Đồ án tốt nghiệp: Giám sát và phân tích hoạt động của băng tải

Chia sẻ: Xylitol Extra | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:101

Thêm vào BST

Báo xấu

93
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài thực hiện giám sát và phân tích hoạt động của băng tải. Vi điều khiển đo các thông số điện áp, dòng điện, hệ số công suất của nguồn điện, tốtc độ quay của băng tải. Máy tính nhúng giao tiếp với vi điều khiển để lấy các thông số của nguồn điện và động cơ. Chạy thuật toán máy học để học hỏi, đưa ra các dự đoán, cảnh báo nhằm ổn định hệ thống. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Giám sát và phân tích hoạt động của băng tải

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA BĂNG TẢI GVHD: TS.Nguyễn Mạnh Hùng SVTH: Trần Đặng Phước Ân MSSV: 13141009 Tp. Hồ Chí Minh – 08/2018
LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi xin cam đoan đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình nghiên cứu đã có trước đó. Nếu không đúng như đã nêu trên, chúng tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài của mình. Người thực hiện đề tài Đặng Hữu Cường Trần Đặng Phước Ân i
LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Nguyễn Mạnh Hùng, giảng viên khoa Điện – Điện Tử người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm khoá luận. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung, các thầy cô trong Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp -Y Sinh nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Người thực hiện đề tài Đặng Hữu Cường Trần Đặng Phước Ân ii
MỤC LỤC Trang bìa Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp Lịch trình làm đồ án tốt nghiệp Lời cam đoan ........................................................................................................................ i Lời cảm ơn ........................................................................................................................... ii Mục lục ............................................................................................................................... iii Liệt kê hình .......................................................................................................................... v Liệt kê bảng ....................................................................................................................... vii Tóm tắt đề tài .................................................................................................................... viii Chương 1. TỔNG QUAN .................................................................................................. 1 1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................. 1 1.2. Mục tiêu .................................................................................................................... 1 1.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 2 1.4. Giới hạn ..................................................................................................................... 2 1.5. Bố cục ........................................................................................................................ 3 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................... 4 2.1. Giới thiệu phần cứng ................................................................................................. 4 2.1.1. Biến dòng ............................................................................................................ 4 2.1.2. Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) ............................................ 7 2.1.3. Mạch đo tốc độ (ENCODER) ........................................................................... 11 2.1.4. Biến tần. ............................................................................................................ 13 2.1.5. Động cơ xoay chiều .......................................................................................... 14 2.1.6. Giao diện đồ họa người dùng............................................................................ 15 2.1.7. Giao thức I2C ................................................................................................... 16 2.2. Khái quát về các công cụ trong máy học ................................................................ 17 2.2.1. Giới thiệu về máy học ....................................................................................... 17 2.2.2. Giảm chiều dữ liệu ............................................................................................ 18 2.2.3. Chuẩn hóa dữ liệu ............................................................................................. 22 2.2.4. Phát hiện điểm bất thường ................................................................................ 23 2.2.5. Đọc một bảng Excel vào một pandas DataFrame ............................................. 26 iii
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ...................................................................... 28 3.1. Giới thiệu................................................................................................................. 28 3.2. Tính toán và thiết kế hệ thống ................................................................................. 28 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ............................................................................ 28 3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch ................................................................................ 29 3.2.3. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ........................................................................ 54 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................. 55 4.1. Giới thiệu................................................................................................................. 55 4.2. Thi công hệ thống.................................................................................................... 55 4.2.1. Thi công bo mạch ............................................................................................. 55 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra ........................................................................................... 56 4.3. Đóng gói và thi công mô hình ................................................................................. 58 4.4. Lập trình hệ thống ................................................................................................... 58 4.4.1. Lưu đồ giải thuật ............................................................................................... 58 4.4.2. Phần mềm lập trình cho máy tính nhúng .......................................................... 59 4.5. Quy trình đào tạo và phân loại dữ liệu .................................................................... 61 4.5.1. Quá trình thu thập dữ liệu chuẩn ...................................................................... 62 4.5.2. Quá trình đào tạo hệ thống ................................................................................ 62 4.5.3. Quá trình kiểm tra bộ nhận dạng ...................................................................... 63 4.5.4. Kết luận độ chính xác của bộ nhận dạng .......................................................... 64 4.6. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác ............................................................... 65 4.6.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ........................................................................ 65 4.6.2. Quy trình thao tác ............................................................................................. 66 Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ........................................................ 67 5.1. Kết quả .................................................................................................................... 67 5.2. Nhận xét-đánh giá ................................................................................................... 73 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................. 74 6.1. Kết luận ................................................................................................................... 74 6.2. Hướng phát triển ..................................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 75 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 76 iv
LIỆT KÊ HÌNH Hình 2.1: Cấu tạo máy biến dòng ........................................................................................ 4 Hình 2.2: Biến dòng dạng dây quấn .................................................................................... 5 Hình 2.3: Biến dòng dạng vòng ........................................................................................... 6 Hình 2.4: Biến dòng dạng khối ............................................................................................ 6 Hình 2.5: Mạch flash ADC 2 bit. ........................................................................................ 8 Hình 2.6: Tín hiệu tương tự và lượng tử hóa ..................................................................... 10 Hình 2.7: Nguyên lý mạch đo encoder .............................................................................. 12 Hình 2.8: Sơ đồ khối của một biến tần .............................................................................. 13 Hình 2.9: Cấu tạo của động cơ điện xoay chiều ................................................................ 15 Hình 2.10: Một GUI có dạng máy tính cầm tay ................................................................ 16 Hình 3.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống ................................................................................... 28 Hình 3.2: Mạch đo điện áp ................................................................................................ 30 Hình 3.3: Mạch đo dòng điện ............................................................................................ 31 Hình 3.4: Mạch khuếch đại không đảo .............................................................................. 32 Hình 3.5: Dạng sóng mạch khuếch đại không đảo ............................................................ 32 Hình 3.6: Mạch khuếch đại đảo ......................................................................................... 33 Hình 3.7: Dạng sóng mạch khuếch đại đảo ....................................................................... 33 Hình 3.8: Mạch ghim điện áp ............................................................................................ 34 Hình 3.9: Dạng sóng mạch ghim điện áp .......................................................................... 34 Hình 3.10: Giản đồ hệ số công suất ................................................................................... 36 Hình 3.11: Dạng sóng điện áp, dòng điện trước và sau khi qua mạch so sánh ................. 37 Hình 3.12: Cos φ biểu diễn theo vòng tròn lượng giác ..................................................... 37 Hình 3.13: Mạch đo hệ số công suất ................................................................................. 38 Hình 3.14: Hình ảnh thực tế của ADS1115 ....................................................................... 39 Hình 3.15: Mạch encoder 20 xung .................................................................................... 45 Hình 3.16: Hình ảnh thực tế của Raspberry Pi 3 ............................................................... 46 Hình 3.17: Các chân của Raspberry Pi 3 ........................................................................... 47 Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý khối còi báo .......................................................................... 48 Hình 3.19: Còi báo............................................................................................................. 49 Hình 3.20: Biến tần Omron 3G3JX ................................................................................... 50 v
Hình 3.21: Động cơ giảm tốc của băng tải ........................................................................ 52 Hình 3.22: Mô hình băng tải .............................................................................................. 52 Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đôi .................................................................... 53 Hình 3.24: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ............................................................................. 54 Hình 4.1: Sơ đồ mạch in .................................................................................................... 56 Hình 4.2: Lưu đồ chương trình .......................................................................................... 58 Hình 4.3: Logo phần mềm Python .................................................................................... 59 Hình 4.4: Giao diện để lập trình Python ............................................................................ 60 Hình 4.5: Giao diện GUI ................................................................................................... 61 Hình 4.6: Lưu đồ thao tác hoạt động của mạch ................................................................. 66 Hình 5.1: Hình ảnh thực tế của đề tài ................................................................................ 68 Hình 5.2: Giá trị điện áp mà mạch đo được ...................................................................... 69 Hình 5.4: Giá trị điện áp khi đo bằng đồng hồ đo ............................................................. 69 Hình 5.5: Hình ảnh dữ liệu chuẩn sau khi được huấn luyện ............................................. 71 Hình 5.6: Hình ảnh một mẫu test bình thường .................................................................. 72 Hình 5.7: Hình ảnh một mẫu test bất thường .................................................................... 72 vi
LIỆT KÊ BẢNG Bảng 2.1: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã. ........................................................................ 9 Bảng 2.2: Các thông số và thuộc tính của hàm giảm chiều dữ liệu .................................. 18 Bảng 2.3: Các thông số và thuộc tính của hàm chuẩn hóa dữ liệu .................................... 22 Bảng 2.4: Các thông số và thuộc tính của hàm phát hiện Outlier ..................................... 24 Bảng 2.5: Các thông số của hàm đọc định dạng excel ...................................................... 26 Bảng 3.1: Mô tả chân của ADS 1115 ................................................................................ 40 Bảng 3.2: Cấu hình 1 byte của thanh ghi (Write-Only) .................................................... 40 Bảng 3.3: Thanh ghi chuyển đổi (Read-Only) .................................................................. 41 Bảng 3.4: Cấu hình thanh ghi (Read/Write) ...................................................................... 41 Bảng 3.5: Các bit cấu hình bộ ghép kênh đầu vào. ........................................................... 42 Bảng 3.6: Dòng điện tiêu thụ của các linh kiện ................................................................. 53 Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện. ................................................................................... 55 Bảng 4.2: So sánh mạch đo và thiết bị kiểm tra (TBKT) .................................................. 57 Bảng 4.3: Thống kê tính chính xác của bộ phân loại với băng tải .................................... 64 Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật của mạch ............................................................................. 67 Bảng 5.2: Thống kê giá trị trung bình mẫu dữ liệu ........................................................... 70 vii
TÓM TẮT ĐỀ TÀI Sự ổn định của các thiết bị trong một hệ thống giúp cho hệ thống đó hoạt động tốt hơn và kéo dài tuổi thọ, đồng thời giảm nguy cơ cháy nổ, hỏa hoạn do các vấn đề về điện gây ra, tạo sự an tâm và an toàn cho con người. Giám sát và phân tích hoạt động của băng tải là một hệ thống giúp cho con người biết được trạng thái hoạt động, sự ổn định và đưa ra các cảnh báo về những sự cố. Hệ thống thực hiện giám sát băng tải sử dụng máy tính nhúng đo các thông số điện áp, dòng điện, hệ số công suất, tốc độ quay của băng tải, từ những thông số đo được có thể tính toán được trạng thái thiết bị và chạy thuật toán máy học để học hỏi. Từ đó có thể dự đoán được độ ổn định của băng tải và trạng thái hiện tại có gì bất ổn để có những biện pháp tốt nhằm ổn định và tiết kiệm điện, đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị điện hoạt động tốt, khi có những bất ổn được phát hiện, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh và có những điều khiển nhằm ổn định hệ thống. viii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Điện năng đang trở thành một phần năng lượng không thể thiếu trong đời sống con người và trong công nghiệp hiện đại. Nó góp phần tạo nên sự văn minh của nhân loại, giúp cuộc sống của con người tiện nghi và hiện đại hơn. Chính vì thế việc duy trì sự ổn định và tiết kiệm điện năng là một vấn đề đang được chú ý và đầu tư ngày càng nhiều. Sự ổn định của các thiết bị đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp, đồng thời giảm nguy cơ cháy nổ, hỏa hoạn do các vấn đề về thiết bị gây ra, tạo sự an tâm và an toàn cho con người. Giám sát và phân tích trạng thái hoạt động của thiết bị và đưa ra các cảnh báo về sự cố của thiết bị là một phần không thể thiếu. Hiện nay trên thị trường có nhiều thiết bị điện nhằm bảo vệ và ổn định dòng điện như ổn áp, các loại CB chống dòng rò, chống giật…và nhiều loại khác nhau. Nhưng chủ yếu chỉ hoạt động ngắt nguồn điện tự động mà không có khả năng tự động đóng điện lại khi hết sự cố, cũng như không thông báo cho người dùng biết được trạng thái hoạt động của thiết bị. Trong sản xuất công nghiệp việc sử dụng băng tải rất phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của nhà máy. Giám sát và phân tích hoạt động của băng tải là hệ thống có thể đáp ứng các nhu cầu, chức năng cảnh báo và phát hiện những trạng thái bất thường của động cơ điện và băng tải. Đặc biệt với thuật toán máy học có thể dự đoán được các sự cố của băng tải. Ngoài ra máy học còn học hỏi theo thói quen của con người để có những dự đoán chính xác nhất nhằm bảo vệ thiết bị và giúp con người sớm phát hiện sự cố. Sự ổn định của hệ thống băng tải cũng đóng vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển sản phẩm từ công đoạn này qua công đoạn khác góp phần tăng tốc độ vận hành của nhà máy giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH Trang 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. MỤC TIÊU Đề tài thực hiện giám sát và phân tích hoạt động của băng tải. Vi điều khiển đo các thông số điện áp, dòng điện, hệ số công suất của nguồn điện, tốc độ quay của băng tải. Máy tính nhúng giao tiếp với Vi điều khiển để lấy các thông số của nguồn điện và động cơ. Chạy thuật toán máy học để học hỏi, đưa ra các dự đoán, cảnh báo nhằm ổn định hệ thống. 1.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  NỘI DUNG 1: Các giải pháp thiết kế hệ thống, mô hình đo lường, mô hình băng tải.  NỘI DUNG 2: Thu thập dữ liệu các thông số của nguồn điện và băng tải như: điện áp, dòng điện, hệ số công suất, tốc độ…  NỘI DUNG 3: Thiết kế hệ thống điều khiển.  NỘI DUNG 4: Lập trình thuật toán máy học cho máy tính nhúng.  NỘI DUNG 5: Thiết kế mô hình và hoàn thiện sản phẩm.  NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện. 1.3. GIỚI HẠN Sử dụng bộ chuyển đổi tương tự thành số để đo các giá trị dạng tương tự của nguồn điện như điện áp, dòng điện, hệ số công suất, encoder để đo tốc độ. Máy tính nhúng đọc các thông số của nguồn điện và băng tải để từ đó chạy các thuật toán máy học để nhận biết được sự ổn định của nguồn điện và băng tải. Tín hiệu xử lý ở máy tính nhúng được gửi về để thực hiện cảnh báo hệ thống khi có sự cố, hiển thị trạng thái và các thông số hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.4. BỐ CỤC  Chương 1: Tổng Quan Trình bày giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu, giới hạn và nội dung nghiên cứu của đề tài.  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công đề tài.  Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Trình bày tổng quan các yêu cầu của đề tài và thiết kế, tính toán hệ thống bao gồm sơ đồ nguyên lý toàn mạch và từng phần.  Chương 4: Thi Công Hệ Thống Trình bày kết quả thi công phần cứng, sơ đồ mạch in PCB, lưu đồ và cách lập trình, thao tác vận hành cũng như kiểm tra các mạch của toàn bộ hệ thống.  Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Trình bày kết quả của quá trình nghiên cứu làm đề tài bao gồm thời gian nghiên cứu, kết quả đạt được, nhận xét, đánh giá về đề tài và tính ứng dụng của đề tài trong thực tiễn.  Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Trình bày kết quả đạt được so với mục tiêu đề ra từ ban đầu và đưa ra hướng phát triển đề tài được hoàn thiện tốt hơn, đáp ứng nhu cầu của cuộc sống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.1.1. Biến dòng Máy biến dòng (kí hiệu CT), là một loại “công cụ đo lường dòng điện” được thiết kế nhằm mục đích tạo ra một dòng điện xoay chiều có cường độ tỷ lệ với cường độ dòng điện ban đầu. Máy biến dòng có chức năng làm giảm tải một dòng điện ở cường độ cao xuống cường độ thấp tiêu chuẩn hơn, đồng thời tạo ra chiều đối lưu an toàn nhằm kiểm soát cường độ dòng điện thực tế chạy trong đường dây dẫn. Máy biến dòng có thể làm giảm dòng điện có cường độ cao từ hàng ngàn ampe xuống một mức độ tiêu chuẩn, thông thường, mức độ này dao động trong tỷ lệ là từ 1 đến 5 ampe, nhằm giúp hệ mạch vẫn được vận hành bình thường. Như vậy, những thiết bị điện nhỏ, thiết bị chuyên đo lường và các vi điều khiển có thể sử dụng kèm CT một cách bình thường, bởi vì chúng được cách ly hoàn toàn khỏi tác động của những dòng điện cao áp. Hiện nay có hàng loạt các thiết bị ứng dụng đo lường và sử dụng máy biến dòng, ví dụ tiêu biểu như thiết bị oát kế, máy đo hệ số công suất, đồng hồ đo chỉ số điện, rơ-le bảo vệ hoặc ví dụ như cuộn nhả trong bộ phận ngắt mạch từ. Hình 2.1: Cấu tạo máy biến dòng Máy biến dòng hiện nay có 3 loại cơ bản: “ dạng dây quấn”, “dạng vòng” và “thanh khối”. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Biến dòng dạng dây quấn  Máy biến dòng dạng dây quấn Cuộn sơ cấp của máy biến dòng loại này sẽ được kết nối trực tiếp với các dây dẫn, có nhiệm vụ đo cường độ dòng điện chạy trong mạch. Cường độ dòng điện trong cuộn thứ cấp phụ thuộc vào tỷ số vòng dây quấn của máy biến dòng. Mối quan hệ giữa tỷ số vòng dây và tỷ số dòng điện là: 𝑁𝑠 𝐼𝑡 = (2.1) 𝑁𝑡 𝐼𝑠 Trong đó: Ns: số vòng dây sơ cấp Nt :số vòng dây thứ cấp It : dòng điện thứ cấp Is : dòng điện sơ cấp  Máy biến dòng dạng vòng Cường độ dòng điện chạy trong mạch sẽ được truyền và chạy thẳng qua khe cửa hay lỗ hổng của “vòng” trong máy biến dòng. Một số máy biến dòng dạng vòng hiện nay đã được cấu tạo thêm chi tiết “chốt chẻ”, có tác dụng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 5
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT cho lỗ hổng hay khe cửa của máy biến dòng có thể mở ra, cài đặt và đóng lại, mà không cần phải ngắt mạch cố định. Hình 2.3: Biến dòng dạng vòng  Máy biến dòng dạng khối Đây là một trong các loại của máy biến dòng hiện nay được ứng dụng trong các loại dây cáp, thanh cái của mạch điện chính, gần giống như cuộn sơ cấp, nhưng chỉ có một vòng dây duy nhất. Chúng hoàn toàn tách biệt với nguồn điện áp cao vận hành trong hệ mạch và luôn được kết nối với cường độ dòng điện tải trong thiết bị điện. Hình 2.4: Biến dòng dạng khối BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 6
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.2. Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) Trong các ứng dụng đo lường và điều khiển bằng vi điều khiển bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) là một thành phần rất quan trọng. Dữ liệu trong thế giới của chúng ta là các dữ liệu tương tự (analog). Ví dụ độ ẩm là 75% và 80%, giữa hai mức giá trị này có vô số các giá trị liên tục mà độ ẩm có được, đại lượng nhiệt độ như thế gọi là một đại lượng analog. Trong khi đó, rõ ràng vi điều khiển là một thiết bị số (digital), các giá trị mà một vi điều khiển có thể thao tác là các con số rời rạc vì thực chất chúng được tạo thành từ sự kết hợp của hai mức 0 và 1. Để vi điều khiển có thể đọc được các đại lượng analog thì chúng ta phải “số hóa” (digitalize) một dữ liệu analog thành một dữ liệu digital. Quá trình “số hóa” này thường được thực hiện bởi một thiết bị gọi là “bộ chuyển đổi tương tự - số hay đơn giản là ADC (Analog to Digital Converter). Có rất nhiều phương pháp chuyển đổi ADC như là: phương pháp chuyển đổi trực tiếp (direct converting) hoặc flash ADC. Các bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp này được cấu thành từ một dãy các bộ so sánh (như opamp), các bộ so sánh được mắc song song và được kết nối trực tiếp với tín hiệu analog cần chuyển đổi. Một điện áp tham chiếu (reference) và một mạch chia áp được sử dụng để tạo ra các mức điện áp so sánh khác nhau cho mỗi bộ so sánh. Vin là tín hiệu analog cần chuyển đổi và giá trị sau chuyển đổi là các con số tạo thành từ sự kết hợp các mức nhị phân trên các chân Vo. Do ảnh hưởng của mạch chia áp (các điện trở mắc nối tiếp từ điện áp +5V đến ground), điện áp trên chân âm (chân -) của các bộ so sánh sẽ khác nhau. Trong lúc chuyển đổi, giả sử điện áp Vin lớn hơn điện áp “V-“ của bộ so sánh 1 (opamp ở phía thấp nhất trong mạch) nhưng lại nhỏ hơn điện áp V- của các bộ so sánh khác, khi đó ngõ Vo1 ở mức 1 và các ngõ Vo khác ở mức 0, chúng ta thu được một kết quả số. Một cách tương tự, nếu tăng điện áp Vin ta thu được các tổ hợp số khác nhau. Với mạch điện có 4 bộ so sánh sẽ có tất cả 5 trường hợp có thể xảy ra, hay nói theo cách khác điện áp analog Vin được chia thành 5 mức số khác nhau. Tuy nhiên, các ngõ Vo không phải là các bit của tín hiệu số ngõ ra, chúng chỉ là đại diện để tổ hợp thành tín hiệu số ngõ ra. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 7
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.5: Mạch flash ADC 2 bit. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 8
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2.1: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã. Giá trị nhị phân Giá trị thập phân 00 0 01 1 10 2 11 3 Độ phân giải (resolution): nếu mạch điện có 4 bộ so sánh, ngõ ra digital sẽ có 5 mức giá trị. Tương tự nếu mạch điện có 7 bộ so sánh thì sẽ có 8 mức giá trị có thể ở ngõ ra digital, khoảng cách giữa các mức tín hiệu trong trường hợp 8 mức sẽ nhỏ hơn trường hợp 4 mức. Nói cách khác, mạch chuyển đổi với 7 bộ so sánh có giá trị digital ngõ ra “mịn” hơn khi chỉ có 4 bộ, độ “mịn” càng cao tức độ phân giải (resolution) càng lớn. Khái niệm độ phân giải được dùng để chỉ số bit cần thiết để chứa hết các mức giá trị digital ngõ ra. Trong trường hợp có 8 mức giá trị ngõ ra, chúng ta cần 3 bit nhị phân để mã hóa hết các giá trị này, vì thế mạch chuyển đổi ADC với 7 bộ so sánh sẽ có độ phân giải là 3 bit. Một cách tổng quát, nếu một mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải n bit thì sẽ có 2 n mức giá trị có thể có ở ngõ ra digital. Để tạo ra một mạch chuyển đổi flash ADC có độ phân giải n bit, chúng ta cần đến 2n-1 bộ so sánh, giá trị này rất lớn khi thiết kế bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải cao, vì thế các bộ chuyển đổi flash ADC thường có độ phân giải ít hơn 8 bit. Độ phân giải liên quan mật thiết đến chất lượng chuyển đổi ADC, việc lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của bộ điều khiển. Trong 2 mô tả một ví dụ “số hóa” một hàm sin analog thành dạng digital. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 9
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.6: Tín hiệu tương tự và lượng tử hóa Điện áp tham chiếu (reference voltage): Cùng một bộ chuyển đổi ADC nhưng có người muốn dùng cho các mức điện áp khác nhau, ví dụ người A muốn chuyển đổi điện áp trong khoảng 0-1V trong khi người B muốn dùng cho điện áp từ 0V đến 5V. Rõ ràng nếu hai người này dùng 2 bộ chuyển đổi ADC đều có khả năng chuyển đổi đến điện áp 5V thì người A đang lãng phí tính chính xác của thiết bị. Vấn đề sẽ được giải quyết bằng một đại lượng gọi là điện áp tham chiếu - Vref (reference voltage). Điện áp tham chiếu thường là giá trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể chuyển đổi. Trong các bộ ADC, Vref thường là thông số được đặt bởi người dùng, nó là điện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển đổi. Ví dụ, một bộ ADC 10 bit (độ phân giải) có Vref=3V, nếu điện áp ở ngõ vào là 1V thì giá trị số thu được sau khi chuyển đổi sẽ là: 1023x(1/3)=314. Trong đó 1023 là giá trị lớn nhất mà một bộ ADC 10 bit có thể tạo ra (1023=210-1). Vì điện áp tham chiếu ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình chuyển đổi, chúng ta cần tính toán để chọn một điện áp tham chiếu phù hợp, không được nhỏ hơn giá trị lớn nhất của input nhưng cũng đừng quá lớn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 10
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.3. Mạch đo tốc độ (ENCODER) Encoder hoạt động dựa vào nguyên lý của tần số chớp, các vật thể sẽ đứng yên trong mắt người quan sát khi tần số chớp tốc độ cao đồng bộ với sự di chuyển của vật. Phương pháp đo này có thể đo được cho những vật rất nhỏ hoặc đo được ở những nơi ta không chạm đến được. Không cần thiết phải dán tấm phản quang lên vật cần đo. Dải đo: 30 rpm đến 20.000 rpm. Đo tốc độ động cơ dùng encoder, tín hiệu từ encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần số thay đổi phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Do đó các xung vuông này được đưa vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trị vận tốc của động cơ. Đây cũng là phương pháp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm…. Nguyên lý cơ bản của encoder : đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Có một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh) thì đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt. Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và các tín hiệu xung vuông này được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ. Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của tấm tròn đó. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 11