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

Chương 1 : Tổng quan về Robot Chương 2 : Tổng quan về VDK 8051 Chương 3 : Tổng quan về cảm biến nhiệt độ CHương 4 : Xây dựng mô hình cứu hoả dựa trên phương pháp đo nhiệt độ từ xa sử dụng VDK 8051 + Sơ đồ khối của robot cứu hoả + Thiết kế các modul theo sơ đồ khối Modul chấp hành Mạch modul điều khiển robot bằng 8051 Modul cảm biến nhiệt độ từ xa cho robot Thiết kế modul nguồn + Sơ đồ mạch nguyên lý robot cứu hoả + Nguyên lý hoạt động

doc103 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Lượt xem: 2148 | Lượt tải: 3download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Thiết kế lập trình robot cứu hoả sử dụng VDK 89C51, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docThiết kế lập trình robot cứu hoả sử dụng VDK 89C51.doc
Luận văn liên quan