Đồ án Cảm biến thông minh

Tốc độ và hướng gió

Đề tài : Đo tốc độ và hướng gió

Mục lục

Mục lục...........................................................................................................1I, Lời mở đầu.................................................................................................2II , Cơ sở lý thuyết.........................................................................................3

1. Phương pháp đo hướng gió................................................................31.1 Sử dụng cảm biến quang :.............................................................31.2 , Sử dụng biến trở ( Potentiometer )...............................................4

2. Phương pháp đo tốc độ gió.................................................................52.1 Đo tốc độ nhờ Encoder tương đối...................................................62.2 Phương pháp cảm ứng điện từ........................................................7

III . Thiết kế thiết bị....................................................................................101. Thiết kế khối chức năng...................................................................10

1.1 , Thiết kế cho khối đo hướng gió...................................................10a, Cấu tạo của cơ cấu.........................................................................10b, Cấu tạo mạch điện tử......................................................................11

1.2 Thiết kế cho khối đo tốc độ gió.................................................14a, Mô tả cơ cấu...................................................................................14b, Mô tả mạch điện tử.........................................................................15c, lập trình phần mềm cho chức năng.................................................15

2.Vấn đề chuẩn độ của hệ thống.............................................................17IV, Kết luận..................................................................................................18Appendix – Tài liệu tham khảo..................................................................19

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51 1


I, Lời mở đầu

“ Thế giới này được bao phủ bởi những phép đo , mọi kiến thức mà không

qua một sự đương lượng nào , đều có nguy cơ bị bác bỏ . Thuật ngữ “ khoa

học “ ngày càng không chấp nhận những loại hiểu biết mà không thể chuyển

hóa thành những con số “, đó là càu nói nổi tiếng của Paul Valery , và câu

nói đó vẫn đang chứng minh tính đúng đắn của mình trong kỉ nguyên “ số

hóa “ toàn diện này . Trong các ứng dụng đời sống cũng như trong công

nghiệp , khâu đo đạc ,thu thập số liệu luôn chiếm vị trí then chốt và phải

được tiến hành trước hết vì nó cung cấp những thông tin , hiểu biết thực tế

về hệ thống ,làm nền tảng cho các quá trình phân tích và xử lý thông tin về

sau . Đặc biệt , cùng với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ ,

lĩnh vực kỹ thuật đo lường cũng đã có những sự thay đổi lớn , chuyển từ đo

lường truyền thống (“ thực “ ) sang đo lường “ ảo” , đo lường thông minh

mà thực chất là sự kết hợp của vi xử lý vào các thiết bị đo để cải thiện tính

linh hoạt cho các thiết bị đo .

Trong khuôn khổ môn học “ Cảm biến và đo lường thông mình” , chúng

em muốn , thông qua việc thực hiện đề tài “ Đo tốc độ gió và hướng gió “ ,

vận dụng các kiến thức và làm quen với quy trình thiết kế một giải pháp tổng

thể .



II , Cơ sở lý thuyết

1. Phương pháp đo hướng gió

- Nguyên lý đo : thực chất là đo góc lệch của hướng gió thổi hiện tại

so với hướng chính Bắc .

- Thực tế , thường áp dụng 2 phương pháp cơ bản để đo góc lệch :

sử dụng cảm biến quang ( optical encoder ) và biến trở

( potentiometer )

1.1 , Sử dụng cảm biến quang :

Cảm biến có dạng đĩa tròn , trên đĩa có vẽ các rãnh đen-trắng , có vai trò

mã hóa cho các bit nhị phân 0 , 1 . Từ tâm đĩa ra , mỗi cung sẽ mã hóa một

từ mã n bit ( n=9 với hình trên ) , mỗi cung sẽ tương ứng một góc Є ( 0,

360) . Độ phân giải của cảm biến :1/2^n.

Ví dụ với n=8 bit , góc nhỏ nhất có thể đo được là :

Khi mã hóa góc , nếu dùng phương pháp mã hóa tự nhiên thì 2 góc kề

nhau có thể khác nhau nhiều hơn 1 bit ( ví dụ từ 01-> 10 ) , điều này có thể

gây ra sai số lớn nếu khi vì một lý do nào đó một bít bị truyền nhầm ( 0



thành 1 ) . Vì vậy , người ta đề xuất 1 loại mã nhị phân – mã Gray , trong

đó , 2 giá trị liên tiếp được mã hóa sao cho chỉ khác biệt nhau 1 bit .

Ví dụ dưới đây là bảng mã Gray 4 bit

Ưu điểm của cảm biến :

- Có độ chính xác , độ nhạy cao .

- Đầu ra cảm biến là tín hiệu số , nên có thể hiển thị và lưu trữ dễ

dàng .

Nhược điểm :

- Độ phân giải cố định và số bit là hạn chế trước .

1.2 , Sử dụng biến trở ( Potentiometer )

- Tác động của gió làm quay biến trở , góc quay của biến trở chính là

phương của gió so với hướng Bắc . Mắc biến trở theo sơ đồ sau :



Mặt khác nên , đo Vout ta sẽ xác định được .

Ưu điểm của phương pháp :

- Thiết bị đơn giản , giá thành rẻ

- Cảm biến là tương tự nên không bị giới hạn độ phân giải

Nhược điểm :

- Độ chính xác không cao , vì biến trở bị phụ thuộc vào nhiều yếu tố

như nhiệt độ .

- Cơ cấu quay có ma sát lớn ,nên độ nhạy thấp .

Trong khuôn khổ đồ án , nhóm lựa chọn phương pháp đo góc bằng quang

học

2. Phương pháp đo tốc độ gió

Nguyên lý chung là quy tốc độ gió về đo tốc độ quay của các cơ cấu khác .

Ta cũng xét ở đây 2 phương pháp đô vận tốc quay thường dùng trong thực

tế :

2.1 Đo tốc độ nhờ Encoder tương đối



Cấu tạo của Encoder tương đối

:

Encoder loại này thường có 3 kênh ( channel ) hay 3 đầu ra , đó là

kênh A , kênh B , và kênh I . Trong hình trên , ta thấy 2 cặp cảm biến hồng

ngoại phát và thu , trong đó , cặp phát và thu cho lỗ nhỏ chính là kênh I của

Encoder . Kênh I sẽ có một xung mỗi khi encoder quay hết một vòng .

Kênh A nằm ngoài vành đĩa , và được chia thành các rãnh nhỏ , và có một

cặp thu phát riêng . Kênh A tương tự kênh I , điểm khác biệt là khi encoder

quay hết một vòng , kênh A có N xung , N chính là số rãnh trên xung – hay

độ phân giải ( resolution ) của encoder , N càng lớn , tốc độ quay càng

được đo chính xác . Thông qua việc đếm số xung trên 1s , ta có thể suy ra

tốc độ quay của encoder .

Một đặc điểm nữa của encoder tương đối , đó là chúng ta có thể xác định

được chiều quay của động cơ . Đó là tác dụng của kênh B , được bố trí lệch

pha 90 với các rãnh của kênh A . Nếu chiều quay là thuận kim đồng hồ ,

mỗi khi có xung từ cao xuống thấp ở kênh A thì kênh B sẽ có mức logic

thấp . Tương tự , khi kênh B có xung từ cao xuống thấp , thì kênh A sẽ có



mức logic cao . Ngược lại vơi trường hợp chiều quay nghịch chiều kim

đồng hồ .

Quay theo chiều thuận kim đồng hồ .

Việc biết thêm chiều quay là một thông tin cần thiết để tính toán vận tốc

quay , nếu chiểu quay giữ nguyên , số xung đếm tăng lên , nếu đổi chiều

quay , số xung bị giảm đi .

Kênh A Kênh B

Clockwise Sườn xuống 0

Sườn lên 1

Counter clockwise Sườn xuống 1

Sườn lên 0

Như đã đề cập ở phần đo phương của gió ở trên , phương pháp đo tốc độ

gió sử dụng Encoder cũng mang đầy đủ các ưu điểm của một phương

pháp xử lý số :

Dễ lưu trữ , xử lý

Hơn nữa , cảm biến quang có tốc độ đáp ứng nhanh , độ nhạy lớn

, độ chính xác cao .

2.2 , Phương pháp cảm ứng điện từ



Như tên gọi ,nguyên tắc của phương pháp là hiện tượng cảm ứng điện từ

, ta biến cơ cấu quay ( cánh quạt ) thành rotor của một máy phát điện xoay

chiều 3 pha . Trên rotor có p cặp cực nam châm , stato gắn trên thành bao

gồm 3 cuộn dây bố trí lệch pha nhau 120 . Như vậy , trong rô to xuất

hiện sức điện động cảm ứng , nếu nối với mạch ngoài , trong mạch sẽ tồn

tại dòng điện cảm ứng xoay chiểu với tần số :

Với : n là số vòng quay của rotor ( vòng /phút )

P là số đối cực của rotor .

Việc xác định tốc độ của rotor thực chất là xác định tần số của dòng

điện ( hoặc điện áp ) xoay chiều . Phương pháp đo tần số tuân theo các

bước sau :

Chuẩn hóa mức điện áp rồi đưa vào một ngõ của mạch so sánh

như trên sơ đồ

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51

UoutEin

8


Tín hiệu ra Uout sẽ có dạng xung vuông , ta cho qua một bộ

Counter , và đếm số xung xuất hiện trong 1 đơn vị thời gian T

( 1s , 10s ,100 s ,… ) . Tần số sẽ được tính bằng công thức :

Cuối cùng tốc độ được suy ngược từ công thức :

Ưu điểm của phương pháp :

Tín hiệu xử lý ở dạng tương tự , nên không bị giới hạn về độ phân

giải , cấp chính xác có thể tăng lên khi tăng thời gian đếm xung

( hằng số T ) .

Nhược điểm :

Tín hiệu về dòng điện cảm ứng hay điện áp là tương tự nên luôn có

một độ trễ nhất định khi có sự chuyển đổi giá trị , do đó độ nhạy

không cao bằng cảm biến quang .

Từ việc phân tích 2 giải pháp trên , nhóm chúng em quyết định chọn

phương pháp sử dụng encoder quang vì tốc độ đáp ứng nhanh và rất chính

xác .



III . Thiết kế thiết bị

1. Thiết kế khối chức năng

Ta có thể vận dụng thiết kế rất phổ biến của các thiết bị đo gió hiện

nay , đó là dạng trực thăng gắn trên trục có thể quay được

Anemometer kiểu trực thăng

Trên thiết bị này tích hợp cả 2 chức năng , đo hướng gió và tốc độ ( lưu

lượng ) gió . Về vị trí và thiết kế cụ thể của 2 khối như sau :

1.1 , Thiết kế cho khối đo hướng gió

a, Cấu tạo của cơ cấu

Thiết bị gồm 2 phần : thân trên nằm ngang , có thể quay xung

quanh thân trục dưới mỗi khi có tác động của gió . Thiết kế mở rộng

về phần đuôi của thân trên để tăng sức cản của không khí , giúp cho cơ

cấu sớm đạt đến trạng thái cân bằng , có phương trùng với phương của

gió .



Cấu tạo của Encoder đo hướng gió

Trục quay gắn với encoder tuyệt đối – được mã hóa Gray trên mặt

đĩa . Trên thành của trục gắn 1 bộ phát – thu hay đầu đọc encoder . Sau

những khoảng thời gian nhất định , dữ liệu đầu ra gồm n bit , trong bài

này ta sẽ chọn n=8 , sẽ được gửi đi để lưu trữ lại .

b, Cấu tạo mạch điện tử

Sơ đồ khối của khâu đo hướng gió



Sau đây là sơ đồ tham khảo mạch phát –thu encoder ( Theo sách

của G.Asch et al) . Trong sơ đồ , giữa các LED phát và thu được ngăn

cách bởi các rãnh của đĩa , nếu trên đĩa có màu trắng , LED thu sẽ

nhận được tín hiệu , transistor thứ n sẽ thông , và do đó , đầu ra OUT n

sẽ ở mức ‘1’ . Ngược lại , nếu chiếu vào rãnh đen , LED nhận sẽ

không được thông , do đó vẫn ở mức ‘0’ .

Trần Đình Cường – Trần Trung Quang – Tin hoc công nghiệp –K51

MCS_51Flip-flop

Encoder

8 bit

Clk

P1LCD

12


Các đầu ra của encoder sẽ được kết nối với Flip-Flop để chốt dữ liệu vào vi

điều khiển MCS_51 , thời điểm chốt và đọc dữ liệu sẽ được quyết định bởi

một tín hiệu đồng hồ từ một chân trên vi điều khiển . Dữ liệu 1byte được đọc

vào cổng P1 , sau đó 89C51 sẽ có nhiệm vụ hiển thị số đo góc lên màn hình

LCD .



1.2 Thiết kế cho khối đo tốc độ gió

a, Mô tả cơ cấu

Cánh quạt quay mỗi khi có gió ,trục quay của quạt có gắn encoder

tương đối , và 1 bộ thu – phát trên thành , tương tự như trong khối đo

hướng gió . Khi encoder quay , ta thu thập các tín hiệu kênh A , B ( ta

không sử dụng kênh I ) . Phương pháp tính tốc độ như sau :

Kết nối kênh A với 1 chân ngắt ngoài của atmega32 ,ví dụ

INT2 , kênh B được nối với 1 chân bất kỳ khác .

Mỗi khi có 1 xung ở kênh A , xung đó sẽ kích hoạt ngắt ngoài

INT , vi điều khiển sẽ gọi chương trình phục vụ ngắt .

Nhiệm vụ của chương trình phục vụ ngắt : kiểm tra giá trị trên

kênh B, tùy theo mức của kênh B mà giá trị biến đếm đươc

tăng hay giảm đi



Sau một khoảng thời gian cố định , có thể coi là 1 chu kì xử lý

, vi điều khiển tính ra số xung xuất hiện trong khoảng thời gian

trên , từ đó tính ra được số xung ( số vòng ) trên 1 đơn vị thời

gian .

b, Mô tả mạch điện tử

Sơ đồ mạch của hệ thống đo tốc độ gió

.

C, lập trình phần mềm cho chức năng

Code viết trên Codevision AVR , trong đó ta giả định , thời gian chu

trình xử lý là 25ms và encoder loại 100 xung/vòng

------------------------------------------

#include <avr/io.h>



#include<util/delay.h>

#include<avr/interrupt.h>

#include<math.h>

#include<stdio.h>

#include<myLCD.h>

#define processing_time 25// chu ki cap nhat so lieu

#define num_track 100 // so ranh

volatile long int Pulse , pre_pulse ;

volatile long int speed ;

int main(void)

{

unsigned char buffer_LCD[5];

Pulse =0;

DDRB=0x00; set Portb in Input mode

PortB=0xFF; dat dien tro keo cho encoder

------------------------- ngat ngoai ---------------

MSCUCSR|=(0<<ISC2) ; // ngat INT2 la suon xuong

GICR |=(1<<INT2) ; // bat ngat INT2

------------------ timer 2 dinh thoi , T=25ms ------

TCCR2=(1<<CS22)|(1<<CS21)|(1<<CS20);

TCNT2=60;

TIMSK=(1<<TOIE2);

----------------------------------------------------

init_LCD() ; // khoi tao LCD

clr_LCD();

print_LCD("toc do : /25ms ");

while(1)

{

sprintf(buffer_LCD,"%i",speed);

move_LCD(1,8);

print_LCD(" ");

print_LCD(buffer_LCD);



}

}

ISR (Timer2_OVF_vect)

{

TCNT2=60 ;// thiet dat lai tham so cho timer2

speed=(pulse-pre_pulse)/num_track;

pre_pulse=pulse ;

}

ISR(INT2_vect)

{

if (bit_is_set(PINB,0)) pulse++;

else Pulse--;

}

2.Vấn đề chuẩn độ của hệ thống

- Chuẩn độ là 1 chức năng quan trọng của hệ thống đo , có tác dụng chỉnh

định lại các tham số các hằng số được sử dụng trong hệ thống .

- Đối với hệ thống đo hướng gió như đã miêu tả , việc chuẩn độ hướng

chính Bắc được tiến hành một lần , ngay tại thời điểm sản xuất .

- Đối với khối đo tốc độ gió , ta cần công thức quy đổi giữa tốc độ quay của

cánh quạt và tốc độ gió ( theo[2] và [3])

U = M.X + B (*)

Trong đó , U là vận tốc gió

X là vận tốc quay của cánh quạt ( số xung / giây )

M là hằng số tỉ lệ , B là 1 hằng số Offset .

Hằng số M và B phụ thuộc vào môi trường không khí và đặc biệt vào kết

cấu của hệ thống . Trong 2 hằng số này , hằng số B đại diện cho « sức ỳ « -

ma sát giữa các khớp quay lúc khởi động , hoàn toàn có thể cải thiện được

và làm cho B nhỏ đi , tới mức có thể coi là « zero » trong công thức (*).



Công thức chính còn lại là : U=M.X

Muốn chuẩn độ M , cần phải có « mẫu » , tức là một lưu lượng gió biết trước

và sau khi đo xong , chúng ta lưu lại Xđo , dùng vi điều khiển tính toán và

lưu lại Mđo vào bộ nhớ .

Để kết thúc ta có thể tham khảo bảng số liệu về M của hãng Campbell

Sản phẩm M (m/s)

05103AP-10 0.0980

05305-10 0.1024

IV, Kết luận

Qua đồ án này , chúng em đã dần dần nắm được :

Nguyên tắc đo tốc độ và hướng gió

Biết quy trình thiết kế một thiết bị đo

Kết hợp các kiến thức đo lường và điện tử - vi xử lý để hiện thực

hóa các thiết kế .

Tuy nhiên , đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót , như chưa đưa ra được các giải

pháp để xử lý vấn đề tự động chuẩn độ một cách linh hoạt . Các thiết kế và

cấu trúc mạch còn đơn giản , sẽ cần phải được cải tiến rất nhiều để đáp ứng

các yêu cầu khác nhau từ thực tế .

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn của cô , và tin rằng đây sẽ

là những kinh nghiệm để các thiết kế trong tương lai sẽ được hoàn thiện

hơn .



Appendix – Tài liệu tham khảo

1. Geogres Asch et al , Les capteurs en instrumentation industrielle –

DUNOD

2. Campbell Scientific Corp (CSC ) – Datasheet Young Wind monitor

05103AP-10.

3. http://en.wikipedia.org/wiki/Anemometer


Documents

Đồ án Cảm biến thông minh