Thiết kế hệ thống điều chỉnh nhiệt dộ phòng học bằng vi điều khiển ( có link ggdrive mô phỏng cuối bài hoặc liên hệ 0799008541 )

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

MỤC LỤC
MỤC LỤC.............................................................................................................1
LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................3
CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH U CẦU CƠNG NGHỆ........................................4
1.1. Khái quát chung về hệ thống điều khiển........................................................4
1.1.1. Khái niệm....................................................................................................4
1.1.2. Cấu trúc:......................................................................................................4
1.1.3. Thiết bị đo...................................................................................................5
1.1.4. Ứng dụng:....................................................................................................7
1.2. Điều khiển nhiệt độ phịng.............................................................................7
1.2.1. u cầu cơng nghệ......................................................................................7
1.2.2. Thiết bị chấp hành (quạt).............................................................................7
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC...............................................................14
2.1. Mạch nguồn..................................................................................................14
2.2. Sơ đồ khối mạch lực.....................................................................................14
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN................................................25
3.1. Giới thiệu chung về ardurino........................................................................25
3.2. Cảm biến.......................................................................................................29
3.3. Các khối điều khiển......................................................................................32
3.3.1. Arduino uno...............................................................................................32
3.3.2. LM35.........................................................................................................32
3.3.3. Khối hiển thị LCD.....................................................................................33
3.3.4. Khối công suất L293D..............................................................................33
3.3.5. Motor DC..................................................................................................34

GVHD: Bùi Thanh Hòa

1

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay với những ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của
chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Trong đó sự
phát triển của kỹ thuật tự động hóa đã đóng góp vai trị quan trọng tạo ra hàng
loạt những thiết bị với những đặc điểm nổi bật như: sự chính xác, an toàn, tốc
độ nhanh gọn nhẹ … Ý tưởng đề tài xuất phát từ bài toán thực tế là thiết kế hệ
thống đo nhiệt độ phịng, từ đó dựa vào nhiệt độ đặt để điều khiển tốc độ quạt
phù hợp với sự thay đổi nhiệt độ để tạo ra sự ổn định nhiệt độ cho căn phòng
Đề tài “Thiết kế hệ thống điều chỉnh nhiệt dộ phòng học nha A2’’, do
thầy giáo BÙI THANH HÒA hướng dẫn là sự kết hợp của nhiều môn học như là
kĩ thuật vi điều khiển, cơ sở truyền động điện, truyền động điện tự động, trạng bị
điện…
Đồ án của em gồm 4 chương:
- Chương 1: Phân tích u cầu cơng nghệ
- Chương 2: Thiết kế mạch lực
- Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển

GVHD: Bùi Thanh Hòa

2

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

GVHD: Bùi Thanh Hòa

3

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH U CẦU CƠNG NGHỆ
1.1. Khái qt chung về hệ thống điều khiển

1.1.1. Khái niệm
Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi
nhà máy công nghiệp hiện đại. Từ những năm nửa đầu thế kỷ trước cho tới nay
điều khiển tự động chiếm vai trị ngày càng quan trọng trong các ngành cơng
nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng như dầu khí, lọc dầu, hóa chất, dược
phẩm, thực phẩm, nhà máy điện. Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử
dụng trong những lĩnh vực đó có một số đặc thù chung được xếp vào phạm trù
các hệ thống điều khiển quá trình.
Điều khiển là q trình thu thập thơng tin, xử lý thông tin và tác động lên
hệ thống “gần’’ với mục đích trước. Điều khiển tự động là q trình điều khiển
khơng có sự tác động của con người
Hệ thống điều khiển: tổng quát một hệ thống điều khiển là tập hợp những
dụng cụ, thiết bị điện tử được dùng ở những hệ thống cần đảm bảo tính ổn định,
sự chính xác, sự chuyển đổi nhịp nhàng của một quy trình hoặc một hoạt động
sản xuất. Nó thực hiện bất cứ yêu cầu nào của dụng cụ từ cung cấp năng lượng
đến một thiết bị bán dẫn, với thành quả của sự phát triển nhanh chóng của cơng
nghệ thì việc điều khiển một hệ thống phức tạp sẽ được thực hiện bởi một hệ

điều khiển tự động hóa hồn tồn. Một hệ thống điều khiển quản lý, ra lệnh hoặc
điều khiển các hành vi của các thiết bị hoặc hệ thống khác. Nó có thể bao gồm
một hệ thống sưởi trong gia đình bằng cách sử dụng bộ điều khiển để điều khiển
một nồi hơi dân dụng cho tới các hệ thống điều khiển công nghiệp lớn đang
được sử dụng để điều khiển q trình hoặc các máy móc cơng nghiệp. Trong
hình thức phổ biến nhất hệ thống điều khiển phản hồi được mong muốn điều
khiển một quá trình, gọi là đầu ra mong muốn do đó đầu ra theo sau một tín hiệu
điều khiển có thể là một giá trị cố định hay giá trị thay đổi. Hệ thống điều khiển
so sánh đầu ra của q trình với tín hiệu điều khiển, và áp dụng sự khác biệt như
là một tín hiệu sai số để mang lại đầu ra của q trình gần hơn với tín hiệu điều
khiển.
1.1.2. Cấu trúc:
Tùy theo mơ hình ứng dụng và mức độ tự động hóa các hệ thống điều
khiển q trình cơng nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp nhưng
chúng ta đều dựa trên ba thành phần cơ bản:
GVHD: Bùi Thanh Hòa

4

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

1.1.3. Thiết bị đo
Thiết bị chấp hành
Thiết bị điều khiển:

U: Giá trị đặt
C: Tín hiệu điều khiển

O: Biến điều khiển
Y: Biến được điều khiển
Thiết bị đo:
Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một
nghĩa nào đó với đại lượng đo.Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm
biến (sensor) và chuyển đổi đo (transducer). Một cảm biến thực hiện chức năng
tự động cảm nhận đại lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành
một tín hiệu. Để có thể truyền xa và có thể sử dụng được trong thiết bị điều
khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuếch đại, điều
hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp
Thiết bị điều khiển:
Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) là một thiết bị tự động
thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều
khiển công nghiệp. Mặc dù các thuật ngữ “thiết bị điều khiển” và “bộ điều
khiển” trong thực tế được sử dụng với nghĩa tương đồng ở đây ta cũng cần làm
rõ sự khác biệt nhỏ. Tùy theo ngữ cảnh một bộ điều khiển có thể được hiểu là
một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ) một khối phần mềm
cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ.
Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển được lựa chọn, bộ điều
khiển thực hiện thuật toán điều khiển, và các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở
lại q trình ky thuật thơng qua thiết bị chấp hành. Tùy theo dạng tín hiệu vào ra
GVHD: Bùi Thanh Hòa

5

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể xếp loại
là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển lo gic
(logic controller) hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller). Các thiết bị điều
khiển cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự. Một mạch rơ le (cơ
điện hoặc điện tử) là một thiết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của nó.Một
thiết bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế
chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển
logic. Một thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các đầu vào ra là tín hiệu số
hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp thành phần chuyển đổi tương tự -số như cần
thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng được thực hiện bằng máy tính
số. Một thiết bị điều khiển số khơng những có chất lượng và độ tin cậy cao hơn
mà có thể đảm nhiều chức năng điều khiển, tính tốn và hiển thị cùng một lúc.
Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC,DCS,DAS)
đều là các hệ điều khiển số. Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính
số được trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển. Vì vậy
khi ta nói tới máy tính điều khiển tức là chỉ bao hàm khối xủa lý trung tâm
(CPU), khối nguồn (PS) và các thành phần tích hợp trên bo mạch.
Còn lại các khái niệm ‘thiết bị điều khiển’ hoặc ‘trạm điều khiển’ , bao hàm
cả máy tính điều khiển và các thành phần mở rộng, kể cả module vào ra và
module chức năng khác.
Thiết bị chấp hành:
Một hệ thống thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực
hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu
trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ,
Máy bơm và quạt gió. Thơng qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều
khiển có thể can thiệp vào diễn biến của q trình kỹ thuật. Ví dụ, tùy theo tín
hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh độ mở van, thay đổi
lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình. Một máy bơm có
điều chỉnh tốc độ cũng có thể thay đổi áp suất dịng chất lỏng hoặc dịng khí qua
đó điều chỉnh lưu lượng.

Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ
cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn động và phần tử điều khiển (control element).Cơ
cấu điều khiển có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ
hoặc nhiệt), trong khi phần tử tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển
GVHD: Bùi Thanh Hòa

6

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

1.1.4. Ứng dụng:
- Bình chứa chất lỏng
- Thiết bị khuấy trộn liên tục
- Thiết bị gia nhiệt
- Tháp chưng luyện
- Nồi hơi bão hịa
Ứng dụng trong một số qua trình lớn như là hệ điện, lọc dầu, hóa chất, nhà
máy thép, nhựa, nhà máy xi măng, nhà máy phân bón, nhà máy giấy và bột giấy,
ô tô và lắp ráp xe tải, sản xuất máy bay, sản xuất thủy tinh, nhà máy tách khí tự
nhiên, thực phẩm và đồ uống chế biến, đóng hộp và đóng chai và sản xuất các
loại khác nhau của các bộ phận …
Giúp tăng năng suất, cải thiện chất lượng,cải thiện mạnh mẽ nhất quán các
quy trình hay sản phẩm.
Tăng tính nhất quán của đầu ra, giảm chi phí nhân cơng trực tiếp và chi phí
nhân lực. Các phương pháp điều khiển sau đây thường được sử dụng để nâng
cao năng suất, chất lượng hoặc mạnh mẽ.
Cài đặt các hệ thống điều khiển tự động nơi cần một mức độ chính xác cao

cần thiết, thay thế con người trong những công việc được thực hiện trong môi
trường nguy hiểm:hầm mỏ, lửa, cơ sở hạt nhân, dưới nước…
Cải thiện kinh tế: Các hệ thống điều khiển trong lĩnh vực tự động hóa giúp
cải thiện trong nền kinh tế của các doanh nghiệp, xã hội hay của nhân loại bên
canh đó nó cịn giúp giảm thời gian hoạt động và thời gian xử lý cơng việc đáng
kể.
Giải phóng người lao động để đảm nhiệm những vai trị khác, cung cấp
cơng việc ở cấp cao hơn trong việc phát triển, triển khai, bảo trì và hoạt động
của các quá trình tự động.
1.2. Điều khiển nhiệt độ phịng

1.2.1. u cầu cơng nghệ
Tốc độ quạt thay đổi theo nhiệt độ
Phòng học nhà A2 có diện tích 70m2
1.2.2. Thiết bị chấp hành (quạt)
1.2.2.1. Quạt điện
Khái niệm:
Quạt điện là dòng thiết bị được sử dụng rất phổ biến không chỉ trong thị
trường Việt Nam mà còn ở khắp nơi trên thế giới. Hoạt động dựa trên sự chuyển
GVHD: Bùi Thanh Hòa

7

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

hóa điện năng thành cơ năng giúp lưu thơng gió nhằm phục vụ cho con người.
Việc nghiên cứu và phát triển thành công dòng quạt điện đã tạo bước ngoặt lớn

trong giai đoạn nâng cao đời sống con người lên một tầm cao mới, cũng như tạo
tiền đề cho các dòng quạt điện thế hệ mới có thể phát triển như ngày hơm nay.
Ngày nay quạt điện trở thành thiết bị gia dụng khơng thể thiếu trong cuộc
sống mỗi người, mỗi gia đình.Sự hiện đại của công nghệ cũng như sự phát triển
của đời sống chính vì thế những chiếc quạt ngày nay có phần nâng cấp so với
những dịng quạt điện trước đây.
Nguyên lý hoạt động:
Quạt điện hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển hóa điện năng thành cơ
năng dựa trên sự tiếp xúc với khơng khí để tạo nên luồng gió đẩy về phía trước
mang lại cảm giác mát mẻ cho người sử dụng.
Động cơ quạt là bộ phận thông qua nguyên lý điện từ để tạo ra dòng động
lực bằng điện, để một chiếc quạt có thể quay và tạo ra sức gió mạnh hay yếu, độ
rung mạnh hay nhẹ cũng như độ ồn lớn hay nhỏ đều phụ thuộc vào chất lượng
của động cơ. Chính vì thế mà ngày nay động cơ được nghiên cứu và chế tạo dựa
theo rất nhiều tiêu chuẩn để có thể đảm bảo an tồn cũng như chất lượng và tính
năng.
Cánh quạt là bộ phận rất quan trọng trên một thiết bị quạt với thiết kế đặc
biệt sẽ kết hợp với lực quay của động cơ ma sát gió trước sau đẩy đẩy gió về
phía trước tạo nên một luồng gió mát,luồng gió mà quạt tạo ra mạnh hay yếu
phụ thuộc vào động cơ
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại quạt mẫu mã khác nhau hầu hết
các loại quạt hoạt động bằng cách điều khiển khơng khí di chuyển trục dọc tạo
ra gió, cánh quạt đẩy khơng khí vào trong hoặc ra ngồi để làm mát hoặc thơng
gió cho căn phịng.
Tác dụng của quạt điện:
Làm mát cho căn phịng thích hợp sử dụng cho các vùng có khí hậu nóng
ẩm, quạt điện là một thiết bị có nhiều mệnh giá khác nhau tùy vào mục đích và
nhu cầu sử dụng lớn hay nhỏ, nhiều hay ít...dùng để làm mát ổn định nhiệt độ
trong phịng. Quạt điện làm tươi mới khơng khí nó giúp lưu thơng khơng khí
mát mẻ khắp phịng.

Giúp chúng ta dễ dàng đi vào giấc ngủ hơn có thể chúng ta sẽ cảm thấy khó
ngủ vì vào những đêm mùa hè nóng nực.Thơng thường chúng ta phải lựa chọn
máy điều hịa khơng khí có thể gây ra tiếng ồn hoặc chịu nóng khơng thoải mái.
GVHD: Bùi Thanh Hịa

8

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Quạt điện cho phịng ngủ là một thay thế tuyệt vời vì nó hoạt động êm chi phí rẻ
mà lại giúp lưu thơng khơng khí làm giảm nhiệt độ trong phịng. Ngồi ra những
làn gió mát có thể đưa chúng ta vào giấc ngủ ngon hơn.
Giữ độ ẩm trong tầm kiểm soát các quạt điện có thể làm nhiều hơn là chỉ
mát mẻ bởi vì quạt điện thơng gió cho phịng, duy trì độ ẩm thích hợp, ổn định
nhiệt độ. Thổi khơng khí trong lành vào phịng có thể giữ độ ẩm giảm trong nhà
và giữ cho căn phịng ln thống mát, quạt điện làm lưu thơng khơng khí liên
tục giữ khơng khí trong phịng sạch và khơ.
Bên cạnh đó quạt điện có thể được dùng để trang trí căn phịng làm nổi bật
thêm nét dun dáng cho căn phịng, quạt điện có nhiều kiểu dáng và kích cỡ
giúp chúng ta có thêm nhiều sự lựa chọn
Quạt điện giúp chúng ta điều hòa khơng khí, ổn định làm giảm nhiệt độ
phịng, tiện ích cho con người (như quạt bàn điện), thơng gió (như quạt hút khí
thải), sang lọc (như dùng để tách các hạt ngũ cốc), loại bỏ bụi (máy hút bụi).
Chúng ta cịn dùng quạt để sấy khơ quần áo, tóc, khăn tắm …
Quạt điện giúp chúng ta điều hịa khơng khí, ổn định làm giảm nhiệt độ
phịng, tiện ích cho con người (như quạt bàn điện), thơng gió (như quạt hút khí
thải), sang lọc (như dùng để tách các hạt ngũ cốc), loại bỏ bụi (máy hút bụi).

Chúng ta còn dùng quạt để sấy khơ quần áo, tóc, khăn tắm …
Cấu tạo ngoài của thân quạt điện điều khiển bằng nhiệt độ:
Động cơ quạt: động cơ quạt là bộ phận tạo động lực bằng điện thông qua
nguyên lý điện từ, động cơ chính là con tim tạo nên sức gió cho chiếc quạt.
Động cơ quạt điện ngày nay với những tiêu chuẩn khắt khe về hiệu suất của
động cơ, độ rung, tiếng động yếu và ít tạo ra sức nóng.

GVHD: Bùi Thanh Hòa

9

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Cánh quạt là bộ phận trực tiếp tạo ra gió thơng qua tác động quay của động
cơ làm cánh quạt chuyển động, sự chuyển động này tạo nên sự chênh lệnh áp
suất giữa phía trước và phía sau và từ đó tạo nên gió.
Ngày nay có rất nhiều mẫu cánh quạt: loại 3 cánh, loại 5 cánh, loại cánh
mỏng và cánh dày…yếu tố tạo nên hiệu quả cho cánh đó là sức gió mạnh khi
quạt chạy thiết kế cánh sẽ quyết định điều này.
Thân quạt: thân quạt là phần đỡ động cơ và cánh quạt giúp cho quạt đứng
đúng vị trí khi hoạt động, thân quạt thường được thiết kế có thể tháo lắp khi cần
thiết.
Lồng quạt là bộ phận đơn giản nhất của quạt nhưng lại có ý nghĩa quan
trọng có tác dụng bảo vệ tránh nguy hiểm đối với người sử dụng quạt (có hoặc
khơng).
Cấu tạo quạt điện - phần điện:
Mơ tả: cuộn dây đồng quấn trên lõi sắt từ stator gồm nhiều tấm tôn silic

ghép mỏng lại với nhau để tránh dịng điện phu – cơ

GVHD: Bùi Thanh Hịa

10

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Động cơ điện:

Động cơ điện của quạt trần gồm có hai loại là loại có tụ và loại có vịng
chập, trong đó bộ phận chính của động cơ gồm Stato và Roto. Đây được xem là
phần quan trọng nhất trong số các chi tiết cấu tạo bởi nó gần như quyết định tới
tốc độ gió, q trình vận hành cũng như chất lượng sản phẩm.

Bộ điều tốc hay còn được biết đến là hộp số quạt trần, bộ phận này thường
được dùng để thay đổi tốc độ quạt theo mong muốn của người dùng
GVHD: Bùi Thanh Hòa

11

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Rotor cũng được làm bằng nhiều lá thép mỏng ghép lại và có phần nhôm

đúc với cốt thép để gắn cánh quạt vào phần dưới tạo chuyển động cho bộ chuyển
hướng.
Tụ điện để tạo ra dịng điện lệch pha,vỏ nhơm để ghép giữa stator và rotor
Bạc than có ổ giữ dầu bơi trơn để giảm lực ma sát.
Chiết áp: chiết áp quạt trần là thiết bị rất nhỏ gọn, dùng module cho phép
người lắp đặt có thể tháo rời với tác dụng để thay đổi tốc độ quạt trần

Chiết áp quạt trần bao gồm: một cuộn dây dẫn chính bằng hợp kim có điện
trở suất lớn và được quấn quanh bởi một trụ dẫn điện gắn với một con quay C
hay quay tay, núm xoay hoặc 1 loại khác đó là tay gạt.

GVHD: Bùi Thanh Hòa

12

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC
2.1. Mạch nguồn

Bố trí mặt bằng:

Ký hiệu:
STT

Ký hiệu

Tên thiết bị

Số lượng

Đơn vị

1

Quạt trần

6

Cái

2

Đường dây

Mét

2.2. Sơ đồ khối mạch lực

Mạch điều
khiển

Nguồn

Bộ biến đổi

Động cơ

Tải

Chọn động cơ có các thơng số sau:
- Công suất động cơ:
Pđm = 375W
- Hiệu điện thế:
Uđm=220V
- Dòng điện:
Iđm=7.5A
- Tốc độ quay:
nđm=1000(v/ph)
- Điện trở:
0.94 (Ω)

GVHD: Bùi Thanh Hòa

13

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Với yêu cầu của đề tài là thiết kế hệ thống điều chỉnh nhiệt độ phòng cho
dãy phòng học nhà A2, hệ thống điều khiển động cơ quay nhanh hay chậm ta có
sơ đồ khối như trên.
Nguồn: cấp nguồn cho bộ biến đổi (nguồn công suất lớn 220v).
Bộ biến đổi: sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha điều chỉnh điện áp xoay chiều
thành điện áp một chiều

Mạch điều khiển: vào các thời điểm cần thiết có tác dụng điều chỉnh năng
lượng đưa vào
Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
Cấu tạo
Cấu tạo của động cơ gồm stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp.
Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quân
kích thích) gồn các bối dây đặt trong rãnh của của lõi sắt. Số lượng cực từ chính
từ chính phụ thuộc tốc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ người ta có thể
kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
Rotor (còn được gọi phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có
rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều được đưa vào
phần ứng qua hệ thống chổi than – vành góp. Kết cấu của giá đỡ chổi than có
khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động duy trì áp lực tùy theo độ mịn
của chổi than.
Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều vào cuộn
dây phần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi
than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực tính dương và một nửa có cực tính
âm).
Ngun lý làm việc của động cơ một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ U k nào đó thì trong dây
quấn kích từ sẽ xuất hiện dịng kích từ i k và do đó mạch từ của máy sẽ có từ
thơng ɸ. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn
phần ứng sẽ có một dịng điện i chạy qua. Tương tác giữa dịng điện phần ứng và
các từ thơng kich thích tạo thành momen điện từ.giá trị của momen điện từ được
tính như sau:
Khi nguồn một chiều có cơng suất khơng đủ lớn thì mạch điện phần ứng
và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ được
gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập
GVHD: Bùi Thanh Hịa

14

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Ta có: Phương trình cân bằng điện áp:
Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư
(1.1)
Trong đó: Uư _ điện áp phần ứng.
Eư _ sức diện động phần ứng.
Rf _ điện trở phụ mạch phần ứng.
Rư _ điện trở phần ứng.
Rư = rư + rcf + rb + rcl
rư _ điện trở cuộn dây phần ứng.
rcf _ điện trở cuộn cực từ phụ.
rb _ điện trở cuộn bù.
rcl _điện trở tiếp xúc của chổi điện.
Sức điện động của phần ứng động cơ tính như sau:
Eu 

p.N
. .  k . .
2. .a

(1.2)

Trong đó p: số đơi cực từ chính.

N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
: từ thơng kích từ dưới một cực từ.
: tốc độ góc.
U u Ru  R f

.I u
k .
k .
M dt  k . .I u



(1.3)
Nếu bỏ qua tổn thất cơ và thép thì momen ở trục động cơ M bằng Mđt:
= - .M
(1.4)
Đây chính là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Nếu =const thì đặc tính cơ của động cơ có dạng như sau:
GVHD: Bùi Thanh Hòa

15

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hình 2.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Độ cứng của đặc tính cơ:

So với động cơ kích từ nối tiếp thì động cơ kích từ độc lập có đặc tính cơ
cứng hơn nên phù hợp với những truyền động có yêu cầu ổn định cao về tốc
độ.Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được họ đặc tính cơ song
song với đường đặc tính cơ tự nhiên.
Khi thay đổi điện áp phần ứng (giảm áp) thì momen mở máy, dòng điện
khởi động của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải
nhất định. Do đó phương pháp này hay được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động
cơ và hạn chế dịng điện khi khởi động.

Hình 2.3. Đặc tính của động cơ khi điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều (1.4) ta nhận thấy
tốc độ phụ thuộc vào ba thông số là: R, U, . Do vậy chúng ta có ba phương pháp
điều khiển động cơ điện một chiều như sau:
+) Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần
ứng của động cơ.
GVHD: Bùi Thanh Hòa

16

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

+) Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông Ф.
+) Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá tri điện áp phần ứng.
Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần
ứng.
Giả thiết U = = const. Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng bằng

cách mắc thêm một điện trở phụ thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo. Vậy
phương trình đặc tính cơ lúc này sẽ là:
= - .M
(1.5)
Ta thấy rằng khi thay đổi giá trị điện trở thì tốc độ sẽ thay đổi theo.
Xét đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc vào mạch điện phần
ứng như sau:

Hình 2.4. Đặc tính cơ động cơ điện một chiều thay đổi giá trị điện trở phụ.
Ta có:
Trong đó:

= -M= – là tốc độ khơng tải.
– là độ sụt tốc độ.
Theo đường đặc tính ta có
=M
=M
=M
Ta giả thiết U, Ф, là những hằng số. Do vậy nên mơmen M cũng là hằng
số.
Mặt khác, vì < < nên ta có: < < .
Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: = =
= =
GVHD: Bùi Thanh Hịa

17

SVTH: Trương Lam Trường

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

=
=
Vậy > > .
Nhận xét:
Nếu ở cùng một giá trị mô men cản thì độ sụt tốc độ sẽ càng lớn nếu điện
trở của mạch phần ứng càng lớn và làm cho tốc độ động cơ bị suy giảm, đồng
thời làm cho độ cứng đặc tính cơ càng giảm, tức là đặc tính cơ càng dốc. Dựa
vào đặc tính cơ ta thấy, tốc độ làm việc , ở các đường đặc tính điều chỉnh nhỏ
hơn tốc độ trên đường đặc tính cơ tự nhiên. Vậy tốc độ truyền động chỉ được
điều chỉnh về phía dưới , tức là tốc độ điều chỉnh nhở hơn tốc độ định mức.
Hiệu suất của phương pháp này thấp.
Ta có:
=
Mặt khác ta có:
=.
=.
=.
Theo giả thiết ở trên , ta có U, Ф, , là những hằng số và là những đại
lượng định mức. Nên ta có:
= = = . = const
Suy ra > > , vậy khi điều chỉnh theo phương pháp này sẽ không kinh tế ,
do đó tổn hao trên các điện trở phụ nên làm cho hiệu suất của thiết bị giảm. Vì
vậy nên phương pháp này trong thực tế ít sử dụng.
Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích
từ.
Giả thiết U = = const và = const. Muốn thay đổi từ thơng thì ta phải thay
đổi dịng điện kích từ . Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:
= -M= Trong đó: - là tốc độ không tải, = var

– là độ sụt tốc độ, = var
Ta có đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thơng mạch kích từ như sau:

GVHD: Bùi Thanh Hòa

18

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hình 2.5. Đặc tính cơ động cơ điện một chiều thay đổi từ thơng kích từ.
Đường (1) là đường ứng với khi Ф1 = Фđm
Đường (2) là đường ứng với khi Ф2 < Ф1 = Фđm
Theo đường đặc tính cơ ta có:
= = =
=
Độ cứng của đặc tính cơ:
= = = var
Do cấu trúc của máy điện nhất định nên cuộn dây kích từ chỉ chịu được
dịng kích từ định mức, do vậy thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm
từ thông( Ф < ) . Khi ta cho giảm từ thơng thì lúc đó tốc độ khơng tải sẽ tăng
lên.
Nhận xét:
Đặc tính điều chỉnh theo từ thơng Ф có độ cứng càng giảm xuống nếu như
ta càng giảm từ thông , tức là đặc tính cơ càng dốc. Nghĩa là tốc độ thì sẽ tăng
vọt cịn mơmen thì giảm nhanh, làm cho hệ số quá tải giảm. Vì vậy làm cho
động cơ làm việc kém ổn định.
Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông không

phù hợp với những tải có mơmen là hằng số ( = const). Vì = .Ф.I = const. Do
vậy khi Ф giảm thì làm cho I tăng lên gây phát nóng động cơ.
Giải điều chỉnh của phương pháp này cũng bị hạn chế bởi tốc độ cao nhất
của động cơ , khi tốc độ cao q thì có thể làm hỏng phần quay của động cơ do
lực li tâm lớn.

GVHD: Bùi Thanh Hòa

19

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

- Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp
phần ứng.
Giả thiết Ф = = const, khi ta thay đổi giá trị điện áp phần ứng thì ta có tốc
độ khơng tải lí tưởng cũng thay đổi theo. Do cấu trúc cuộn dây phần ứng chỉ
chịu được điện áp nên thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm điện áp
phần ứng.
Tốc độ không tải và độ sụt tốc độ:
= = var.
= M = const.
Đặc tính cơ

Hình 2.6: Đặc tính cơ động cơ điện một chiều thay đổi điện áp mạch phần ứng.

Độ cứng đặc tính:
= = const.

Khi giảm điện áp phần ứng động cơ thì ta được một họ đặc tính cơ song
song nằm về phía dưới đặc tính cơ tự nhiên. Và khi giảm điện áp phần ứng thì
tốc độ động cơ giảm xuống tương ứng với một phụ tải nhất định.
Nhận xét:
Các đặc tính cơ nhân tạo có độ dốc khơng đổi tức là = const nên tốc độ
điều chỉnh được ổn định tương đối.
Phương pháp này có thể điều chỉnh được vô cấp tốc độ.
Dải điều chỉnh tốc độ của phương pháp này rất lớn.
Phương pháp này có thể tự động hóa mạch điều khiển và mạch động lực và
có thể làm việc ở cả 4 góc phần tư của đồ thị đặc trưng cơ.
GVHD: Bùi Thanh Hòa

20

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hiệu suất của phương pháp này tương đối cao và giống nhau ở các đường
đặc tính do khơng có tổn hao trên điện trở.
Từ các phương pháp đã được trình bày ở trên em chọn phương pháp điều
chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng
Tính chọn thyristor bộ chỉnh lưu cầu 3 pha:
Tính chọn thyristor dựa vào các yếu tố cơ bản như: dòng điện tải, sơ đồ chỉnh
lưu, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc.
Điện áp ngược lớn nhất mà thyristor phải chịu:
;
Trong đó: ; Ku = ;
Điện áp ngược của van cần chọn:

Unv = Kdtu.Unmax = 1,8.230, = 414,684 V ;
Trong đó:
Kdtu: Hệ số dự trữ điện áp, thường chọn Kdtu = 1,8 ;
- Dịng điện làm việc của van đựơc tính theo dòng hiệu dụng:
Ilv = Ihd = khd.Id =
(do trong sơ đồ cầu ba pha, hệ số dòng điện hiệu dụng: khd = ).
Chọn thyristor làm việc với điều kiện có cánh tản nhiệt và đủ diện tích tản nhiệt,
khơng có quạt đối lưu khơng khí, với điều kiện có dịng điện định mức của van cần
chọn:
Hệ số khuếch đạidòng:
Chọn Uid = 5(V)

Idm = ki.Ilv = 0,67. 4.33 = 2,9A ;
ki: Hệ số dự trữ dòng điện,
chọn ki = 3,2.
Để chọn Thyristor làm việc với các tham số định mức cơ bản trên, ta tra bảng
thông số van, chọn các van có thơng số điện áp ngược, dịng điện định mức lớn hơn
gần nhất với thơng số đã tính. Vậy ta chọn Thyristor cho mạch động lực theo thông số
loại T6-10 của nga có các thơng số sau:

- Dịng điện định mức của van:
- Điện áp ngược cực đại của van:
- Đỉnh xung dòng điện:
GVHD: Bùi Thanh Hòa

21

Idm = 10 (A) ;
UnT = 600(V) ;
Ipk = 200 (A) ;

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

- Độ sụt áp trên thyrisor:
∆UT = 2,1(V) ;
- Dòng điện của xung điều khiển:
Idk= 70
- Điện áp của xung điều khiển:
- Dòng điện rò:
- Nhiệt độ làm việc cực đại:
- Dòng điện duy trì:
Tính L

(mA) ;
Udk = 3,0 (V) ;
Ir = 3 (mA) ;
Tmax = 125 0C ;
Ih = 70 mA ;

Phương trình đoạn Thyristor đóng :

Trong đó:

Suy ra:

(H)

Sơ đồ mạch lực:

GVHD: Bùi Thanh Hòa

22

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

GVHD: Bùi Thanh Hòa

23

SVTH: Trương Lam Trường


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1. Giới thiệu chung về ardurino

Bo mạch Arduino hiện nay khơng cịn xa lạ với người dùng tại Việt Nam.
Tuy nhiên, khơng phải ai cũng có thể học Arduino một cách hệ thống.
- Tổng quan
Arduino board là một bo mạch nguồn mở nhằm đưa tới cho người dùng
một sản phẩm dễ sử dụng, dễ kết nối và lập trình. Arduino board được thiết kế
gồm một vi xử lý dòng AVR (Arduino Due là dòng ARM), cổng USB, các chân
analog input, digital I/O … Ngơn ngữ lập trình cho Arduino dựa trên Wiring
(ngôn ngữ Arduino) và được viết trên phần mềm Arduino IDE

Arduino bao gồm cả Arduino board và Arduino IDE. Định nghĩa chính xác
Arduino là gì thì thật là khó. Arduino giúp gắn kết các nhiệm vụ một cách đơn
giản nhất. Ví dụ, bạn ao ước chế tạo một chiếc oto điều khiển từ xa, hay muốn
có một hệ thống tưới cây tự động… thì Arduino sẽ giúp bạn!
- Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi
Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển
AVR Atmega328P. Với Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử
tương tác với nhau thông qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.
- Khi arduino chưa ra đời, để làm được một dự án điện tử nhỏ liên quan đến
lập trình, biên dịch, chúng ta cần đến sự hỗ trợ của các thiết bị biên dịch khác để
hỗ trợ. Ví dụ như, dùng Vi điều khiển PIC hoặc IC vi điều khiển họ 8051...,
chúng ta phải thiết kế chân nạp onboard, hoặc mua các thiết bị hỗ trợ nạp và
biên dịch như mạch nạp 8051, mạch nạp PIC...
- Hiện nay Arduino được biết đến ở Việt Nam rất rộng rãi. Từ học sinh
trung học, đến sinh viên và người đi làm. Những dự án nhỏ và lớn được thực
hiện một cách rất nhanh, các mã nguồn mở được chia sẻ nhiều trên diễn dàn
trong nước và nước ngồi. Giúp ích rất nhiều cho những bạn theo đam mê
nghiên cứu chế tạo những sản phẩm có ích cho xã hội.
- Trong những năm qua, Arduino là bộ não cho hàng ngàn dự án điện tử lớn
nhỏ, từ những sản phẩm ra đời ứng dụng đơn giản trong cuộc sống đến những
dự án khoa học phức tạp.
- Cứ như vậy, thư viện mã nguồn mở ngày một tăng lên, giúp ích cho rất
nhiều người mới biết đến Arduino cũng như những chuyên viên lập trình nhúng
và chuyên gia cùng tham khảo và xây dựng tiếp nối....
GVHD: Bùi Thanh Hòa

24

SVTH: Trương Lam Trường

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

- Bạn muốn thiết kế điều khiển thiết bị thông qua cảm biến ánh sáng, Đo
nồng độ hóa chất, khí ga và xử lý thông qua cảm biến nồng độ và cảm biến khí,
Bạn muốn làm 1 con robot mini, Bạn muốn quản lý tắt mở thiết bị điện trong
nhà, bạn muốn điều khiển motor, nhận dạng ID, Khó hơn xíu là bạn muốn làm
một máy CNC hoặc máy in 3D mini, máy bay không người lái (Flycam) một hệ
thống thu thập dữ liệu thông qua GSM, xử lý ảnh,điều khiển vạn vật thông
qua internet giao tiếp với điện thoại thông minh...
- Để làm được điều đó, từ đơn giản đến phức tạp bạn cần sử dụng ngơn ngữ
lập trình Arduino dựa trên sơ đồ, hệ thống của bạn thiết kế, thông qua phần mềm
Arduino IDE, để thực hiện những yêu cầu đó đưa về bộ phận xử lý trung tâm
(Arduino).
Khi tiếp xúc với Arduino Nano đó là sự tiện dụng, đơn giản, có thể lập trình
trực tiếp bằng máy tính (nhờ Arduino Uno R3) và đặc biệt hơn cả đó là kích
thước của nó. Kích thước của Arduino Nano cực kì nhỏ chỉ tương đương với
đồng 2 nghìn gấp lại 2 lần thơi (1.85cm x 4.3cm), rất thích hợp cho các bạn bắt
đầu học vì giá rẻ hơn Arduino Uno nhưng dùng để tất cả các thư viện của mạch
này. Bài này nhằm mục đích giới thiệu về mạch Arduino Nano và các thơng số
kĩ thuật, cùng với đó là những gợi ý ứng dụng khi bắt đầu với mạch này.

Hình 3.1. Arduino uno

GVHD: Bùi Thanh Hòa

25

SVTH: Trương Lam Trường