Thiết kế lập trình robot cứu hoả sử dụng VDK 89C51

chung ®èi víi vËt liÖu lµm ®iÖn trë: - Cã ®iÖn trë suÊt ®ñ lín ®Ó ®iÖn trë ban ®Çu R0 lín mµ kÝch th­íc nhiÖt kÕ vÉn nhá. - HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë cña nã tèt nhÊt lµ lu«n lu«n kh«ng ®æi dÊu, kh«ng triÖt tiªu. - Cã ®ñ ®é bÒn c¬, ho¸ ë nhiÖt ®é lµm viÖc. - DÔ gia c«ng vµ cã kh¶ n¨ng thay lÉn. C¸c c¶m biÕn nhiÖt th­êng ®­îc chÕ t¹o b»ng Pt vµ Ni. Ngoµi ra cßn dïng Cu, W. - Platin : + Cã thÓ chÕ t¹o víi ®é tinh khiÕt rÊt cao (99,999%) do ®ã t¨ng ®é chÝnh x¸c cña c¸c tÝnh chÊt ®iÖn. + Cã tÝnh tr¬ vÒ mÆt ho¸ häc vµ tÝnh æn ®Þnh cÊu tróc tinh thÓ cao do ®ã ®¶m b¶o tÝnh æn ®Þnh cao vÒ c¸c ®Æc tÝnh dÉn ®iÖn trong qu¸ tr×nh sö dông. + HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ë 0oC b»ng / + §iÖn trë ë lín gÊp 1,385 lÇn so víi ë + D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc kh¸ réng tõ -200 ÷ 1000. - Nikel: + Cã ®é nh¹y nhiÖt cao, b»ng + §iÖn trë ë 100 lín gÊp 1,617 lÇn so víi ë 0. + DÔ bÞ oxy ho¸ khi ë nhiÖt ®é cao lµm gi¶m tÝnh æn ®Þnh. + D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp h¬n 250 §ång ®­îc sö dông trong mét sè tr­êng hîp nhê ®é tuyÕn tÝnh cao cña ®iÖn trë theo nhiÖt ®é. Tuy nhiªn, ho¹t tÝnh ho¸ häc cña ®ång cao nªn nhiÖt ®é lµm viÖc th­êng kh«ng v­ît qu¸ 180. §iÖn trë suÊt cña ®ång nhá, do ®ã ®Ó chÕ t¹o ®iÖn trë cã ®iÖn trë lín ph¶i t¨ng chiÒu dµi d©y lµm t¨ng kÝch th­íc ®iÖn trë. Wonfram cã ®é nh¹y nhiÖt vµ ®é tuyÕn tÝnh cao h¬n platin, cã thÓ lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao h¬n. Wonfram cã thÓ chÕ t¹o d¹ng sîi rÊt m¶nh nªn cã thÓ chÕ t¹o ®­îc c¸c ®iÖn trë cao víi kÝch th­íc nhá. Tuy nhiªn, øng suÊt d­ sau khi kÐo sîi khã bÞ triÖt tiªu hoµn toµn b»ng c¸ch ñ do ®ã gi¶m tÝnh æn ®Þnh cña ®iÖn trë. B¶ng 3.2 Th«ng sè kü thuËt cña mét sè ®iÖn trë nhiÖt Th«ng sè Cu Ni Pt W 1083 1453 1769 3380 c( 400 450 135 125 400 90 73 120 16,7 12,8 8,9 6 1,72 10 10,6 5,52 3,9 4,7 3,9 4,5 2. CÊu t¹o nhiÖt kÕ ®iÖn trë §Ó tr¸nh sù lµm nãng ®Çu ®o dßng ®iÖn ch¹y qua ®iÖn trë th­êng giíi h¹n ë gi¸ trÞ mét vµi mA vµ ®iÖn trë cã ®é nh¹y nhiÖt cao th× ®iÖn trë ph¶i cã gi¸ trÞ ®ñ lín. Muèn vËy ph¶i gi¶m tiÕt diÖn d©y hoÆc t¨ng chiÒu dµi d©y. Tuy nhiªn khi gi¶m tiÕt diÖn d©y ®é bÒn l¹i thÊp, d©y ®iÖn trë dÔ bÞ ®øt, viÖc t¨ng chiÒu dµi d©y l¹i lµm t¨ng kÝch th­íc ®iÖn trë. §Ó hîp lý ng­êi ta th­êng chän ®iÖn trë R ë cã gi¸ trÞ vµo kho¶ng 100 oC, khi ®ã víi ®iÖn trë platin sÏ cã ®­êng kÝnh d©y cì vµi vµ chiÒu dµi kho¶ng 10cm, sau khi quÊn l¹i sÏ nhËn ®­îc nhiÖt kÕ cã chiÒu dµi cì 1cm. C¸c s¶n phÈm th­¬ng m¹i th­êng cã ®iÖn trë ë lµ 50oC, 500 oC vµ 1000 oC, c¸c ®iÖn trë lín th­êng ®­îc dïng ®Ó ®o ë d¶i nhiÖt ®é thÊp. NhiÖt kÕ c«ng nghiÖp: §Ó sö dông cho môc ®Ých c«ng nghiÖp, c¸c nhiÖt kÕ ph¶i cã vá bäc tèt chèng ®­îc va ch¹m m¹nh vµ rung ®éng, ®iÖn trë kim lo¹i ®­îc cuèn vµ bao bäc trong thuû tinh hoÆc gèm vµ ®Æt trong vá b¶o vÖ b»ng thÐp. Trªn h×nh 3.4 lµ c¸c nhiÖt kÕ dïng trong c«ng nghiÖp b»ng ®iÖn trë kim lo¹i platin. H×nh 3.4 NhiÖt kÕ c«ng nghiÖp dïng platin 1)D©y platin 2)Gèm c¸ch ®iÖn 3)èng platin 4) D©y nèi 5) Sø c¸ch ®iÖn 6) Trôc g¸ 7) C¸ch ®iÖn 8) Vá bäc 9) Xi m¨ng NhiÖt kÕ bÒ mÆt: NhiÖt kÕ bÒ mÆt dïng ®Ó ®o nhiÖt ®é trªn bÒ mÆt cña vËt r¾n. Chóng th­êng ®­îc chÕ t¹o b»ng ph­¬ng ph¸p quang ho¸ vµ sö dông vËt liÖu lµm ®iÖn trë lµ Ni, Fe-Ni hoÆc Pt. CÊu tróc cña mét nhiÖt kÕ bÒ mÆt cã d¹ng nh­ h×nhvÏ 3.5. ChiÒu dµy líp kim lo¹i cì vµi vµ kÝch th­íc nhiÖt kÕ cì . H×nh 3.5 NhiÖt kÕ bÒ mÆt §Æc tr­ng chÝnh cña nhiÖt kÕ bÒ mÆt: - §é nh¹y nhiÖt: ®èi víi tr­êng hîp Ni vµ Fe-Ni ®èi víi tr­êng hîp Pt. - D¶i nhiÖt ®é sö dông: ®èi víi Ni vµ Fe-Ni. ®èi víi Pt. Khi sö dông nhiÖt kÕ bÒ mÆt cÇn ®Æc biÖt l­u ý ®Õn ¶nh h­ëng biÕn d¹ng cña bÒ mÆt ®o 3.3.3. NhiÖt kÕ ®iÖn trë silic Silic tinh khiÕt hoÆc ®¬n tinh thÓ silic cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ©m, tuy nhiªn khi ®­îc kÝch t¹p lo¹i n th× trong kho¶ng nhiÖt ®é thÊp chóng l¹i cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë d­¬ng, hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ~0,7%/ë 25 . PhÇn tö c¶m nhËn nhiÖt cña c¶m biÕn silic ®­îc chÕ t¹o cã kÝch th­íc 500x500x240 m ®­îc m¹ kim lo¹i ë mét phÝa cßn phÝa kia lµ bÒ mÆt tiÕp xóc. Trong d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc ( -55 ®Õn 200) cã thÓ lÊy gÇn ®óng gi¸ trÞ ®iÖn trë cña c¶m biÕn theo nhiÖt ®é theo c«ng thøc: (3.21) Trong ®ã vµ lµ ®iÖn trë vµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi ë ®iÓm chuÈn. Sù thay ®æi nhiÖt cña ®iÖn trë t­¬ng ®èi nhá nªn cã thÓ tuyÕn tÝnh ho¸ b»ng c¸ch m¾c thªm mét ®iÖn trë phô. H×nh 3.6 Sù phô thuéc nhiÖt ®é cña ®iÖn trë silic 3.3.4. NhiÖt kÕ ®iÖn trë oxyt b¸n dÉn 1) VËt liÖu chÕ t¹o NhiÖt ®iÖn trë ®­îc chÕ t¹o tõ hçn hîp oxyt b¸n dÉn ®a tinh thÓ nh­:, , , , , ,. Sù phô thuéc cña ®iÖn trë cña nhiÖt ®iÖn trë theo nhiÖt ®é cho bëi biÓu thøc: (3.22) Trong ®ã R0 lµ ®iÖn trë ë nhiÖt ®é T0 §é nh¹y nhiÖt cã d¹ng: (3.23) V× ¶nh h­ëng cña hµm mò ®Õn ®iÖn trë chiÕm ­u thÕ nªn biÓu thøc (3.22) cã thÓ viÕt l¹i: (3.24) Vµ ®é nh¹y nhiÖt: (3.25) Víi B cã gi¸ trÞ trong kho¶ng 3.000 - 5.000K. 2) CÊu t¹o Hçn hîp bét oxyt ®­îc trén theo tØ lÖ thÝch hîp sau ®ã ®­îc nÐn ®Þnh d¹ng vµ thiªu kÕt ë nhiÖt®é ~ 1000. C¸c d©y nèi kim lo¹i ®­îc hµn t¹i hai ®iÓm trªn bÒ mÆt vµ ®­îc phñ b»ng mét líp kim lo¹i. MÆt ngoµi cã thÓ bäc bëi vá thuû tinh. H×nh 3.7 CÊu t¹o nhiÖt ®iÖn trë cã vá bäc thñy tinh NhiÖt ®iÖn trë cã ®é nh¹y nhiÖt rÊt cao nªn cã thÓ dïng ®Ó ph¸t hiÖn nh÷ng biÕn thiªn nhiÖt ®é rÊt nhá cì - K. KÝch th­íc c¶m biÕn nhá cã thÓ ®o nhiÖt ®é t¹i tõng ®iÓm. NhiÖt dung c¶m biÕn nhá nªn thêi gian håi ®¸p nhá. Tuú thuéc thµnh phÇn chÕ t¹o, d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc cña c¶m biÕn nhiÖt ®iÖn trë tõ vµi ®é ®Õn kho¶ng 300. 3.4. C¶m biÕn nhiÖt ngÉu 3.4.1. HiÖu øng nhiÖt ®iÖn Ph­¬ng ph¸p ®o nhiÖt ®é b»ng c¶m biÕn nhiÖt ngÉu dùa trªn c¬ së hiÖu øng nhiÖt ®iÖn. Ng­êi ta nhËn thÊy r»ng khi hai d©y dÉn chÕ t¹o tõ vËt liÖu cã b¶n chÊt ho¸ häc kh¸c nhau ®­îc nèi víi nhau b»ng mèi hµn thµnh mét m¹ch kÝn vµ nhiÖt ®é hai mèi hµn lµ t vµ t0 kh¸c nhau th× trong m¹ch xuÊt hiÖn mét dßng ®iÖn. Søc ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn do hiÖu øng nhiÖt ®iÖn gäi lµ søc ®iÖn ®éng nhiÖt ®iÖn. NÕu mét ®Çu cña cÆp nhiÖt ngÉu hµn nèi víi nhau, cßn ®Çu thø hai ®Ó hë th× gi÷a hai cùc xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ. HiÖn t­îng trªn cã thÓ gi¶i thÝch nh­ sau: Trong kim lo¹i lu«n lu«n tån t¹i mét nång ®é ®iÖn tö tù do nhÊt ®Þnh phô thuéc b¶n chÊt kim lo¹i vµ nhiÖt ®é. Th«ng th­êng khi nhiÖt ®é t¨ng, nång ®é ®iÖn tö t¨ng. Gi¶ sö ë nhiÖt ®é t0 nång ®é ®iÖn tö trong A lµ NA(t0), trong B lµ NB(t0) vµ ë nhiÖt ®é t nång ®é ®iÖn tö trong A lµ NA(t), trong B lµ NB(t), nÕu NA(t0) > NB(t0) th× nãi chung NA(t) > NB(t). XÐt ®Çu lµm viÖc (nhiÖt ®é t), do NA(t) > NB(t) nªn cã sù khuÕch t¸n ®iÖn tö tõ A -B vµ ë chæ tiÕp xóc xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ eAB(t) cã t¸c dông c¶n trë sù khuÕch t¸n.Khi ®¹t c©n b»ng eAB(t) sÏ kh«ng ®æi. T­¬ng tù t¹i mÆt tiÕp xóc ë ®Çu tù do (nhiÖt ®é t0) còng xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ eAB(t0). Gi÷a hai ®Çu cña mét d©y dÉn còng cã chªnh lÖch nång ®é ®iÖn tö tù do, do ®ã còng cã sù khuÕch t¸n ®iÖn tö vµ h×nh thµnh hiÖu ®iÖn thÕ t­¬ng øng trong A lµ eA(t,t0) vµ trong B lµ eB(t,t0). Søc ®iÖn ®éng tæng sinh ra do hiÖu øng nhiÖt ®iÖn x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc sau: (3.26) V× eA(t0,t) vµ eB(t,t0) nhá vµ ng­îc chiÒu nhau cã thÓ bá qua, nªn ta cã: (3.27) NÕu nhiÖt ®é hai mèi hµn b»ng nhau, ch¼ng h¹n b»ng t0 khi ®ã søc ®iÖn ®éng tæng: (3.28) Hay (3.29) Nh­ vËy: (3.30) Ph­¬ng tr×nh (3.30) gäi lµ ph­¬ng tr×nh c¬ b¶n cña cÆp nhiÖt ngÉu. Tõ ph­¬ng tr×nh (3.30) nhËn thÊy nÕu gi÷ nhiÖt ®é t0 = const th×: (3.31) Chän nhiÖt ®é ë mét mèi hµn t0 = const biÕt tr­íc lµm nhiÖt ®é so s¸nh vµ ®o søc ®iÖn ®éng sinh ra trong m¹ch ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc nhiÖt ®é t ë mèi hµn thø hai. Søc ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt kh«ng thay ®æi nÕu chóng ta nèi thªm vµo m¹ch mét d©y dÉn thø ba (h×nh 3.9) nÕu nhiÖt ®é hai ®Çu nèi cña d©y thø ba gièng nhau. ThËt vËy: - Trong tr­êng hîp a: (3.32) V×: (3.33) Nªn: (3.34) H×nh 3.9 S¬ ®å nèi cÆp nhiÖt víi d©y dÉn thø ba - Tr­êng hîp b: (3.35) V×: (3.36) Nªn: (3.37) NÕu nhiÖt ®é hai ®Çu nèi kh¸c nhau sÏ lµm xuÊt hiÖn søc ®iÖn ®éng ký sinh. 3.4.2. CÊu t¹o cÆp nhiÖt 1) VËt liÖu chÕ t¹o §Ó chÕ t¹o cùc nhiÖt ®iÖn cã thÓ dïng nhiÒu kim lo¹i vµ hîp kim kh¸c nhau. Tuy nhiªn chóng ph¶i ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu sau: - Søc ®iÖn ®éng ®ñ lín (®Ó dÏ dµng chÕ t¹o dông cô ®o thø cÊp). - Cã ®ñ ®é bÒn c¬ häc vµ ho¸ häc ë nhiÖt ®é lµm viÖc. - DÔ kÐo sîi. - Cã kh¶ n¨ng thay lÉn. - Gi¸ thµnh rÏ. H×nh 3.10 biÓu diÔn quan hÖ gi÷a søc ®iÖn ®éng vµ nhiÖt ®é cña c¸c vËt liÖu dïng ®Ó chÕ t¹o ®iÖn cùc so víi ®iÖn cùc chuÈn platin. H×nh 3.10 Søc ®iÖn ®éng cña mét sè vËt liÖu chÕ t¹o ®iÖn cùc 1) Telua 2) Chromel 3) S¾t 4) §ång 5) Graphit 6) Hîp kim platin-ro®i 7) Platin 8) Alumel 9) Niken 10) Constantan 11) Coben - CÆp Platin - Ro®i/Platin: Cùc d­¬ng lµ hîp kim Platin (90%) vµ r«®i (10%), cùc ©m lµ platin s¹ch. NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n cho phÐp tíi 1600 , E® =16,77mV. NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n <1300. §­êng ®Æc tÝnh cã d¹ng bËc hai, trong kho¶ng nhiÖt ®é 0 - 300 th× E ≈ 0. Trong m«i tr­êng cã SiO2 cã thÓ háng ë nhiÖt ®é 1000 - 1100. §­êng kÝnh ®iÖn cùc th­êng chÕ t¹o = 0,5 mm. Do sai kh¸c cña c¸c cÆp nhiÖt kh¸c nhau t­¬ng ®èi nhá nªn lo¹i cÆp nhiÖt nµy. Th­êng ®­îc dïng lµm cÆp nhiÖt chuÈn. - CÆp nhiÖt Chromel/Alumel: Cùc d­¬ng lµ Chromel, hîp kim gåm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe. Cùc ©m lµ Alumen, hîp kim gåm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si). NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n ~1100, E® = 46,16 mV. NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n < 900. §­êng kÝnh cùc φ = 3 mm. - CÆp nhiÖt Chromel/Coben: Cùc d­¬ng lµ chromel, cùc ©m lµ coben lµ hîp kim gåm 56%Cu + 44% Ni. NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n 800, E® = 66 mV. NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n < 600. - CÆp nhiÖt §ång/Coben: Cùc d­¬ng lµ ®ång s¹ch, cùc ©m lµ coben. NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n 600. NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n <300. Lo¹i nµy ®­îc dïng nhiÒu trong thÝ nghiÖm v× dÔ chÕ t¹o. Quan hÖ gi÷a søc ®iÖn ®éng vµ nhiÖt ®é cña mét sè cÆp nhiÖt cho ë h×nh 3.11. H×nh 3.11 Søc ®iÖn ®éng cña mét sè cÆp nhiÖt ngÉu E-Chromel/Constantan R- Platin-Rodi (13%)/Platin J- S¾t/Constantan S- Platin-Rodi (10%)/Platin K- Chromel/Alumel B-Platin-rodi (30%)/ Platin-rodi (6%) 2) CÊu t¹o CÊu t¹o ®iÓn h×nh cña mét cÆp nhiÖt c«ng nghiÖp tr×nh bµy trªn h×nh 3.12. H×nh 3.12 CÊu t¹o cÆp nhiÖt 1) Vá b¶o vÖ 2) Mèi hµn 3) D©y ®iÖn cùc 4) Sø c¸ch ®iÖn 5) Bé phËn l¾p ®Æt 6) VÝt nèi d©y 7) D©y nèi 8) §Çu nèi d©y §Çu lµm viÖc cña c¸c ®iÖn cùc (3) ®­îc hµn nèi víi nhau b»ng hµn v¶y, hµn khÝ hoÆc hµn b»ng tia ®iÖn tö. §Çu tù do nèi víi d©y nèi (7) tíi dông cô ®o nhê c¸c vÝt nèi (6) d©y ®Æt trong ®Çu nèi d©y (8). §Ó c¸ch ly c¸c ®iÖn cùc ng­êi ta dïng c¸c èng sø c¸ch ®iÖn (4), sø c¸ch ®iÖn ph¶i tr¬ vÒ ho¸ häc vµ ®ñ ®é bÒn c¬ vµ nhiÖt ë nhiÖt ®é lµm viÖc. §Ó b¶o vÖ c¸c ®iÖn cùc, c¸c cÆp nhiÖt cã vá b¶o vÖ (1) lµm b»ng sø chÞu nhiÖt hoÆc thÐp chÞu nhiÖt. HÖ thèng vá b¶o vÖ ph¶i cã nhiÖt dung ®ñ nhá ®Ó gi¶m bít qu¸n tÝnh nhiÖt vµ vËt liÖu chÕ t¹o vá ph¶i cã ®é dÉn nhiÖt kh«ng qu¸ nhá nh­ng còng kh«ng ®­îc qu¸ lín. Tr­êng hîp vá b»ng thÐp mèi hµn ë ®Çu lµm viÖc cã thÓ tiÕp xóc víi vá ®Ó gi¶m thêi gian håi ®¸p. 3.4.3. M¹ch ®o vµ dông cô thø cÊp NhiÖt ®é cÇn ®o ®­îc x¸c ®Þnh th«ng qua viÖc ®o søc ®iÖn ®éng sinh ra ë hai ®Çu d©y cña cÆp nhiÖt ngÉu. §é chÝnh x¸c cña phÐp ®o søc ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt ngÉu phô thuéc nhiÒu yÕu tè. Muèn n©ng cao ®é chÝnh x¸c cÇn ph¶i: - Gi¶m thiÓu ¶nh h­ëng cña t¸c ®éng cña m«i tr­êng ®o lªn nhiÖt ®é ®Çu tù do. - Gi¶m thiÓu sù sôt ¸p do cã dßng ®iÖn ch¹y qua c¸c phÇn tö cña c¶m biÕn vµ m¹ch ®o. a) S¬ ®å m¹ch ®o dïng miliv«n kÕ - S¬ ®å: Trªn h×nh 3.13 biÓu diÔn s¬ ®å ®o th«ng dông sö dông miliv«n kÕ tõ ®iÖn. H×nh 3.13 S¬ ®å m¹ch ®o H×nh3.14 S¬ ®å ®o vi sai Khi nhiÖt ®é hai ®Çu tù do (2) vµ (3) b»ng nhau th× søc ®iÖn ®éng trong m¹ch chÝnh lµ søc ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt, nÕu chóng kh¸c nhau th× trong m¹ch xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn ®éng ký sinh ë c¸c mèi nèi vµ lµm sai lÖch kÕt qu¶ ®o. §Ó ®o trùc tiÕp hiÖu nhiÖt ®é gi÷a hai ®iÓm ng­êi ta dïng s¬ ®å ®o vi sai nh­ h×nh 3.14. Trong s¬ ®å nµy, c¶ hai ®Çu 1 vµ 2 cña cÆp nhiÖt lµ ®Çu lµm viÖc t­¬ng øng víi nhiÖt ®é t1 vµ t2. KÕt qu¶ ®o cho phÐp ta x¸c ®Þnh trùc tiÕp gi¸ trÞ cña hiÖu sè hai nhiÖt ®é t1- t2. H×nh 3.15 S¬ ®å m¾c nèi tiÕp H×nh 3.16 HiÖu chØnh nhiÖt ®é ®Çu tù do Tr­êng hîp nhiÖt ®é m«i tr­êng ®o kh«ng kh¸c nhiÒu nhiÖt ®é ®Çu tù do, ®Ó t¨ng ®é nh¹y phÐp ®o cã thÓ m¾c theo s¬ ®å nèi tiÕp n cÆp nhiÖt nh­ h×nh 3.15. Søc ®iÖn ®éng tæng cña bé m¾c nèi tiÕp b»ng . - Bï nhiÖt ®é ®Çu tù do: Th«ng th­êng cÆp nhiÖt ngÉu ®­îc chuÈn víi t0 = øng víi: (3.38) NÕu nhiÖt ®é ®Çu tù do b»ng th× gi¸ trÞ søc ®iÖn ®éng ®o ®­îc: (3.39) Rót ra: (3.40) Hay: (3.41) Gi¸ trÞ lµ l­îng hiÖu chØnh x¸c ®Þnh tõ thang chia ®é cña cÆp nhiÖt ngÉu ®· dïng theo gi¸ trÞ ®o ë nhiÖt ®é ®Çu tù do . D­íi ®©y tr×nh bµy mét sè ph­¬ng ph¸p bï nhiÖt ®é ®Çu tù do. - Dïng d©y bï: §Ó lo¹i trõ ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é ®èi t­îng ®o lªn ®Çu tù do cã thÓ m¾c dông cô ®o theo s¬ ®å h×nh 3.17. (3.42) Chän d©y dÉn C vµ D sao cho khi ®ã (3.43) V× nªn: (3.44) H×nh 3.17 Bï nhiÖt ®é ®Çu tù do b»ng d©y bï - Dïng cÇu bï: Trªn h×nh 3.18 giíi thiÖu s¬ ®å dïng cÇu bï tù ®éng nhiÖt ®é ®Çu tù do. H×nh 3.18 CÇu bï nhiÖt ®é ®Çu tù do CÇu bï gåm ®iÖn trë R1, R2, R3 lµm b»ng manganin (hîp kim chøa 99,4%Cu, 0,6%Ni) cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë b»ng kh«ng, cßn Rd lµm b»ng ®ång cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë . Khi nhiÖt ®é ®Çu tù do t0 = 0, cÇu c©n b»ng UAB=0. Gi¶ sö nhiÖt ®é ®Çu tù do t¨ng lªn t’0, khi ®ã R® t¨ng lªn lµm xuÊt hiÖn mét ®iÖn ¸p Ucd. Ng­êi ta tÝnh to¸n sao cho ®iÖn ¸p nµy bï vµo søc ®iÖn ®éng nhiÖt mét l­îng ®óng b»ng l­îng cÇn hiÖu chØnh, nghÜa lµ Ucd = . Nh­ vËy trªn cöa vµo cña dông cô ®o cã ®iÖn ¸p: (3.45) Sai sè bï cña cÇu tiªu chuÈn khi nhiÖt ®é t0 thay ®æi trong kho¶ng 0 - 50 lµ . - ¶nh h­ëng cña ®iÖn trë m¹ch ®o: XÐt m¹ch ®o dïng miliv«n kÕ ®iÖn tõ (h×nh 3.19). H×nh 3.19 ¶nh h­ëng cña ®iÖn trë m¹ch ®o Gäi: Rt lµ ®iÖn trë cña cÆp nhiÖt. Rd lµ ®iÖn trë d©y nèi. Rv lµ ®iÖn trë trong cña miliv«n kÕ. Khi ®ã ®iÖn ¸p gi÷ hai ®Çu miliv«n kÕ x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: (3.46) Rót ra: (3.47) Theo biÓu thøc (3.47) khi Rv >> R¬t+Rd th×: - ¶nh h­ëng cña Rt: §èi víi cÆp cromen/alumen hoÆc cÆp cromen/coben cã ®iÖn trë Rtkh¸ nhá nªn sù thay ®æi cña nã Ýt ¶nh h­ëng tíi kÕt qu¶ ®o. §èi víi cÆp Pt Rd - Ptcã ®iÖn trë Rt kh¸ lín (~ 15) nªn sù thay ®æi cña nã ¶nh h­ëng ®¸ng kÓ tíi kÕt qu¶ ®o. - ¶nh h­ëng cña Rd: th«ng th­êng Rd kh¸ nhá nªn Ýt ¶nh h­ëng tíi kÕt qu¶ ®o. - ¶nh h­ëng cña Rv : Rv = Rkd + Rf . §iÖn trë phô Rf cña miliv«n kÕ th­êng chÕ t¹o b»ng vËt liÖu cã = 0 nªn kh«ng ¶nh h­ëng, sù thay ®æi Rv khi nhiÖt ®é t¨ng chñ yÕu do sù thay ®æi cña ®iÖn trë khung d©y Rkd (chÕ t¹o b»ng ®ång). §Ó gi¶m sai sè nªn chän Rp/Rkd lín. b) S¬ ®å m¹ch ®o xung ®èi dïng ®iÖn thÕ kÕ Trªn h×nh 3.20 tr×nh bµy s¬ ®å ®o b»ng phư¬ng ph¸p xung ®èi, dùa theo nguyªn t¾c so s¸nh ®iÖn ¸p cÇn ®o víi mét ®iÖn ¸p r¬i trªn mét ®o¹n ®iÖn trë. H×nh 3.20 S¬ ®å ®o b»ng ph­¬ng ph¸p bï Theo s¬ ®å h×nh (3.20a) ta cã: (3.48) (3.49) (3.50) (3.51) NÕu th× Ip = 0, tøc lµ ®iÖn thÕ kÕ chØ kh«ng, khi ®ã ®iÖn ¸p r¬i trªn AB b»ng gi¸ trÞ EX cÇn ®o. Ta cã: (3.52) (3.53) NÕu cè ®Þnh ®­îc I0, L, R ta cã EX phô thuéc ®¬n trÞ vµo l tøc lµ phô thuéc vµo vÞ trÝ con ch¹y cña ®ång hå ®o. Trªn s¬ ®å h×nh (3.20b), EM lµ mét pin mÉu, RM lµ mét ®iÖn trë mÉu b»ng manganin. Khi ®ãng P vµo K th× ®iÖn ¸p r¬i trªn RM ®­îc so s¸nh víi pin mÉu. NÕu kim ®iÖn kÕ chØ kh«ng th× kh«ng cÇn ®iÒu chØnh dßng I0 nÕu kim ®iÖn kÕ lÖch khái kh«ng th× dÞch chuyÓn Rdc ®Ó kim ®iÖn kÕ vÒ kh«ng.Khi ®o ®ãng P vµo D vµ xª dÞch biÕn trë R ®Ó kim ®iÖn kÕ chØ kh«ng, khi ®ã EX = UAB. 3.5. Ho¶ kÕ C¸c c¶m biÕn quang thuéc lo¹i c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é kh«ng tiÕp xóc, gåm: ho¶ kÕ bøc x¹ toµn phÇn, ho¶ kÕ quang häc. 3.5.1. Ho¶ kÕ bøc x¹ toµn phÇn Nguyªn lý dùa trªn ®Þnh luËt: N¨ng l­îng bøc x¹ toµn phÇn cña vËt ®en tuyÖt ®èi tØ lÖ víi luü thõa bËc 4 cña nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña vËt. (3.54) Trong ®ã: lµ h»ng sè, T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña vËt ®en tuyÖt ®èi (K). Th«ng th­êng cã hai lo¹i: ho¶ kÕ bøc x¹ cã èng kÝnh héi tô, ho¶ kÕ bøc x¹ cã kÝnh ph¶n x¹. H×nh 3.21 Ho¶ kÕ bøc x¹ toµn phÇn a) Lo¹i cã èng kÝnh héi tô b) Lo¹i cã kÝnh ph¶n x¹ 1) Nguån bøc x¹ 2) ThÊu kÝnh héi tô 3) G­¬ng ph¶n x¹ 4) Bé ph©n thu n¨ng l­îng 5) Dông cô ®o thø cÊp Trong s¬ ®å h×nh (3.21a): ¸nh s¸ng tõ nguån bøc x¹ (1) qua thÊu kÝnh héi tô (2) ®Ëp tíi bé phËn thu n¨ng l­îng tia bøc x¹ (4), bé phËn nµy ®­îc nèi víi dôngcô ®o thø cÊp (5). Trong s¬ ®å h×nh (3.21b): ¸nh s¸ng tõ nguån bøc x¹ (1) ®Ëp tíi g­¬ng ph¶n x¹ (3) vµ héi tô tíi bé phËn thu n¨ng l­îng tia bøc x¹ (4), bé phËn nµy ®­îc nèi víi dông cô ®o thø cÊp (5). Bé phËn thu n¨ng l­îngcã thÓ lµ mét vi nhiÖt kÕ ®iÖn trë hoÆc lµ mét tæ hîp cÆp nhiÖt, chóng ph¶i tho¶ m·n c¸c yªu cÇu: + Cã thÓ lµm viÖc b×nh th­êng trong kho¶ng nhiÖt ®é 100 - 150. + Ph¶i cã qu¸n tÝnh nhiÖt ®ñ nhá vµ æn ®Þnh sau 3 - 5 gi©y. + KÝch th­íc ®ñ nhá ®Ó tËp trung n¨ng l­îng bøc x¹ vµo ®o. Trªn h×nh 3.22 tr×nh bµy cÊu t¹o cña mét bé thu lµ tæ hîp cÆp nhiÖt. C¸c cÆp nhiÖt(1) th­êng dïng cÆp cr«men/c«ben m¾c nèi tiÕp víi nhau.C¸c vÖt ®en (2) phñ b»ng bét platin. H×nh 3.22 Bé thu n¨ng l­îng 1) CÆp nhiÖt 2)Líp phñ platin Ho¶ kÕ dïng g­¬ng ph¶n x¹ tæn thÊt n¨ng l­îng thÊp ( ~ 10%), ho¶ kÕ dïng thÊu kÝnh héi tô cã thÓ tæn thÊt tíi30 - 40%. Tuy nhiªn lo¹i thø nhÊt l¹i cã nh­îc ®iÓm lµ khi m«i tr­êng nhiÒu bôi, g­¬ng bÞ bÈn, ®é ph¶n x¹ gi¶m do ®ã t¨ng sai sè. Khi ®o nhiÖt ®é b»ng ho¶ kÕ bøc x¹ sai sè th­êng kh«ng v­ît qu¸ 27, trong ®iÒu kiÖn: + VËt ®o ph¶i cã ®é ®en xÊp xØ b»ng 1. + TØ lÖ gi÷a ®­êng kÝnh vËt bøc x¹ vµ kho¶ng c¸ch ®o (D/L) kh«ng nhá h¬n 1/16. + NhiÖt ®é m«i tr­êng . Trong thùc tÕ ®é ®en cña vËt ®o khi ®ã . Th«ng th­êng x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: Víi T lµ l­îng hiÖu chØnh phô thuéc Tvµ ®é ®en cña vËt ®o (h×nh 3.23). Kho¶ng c¸ch ®o tèt nhÊt lµ 1 - 0,2 m. H×nh 3.23 HiÖu chØnh nhiÖt ®é theo ®é ®en 3.5.2. Ho¶ kÕ quang ®iÖn Ho¶ kÕ quang ®iÖn chÕ t¹o dùa trªn ®Þnh luËt Pl¨ng: (3.55) Trong ®ã lµ b­íc sãng, C1, C2 lµ c¸c h»ng sè Nguyªn t¾c ®o nhiÖt ®é b»ng ho¶ kÕ quang häc lµ so s¸nh c­êng ®é s¸ng cña vËt cÇn ®o vµ ®é s¸ng cña mét ®Ìn mÉu ë trong cïng mét b­íc sãng nhÊt ®Þnh vµ theo cïng mét h­íng. Khi ®é s¸ng cña chóng b»ng nhau th× nhiÖt ®é cña chóng b»ng nhau. H×nh 3.24 Sù phô thuéc cña C­êng ®é ¸nh s¸ng vµo b­íc sãng vµ nhiÖt ®é Tõ h×nh 3.24 ta nhËn thÊy sù phô thuéc gi÷a I vµ kh«ng ®¬n trÞ, do ®ã ng­êi ta th­êng cè ®Þnh b­íc sãng ë 0,65m. H×nh 3.25 S¬ ®å ho¶ kÕ quang häc 1) Nguån bøc x¹ 2)VËt kÝnh 3) KÝnh läc 4&6) Thµnh ng¨n 5) Bãng ®Ìn mÉu 7) KÝnh läc ¸nh s¸ng ®á 8) ThÞ kÝnh Khi ®o, h­íng ho¶ kÕ vµo vËt cÇn ®o, ¸nh s¸ng tõ vËt bøc x¹ cÇn ®o nhiÖt ®é (1) qua vËt kÝnh (2), kÝnh läc (3), vµ c¸c v¸ch ng¨n (4), (6), kÝnh läc ¸nh s¸nh ®á (7) tíi thÞ kÝnh (8) vµ m¾t. BËt c«ng t¾c K ®Ó cÊp ®iÖn nung nãng d©y tãc bãng ®Ìn mÉu (5), ®iÒu chØnh biÕn trë Rb ®Ó ®é s¸ng cña d©y tãc bãng ®Ìn trïng víi ®é s¸ng cña vËt cÇn ®o. Sai sè khi ®o: Sai sè do ®é ®en cña vËt ®o < 1. Khi ®ã Tdo x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: (3.56) C«ng thøc hiÖu chØnh: Tdo = Tdoc + T Gi¸ trÞ cña T cho theo ®å thÞ. Ngoµi ra sai sè cña phÐp ®o cßn do ¶nh h­ëng cña kho¶ng c¸ch ®o, tuy nhiªn sai sè nµy th­êng nhá. Khi m«i tr­êng cã bôi lµm bÈn èng kÝnh, kÕt qu¶ ®o còng bÞ ¶nh h­ëng. 3.6 C¶m biÕn nhiÖt hång ngo¹i 3.6.1 Tia hång ngo¹i vµ øng dông ®o nhiÖt ®é Tia hång ngo¹i : lµ bøc x¹ ®iÖn tõ cã b­íc sãng dµi h¬n ¸nh s¸ng nh×n thÊy ®­îc nh­ng ng¾n h¬n tia bøc x¹ viba. Tªn “hång ngo¹i” cã nghÜa lµ d­íi møc ®á BÊt kú c¸c vËt nµo ë nhiÖt ®é nµo còng ph¸t ra tia hång ngo¹i. Tia hång ngo¹i cã ba tÝnh chÊt c¬ b¶n lµ: • T¸c dông nhiÖt. • Cã thÓ g©y nªn hiÖn t­îng quang ®iÖn trong chÊt b¸n dÉn. • Cã t¸c dông lªn mét sè kÝnh ¶nh ®Æc biÖt. ViÖc thu nhËn vµ ®o ®¹c tia hång ngo¹i cã thÓ x¸c ®Þnh nhiÖt cña vËt tõ xa, nÕu chóng lµ nguån ph¸t ra c¸c tia thu ®­îc. H×nh chôp trong phæ hång ngo¹i gäi lµ h×nh ¶nh nhiÖt, hay trong tr­êng hîp vËt rÊt nãng trong NIR hay cã thÓ thÊy ®­îc gäi lµ phÐp ®o nhiÖt. Kü thuËt ®o nhiÖt ®é b»ng tia hång ngo¹i ®­îc dïng chñ yÕu trong qu©n sù vµ øng dông trong c«ng nghiÖp. Kü thuËt nµy hiÖn còng ®ang ®­îc øng dông vµ dÇn quen thuéc víi thÞ tr­êng d©n sù nh­: m¸y ¶nh trªn xe h¬i, camera cã c¶nh b¸o ch¸y, m¸y ®o th©n nhiÖt, nhiÖt kÕ ®iÖn tö ... NhiÖt hay n¨ng l­îng hång ngo¹i lµ mét ¸nh s¸ng kh«ng nh×n thÊy ®­îc do b­íc sãng cña nã qu¸ dµi mµ m¾t ng­êi kh«ng thÓ b¾t ®­îc, ®ã lµ phÇn cña phæ ®iÖn tõ mµ chóng ta biÕt nh­ nhiÖt. Kh«ng gièng nh­ ¸nh s¸ng th­êng cã thÓ nh×n thÊy ®­îc trong thÕ giíi hång ngo¹i, mäi vËt cã nhiÖt ®é trªn nhiÖt ®é kh«ng tuyÖt ®èi ®Òu ph¸t x¹ nhiÖt thËm chÝ cã nh÷ng vËt rÊt l¹nh nh­ b¨ng ®¸ còng ph¸t ra nhiÖt. NhiÖt ®é cµng cao th× bøc x¹ nhiÖt hång ngo¹i cµng lín 3.6.2 C¶m biÕt nhiÖt hång ngo¹i 1. C¶m biÕn nhiÖt hång ngo¹i omron H×nh 3.26. C¶m biÕn nhiÖt hång ngo¹i ES1B B¶ng: Th«ng sè kü thuËt cña c¶m biÕn ES1B: Th«ng sè C¶m biÕn ES1B §iÖn ¸p cÊp 12 ~ 24VDC Dßng tiªu thô 20mA max D¶i nhiÖt ®é ®o 1070oC,60120oC,115165oC,140260oC §é chÝnh x¸c 2oC TÝn hiÖu ra 4 ~ 20 mA DC B­íc sãng ®o 6.5 to 14.0 m PhÇn tö nhËn Pin nhiÖt ®iÖn Tèc ®é ®¸p øng 300 ms ở tốc độ phản ứng của 63% Trë kh¸ng ®Çu ra 1 to 4 k NhiÖt ®é lµm viÖc -25 oC ®Õn 70 oC §é Èm m«i tr­êng cho phÐp 35% ®Õn 85% Vá bäc vËt liÖu Nhùa ABS Møc ®é b¶o vÖ IP65 H×nh 3.27 Mét sè c¶m biÕn nhiÖt hång ngo¹i ES1C-A40 B¶ng: Th«ng sè kü thuËt cña c¶m biÕn ES1C-A40 Th«ng sè kü thuËt C¶m biÕn ES1C-A40 Nguån cÊp 12~24VDC Kho¶ng nhiÖt ®é ®o 0400oC §é chÝnh x¸c 0 ~ 200°C: ±2°C, 201 ~ 400°C: ±1% (emissivity: 0.95) Làm việc với bề mặt bức xạ 0.95 (cố định) Bước sóng 8 đến 14 µm Phần tử đo Pin nhiÖt ®iÖn Thermopile Đáp ứng 100 ms/90% Ngâ ra 4 ~ 20 mA DC, tải: 250 Ω max. Nhiệt độ làm việc 0°C đến 70°C Vỏ bọc IP67 2. C¶m biÕn nhiÖt hång ngo¹i Optex H×nh 3.28 C¶m biÕn nhiÖt hång ngo¹i optex BA-06, BA30 B¶ng: Th«ng sè kü thuËt c¶m biÕn nhiÖt optex Th«ng sè BA-06TV BA-06TA BA-30TV BA-30TA D¶i nhiÖt ®é ®o 0-500 oC Gãc më 6/200mm 30/1000mm PhÇn tö ®o Pin nhiÖt ®iÖn Thêi gian ®¸p øng 500ms/90% §é chÝnh x¸c ± 1% gi¸ trị đọc hoặc ± 2oC, tuỳ điều kiện nào là lớn hơn (ε = 1.0) §é ph©n gi¶i 1oC gi¸ trÞ ®äc Ngâ ra 1mV/oC 4-20mA 1mV/oC 4-20mA Nguån cÊp DC12~24V 10%, MAX150mA NhiÖt ®é lµm viÖc 0~50oC Vá bäc IP65 Robot cøu háa cã nhiÖm vô x¸c ®Þnh nhiÖt ®é tõ xa vµ khi cã ch¸y ph¶i kÞp thêi xö lý ®µm ch¸y mÆt kh¸c robot kh«ng thÓ tiÕp xóc tùc tiÕp víi löa do ®ã kh«ng thÓ sö dông ph­¬ng ph¸p ®o nhiÖt ®é tiÕp xóc mµ ph¶i ®o nhiÖt ®é tõ xa dïng ph­¬ng ph¸p ®o nhiÖt ®é kh«ng tiÕp xóc. Ch­¬ng IV x©y dùng m« h×nh robot cøu háa dùa trªn ph­¬ng ph¸p ®o nhiÖt ®é tõ xa sö dông vi ®iÒu khiÓn 8051 4.1 S¬ ®å khèi cña robot cøu háa Robot cøu háa ®­îc x©y dùng d­a trªn s¬ ®å khèi ®­îc minh häa trªn h×nh 4.1 Cảm biến Phần tử chấp hành Khuếch đại c«ng suất Nguồn Điều khiển H×nh 4.1 S¬ ®å khèi m« h×nh robot cøu háa * Chøc n¨ng vµ ®Æc ®iÓm cña tõng khèi thµnh phÇn - Khèi nguån: Gåm c¸c ®iÖn ¸p ®Çu ra +5V, +12V vµ +24V ®Ó cung cÊp cho khèi xö lý trung t©m vµ khèi khuÕch ®¹i c«ng suÊt lµm viÖc. - Khèi khuÕch ®¹i c«ng suÊt: Sö dông c¸c m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt ®¶m b¶o cung cÊp ®ñ c«ng suÊt cho c¸c ®éng c¬ lµm viÖc. - Khèi phÇn tö chÊp hµnh: Lµ c¸c ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu cã hép gi¶m tèc, ®éng c¬ khÝ nÐn... t¹o sù ho¹t ®éng cho robot. - Khèi ®iÒu khiÓn: Lµ V§K cã nhiÖm vô thu thËp tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn tõ khèi thu ph¸t, c¸c tÝn hiÖu thu vÒ tõ c¸c sensor... gi¶i m· vµ t¹o tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn cho khèi tiÕp sau, xö lý vµ göi tÝn hiÖu ph¶n håi vÒ trung t©m ®iÒu khiÓn. - Khèi c¶m biÕn: Thu thËp, x¸c ®Þnh c¸c dÊu hiÖu vÒ tr¹ng th¸i nhiÖt ®é, sau ®ã göi vÒ khèi xö lý trung t©m ®Ó tiÕp tôc xö lý. 4.2 ThiÕt kÕ c¸c modul theo m« h×nh robot cøu háa 4.2.1. ThiÕt kÕ modul chÊp hµnh Modul chÊp hµnh trªn robot cøu háa lµ c¸c motor DC ®iÒu khiÓn b¸nh tr¸i, b¸nh ph¶i, motor b¬m n­íc, motor ®iÒu khiÓn ®Çu dß nhiÖt 1. §éng c¬ ®iÖn mét chiÒu vµ c¸c ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn §éng c¬ mét chiÒu (cßn gäi lµ ®éng c¬ DC) th­êng ®­îc sö dông réng r·i trong c¸c hÖ truyÒn ®éng cÇn thay ®æi tèc ®é khëi ®éng, h·m vµ ®¶o chiÒu, mét sè øng dông cña ®éng c¬ mét chiÒu nh­ chuyÒn ®éng cho xe ®iÖn, m¸y c«ng cô, m¸y vËn chuyÓn, m¸y c¸n, m¸y nghiÒn (trong c«ng nghiÖp giÊy). a. §Æc tÝnh tÜnh cña ®éng c¬ mét chiÒu H×nh 4.2. Mét sè ®éng c¬ DC th«ng dông Víi ®éng c¬ DC kÝch tõ ®éc lËp, dßng phÇn øng vµ dßng kÝch tõ cã thÓ ®iÒu khiÓn ®éc lËp víi nhau. Víi ®éng c¬ kÝch tõ song song, phÇn øng vµ cuén kÝch tõ ®­îc ®Êu víi nguån cung cÊp. V× vËy, víi lo¹i ®éng c¬ nµy, dßng phÇn øng hoÆc dßng kÝch tõ chØ cã thÓ ®iÒu khiÓn ®éc lËp b»ng c¸ch thay ®æi ®iÖn trë phô trong m¹ch phÇn øng hoÆc m¹ch kÝch tõ. Tuy nhiªn, ®©y lµ c¸ch ®iÒu khiÓn cã hiÖu suÊt thÊp. Víi ®éng c¬ kÝch tõ nèi tiÕp, dßng phÇn øng còng lµ dßng kÝch tõ, vµ do ®ã, tõ th«ng ®éng c¬ lµ mét hµm cña dßng ph¶n øng. Víi ®éng c¬ kÝch tõ hæn hîp, cÇn ®Êu nèi sao cho søc tõ ®éng cña cuén nèi tiÕp cïng chiÒu víi søc tõ ®éng cña cuén song song. H×nh 4.3. C¸c kiÓu ®Êu nèi ®éng c¬ mét chiÒu th«ng dông Ph­¬ng tr×nh c¬ b¶n cña ®éng c¬ mét chiÒu lµ: E= K.F.w (4-1) V= E + R¦.I¦ (4-2) M = KFI¦ (4-3) Trong ®ã: - F: tõ th«ng trªn mçi cùc (Wb) - I­: dßng phÇn øng (A) - V: ®iÖn ¸p phÇn øng (V) - R¦: §iÖn trë phÇn øng (#) - w : tèc ®é ®éng c¬ (rad/s) - M: momen do ®éng c¬ sinh ra (Nm) - K: h»ng sè, phô thuéc cÊu tróc ®éng c¬ Tõ c«ng thøc (3.1) vµ (3.3), ta cã: (4-4) HoÆc (4-5) L­u ý lµ c¸c c«ng thøc (4-1) ®Õn (4-5) cã thÓ ¸p dông cho tÊt c¶ c¸c lo¹i ®éng c¬ mét chiÒu ®· kÓ ë trªn. Víi ®éng c¬ mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp, nÕu ®iÖn ¸p kÝch tõ ®­îc duy tr× kh«ng ®æi, cã thÓ gi¶ thiÕt r»ng tõ th«ng ®éng c¬ kh«ng ®æi khi momen déng c¬ thay ®æi. Khi ®ã ta cã: KF = constant (4-6) Nh­ vËy theo (4-5), ®Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp lµ mét ®­êng th¼ng, nh­ vÏ trªn h×nh 4.4. Tèc ®é kh«ng t¶i cña ®éng c¬ x¸c ®Þnh bëi ®iÖn ¸p cung cÊp V vµ tõ th«ng kÝch tõ KF. Tèc ®é ®éng c¬ suy gi¶mkhi momen t¶i t¨ng vµ ®é æn ®Þnh tèc ®é phô thuéc vµo ®iÖn trë phÇn øng R­. Trong thùc tÕ, do ph¶n øng phÇn øng, tõ th«ng ®éng c¬ gi¶m khi momen t¨ng, dÉn ®Õn tèc ®é ®éng c¬ suy gi¶m Ýt h¬n lµ tÝnh to¸n theo c«ng thøc (4-5). Víi momen lín, tõ th«ng cã thÓ suy gi¶m ®Õn møc ®é dèc ®Æt tÝnh c¬ trë nªn d­¬ng dÉn ®Õn ho¹t ®éng kh«ng æn ®Þnh. V× vËy, cuén bï th­êng hay ®­îc sö dông ®Ó lµm gi¶m hiÖu øng khö tõ cña ph¶n øng phÇn øng. Víi ®éng c¬ c«ng suÊt trung b×nh, ®é sôt tèc khi t¶i ®Þnh møc so víi khi kh«ng t¶i kho¶ng 50%. Víi ®éng c¬ mét chiÒu kÝch tõ nèi tiÕp, tõ th«ng F lµ mét hµm cña dßng phÇn øng. NÕu gi¶ thiÕt ®éng c¬ ho¹t ®éng trong vïng tuyÕn tÝnh cña ®Æc tÝnh tõ hãa, cã thÓ xem lµ tõ th«ng tû lÖ bËc nhÊt víi dßng phÇn øng, nghÜa lµ : F = KktI (4-7) Thay (4-7) vµo (4-1),(4-4) vµ (4-5), ta ®­îc : M = K.Kkt.I2¦ (4- 8) (4 - 9) L­u ý lµ R­ lóc nµy lµ tæng cña ®iÖn trë m¹ch phÇn øng vµ ®iÖn trë cuén kÝch tõ H×nh4.4. §Æc tÝnh cña c¸c lo¹i ®éng c¬ DC §Æc tÝnh c¬ ®éng c¬ mét chiÒu kÝch tõ nèi tiÕp ®­îc vÏ trªn h×nh 4.4. Cã thÓ thÊy r»ng tèc ®é ®éng c¬ suy gi¶m nhiÒu theo momen t¶i. Tuy nhiªn trong thùc tÕ, c¸c ®éng c¬ tiªu chuÈn th­êng ®­îc thiÕt kÕ lµm viÖc t¹i c¸c c¸nh chá (knee- point) cña ®Æt tÝnh tõ hãa khi mang t¶i ®Þnh møc. Víi t¶i trªn ®Þnh møc, m¹ch tõ ®éng c¬ b¶o hßa, khi ®ã tõ th«ng F kh«ng thay ®æi nhiÒu theo dßng t¶i I­ dÉn ®Õn ®Æt tÝnh c¬ tiÖm cËn víi ®­êng th¼ng. §éng c¬ mét chiÒu kÝch tõ nèi tiÕp thÝch hîp cho c¸c øng dông ®ßi hái momen khëi ®éng cao vµ cã thÓ qu¸ t¶i nÆng. Víi momen t¶i t¨ng, tõ th«ng ®éng c¬ còng t¨ng theo. Nh­ vËy víi cïng mét l­îng gia t¨ng cña momen nh­ nhau, dßng phÇn øng I­ cña ®éng c¬ mét chiÒu kÝch tõ nè tiÕp sÏ t¨ng Ýt h¬n so víi ®éng c¬ kÝch tõ ®éc lËp. Do ®ã, trong ®iÒu kiÖn qu¸ t¶i nÆng, sù qu¸ t¶i cña nguån cung cÊp vµ sù qu¸ nhiÖt cña ®éng c¬ còng Ýt h¬n so víi ®éng c¬ kÝch tõ ®éc lËp. Theo c«ng thøc (4-8) , tèc ®é ®éng c¬ kÝch tõ nèi tiÕp tû lÖ nghÞch víi c¨n bËc hai cña momen. vËn tèc ®éng c¬ khi kh«ng t¶i cã thÓ t¨ng lªn rÊt cao, chØ bÞ h¹n chÕ bëi tõ d­ cña ®éng c¬ vµ cã thÓ gÊp hµng chôc lÇn tèc ®é ®Þnh møc. §iÒu nµy lµ kh«ng cho phÐp víi m¸y ®iÖn th­êng chØ cho phÐp ho¹t ®éng gÊp 2 lÇn tèc ®é ®Þnh møc. Do ®ã, ®éng c¬ kÝch tõ nèi tiÕp kh«ng ®­îc dïng víi c¸c øng dông trong ®ã momen t¶i cã thÓ nhá ®Õn møc lµm tèc ®é ®éng c¬ v­ît qu¸ møc giíi h¹n cho phÐp. §Æc tÝnh cña ®éng c¬ mét chiÒu kÝch tõ hçn hîp cã d¹ng nh­ biÓu diÔn trªn (h×nh 4.4). Tèc ®é kh«ng t¶i cña ®éng c¬ phô thuéc vµo dßng kÝch tõ qua cuén song song, trong khi ®é dèc ®Æc tÝnh c¬ phô thuéc vµo sù phèi hîp gi÷a cuén song song vµ cuén nèi tiÕp. §éng c¬ kÝch tõ hçn hîp ®­îc sö dông trong nh÷ng øng dông cÇn cã ®Æc tÝnh c¬ t­¬ng tù ®éng c¬ kÝch tõ nèi tiÕp ®ång thêi cÇn h¹n chÕ tèc ®é kh«ng t¶i ë mét gi¸ trÞ giíi h¹n thÝch hîp. Còng cÇn l­u ý c¸c ®Æc tÝnh c¬ ®Ò cËp trªn (h×nh 4.4) lµ ®Æc tÝnh c¬ tù nhiªn cña ®éng c¬, nghÜa lµ c¸c ®Æc tÝnh nµy nhËn ®­îc khi ®éng c¬ ho¹t ®éng víi ®iÖn ¸p cung cÊp vµ tõ th«ng ®Þnh møc, vµ kh«ng cã ®iÖn trë phô nµo trong m¹ch phÇn øng hoÆc kÝch tõ. b. C¸c ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn Tõ c«ng thøc (4-5) biÓu diÔn quan hÖ gi÷a tèc ®é - momen ®éng c¬, cã thÓ thÊy r»ng tèc ®é ®éng c¬ cã thÓ ®­îc ®iÒu khiÓn b»ng ba ph­¬ng ph¸p sau: - §iÒu khiÓn ®iÖn ¸p phÇn øng. - §iÒu khiÓn tõ th«ng - §iÒu khiÓn ®iÖn trë phÇn øng * §iÒu khiÓn ®iÖn ¸p phÇn øng §Æc tÝnh c¬ tÜnh cña ®éng c¬ kÝch tõ ®éc lËp vµ kÝch tõ nèi tiÕp khi ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p cung cÊp cho phÇn øng ®éng c¬ ®­îc vÏ trªn h×nh 4.3(a) vµ (b). C¸c ®Æc tÝnh nµy suy ra tõ c«ng thøc (4-5) víi ®iÖn ¸p V thay ®æi. B»ng c¸ch thay ®æi ®iÖn ¸p phÇn øng, ®éng c¬ cã thÓ lµm viÖc t¹i bÊt k× tèc ®é, momen nµo n»m gi÷a ®­êng ®Æc tÝnh c¬ tù nhiªn vµ trôc momen. V× ®iÖn ¸p phÇn øng chØ cã thÓ ®iÒu chØnh d­íi ®Þnh møc, ph­¬ng ph¸p nµy chØ dïng ®Ó ®iÒu chØnh ®éng c¬ ho¹t ®éng víi c¸c ®Æc tÝnh thÊp h¬n ®Æc tÝnh c¬ tù nhiªn TÝnh chÊt quan träng cña ph­¬ng ph¸p nµy lµ ®é cøng ®Æc tÝnh c¬ kh«ng thay ®æi khi tèc ®é ®éng c¬ ®­îc ®iÒu chØnh. §iÒu nµy khiÕn hÖ cã kh¶ n¨ng ®¸p øng víi t¶i cã momen h»ng sè v× dßng phÇn øng cùc ®¹i cho phÐp I­max - t­¬ng øng víi nã lµ momen t¶i cùc ®¹i cho phÐp cña ®éng c¬ kh«ng ®æi víi mäi tèc ®é. H×nh 4.5. C¸c ®Æc tÝnh c¬ khi ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p phÇn øng cña ®éng c¬ DC * §iÒu khiÓn tõ th«ng §iÒu khiÓn tõ th«ng ®­îc sö dông khi cÇn t¨ng tèc ®é lµm viÖc cña ®éng c¬ cao h¬n tèc ®é ®Þnh møc. Cã thÓ thÊy ®iÒu ®ã qua c«ng thøc (4-5). §Æc tÝnh tÜnh cña ®éng c¬ kÝch tõ ®éc lËp vµ kÝch tõ nèi tiÕp khi ®iÒu khiÓn tõ th«ng ®­îc biÓu diÔn lÇn l­ît trªn h×nh 4.5 b»ng c¸c ®­êng nÐt ®øt. L­u ý lµ ®é cøng ®Æc tÝnh c¬ gi¶m nhanh khi gi¶m tõ th«ng.Tèc ®é cao cña ®éng c¬ ®¹t ®­îc khi gi¶m tõ th«ng bÞ h¹n chÕ bëi: - Sù kh«ng æn ®Þnh cña ®éng c¬ g©y ra bëi ¶nh h­ëng cña ph¶n øng phÇn øng - Giíi h¹n vÒ mÆt c¬ khÝ cña ®éng c¬: c¸c ®éng c¬ th«ng th­êng cho phÐp tèc ®é ®¹t ®Õn 1,5- 2 lÇn tèc ®é ®Þnh møc. - Mét sè ®éng c¬ chÕ t¹o ®Æc biÖt cho phÐp tèc ®é cao nhÊt ®¹t tíi 6 lÇn ®Þnh møc. §èi víi ®éng c¬ DC kÝch tõ ®éc lËp vµ song song, c«ng suÊt cùc ®¹i cho phÐp cña ®éng c¬ gÇn nh­ kh«ng ®æi víi mäi tèc ®é khi ®iÒu khiÓn tõ th«ng.Cã thÓ thÊy ®iÒu nµy nÕu gi¶ thiÕt lµ dßng cùc ®¹i cho phÐp, I cña ®éng c¬ kh«ng thay ®æi khi ®iÒu chØnh tõ th«ng vµ ®iÖn ¸p cung cÊp cho phÇn øng, V lµ ®Þnh møc. Khi ®ã, søc ®iÖn ®éng cña ®éng c¬, E = V - RI lµ h»ng sè. V× vËy c«ng suÊt ®iÖn tõ cùc ®¹i cho phÐp cña ®éng c¬ lµ EI, sÏ lµ h»ng sè, vµ momen cùc ®¹i cho phÐp cña ®éng c¬ sÏ biÕn thiªn tØ lÖ nghÞch víi tèc ®é. L­u ý lµ trong thùc tÕ, gi¶ thiÕt dßng phÇn øng cùc ®¹i cho phÐp I kh«ng thay ®æi khi gi¶m tõ th«ng chØ lµ gÇn ®óng. T¸c ®éng cña ph¶n øng phÇn øng cµng lín khi tõ th«ng cµng gi¶m, do ®ã, dßng phÇn øng cùc ®¹i cho phÐp cÇn gi¶m xuèng ®Ó kh«ng sinh ra tia löa ®iÖn qu¸ møc trªn cæ gãp. §iÒu nµy dÉn ®Õn viÖc gi¸ trÞ thùc tÕ cña I sÏ gi¶m xuèng khi tèc ®é t¨ng cao. Víi ®éng c¬ DC kÝch tõ ®éc lËp, viÖc ®iÒu khiÓn kÝch tõ ®­îc thùc hiÖn b»ng c¸ch thay ®æi ®iÖn ¸p kÝch tõ víi bé chØnh l­u cã ®iÒu khiÓn hoÆc bé chopper, tuú theo nguån cung cÊp ®­îc sö dông lµ AC hoÆc DC. Víi ®éng c¬ c«ng suÊt nhá, còng cã thÓ nèi tiÕp biÕn trë vµo m¹ch kÝch tõ ®Ó ®iÒu khiÓn tõ th«ng. Víi ®éng c¬ DC kÝch tõ nèi tiÕp, viÖc ®iÒu khiÓn tõ th«ng ®­îc thùc hiÖn b»ng c¸ch thay ®æi ®iÖn trë song song víi cuén kÝch tõ. Mét sè ®éng c¬ kÝch tõ nèi tiÕp cã cuén kÝch tõ nhiÒu ®Çu ra, vµ do ®ã cã thÓ thay ®æi tõ th«ng b»ng c¸ch thay ®æi sè vßng d©y cuén kÝch tõ. * §iÒu khiÓn hçn hîp ®iÖn ¸p phÇn øng vµ tõ th«ng kÝch tõ Ph­¬ng ph¸p nµy ®­îc sö dông khi cÇn thiÕt ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ trong mét d¶i réng trªn vµ d­íi tèc ®é ®Þnh møc. Tèc ®é d­íi tèc ®é ®Þnh møc ®­îc ®iÒu khiÓn b»ng c¸ch thay ®æi ®iÖn ¸p phÇn øng trong khi gi÷ kÝch tõ ë gi¸ trÞ ®Þnh møc. Tèc ®é trªn ®Þnh møc ®­îc ®iÒu khiÓn b»ng c¸ch thay ®æi ®iÖn ¸p kÝch tõ .Giíi h¹n cña momen vµ c«ng suÊt ra khi ®iÒu khiÓn hçn hîp ®iÖn ¸p phÇn øng vµ tõ th«ng kÝch tõ ®­îc vÏ trªn h×nh 4.6. H×nh 4.6. Giíi h¹n momen, tèc ®é khi ®iÒu chØnh hçn hîp ®iÖn ¸p vµ tõ th«ng * §iÒu khiÓn ®iÖn trë phÇn øng H×nh 4.7 biÓu diÔn ®Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ DC kÝch tõ ®éc lËp vµ nèi tiÕp khi ®iÒu khiÓn tèc ®é b»ng c¸ch thªm ®iÖn trë phô vµo phÇn øng. KhuyÕt ®iÓm chÝnh cña ph­¬ng ph¸p nµy lµ cã hiÖu suÊt cña hÖ thèng rÊt kÐm vµ ®é cøng ®Æc tÝnh c¬ thÊp, nhÊt lµ khi ho¹t ®éng ë tèc ®é thÊp. Do ®ã, ph­¬ng ph¸p nµy hiÖn nay Ýt ®­îc sö dông ®Ó ®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬, trõ c¸c tr­êng hîp: - Khëi ®éng ®éng c¬ - Thay ®æi tèc ®é ®éng c¬ trong mét thêi gian ng¾n trong chÕ ®é ng¾n h¹n hoÆc chÕ ®é ng¾n h¹n lÆp l¹i. H×nh 4.7. §Æc tÝnh ®éng c¬ DC khi thªm ®iÖn trë phô vµo phÇn øng 2. Khëi ®éng vµ c¸c tr¹ng th¸i h·m + Khëi ®éng Dßng phÇn øng cña ®éng c¬ DC trong qu¸ tr×nh qu¸ ®é, nh­ chÕ ®é khëi ®éng, cÇn ®­îc giíi h¹n ®Ó tr¸nh ph¸t sinh tia löa ®iÖn qu¸ møc trªn cæ gãp ®éng c¬. Th«ng th­êng, víi ®éng c¬ kh«ng cã cuén bï, dßng nµy giíi h¹n ë møc hai lÇn dßng ®Þnh møc. Víi ®éng c¬ cã cuén bï hoÆc thiÕt kÕ ®Æc biÖt, dßng nµy cho phÐp lªn ®Õn 3.5 lÇn dßng ®Þnh møc. Khi cÊp ®iÖn ¸p ®Þnh møc trùc tiÕp trong chÕ ®é khëi ®éng, dßng phÇn øng ®éng c¬ DC cã thÓ lªn ®Õn 20 lÇn dßng ®Þnh møc. Dßng khëi ®éng nµy g©y ra ph¸t sinh tia löa ®iÖn qu¸ møc trªn cæ gãp vµ ph¸t nhiÖt trong cuén d©y phÇn øng. Dßng khëi ®éng ®éng c¬, do ®ã, cÇn ®­îc h¹n chÕ b»ng c¸ch gi¶m ®iÖn ¸p ®Æt lªn phÇn øng. Trong thùc tÕ, c¸c bé biÕn ®æi dïng ®Ó ®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬ còng ®­îc sö dông ®Ó h¹n chÕ dßng ®éng c¬ khi khëi ®éng. C¸c bé biÕn ®æi nµy th­êng cã kh¶ n¨ng h¹n chÕ dßng ®iÖn trong qu¸ tr×nh qu¸ ®é. Trong c¸c øng dông kh«ng sö dông c¸c bé biÕn ®æi, mét bé ®iÖn trë khëi ®éng ®­îc thªm vµo m¹ch phÇn øng ®éng c¬ khi khëi ®éng ®Ó h¹n chÕ dßng. C¸c ®iÖn trë trong bé ®iÖn trë khëi ®éng lÇn l­ît ®­îc c¾t ra( hoÆc nèi t¾t) trong qu¸ tr×nh khëi ®éng, vµ ®­îc tÝnh chän sao cho dßng qua ®éng c¬ ®­îc h¹n chÕ ë møc cho phÐp, trong khi vÉn ®¶m b¶o momen ®éng c¬ sinh ra ®ñ ®Ó gia tèc ®éng c¬. + C¸c tr¹ng th¸i h·m Trong chÕ ®é h·m, ®éng c¬ ho¹t ®éng ë chÕ ®é m¸y ph¸t: nhËn n¨ng l­îng t¶i vµ biÕn thµnh ®iÖn n¨ng. Tuú theo c¸ch tiªu t¸n n¨ng l­îng nµy, ta cã ph­¬ng ph¸p h·m kh¸c nhau: h·m ®éng n¨ng , h·m t¸i sinh ,h·m ng­îc. Trong chÕ ®é h·m t¸i sinh, ®éng c¬ nhËn n¨ng l­îng tõ t¶i, biÕn thµnh ®iÖn n¨ng vµ tr¶ vÒ l­íi. §©y lµ ph­¬ng ph¸p h·m cã hiÖu suÊt cao nhÊt. 3. TÝnh chän c«ng suÊt ®éng c¬ V× phô t¶i lµm viÖc ng¾n h¹n, nªn chóng ta chän ®éng c¬ ng¾n h¹n lµm viÖc víi phô t¶i ng¾n h¹n. * C¸c th«ng sè ®· biÕt - Träng l­îng robot m1 = 3 Kg - Träng l­îng b×nh n­íc m2 =1kg - VËn tèc xe (v = 50 cm/s = 0,5 m/s) - VËn tèc quay ®Çu dß nhiÖt (v = 10 cm/s = 0,1 m/s) - VËn tèc puly b¬m n­íc (v = 20 cm/s = 0,2 m/s) - §­êng kÝnh b¸nh xe D1 = 0,12 m - §­êng kÝnh ®Üa quay ®Çu dß nhiÖt D2 = 0,05 m - HÖ sè ma s¸t gi÷a b¸nh xe víi mÆt s©n (Chän gi÷a cao su víi g¹ch) k = 0,6 * TÝnh to¸n chän ®éng c¬ b¸nh xe N P Fms Fms r B¸nh xe H×nh 4.8. Lùc t¸c ®éng lªn b¸nh xe C«ng suÊt cña ®éng c¬. - Ta cã m« men qu¸n tÝnh Tæng khèi l­îng cña robot lµ m = m1+m2 = 3+1 = 4Kg (4.10) (N) (N.m) - Khi xÐt tíi sù tr­ît cña b¸nh xe vµ ma s¸t æ ®ì ta cã: , chän h= 0,9 ta cã (N.m) M« men c¶n quy ®æi vÒ trôc ®éng c¬ víi Kr = 10 tû sè truyÒn Chän m« men ®éng c¬ sao cho M > MC Ta cã M = K®.MC , víi K®=2 lµ hÖ sè chän ®éng c¬ C«ng suÊt ®éng c¬ - P = M.w , víi => P = 0,17.83,3 = 14,2 (W) C«ng suÊt ®iÖn (W) , chän h = 90 % Ta chän c«ng suÊt ®éng c¬ 2 b¸nh xe cã c«ng suÊt ®iÖn ³ 16,67 (W) * TÝnh to¸n chän ®éng c¬ quay ®Çu dß nhiÖt Ta cã träng l­îng cña c¶m biÕn lµ m3 = 350(g) = 0,35(Kg) Träng lùc t¸c dông lªn trôc ®éng c¬ lµ : P = m3.g = 0,35.10 = 3,5(N) (N.m) C«ng suÊt cña ®éng c¬ quay ®Çu dß nhiÖt. Pc¬ = Mquay. w1 = Mquay.(W) C«ng suÊt ®iÖn cña ®éng c¬ quay ®Çu dß nhiÖt P® = (W) 4. TÝnh chän linh kiÖn ®iÒu khiÓn c«ng suÊt ®éng c¬ * Mét sè m¹ch ®iÖn ®iÒu khiÓn ®éng c¬ DC - M¹ch cÇu H dïng relay  Relay lµ mét d¹ng “c«ng t¾c” (switch) c¬ ®iÖn (electrical mechanical device). Gäi lµ c«ng t¾c c¬ ®iÖn v× chóng gåm c¸c tiÕp ®iÓm c¬ ®­îc ®iÒu khiÓn ®ãng më b»ng dßng ®iÖn. Víi kh¶ n¨ng ®ãng më c¸c tiÕp ®iÓm, r¬ le ®óng lµ mét lùa chän tèt ®Ó lµm khãa cho m¹ch cÇu H. Thªm n÷a chóng l¹i ®­îc ®iÒu khiÓn b»ng tÝn hiÖu ®iÖn, nghÜa lµ chóng ta cã thÓ dïng AVR (hay bÊt kú chip ®iÒu khiÓn nµo) ®Ó ®iÒu khiÓn r¬ le, qua ®ã ®iÒu khiÓn m¹ch cÇu H. H·y quan s¸t cÊu t¹o vµ h×nh d¸ng cña mét lo¹i r¬ le th«ng dông trong h×nh 3.15. H×nh 4.9. CÊu t¹o vµ h×nh d¸ng r¬ le. H×nh 4.9 (phÝa trªn) m« t¶ cÊu t¹o cña 1 r¬ le 2 tiÕp ®iÓm. Cã 3 cùc trªn r¬ le nµy. Cùc C gäi lµ cùc chung (Common), cùc NC lµ tiÕp ®iÓm th­êng ®ãng (Normal Closed) vµ NO lµ tiÕp ®iÓm th­êng më (Normal Open). Trong ®iÒu kiÖn b×nh th­êng, khi r¬ le kh«ng ho¹t ®éng, do lùc kÐo cña lß xo bªn tr¸i thanh nam ch©m sÏ tiÕp xóc víi tiÕp ®iÓm NC t¹o thµnh mét kÕt nèi gi÷a C vµ NC, chÝnh v× thÕ NC ®­îc gäi lµ  tiÕp ®iÓm th­êng ®ãng (b×nh th­êng ®· ®ãng). Khi mét ®iÖn ¸p ®­îc ¸p vµo 2 ®­êng kÝch Solenoid (cuén d©y cña nam ch©m ®iÖn), nam ch©m ®iÖn t¹o ra 1 lùc tõ kÐo thanh nam ch©m xuèng, lóc nµy thanh nam ch©m kh«ng tiÕp xóc víi tiÕp ®iÓm NC n÷a mµ chuyÓn sang tiÕp xóc víi tiÕp ®iÓm NO t¹o thµnh mét kÕt nèi gi÷a C vµ NO. Ho¹t ®éng nµy t­¬ng tù 1 c«ng t¾c chuyÓn ®­îc ®iÒu khiÓn bëi ®iÖn ¸p kÝch Solenoid. Mét ®Æc ®iÓm rÊt quan träng trong c¸ch ho¹t ®éng “®ãng – më” cña r¬ le lµ tÝnh “c¸ch li”. Hai ®­êng kÝch nam ch©m ®iÖn hoµn toµn c¸ch li víi c¸c tiÕp ®iÓm cña rê le, vµ v× thÕ sÏ rÊt an toµn. Cã 2 th«ng sè quan träng cho 1 r¬ le lµ ®iÖn ¸p kÝch Solenoid vµ dßng lín nhÊt mµ c¸c ®iÓm ®iÓm chÞu ®­îc. §iÖn ¸p kÝch solenoid th­êng lµ 5V, 12V hoÆc 24V, viÖc kÝch solenoid chÝnh lµ c«ng viÖc cña chip ®iÒu khiÓn (vÝ dô AVR). V× tiÕp xóc gi÷a cùc C vµ c¸c tiÕp ®iÓm lµ d¹ng tiÕp xóc t¹m thêi, kh«ng cè ®Þnh nªn rÊt dÔ bÞ hë m¹ch. NÕu dßng ®iÖn qua tiÕp ®iÓm qu¸ lín, nhiÖt cã thÓ sinh ra lín vµ lµm hë tiÕp xóc. V× thÕ chóng ta cÇn tÝnh to¸n dßng ®iÖn tèi ®a trong øng dông cña m×nh.      H×nh 4.9a (phÝa d­íi) lµ ký hiÖu cña mét r¬ le mµ b¹n cã thÓ gÆp trong c¸c phÇn mÒm thiÕt kÕ m¹ch ®iÖn tö. Trong ký hiÖu nµy, ch©n 1 lµ ch©n C, ch©n 2 lµ tiÕp ®iÓm NC vµ ch©n 3 lµ tiÕp ®iÓm NO, trong khi ®ã hai ch©n 4 vµ 5 lµ 2 ®Çu cña cuén solenoid. Chóng ta sÏ  dïng ký hiÖu nµy khi vÏ m¹ch cÇu H dïng rê le. S¬ ®å mét m¹ch cÇu H ®Çy ®ñ dïng r¬ le ®­îc minh häa trong h×nh 4.10. Trong m¹ch cÇu H dïng r¬ le ë h×nh 4.10 diode ®­îc dïng ®Ó chèng hiÖn t­îng dßng ng­îc (nhÊt lµ khi ®iÒu khiÓn ®éng c¬). C¸c ®­êng kÝch solenoid kh«ng ®­îc nèi trùc tiÕp víi chip ®iÒu khiÓn mµ th«ng qua c¸c transistor, viÖc kÝch c¸c transistor l¹i ®­îc thùc hiÖn qua c¸c ®iÖn trë. M¹ch cÇu H dïng r¬ le cã ­u ®iÓm lµ dÔ chÕ t¹o, chÞu dßng cao, ®Æc biÖt nÕu thay r¬ le b»ng c¸c linh kiÖn t­¬ng ®­¬ng nh­ contactor, dßng ®iÖn t¶i cã thÓ lªn ®Õn hµng tr¨m ampere. Tuy nhiªn, do lµ thiÕt bÞ “c¬ khÝ” nªn tèc ®é ®ãng/më cña r¬ le rÊt chËm, nÕu ®ãng më qu¸ nhanh cã thÓ dÉn ®Õn hiÖn t­îng “dÝnh” tiÕp ®iÓm vµ h­ háng. V× vËy, m¹ch cÇu H b»ng r¬ le kh«ng ®­îc dïng trong ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬ b»ng PWM. H×nh 4.10. M¹ch cÇu H dïng r¬ le. M¹ch cÇu H dïng BJT vµ MOSFET: H×nh 4.11. M¹ch cÇu H dïng BJT. H×nh 4.12. M¹ch cÇu H dïng MOSFET - M¹ch cÇu H dïng IC c«ng suÊt S¬ ®å ch©n IC MC33886 (h×nh 4.13) H×nh 4.13. S¬ ®å ch©n IC MC33886 B¶ng 3. 1. ý nghÜa c¸c ch©n trªn s¬ ®å Pin Pin Name Formal Name Definition 1 AGND Analog Ground Low-current analog signal ground. 2 FS Faul Status for H- Bridge Open drain active Low Fault Status output requiring a pull-up resistor to 5.0 V. 3 IN1 Logic Input Control 1 True logic input control of OUT1 (i.e., IN1 logic High = OUT1 logic High). 4, 5 V+ Positive Power Supply Positive supply connections. 6, 7 OUT1 H-Bridge Output 1 Output 1 of H-Bridge. 8, 20 DNC Do Not Connect Either do not connect (leave floating) or connect these pins to ground in the application. They are test mode pins used in manufacturing only. 9 –12 PGND Power Ground Device high-current power ground. 13 D2 Disable 2 Active Low input used to simultaneously tri-state disable both H-Bridge outputs. When D2 is logic Low, both outputs are tri-stated. 14, 15 OUT2 H-Bridge Output 2 Output 2 of H-Bridge. 17 CCP Charge Pump Capacitor External reservoir capacitor connection for internal charge pump capacitor. 18 D1 Disable 1 Active High input used to simultaneously tri-state disable both H-Bridge outputs. When D1 is logic High, both outputs are tri-stated. 19 IN2 Logic Input Control 2 True logic input control of OUT2 (i.e., IN2 logic High = OUT2 logic High). H×nh 4.14. CÊu t¹o bªn trong cña MC33886. B¶ng 3. 2. Gi¸ trÞ, tham sè cña MC33886 trªn Datasheeet. Rating Symbol Value Unit Supply Voltage V+ 40 V Input Voltage VIN -0.1 to 7.0 V FS Status Output V FS 7.0 V Continuous Current IOUT 5.0 A ESD Voltage for DH Package Human Body Model Machine Model VESD1 VESD2 ±2000 ±200 V ESD Voltage for VW Package Human Body Model Machine Model VESD1 VESD2 ±2000 ±200 V Storage Temperature TSTG -65 to 150 °C Ambient Operating Temperature TA -40 to 125 °C Operating Junction Temperature TJ -40 to 150 °C Peak Package Reflow Temperature During Reflow TPPRT °C Approximate Junction-to-Board Thermal Resistance (and Package Dissipation = 6.0 W) RÌJB ~5.0 °C/W + Chän linh kiÖn ®iÒu khiÓn cho b¸nh xe Ta cã P®iÖn = 16,67 (W), Ulv = 12(V), => Ilv = (A) §éng c¬ thuéc lo¹i c«ng suÊt nhá nªn. Ikd§C = 3.Ilv = 4,2 (A) Chän IC cho ®éng c¬ cã dßng ra lín h¬n 4,2 (A) + Chän linh kiÖn ®iÒu khiÓn cho ®éng c¬ quay®Çu dß nhiÖt: Ta cã P®iÖn = 0,77 (W), Ulv = 12(V), => Ilv = (A) => Ikd§C = 5.Ilv = 0,3 (A) Chän IC cho ®éng c¬ cã dßng ra lín h¬n 0,3(A) * M¹ch ®iÖn ®iÒu khiÓn ®éng c¬ dïng BJT Trong c¸c ph­¬ng ¸n nªu ë trªn viÖc ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu cã ®¶o chiÒu quay , ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu dïng cÇu H sö dông transistor cã nh÷ng ­u ®iÓm sau: + Dßng lµm viÖc cã thÓ thay ®æi ®­îc nhê sö dông c¸c transistor c«ng suÊt. + DÔ ®iÒu khiÓn vµ æn ®Þnh cao.... H×nh 4.15 m¹ch ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu *TÝnh chän linh kiÖn m¹ch ®iÒu khiÓn ®éng c¬: Theo sè liÖu tÝnh chän ®éng c¬ trªn víi ®éng c¬ ®iÒu khiÓn hai b¸nh xe víi dßng lín nhÊt lµ 4,2 A ta cã thÓ chän linh kiÖn cho m¹ch ®iÒu khiÓn nh­ sau: Q1, Q2, Q5, Q6 lµ D468 víi c¸c th«ng sè: UCBo=25V,UCEo=20V, UEBo=5V, Icmax=100mA lµm nhiÖm vô khuÕch ®¹i ®Öm nªn dßng Ic nhá. Q3, Q7 lµ TIP31 (NPN) víi c¸c th«ng sè: UCBo=40V,UCEo=40V, UEBo=5V, Icmax=5A, Ibmax=1A. Q4, Q8 lµ TIP32 (PNP) víi c¸c th«ng sè: UCBo=40V,UCEo=40V, UEBo=5V, Icmax=5A, Ibmax=1A. - V× vËy ta chän R1, R2, R3, R4 h¹n dßng vµo ch©n B cña Q1,Q2,Q3,Q4 lµ: R1 = R2 = R3 = R4 = 1K B¶ng: Quy t¾c ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b¸nh xe Quay tr¸i Quay ph¶i Tr¹ng th¸i 0 0 Dõng 1 0 Quay tr¸i 0 1 Quay ph¶i §èi víi m¹ch ®iÒu khiÓn motor quay ®Çu dß nhiÖt cã dßng qua motor nhá h¬n ta chän linh kiÖn nhu sau: Q1, Q2, Q5, Q6 lµ D468 víi c¸c th«ng sè: UCBo=25V,UCEo=20V, UEBo=5V, Icmax=100mA lµm nhiÖm vô khuÕch ®¹i ®Öm nªn dßng Ic nhá. Q3, Q7 lµ H1061 (NPN) víi c¸c th«ng sè: UCBo=100V,UCEo=80V, UEBo=5V, Icmax=4A. Q4, Q8 lµ A671 (PNP) víi c¸c th«ng sè: UCBo=50V,UCEo=50V, UEBo=4V, Icmax=4A. - V× vËy ta chän R1, R2, R3, R4 h¹n dßng vµo ch©n B cña Q1,Q2,Q3,Q4 lµ: R1 = R2 = R3 = R4 = 1K * M¹ch ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b¬m n­íc: Qua tÝnh to¸n ta thÊy ®éng c¬ b¬m n­íc lµ ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu c«ng suÊt nhá do ®ã ta cã thÓ sö dông m¹ch ®iÒu khiÓn nh­ trªn h×nh 4.16 ®Ó ®iÒu khiÓn. H×nh 4.16 m¹ch ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b¬m n­íc Nguyªn lý: Khi cã tÝn hiÖu tõ ch©n ” bom_nuoc”=1 th× Q1 vµ Q2 dÉn -> cã dßng ch¹y qua ®éng c¬ b¬m n­íc -> ®éng c¬ quay b¬m n­íc tõ b×nh chøa n­íc qua hÖ thèng èng dÉn n­íc ®Ó cøu háa. Khi tÝn hiÖu tõ ch©n “bom_nuoc”=0 th× Q1 vµ Q2 khãa -> kh«ng cã dßng ch¹y qua ®éng c¬ -> hÖ thèng b¬m n­íc kh«ng ho¹t ®éng * TÝnh chän linh kiÖn m¹ch ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b¬m n­íc ®éng c¬ b¬m n­íc cã th«ng sè trªn catalog lµ: 12VDC-3W Do ®ã dßng ch¹y qua ®éng c¬ lµ (A) §iÖn trë cuén d©y cña ®éng c¬ lµ 40 do ®ã dßng (A) Khi ®iÖn ¸p ë ch©n ®iÒu khiÓn tõ vi xö lý lµ lµ 5V chän RB=330 th× dßng (A) trong ®ã 0,7 lµ ®iÖn ¸p r¬i trªn BE cña transistor. Dßng IC ®¹t lín nhÊt khi VCE=0V khi ®ã ICmax=0,25A. §Ó transistor dÉn b·o hßa th× IC<hfe.IB Do 2 transistor ®­îc ghÐp daligton do ®ã hfe=hfe1.hfe2. Chän Q1 lµ transistor C1815 cã VCBO=60V, VCEO=50V, VEBO=5V, IC=150mA, IB=50mA, hfe=25. Chän Q2 lµ transistor H1061 cã VCBO=100V, VCEO=80V, VEBO=5V, IC=4A, , hfe=60. khi ®ã hfe=25.60=1500 tháa m·n ®iÒu kiÖn IC=0,3<0,01.1500=15. Nh­ vËy tæng c«ng suÊt tiªu thô cña c¸c phÇn tö chÊp hµnh lµ: Pch=Pbanhxe.2+Pquaycb+Pbomnuoc=16,7.2+0,77+3=36W 4.2.2. ThiÕt kÕ modul ®iÒu khiÓn dïng vi ®iÒu khiÓn 8051 C¨n cø vµo yªu cÇu cña ®Ò tµi vµ qua kh¶o s¸t nghiªn cøu vÒ vi ®iÒu khiÓn hä 8051 em lôa chän vi ®iÒu khiÓn AT89C51 ®Õ thiÕt kÕ modul ®iÒu khiÓn cho robot cã s¬ ®å nh­ sau: H×nh 4.17 M¹ch ®iÒu khiÓn robot * M¹ch t¹o dao ®éng cho vi ®iÒu khiÓn: H×nh 4.18 M¹ch t¹o dao ®éng cho vi ®iÒu khiÓn Th¹nh anh sö dông 12Mhz Tô C1 vµ C2 lµ hai tô läc nhiÔu cã gi¸ trÞ lµ 33pF * M¹ch reset cho vi ®iÒu khiÓn H×nh 4.19 M¹ch reset cho vi ®iÒu khiÓn Vi ®iÒu khiÓn AT89C51 cã ch©n reset t¸c ®éng ë møc cao do ®ã b×nh th­êng ch©n reset ®Ó ë møc thÊp nh­ trªn h×nh 4.18. Tô C1 chän 1uF vµ ®iÖn trë R1 lµ 10K Dßng ®iÖn cÊp cho vi ®iÒu khiÓn lµ 20mA víi ®iÖn ¸p 5V do ®ã c«ng suÊt tiªu thô cña m¹ch ®iÒu khiÓn lµ: 0,1W * L­u ®å gi¶i thuËt m¹ch ®iÒu khiÓn robot H×nh 4.20 L­u ®å gi¶i thuËt m¹ch ®iÒu khiÓn 4.2.3 ThiÕt kÕ modul c¶m biÕn nhiÖt ®é tõ xa cho robot Qua kháa s¸t vÒ c¶m biÕn nhiÖt hång ngo¹i cña h·ng optex víi nhiÒu ­u ®iÓm vÒ kho¶ng c¸ch ®o, d¶i nhiÖt ®é ®o, tÝn hiÖu ra... ®· ®­îc tÝch hîp trªn c¶m biÕn víi tÝn hiÖu ®Çu ra lµ tÝn hiÖu t­êng tù cã møc thay ®æi 1mV/oC cña c¶m biÕn BA06TV. TÝn hiÖu tõ c¶m biÕn sÏ ®­îc ®­a qua bé chuyÓn ®èi tÝn hiÖu tõ t­¬ng tù sang tÝn hiÖu sè ®Ó giao tiÕp víi vi ®iÒu khiÓn AT89C51 1.S¬ ®å m¹ch H×nh 4.21 S¬ ®å m¹ch c¶m biÕn nhiÖt ®é 2. Nguyªn lý cña m¹ch TÝn hiÖu t­¬ng tù tõ ®Çu ra cña c¶m biÕn ®­îc ®­a tíi ®Çu vµo cña bé chuyÓn ®èi ADC0809 ®Ó chuyÓn ®æi thµnh tÝn hiÖu sè. TÝn hiÖu sè nµy sÏ ®­îc so s¸nh víi gi¸ trÞ ®Æt tr­íc tõ bµn phÝm. Khi nhiÖt ®é ®o ®­îc tõ c¶m biÕn lín h¬n gi¸ trÞ ®Æt( trong tr­êng hîp cã löa ch¸y) th× ®Çu data sÏ ®­îc ®Æt lªn møc cao ®Ó ®­a tíi m¹ch ®iÒu khiÓn ®ång thêi cßi b¸o ®éng sÏ ®­îc bËt. Mµn h×nh LCD cã nhiÖm vô hiÓn thÞ nhiÖt ®é ®Æt tr­íc tõ bµn phÝm vµ nhiÖt ®é ®o ®­îc. Dßng ®iÖn cÊp cho vi ®iÒu khiÓn vµ ADC lµ 20mA, dßng cÊp cho LCD lµ 20mA, IC7414 lµ 20mA => tæng c«ng suÊt tiªu thô cña modul c¶m biÕn nhiÖt lµ 0,3W 3. Gi¶i thuËt ®iÒu khiÓn H×nh 4.22 L­u ®å gi¶i thuËt m¹ch c¶m biÕn nhiÖt ®é 4.2.4 ThiÕt kÕ modul nguån Do robot cã ®Æc tÝnh di chuyÓn liªn tôc do ®ã ta kh«ng thÓ sö dông nguån ®iÖn lÊy tõ m¹ng ®iÖn l­íi mµ ph¶i sö dông nguån ®iÖn tÝch lòy tõ c¸c b×nh ¾c quy hoÆc pin. Do pin cã ®Æc ®iÓm nhá gän vµ nhÑ nh÷ng kh¶ n¨ng tÝch lòy ®iÖn kÐm, dßng ®iÖn kh«ng lín do ®ã kh«ng thÓ dïng ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c ®éng c¬ cã dßng t¶i lín. Do ®ã ph¶i sö dông b×nh ¾c quy ®Ó cung cÊp nguån cho robot. §Ó chän ®­îc b×nh ¾c quy ®¶m b¶o yªu cÇu ta ph¶i dùa vµo c¸c tiªu trÝ sau: + §iÖn ¸p cña b×nh + Dßng ®iÖn ra cña b×nh + Thêi gian sö dông + Träng l­îng cña b×nh Theo tÝnh to¸n ë trªn tæng c«ng suÊt tiªu thô trªn trªn c¸c modul lµ: 37,57W Do ®ã ta chän b×nh ¸c quy 12V-40W. Do t¶i dö dông nhiÒu nguån kh¸c nhau do ®ã tõ nguån 12V cña ¾c quy ta sö dông c¸c IC æn ¸p ®Ó lÊy ra c¸c nguån phï hîp víi t¶i. Trªn robot cøu háa sö dông hai nguån chÝnh lµ nguån +5V cÊp cho vi ®iÒu khiÓn vµ nguån +12V cÊp cho c¸c ®éng c¬. Víi nguån 12V cÊp cho c¸c ®éng cã cã c«ng suÊt lµ (A) Chän diode D1 lµ 1N5408 cã dßng ®Þnh møc lµ 4A H×nh 4.23 M¹ch cÊp nguån cho robot 4.3 S¬ ®å nguyªn lý robot cøu háa 4.3.1 S¬ ®å nguyªn lý H×nh 4.24 S¬ ®å nguyªn lý robot cøu háa 4.3.2 Nguyªn lý ho¹t ®éng cña robot cøu háa Khi ph¸t hiÖn thÊy cã löa ch¸y th«ng qua c¶m biÕn nhiÖt tõ xa robot sÏ di chuyÓn ®Õn ®¸m ch¸y theo thµnh tr×nh tù chän cña robot. Khi robot c¸ch ®¸m ch¸y mét kho¶ng c¸ch an toµn ®­îc ®Æt tr­íc robot sÏ dõng l¹i vµ phun n­íc cøu háa. Hµnh tr×nh cña robot ®­îc thùc hiÖn nh­ sau: Khi robot ®­îc khëi ®éng robot sÏ thùc hiÖn quÐt nhiÖt ®é th«ng qua c¶m biÕn nhiÖt ®é tõ xa, c¬ cÊu quay ®Çu dß ( c¶m biÕn) sÏ thùc hiÖn quÐt theo ba h­íng tr¸i, ph¶i vµ h­íng th¼ng. Nõu ph¸t hiÖn nhiÖt ë bªn tr¸I th× robot sÏ rÏ tr¸i sau khi rÏ tr¸i robot l¹i thùc hiÖn quÐt nhiÖt ®é lÇn n÷a nÕu ph¸t hiÖn nhiÖt ®é ë phÝa th¼ng h­íng robot th× robot sÏ ®i th¼ng ®Õn ®¸m ch¸y. Trong qu¸ tr×nh di chuyÓn sau 5 gi©y robot l¹i thùc hiÖn quÐt nhiÖt ®é mét lÇn ®Ó ®¶m b¶o robot kh«ng ®i lÖch h­íng.Khi ®Õn gÇn ®¸m ch¸y robot sÏ dõng l¹i tr­íc ®¸m ch¸y mét kho¶ng ®­îc ®Æt tr­íc ®Ó ®¶m b¶o an toµn cho robot sau ®ã robot sÏ tù ®éng phun n­íc vµo ®¸m ch¸y. 4.3.3 KÕt qu¶ ®¹t ®­îc