiển thị ra LCD, không có lưu trử kết quả, sản phẩm của Đức): Thí nghiệm đo tần số quay của quạt khi khởi động: Thí nghiệm đo tần số quay của quạt điện bắt đầu từ khi bật sau đó tăng dần từ số 1 đến số 3 (nhanh dần) ta thu được kết quả sau: Bảng 1: Kết quả đo tần số quay quá trình khởi động của quạt Lần đo Kết quả của máy đo tốc độ BR4M-TDTG Đơn vị 1 0 0 Vòng/phút 2 120 120 Vòng/phút 3 180 180 Vòng/phút 4 240 240 Vòng/phút 5 560 560 Vòng/phút 6 690 690 Vòng/phút 7 790 790 Vòng/phút 8 1100 1101 Vòng/phút 9 1200 1200 Vòng/phút 10 1245 1245 Vòng/phút 11 1256 1256 Vòng/phút 12 1240 1240 Vòng/phút 13 1256 1257 Vòng/phút 14 1256 1256 Vòng/phút 15 1256 1256 Vòng/phút 16 1258 1257 Vòng/phút 17 1255 1256 Vòng/phút 18 1257 1257 Vòng/phút 19 1350 1350 Vòng/phút 20 1360 1360 Vòng/phút 21 1361 1361 Vòng/phút 22 1359 1360 Vòng/phút 23 1361 1361 Vòng/phút 24 1400 1400 Vòng/phút 25 1410 1410 Vòng/phút 26 1411 1411 Vòng/phút 27 1411 1411 Vòng/phút 28 1410 1411 Vòng/phút 29 1411 1411 Vòng/phút Trên hình 20 mô tả kết quả thu được khi đo tần số quay của quạt trong thời gian quạt khởi động. Đồ thị với trục tung là tần số (vòng/phút) và trục hoành là thời gian (giây). Hình 20: Tần số quay của quạt khi khởi động Mỗi lần đo thiết bị đo có thể lưu lại được 100 kết quả và truyền vào máy tính, có thể đo từ giải tần số từ 1 vòng/giây cho đến 20 000 vòng/phút, nhưng ở đây chỉ lấy ra một ít kết quả trong phép đo vì nếu giữ nguyên vị trí của cảm biến thì máy đo sẽ hội tụ ở kết quả cao nhất (với thiết bị dùng làm thí nghiệm là quạt để bàn, nếu để nguyên số 3 thì số vòng quay chỉ thị về sau sẽ ổn định ở 1411 và chỉ có vài giá trị sai lệch xung quanh đó do điện áp vào quạt thay đổi). Trên hình 21 thể hiện cảnh khi đo số vòng quay của quạt. Hình 21: Quá trình đo tốc độ quay của quạt Thí nghiệm với máy xay sinh tố: Tương tự đối với quạt, với máy quay sinh tố chúng ta cũng đo quá trình khởi động đến số cao nhất của máy xay sinh tố, Có thể nhận thấy, tốc độ quay của máy xay sinh tố là cao hơn gấp nhiều lần so với quạt bình thường. Kết quả được đưa ra dưới dạng bảng ở bảng 2. Bảng 2: Kết quả đo số vòng quay của máy xay sinh tố Lần đo Kết quả MĐTĐ BR4M-TDTG Đơn vị 1 0 0 Vòng/phút 2 260 260 - 3 480 480 - 4 1120 1120 - 5 2487 2487 - 6 4021 4022 - 7 6157 6157 - 8 8649 8649 - 9 11075 11075 - 10 15969 15970 - 11 16020 16021 - 12 16051 16051 - 13 16070 16070 - 14 16070 16070 - 15 16069 16070 - 16 16070 16070 - 17 16071 16071 - 18 16070 16071 - Đồ thị biểu diễn quá trình khởi động của máy xay sinh tố được thể hiện trên hình 22. Nhận xét: Qua quá trình đo có thể nhận thấy độ chính xác của thiết bị là cao mặc dù chưa có kết quả chính xác về độ chính xác của sản phẩm nhưng chênh lệch độ chính xác so với thiết bị chuẩn là rất nhỏ chỉ khoảng 1vòng đo trong phép đo hàng ngàn hoặc chục ngàn vòng (thiết bị chuẩn này đã được sử dụng và không thể kiểm tra độ chính xác của thiết bị chuẩn). Kết quả đo chưa chính xác có thể do một số nguyên nhân như: cảm biến không được giữ cố định trong suốt quá trình đo, sử dụng nguồn điện cung cấp ngoài nên không ổn định về dòng. Hình 22: Quá trình khởi động của máy xay sinh tố Chương 4: Kết luận và đề nghị Kết luận Trong quá trình làm đề tài chúng tôi đã đạt được những kết quả sau: Thiết kế thành công cảm biến đo tần số quay của một vật quay bất kỳ (hình 23) với các tính năng sau: Hình 23: Máy đo tốc độ quay Đo tần số quay của tất cả các vật hay thiết bị chuyển động quay Có thể hiện thị trực tiếp lên LCD các kết quả đo một cách liên tục Có thể lưu trữ 100 kết quả đo trên bộ cảm biến bằng bộ nhớ tạm Cấu tạo gọn nhẹ, linh động trong việc vận chuyển Đo được tần số vòng quay dải rộng Có thể thay đổi các phương pháp đo nhờ thay đổi cách lập trình để có thể thay đổi cho phù hợp với sự phát triển của khoa học kỹ thuật Có thể kết nối với máy tính Dễ sử dụng Có thể sử dụng ngồn điện từ bên ngoài hoặc từ Pin từ 6 – 12V Đề tài cung cấp cho những người muốn sử dụng một bộ phận đo tốc độ quay thêm một lựa chọn mới trong vấn đề này. Đề tài là sự tổng hợp các biện pháp đo tốc độ quay hiện nay đang sử dụng, giúp cho những người làm khoa học hay muốn nghiên cứu về các phương pháp đo tốc độ quay có cái nhìn tổng quát về các phương pháp này. Đề tài còn cung cấp cho những người nghiên cứu về vi điều khiển một cái nhìn mới về loại vi điều khiển mới họ AVR, qua đó có thể sử dụng triệt để khả năng của loại vi điều khiển mới này. Đề nghị Mặc dù đã chế tạo thành công cảm biến đo tốc độ quay nhưng vẫn chưa thể sử dụng hết khả năng của loại vi điều khiển này. Đây là một vi điều khiển nhiều tính năng với khả năng lưu trữ dữ liệu khá lớn, một bộ lệnh rất rộng và thời gian thực hiện lệnh cực nhanh. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển khả năng của loại vi điều khiển này để phục vụ cho khoa học kỹ thuật là rất cần thiết khi mà việc sử dụng loại vi điều khiến này chưa được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam. Còn về phía đề tài, để sử dụng hết khả năng của vi điều khiển chúng ta có thể có thêm được một số chức năng sau: Lưu dữ lại dữ liệu của nhiều lần đo Có thể tính toán luôn trên chíp để cho kết quả ra là vận tốc, gia tốc Cần tiếp tục kiểm tra và theo dõi độ chính xác của thiết bị đo và có thể cung cấp các thiết bị đo thử nghiệm chuẩn để tiện kiểm tra. Sử dụng một chương trình lập trình chi tiết hơn, xử lý tốt hơn nhằm đạt được kết quả chính xác hơn nữa.