tìm hiểu chung về công nghệ điều khiển cửa tự động

®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
phÇn I
§å ¸n tèt nghiÖp
1
đại học bách khoa hà nội
Chơng I :Tìm hiểu chung về công nghệ điều khiển
cửa tự động
I : Các loại cửa Tự động hiện nay
Hiện nay có nhiều loại cửa tự động : cửa kéo,cửa đẩy, cửa cuốn, cửa trợt
Nhng chúng thờng đợc sản xuất ở nớc ngoài bán tại việt nam với giá thành khá cao.
Vì thế chúng không đợc sử dụng rộng rãi. Nhu cầu cửa tự động ở Việt Nam là rất lớn
về số lợng và chủng loại.
1.1. Cửa cuốn:


Hình 1.1. Cửa cuốn
Loại cửa này có u điểm là gọn nhẹ tiện dụng và dễ sử dụng, lại chỉ cần động
cơ công suất nhỏ. Loại cửa này thờng đợc dùng cho gara ô tô. Nó có tính kinh tế
khá cao vì không mấy khó khăn khi làm đợc loại cửa này.
Nhng có nhợc điểm là cửa không chắc chắn và dễ bị hỏng hơn các loại cửa khác
Đồ án tốt nghiệp
2
đại học bách khoa hà nội
1.2. Cửa kéo:


Hình 1.2. Cửa kéo
Loại cửa này nhìn rất lạ, với kết cấu đơn giản một động cơ đợc gắn cố định với
trần nhà. Cửa đợc động cơ kéo bằng một đoạn dây. Ưu điểm của loại này là đơn giản
nhng hiệu quả, so với loại cửa cuốn thì cánh cửa chắc hơn nhiều. Có lẽ nhợc điểm
của loại cửa này là động cơ gắn với trần nhà vì vậy cần phải gắn đủ chắc để chịu đợc

sức nặng của cửa. Vì vậy trong thực tế ngời ta ít sử dụng loại cửa kéo này do nhợc
điểm là phải gắn đủ chắc để chịu sức nặng nếu không sẽ rất nguy hiểm cho ngời sử
dụng.
1.3. Ca trt

Hình 1.3. Cửa trựơt
Đồ án tốt nghiệp
3
đại học bách khoa hà nội
Loại cửa này có đặc điểm là có một rãnh trợt cố định cho phép cánh cửa thể trợt
qua trợt lại. Loại cửa này thờng đợc sử dụng trong nhà hàng, khách sạn, cơ quan hay
sân bay, nhà ga, trung tâm thơng mại
Loại cửa này có u điểm là kết cấu khá nhẹ nhàng,tạo ra một cảm giác thoáng đạt
và thoải mái và lịch sự rất thích hợp với nhng nơi công cộng, cơ quan

Loại cửa này thiết kế rất toàn vẹn, nó có thể nhận biết đợc ngời, máy móc cũng
nh loài vật có thể đi qua.
Nhợc điểm của loại cửa này là độ chắc chắn không cao , nhẹ nhàng nhng không
có nghĩa là gọn gàng mà ngợc lại có khi lại rất cồng kềnh
Nhng trên thực tế loại cửa này lại đợc sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất hiện nay.
II. KHO ST CC LOI CA T NG H NI

Thông qua việc quan sát, tìm hiểu về cửa tự động ở một số địa điểm trên Hà Nội
hiện nay, ta nhận thấy cửa tự động đợc sử dụng chủ yếu ở những nơi giao dịch thơng
mại, những công sở lớn, ở sân bay, ngân hàng và các khách sạn lớn. Sở dĩ nh vậy là
do những nơi này có lợng ngời qua lại lớn, đồng thời những nơi này lại yêu cầu có
tính hiện đại, sang trọng và tiện dụng. Sử dụng cửa tự động tại những nơi này sẽ phát
huy đợc tất cả những u điểm của nó.
Tuy nhiên cửa tự động cũng có rất nhiều loại tuỳ theo yêu cầu về mục đích sử
dụng nh trọng lợng cửa, chiều cao hay phần mạch điều khiển cửa.

Đồ án tốt nghiệp
4
đại học bách khoa hà nội
Theo trọng lợng cửa thì có các loại sau: loại 200 kg/hai cánh tại Cung văn hoá hữu
nghị Việt Xô,loại 180kg/2 cánh tại ngân hàng nông nghiệp và phát triển nông
thôn.Ngoài ra ngời ta còn chia ra làm hai loại theo số cánh cửa:Loại một cánh và loại
hai cánh.
+ Cửa tự động chỉ có 1 cánh: Loại cửa này chủ yếu đợc dùng trong 2 điều kiện nh
sau:
Một là, những nơi yêu cầu tính hiện đại, sang trọng nhng lại có số lợng ngời đi
qua lại không nhiều nh các khác sạn lớn, nhà nghỉ lớn, hay công sở mà không có
tính chất giao dịch
Hai là, những loại cổng có kích thớc lớn dùng ở các công ty, xí nghiệp hay những
ngôi nhà lớn
Ngoài ra còn có thể có loại cửa tự động mà chỉ có 1 cánh đóng mở tự động còn
lại 1 cánh là đóng mở nh loại bình thờng.
+ Cửa tự động có hai cánh: Loại cửa này đợc dùng rộng rãi hơn so với loại cửa tự
động 1 cánh.
Nơi có số lợng cửa tự động lớn nhất hiện nay tại Hà Nội đó là sân bay Nội bài. ở đây
loại cửa đợc sử dụng chủ yếu là loại cửa trớt hai cánh. Để tìm hiểu rõ hơn ta đi khảo
sát cửa tự động tại đây.


Khảo sát cửa tự động ở sân bay Nội Bài - Hà Nội
Đồ án tốt nghiệp
5
đại học bách khoa hà nội
Hình 1.4. Cửa tự động tại sân bay Nội Bài
Trớc cửa ra vào nơi bán vé và làm thủ tục bay của sân bay Nội Bài cả tầng 1 và
tầng 2 mỗi tầng có 14 hệ thống cửa tự động .Tất cả các cửa này đều có kết cấu cơ khí

và hình dạng bên ngoài giống nhau do hãng PORTALP chế tạo.
Cửa tự động tại đây sử dụng hệ thống cửa hai cánh với kích thớc cửa
Cao: 2.5m
Rộng: 3m
Độ rộng cửa khi mở hoàn toàn: 1.5m
Cuối hành trình mở có đặt một công tắc hành trình để bảo vệ tránh cho cửa
không chuyển động vợt quá hành trình.
Quan sát cửa chuyển động em thấy cửa chuyển động với ba cấp tốc độ. Khi mở
cửa cửa mở ra với vận tốc nhanh để kịp thời mở ra tránh tình trạng ngời phải chờ đợi
cửa mở gây cảm giác khó chịu cho ngời muốn đi vào, gần hết hành trình mở cửa
giảm tốc và dừng lại, khi cửa đóng cửa đóng với vận tốc chậm hơn so với lúc mở để
tránh gây cảm giác cho ngời muốn đi vao từ đằng xa.Gần hết hành trình cửa giảm
tốc và dừng lại chính xác. Khi mở ra khoảng trễ thời gian là khoảng 5 giây nếu ko có
tín hiệu thì cửa sẽ đóng lại. Khoảng cách xa của tín hiệu cảm biến là khoảng 2m.
Đồ án tốt nghiệp
6
đại học bách khoa hà nội
Khi cửa đang đóng mà có tín hiêu ngời đi vào thì cửa sẽ mở ra với vận tốc
nhanh sau gần cuối hành trình thì giảm tốc và dừng lại chính xác ở cuối hành
trình.Cảm biến dùng ở đây là hai cảm biến quang:Một cảm biến đặt ở phía bên
ngoài, một cảm biến đặt ở phía bên trong của cánh cửa để đảm bảo nhận biết và báo
tín hiệu khi có ngời đi từ trong ra cũng nh khi có ngừơi đi từ ngoài vào.Hai cảm biến
này trên khung cánh cửa.
iii. Công nghệ cửa tự động
Qua tìm hiểu tài liệu và quan sát thực tế em thấy một hệ thống cửa tự động phải
đảm bảo yêu cầu công nghệ:
- Khi có tín hiệu ngời cửa sẽ lập tức mở ra
- Khi mất tín hiệu ngời sau một khoảng thời gian trễn nhất định cửa sẽ tự động
đóng lại
- Khi cửa đang đóng lại mà có tín hiệu ngời thì cửa sẽ mở ra

- Trong hành trình mở cửa mở với hai cấp tốc độ cấp thứ nhất la mở nhanh với
vận tốc V1 để ngay lập tức mở ra kịp thời cho ngời đi tới. Đến gần cuối hành
trình cửa giảm xuống vận tốc V3 và dừng lại chính xác để tránh việc va đập
gây ồn và hỏng cửa
- Trong hành trình đóng cửa cũng đóng với hai cấp tốc độ, cấp thứ nhất là cửa
đóng nhanh với vận tốc V2 nhng phải đảm bảo V2 nhỏ hơn V1 để tránh gây
cảm giác ghê sợ cho ngời đang đi tới. Và gần cuối hành trình đóng cửa cũng
giảm xuống vận tốc V3 và dừng lại chính xác.

Đồ án tốt nghiệp
7
đại học bách khoa hà nội
Chơng II : Tìm hiểu về các phần tử, thiết bị dùng
trong cửa tự động
I.Các phơng pháp phát hiện vật thể
Vấn đề phát hiện vật thể là một trong những vấn đề cơ bản trong đề tài thiết
kế, điều khiển cửa tự động. Để phát hiện vật thể chúng ta có thể áp dụng rất nhiều
nguyên tắc vật lý khác nhau. Sau đây chúng ta sẽ lần lợt tìm hiểu về một sốphơng
pháp phát hiện vật thể điển hình.

1.1 Phơng pháp phát hiện vật thể ứng dụng công nghệ vi sóng
Phơng pháp phát hiện vật thể ứng dụng vi sóng đợc thực hiện thông qua các
cảm biến vi sóng. Cảm biến vi sóng là thiết bị điện tử sử dụng sóng cực ngắn để đo
di chuyển tốc độ, chiều chuyển động, khoảng cách, phát hiện vật thể .
Cảm biến vi sóng đợc chia thành năm loại:
- Cảm biến chuyển động phát hiện đối tợng chuyển động đi vào vùng bảo vệ.
- Cảm biến tốc độ đo tôc độ di chuyển của đối tợng.
- Cảm biến phát hiện hớng chuyển động của đối tợng (chạy tiến, chạy lùi).
- Cảm biến tiếp cận: phát hiện sự hiện diện của đối tợng.
- Cảm biến khoảng cách đo khoảng cách từ cảm biến đến đối tợng.

Các đặc điểm cơ bản của cảm biến vi sóng:
- Không tiếp xúc cơ khí: Do có đặc tính này mà cảm biến vi sóng có thể làm việc
trong các môi trờng độc hại, dễ cháy nổ, có thể thâm nhập vào bề mặt không kim
loại nh sợi thuỷ tinh, phát hiện mức, phát hiện đối tợng bằng cactông
- Bền vững: Cảm biến siêu âm không có bộ phận chuyển động, có thể đợc bọc kín
nên có thể chống đợc tác động cơ học.
- Vùng tác động rộng: Cảm biến siêu âm có thể phát hiện các đối tợng xa từ 25 mm
đến 45.000 mm và lớn hơn, phụ thuộc vào kích thớc của đối tợng, công suất nguồn
và anten.
Đồ án tốt nghiệp
8
đại học bách khoa hà nội
- Kích thớc nhỏ: Mặc dù có kích thớc lớn hơn cảm biến tiếp cận điện cảm, điện dung
nhng khi sử dụng tần số cao và mạch điện tử công nghệ cao có thể giảm kích thớc,
giá thành.
- Kích thớc mục tiêu: Cảm biến siêu âm phù hợp với mục tiêu phát hiện kể cả mục
tiêu nhỏ nh một hạt cát.
- Môi trờng làm việc: Có thể làm việc trong điều kiện môi trờng khó khăn từ -55 tới
+125 độ C, môi trờng bụi bẩn, ô nhiễm, độc hại.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến vi sóng:
Cảm biến vi sóng gồm có ba phần chính:nguồn, anten tụ tiêu, máy thu và xử
lý tín hiệu. Thông thờng máy phát và máy thu đợc đặt trong cùng một module. Máy
phát chứa diode Gunn lắp trong một hốc cộng hởng nhỏ, có nguồn năng lợng và dao
động ở tần số cao cỡ Ghz. Công suất phát cỡ 10 đến 20 mW, công suất nguồn một
chiều 8V, 150mA. Đầu cuối ống dẫn sóng đợc nối với anten. Anten tụ tiêu chùm tia,
mỗi anten có dải thông và hệ số khuếch đại xác định. Khi đập vào đối tợng chùm
sóng đợc phản hồi lại module.
Khi tia phản xạ lại máy thu diode trộn sẽ phối hợp với một phần tín hiệu phát.
Nếu mục tiêu chuyển động pha của hai tín hiệu phát và trở về khác nhau. Tín hiệu
đến máy thu cỡ

à
W đến mW cần đợc khuếch đại. Ngoài khuếch đại, so sánh có
thêm mạch relay đầu ra để phù hợp với ứng dụng.
Với những đặc tính trên cảm biến vi sóng rất hiệu quả trong việc phát hiện
những mục tiêu, những vật thể chuyển động có kích thớc nhỏ, ở khoảng cách xa.
Tuy nhiên với những vật thể không di động việc sử dụng vi sóng thờng không đem
lại hiệu quả nh mong muốn, chi phí cho phơng pháp này cũng khá tốn kém.
1.2 Phơng pháp phát hiện vật thể dựa trên hiệu ứng quang điện
Trong phơng pháp này việc phát hiện vật thể đợc thực hiện thông qua các cảm
biến quang điện. Cảm biến quang điện là các linh kiện quang điện, thay đổi trạng
thái điện khi có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt của nó. Cảm biến quang
điện bao gồm một số loại sau.
1.2.1 Tế bào quang dẫn
Đặc trng cơ bản của tế bào quang dẫn là điện trở của nó phụ thuộc vào thông
lợng của bức xạ và phổ của bức xạ đó. Tế bào quang dẫn là một trong những cảm
Đồ án tốt nghiệp
9
đại học bách khoa hà nội
biến có độ nhạy cao. Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tợng quang dẫn do
kết quả của hiệu ứng quang điện bên trong. Đó là hiện tợng giải phóng hạt tải điện
trong vật liệu bán dẫn dới tác dụng của ánh sáng.
1.2.2 Photodiode
Nguyên lý hoạt động của photodiot: Khi chiếu sáng lên bề mặt diode bán dẫn
bằng bức xạ có bớc sóng nhỏ hơn bớc sóng ngỡng

<
s

sẽ xuất hiện thêm các cặp
điện tử - lỗ trống. Để các hạt này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện

I, cần phải ngăn cản quá trình tái hợp của chúng tức là phải nhanh chóng tách cặp
điện tử - lỗ trống dới tác dụng của điện trờng. Điều này chỉ có thể xảy ra trong vùng
nghèo và sự chuyển dời của các điện tử đó kéo theo sự gia tăng của các dòng điện
ngợc. Để đạt đợc điều đó ánh sáng phải đạt tới vùng nghèo sau khi đã đi qua bề dày
của chất bán dẫn và tiêu hao năng lợng không nhiều. Càng đi sâu vào chất bán dẫn
quang thông càng giảm. Diode thực tế có lớp bán dẫn rất mỏng để sử dụng ánh sáng
hữu hiệu, đồng thời vùng nghèo cũng phải đủ rộng để sự hấp thụ ở đó là cực đại.
Photodiot hoạt động theo hai chế độ quang dẫn và quang thế.
1.2.3 Phototranzito
Phototranzito là tranzito silic loại NPN trong đó vùng bazơ có thể đợc chiếu
sáng. Khi không có điện áp đặt trên bazơ chỉ có điện áp trên C, chuyển tiếp B - C
phân cực ngợc. Điện áp đặt vào tập trung hầu nh toàn bộ lên chuyển tiếp B - C, trong
khi đó sự chênh lệch điện thế giữa E và B không đáng kể
BC
V
= 0.6 - 0,7 V. Khi
chuyển tiếp B-C đợc chiếu sáng, sẽ hoạt động giống photodiode ở chế độ quang dẫn
với dòng điện ngợc
r
I
=
o
I
+
P
I
. Trong đó
o
I
là dòng điện ngợc trong tối,

P
I
là dòng
quang điện khi có quang thông chiếu qua bề dày X. Dòng
r
I
đóng vai trò dòng bazơ,
nó gây nên dòng colectơ
C
I
=(

+1)
r
I
.

là hệ số khuếch đại dòng khi emitơ nối
chung. Có thể coi phototranzito nh tổ hợp của một photodiot và một tranzito.
photodiot cung cấp dòng quang điện tại bazơ, còn tranzito cho hiệu ứng khuếch đại

. Các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ dới tác dụng của ánh sáng sẽ bị
phân chia dới tác dụng của điện trờng trên chuyển tiếp B-C.

Đồ án tốt nghiệp
10
đại học bách khoa hà nội
Trong kỹ thuật cảm biến quang điện thờng đợc sử dụng nh một khoá chuyển mạch
đóng cắt mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối tợng cần phát hiện.
Tuy nhiên cảm biến quang điện chỉ đợc sử dụng để phát hiện vật thể trong

phạm vi nhỏ, dễ bị nhiễu bởi các nguồn sáng khác.
1.3 Phơng pháp phát hiện vật thể bằng nhận dạng hình ảnh
Các cơ thể sống đợc thiên nhiên ban tặng cơ quan thị giác vô cùng tinh tế.
Muông thú, các loài chim và côn trùng có cặp mắt rất tinh tế để kiếm mồi. Việc
nhận dạng dựa trên rất nhiều yếu tố nh hình dáng, kích thớc, màu sắc hay những đặc
điểm có tính chất đặc trng. Ngày nay chúng ta đã có thể chế tạo ra những hệ thống
nhận dạng nhân tạo tuy nhiên cha thể so sánh đợc thị giác và khả năng xử lý của bộ
não con ngời. Trong mục này sẽ giới thiệu hệ thống nhận dạng hình ảnh bằng phơng
tiện camera thông dụng phối hợp với kỹ thuật phân tích, nhận dạng hình ảnh nhằm
tạo nên hệ thống cảm biến hình ảnh dễ sử dụng cho quá trình phát hiện vật thể.
Nguyên lý cảm nhận hình ảnh:
Khi ánh sáng đập vào bề mặt một vật thì một phần ánh sáng bị phản xạ, một
phần bề mặt bị hấp thụ hoặc truyền dẫn vào vật.
Tỷ lệ các bớc sóng ánh sáng phản xạ phụ thuộc vào góc tới, đặc tính lý hoá
của bề mặt và sự phân cực ánh sáng. Do vậy phân bố phổ ánh sáng phản xạ cho ta
thông tin về đặc tính lý hoá của bề mặt. Đơng nhiên đối mắt ngời chỉ cảm nhận đợc
Đồ án tốt nghiệp
11
V C C V C C
K 3
R E L A Y S P S T
4
3
1
2
Q 2
1
3
đại học bách khoa hà nội
bớc sóng nằm trong khoảng 380 nm đến 780 nm. Có nhiều kỹ thuật khác nhau để

khai thác thông tin của tín hiệu phản xạ:
- Kỹ thuật phân tích phổ dùng máy phân tích phổ để đánh giá tính chất của bề
mặt chiếu sáng.
- Kỹ thuật phổ ảnh quan tâm đến đặc tính hoá học của từng miền ánh sáng
xuyên qua.
Hệ thống cảm nhận hình ảnh bao gồm: camera, nguốn sáng chiếu sáng đối t-
ợng, máy tính đợc tích hợp phần mềm thông minh và kết nối với các thành phần
khác của hệ thống.
Đối tợng quan sát đợc chiếu sáng và tụ tiêu vào camera và truyền đến máy
tính. Camera thu loại thông dụng cảm nhận tín hiệu ba màu cơ bản: R (Red- màu đỏ,
bớc sóng 700nm), G (Green- màu xanh lá cây, bớc sóng 546nm) và B (Blue- màu
xanh da trời, bớc sóng 436nm).
Một số camera sử dụng bộ lọc màu để phân tích các màu R, B, G rồi mới đa
vào máy tính xử lý. Tính ổn định của là đặc tính quan trọng của camera. Độ nhạy và
đáp ứng phổ của silicon thay đổi theo nhiệt độ nên vị trí đặt camera cần có điều hoà
nhiệt độ.
Nguồn sáng sử dụng là ánh sáng mặt trời, nếu trong môi trờng không có ánh
sáng mặt trời thì dùng đèn sợi đốt với diện tích hẹp và đèn huỳnh quang cho vùng
chiếu sáng rộng.
Máy tính sau khi nhận đợc tín hiệu hình ảnh từ camera sẽ phân tích và nhận
dạng hình ảnh bằng phần mềm. Ngày nay với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và
mạng nơron thì hệ thống nhận dạng hình ảnh càng chính xác, đáp ứng nhanh hơn.
Tuy nhiên phơng pháp phát hiện vật thể bằng nhận dạng hình ảnh không đợc sử
dụng nhiều trong thực tiễn do thiếu sự tin cậy, phức tạp và chi phí cao.
1.4 Cảm biến tiếp cận
Cảm biến tiếp cận đợc sử dụng để sự có mặt hoặc không có mặt của đối tợng
bằng kỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học. Các cảm biến tiếp cạn sử dụng
nguyên lý thay đổi điện cảm hay thay đổi điện dung của phần tử mạch điện khi có
mặt hoặc không có mặt đối tợng, có cấu trúc tơng đối đơn giản, không đòi hỏi tiếp
xúc cơ học nhng tầm hoạt động hạn chế với khỏng cách tối đa 100 nm. Các kỹ thuật

Đồ án tốt nghiệp
12
đại học bách khoa hà nội
tiếp cận dựa trên nguyên lý vi sóng và quang học có tầm hoạt động lớn và đợc sử
dụng rộng rãi trong thực tế.
1.4.1 Cảm biến tiếp cận điện cảm
Một bộ cảm biến tiếp cận điện cảm gồm bốn khối chính: cuộn dây và lõi ferit,
mạch dao động, mạch phát hiện, mạch đầu ra.
Mạch dao động phát dao động điện từ công suất radio. Từ trờng biến thiên tập
trung từ lõi sắt sẽ móc vòng với đối tợng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối tợng
lại gần sẽ có dòng điện Foucault cảm ứng trên mặt đối tợng tạo nên một tải làm giảm
biên độ tín hiệu dao động. Bộ phát hiện sẽ sự thay đổi trạng thái biên độ mạch dao
động. Khi mục tiêu rời khỏi trờng của bộ cảm biến, biên độ mạch dao động tăng lên
trên giá trị ngỡng và bộ phát hiện trở về vị trí bình thờng. Phạm vi của cảm biến tiếp
cận điện cảm liên quan đến khoảng cách giữa bề mặt cảm biến và đối tợng, liên quan
đến hình dáng của lõi và dây quấn.
1.4.2 Cảm biến tiếp cận điện dung
Trong cảm biến tiếp cận điện dung, sự có mặt của đối tợng làm thay đối điện
dung C của các bản cực. Cảm biến tiếp cận điện dung cũng gồm bốn bộ phận chính
là cuộn dây và lõi ferit, mạch dao động, mạch phát hiện, mạch đầu ra.
Tuy nhiên cảm biến tiếp cận điện dung không đòi hỏi đối tợng là kim loại.
Đối tợng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim loại; thuỷ tinh, nhựa. Tốc độ
chuyển mạch tơng đối nhanh, có thể phát hiện đối tợng có kích thớc nhỏ, phạm vi
cảm nhận lớn.
Hạn chế yếu của cảm biến điện dung là chịu ảnh hởng của độ ẩm và bụi. Cảm
biến tiếp cận điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng cảm nhận của cảm biến tiếp
cận điện cảm. Để có thể bù ảnh hởng của môi trờng và đối tợng, cảm biến tiếp cận
điện dung thờng có một chiết áp điều chỉnh.
1.4.3 Cảm biến tiếp cận quang học
Các cảm biến quang học sử dụng nguồn sáng và cảm biến quang. Đối tợng

cần phát hiện sẽ cắt chùm tia sáng làm cảm biến tác động. Ngời ta thờng bố trí cảm
biến quang học nh dới đây.
Đồ án tốt nghiệp
13
đại học bách khoa hà nội
a. Cảm biến đặt đối diện với nguồn phát
Đối tợng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia. Ưu điểm của cách bố trí này là:
- Cự ly cảm nhận xa.
- Có khả năng thu đợc tín hiệu mạnh.
- Tỷ số tơng phản sáng/tối lớn nhất.
- Đối tợng phát hiện có thể lặp lại.
Hạn chế của cách bố trí này là:
- Đòi hỏi dây nối qua vùng phát hiện giữa nguồn sáng và cảm biến
- Khó chỉnh thẳng hàng giữa cảm biến và nguồn sáng.
- Nếu đối tợng có kích thớc nhỏ hơn đờng kính hiệu dụng của chùm tia cần có
thấu kính để thu hẹp chùm tia.
b. Cảm biến đặt cùng phía với nguồn phát sáng
Trong cánh bố tris này, ánh sáng đập vào mặt phản xạ trở về mặt cảm biến.Vì
hành trình của tia sáng theo cả hai chiều đi và về nên cự ly cảm nhận thấp hơn so với
phơng pháp đặt đối diện, nhng không cần dây nối qua khu vực cảm nhận. Hạn chế
chính của cách bố trí này là nguồn sáng khác chiếu vào mặt phản xạ có thể gây tác
động sai.
Đồ án tốt nghiệp
14
Cảm
biến
Đối
tợng
đại học bách khoa hà nội
c. Phát hiện đối tợng nhờ ánh sáng phản chiếu khuếch tán

Nguồn sáng và bộ cảm biến đặt cùng phía nhng ở đây đối tợng đóng vai trò g-
ơng phản chiếu. Trong trờng hợp này đối tợng đặt khá gần nguồn sáng.
Khi có vật thể trong vùng hoạt động, cảm biến sẽ thu đợc ánh sáng phản xạ từ vật
thể.
Với những đặc điểm trên, cảm biến tiếp cận chỉ đợc sử dụng để phát hiện vật
thể trong phạm vi nhỏ, dễ bị nhiễu bởi các nguồn sáng khác.
1.5 Cảm biến hồng ngoại
Hồng ngoại có bản chất là sóng điện từ nằm ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy,
có bớc sóng lớn hơn bớc sáng của tia đỏ (

> 760
à
m). Sóng hồng ngoại đợc tạo ra
dễ dàng bằng cách tạo dao động cho diode phát hồng ngoại chuyên dụng. Do đó
hồng ngoại đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Tia hồng ngoại với bản chất sóng
điện từ nên có thể phản xạ khi gặp bề mặt vật thể. Ta có thể ứng dụng đặc điểm này
Đồ án tốt nghiệp
15
Cảm
biến
Nguồn
sáng
Gơng
phản xạ
Cảm
biến
Nguồn
sáng
Gơng
phản xạ

Vật thể
Cảm
biến
Nguồn
sáng
Cảm
biến
Nguồn
sáng
Vật thể
đại học bách khoa hà nội
để phát hiện vật thể. Trong mạch phát hiện vật thể hoạt động trên nguyên lý thu phát
hồng ngoại ta bố trí các diode phát và sensor thu hồng ngoại thành từng cặp theo một
số cách sau:
a. Bố trí cạnh nhau:
Trong cách bố trí này tia hồng ngoại từ diode phát khi gặp bề mặt vật cản sẽ
phản xạ ngợc trở lại. Do sensor thu đợc đặt cạnh diode phát nên sẽ thu đợc tín hiệu
phản xạ này.
b. Bố trí đối diện :
ở cách bố trí này, khi không có vật chắn tia hồng ngoại từ diode phát luôn tới
đợc sensor thu, khi có vật chắn tia hồng ngoại sẽ không đi thẳng mà phản xạ trở lại
do đó không tới đợc sensor thu.
Ngoài ra hồng ngoại còn đợc sử dụng để truyền tin không dây do có khả năng
chống nhiễu tốt hơn ánh sáng thông thờng do đó có thể mang thông tin mã hóa.
Thiết bị thu phát hồng ngoại lại khá đơn giản, gọn nhẹ, giá thành rẻ. Với những u
điểm trên hồng ngoại đợc lựa chọn nh một giải pháp tối u trong việc thiết kế mạch
phát hiện vật thể cho cửa tự động.
II: giới thiệu về encorder
2.1. Khái niệm:
Nhiệm vụ của Encoder là đo lờng dịch chuyển thẳng hoặc góc đồng thời chuyển đổi

góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định đợc
vị trí trục hoặc của một cơ cấu chuyển động bất kì. Tín hiệu ra của Encoder cho dới
dạng số. Encoder đợc sử dụng chủ yếu trong các máy CNC và robot dùng làm phần
tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi.
Đồ án tốt nghiệp
16
đại học bách khoa hà nội

Hình 2.1. Encoder kiểu quay
Tùy thuộc vào chuyển động của Encoder mà ta có hai kiểu Encoder thẳng và
Encoder quay. Nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống nhau nhng Encoder thẳng có
điểm khác cơ bản với Encoder kiểu quay là chiều dài của Encoder thẳng phải bằng
tổng chuyển động tơng ứng có nghĩa là chiều dài cần đo phải bằng chiều dài thớc.
Encoder quay chỉ là một đĩa nhỏ và kích thớc của của Encoder không phụ thuộc vào
khoảng cách đo, do đó kích thớc của nó nhỏ gọn hơn so với loại thẳng. Encoder
quay có thể dùng để đo cả hai thông số dịch chuyển và tốc độ.
Trong máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn máy đợc dẫn động từ
một động cơ(động cơ bớc, động cơ xoay chiều hoặc động cơ một chiều) qua vít me,
đai ốc bi tới bàn máy. Có thể xác định nhờ Encoder lắp trong cụm truyền dẫn.
2.2. Các loại Encoder:
Encoder đợc chia làm hai loại
2.2.1. Encoder tuyệt đối
Encoder tuyệt đối kết cấu gồm các phần sau: nguồn sáng, đĩa mã hóa và các
phodetetor.
Đĩa mã hóa đợc chế tạo từ vật liệu trong suốt. Mặt đĩa đợc chia thành các góc
đều nhau và các đờng tròn đồng tâm và bán kính giới hạn các góc hình thành các
phân tố diện tích. Tập hợp các phân tố diện tích cùng giới hạn bởi hai vòng tròn
đồng tâm gọi là giải băng. Số giả băng trên đĩa tùy thuộc vào khả năng công nghệ.
Công nghệ ngày nay cho phép chia đĩa mã hóa lớn nhất là dải. Trên các dải băng,
các diện tích phân tố có phân tố để trong suốt(ánh sáng có thể xuyên qua đợc) và

cũng có phân tố đợc phủ một lớp mà ánh sáng không thể xuyên qua đợc. Sự trong
suốt và không trong suốt đặc trng tính của các phân tố
Đồ án tốt nghiệp
17
đại học bách khoa hà nội

Hình 2.2. Đĩa quang
Nguyên lý hoạt động của Encoder tuyệt đối: Đĩa mã hóa đợc lắp trên trục, đối
diện qua đĩa mã hóa phía bên trái ta bố trí nguồn sáng( đèn LED), phía bên kia của
đĩa bố trí các photosensor, khuếch đại và các trigger Smiths. Tơng ứng với mỗi dải
băng ta lắp nguồn sáng. Nguồn sáng và các photosensor đợc lắp cố định. Khi ánh
sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa, nếu đối diện với tia sáng là diện tích phân
tố trong suốt, ánh sáng xuyên qua đĩa tới photosensor làm xuất hiện dòng chạy qua
photosensor. bị phủ lớp chắn sáng, ánh sáng không tới đợc photosensor và trong
photosensor không có dòng điện chạy qua. Dòng ra của photosensor nhỏ, vì vậy ta
đa ra bộ khuếch đại, khuếch đại đủ lớn để đa đến tầng tiếp theo. Do quá trình quay
đĩa mã hóa, cờng độ ánh sáng tăng từ nhỏ đến cực đại( tia sáng xuyên qua hoàn
toàn) và tiếp theo giảm dần đến khi tia sáng bị chặn bởi dòng trong photosensor
bằng không. Vì vậy để có xung ra là xung vuông ta cho tín hiệu qua mạch sửa
dạng xung trigger Smiths.
Gọi số góc trên đĩa là S và số dải là a, quan hệ giữa số góc và số giải biểu diễn
theo công thức là
S = 2
a
Trong đó a là số dơng tuyệt đối
2.2.2. Encoder gia số:
Encoder đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Encorder gia số có hai kiểu kiểu
thẳng và kiểu quay.
a. Encoder quay gồm có nguồn sáng( trong kết cấu này nguồn sáng là bóng đèn),
thấu kính, đĩa thớc cố định đĩa, đĩa phát xung, photosensor và mạch điện.

Đồ án tốt nghiệp
18
đại học bách khoa hà nội
Đĩa phát xung đợc làm bằng vật liệu trong suốt, trên có mộ hoặc hai dải
băng( dải băng là tập hợp các vạch sáng tối có chiều dầy giống nhau). Một trong
hai dải băng trên đĩa làm nhiệm vụ phát xung, dải băng còn lại để xác định góc
không quy chiếu. Đĩa phát xung đợc lắp trên trục và chuyển động quay cùng trục.
Đĩa thớc( thớc cố định) có xẻ bốn rãnh trên cùng một hàng, rãnh xẻ thứ năm bố trí
trên hàng riêng và thớc đợc có định trên vỏ cùng phía với photosensor

Hình 2.3: Encoder gia số kiểu quay
Tơng ứng với năm rãnh cố định lắp năm photosensor, photosensor cũng đợc
lắp cố định với Encoder.
Thấu kính làm nhiệm vụ biến đổi đờng đi của các tia sáng thành các tia sáng
song song.
b. Encoder gia số kiểu thẳng:
Encoder gia số kiểu thẳng cũng có những thành phần cơ bản nh Encoder gia số
kiểu quay nhng chỉ khác thớc động là thớc thẳng. Nguyên lý hoạt động của nó
hoàn toàn giống Encoder gia số kiểu quay.

Hình 2.4: Encoder kiểu thẳng.
So sánh Encoder gia số và Encoder tuyệt đối: Encoder gia số có u điểm sau:
- Đơng giản và rẻ tiền
- Không cần mạch giải mã và không cần bộ đếm
- Giải đo chỉ giới hạn đặc tính của bộ đếm
- Tốc độ có thể chọn ở bất kì điểm nào
Nhợc điểm
- Không đo đợc vị trí tuyệt đối do sự thay đổi gia số
- Rất nhạy cảm với các tín hiệu bên ngoài
Đồ án tốt nghiệp

19
đại học bách khoa hà nội
- Ngắt nguồn điện sẽ làm mất gốc ), muốn đo đợc phải xác định lại
c. Encoder xung:

Hình 2.5: Encoder xung
Nguyên lý làm việc của Encoder xung

Sử dụng Encoder xung làm cảm biến vị trí:

Đồ án tốt nghiệp
20
đại học bách khoa hà nội
Sơ đồ ứng dụng Encoder xung giao tiếp với điều khiển:

Ưu điểm:
- Đầu ra dạng xung nên trong các hệ thống điều khiển không cần có bộ
chuyển đổi ADC
- Dễ sử dụng.
Nhợc điểm:
- Giá thành cao
- Phải có thêm mạch giải mã và đếm

Đồ án tốt nghiệp
21
đại học bách khoa hà nội
III: GIớI THIệU Về PLC Và ứNG DụNG PLC
2.1.Khái niệm chung:
PCL viết tắt của Programble Logic Control, là thiết bị lập trình đợc, cho phép
thực hiện linh hoạt các phép toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình. Nó

ddwocj thiết kế chuyên dụng trong công nghiệp để điều khiển các quá trình từ đơn
giản đến phức tạp và tuỳ thuộc vào ngời sử dụng mà nó có thể thực hiện hàng loạt
các chơng trình.
Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC hiện nay có ứng dụng rất rộng rãi nó có
thể thay thế đựơc cả một mảng rơle, hơn thế nữa PLC giống nh một máy tính nên có
thể lập trình đợc. Chơng trình của PLC có thể thay đổi rất dễ dàng, các chơng trình
con cũng có thể sửa đổi nhanh chóng.
Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC đáp ứng đợc hầu hết các yêu cầu và nh là
yếu tố chính trong việc nâng cao hơn nữa hiệu quả sản xuất trong công nghiệp. Trớc
đây thì việc tự động hoá chỉ đợc áp dụng trong sản xuất hàng loạt năng xuất cao.
Hiện nay cần thiết phải tự động hoá cả trong sản xuất nhiều loại khác nhau để nâng
cao năng suất và chất lợng.
2.2.Những đặc điểm chung của PLC:
PLC có những đặc điểm sau:
- Thiết bị chống nhiễu
- Có thể kết nối thêm các modul để mở rộng ngõ vào/ra
- Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu
- Dễ dàng thay đổi chơng trình điều khiển bằng máy lập trình bằng máy tính cá
nhân
- Độ tin cậy cao,kích thớc nhỏ gọn
- Bảo trì dễ dàng
2.3. Vai trò của PLC
Từ những đặc điểm của PLC ta thấy vai trò của nó rất quan trọng trong ngành tự
động hoá nói riêng và ngành công nghiệp nói chung.
Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC đợc xem nh là một bộ não của hệ
thống điều khiển với một chơng trình ứng dụng đã đợc lu ở bên trong bộ nhớ của
PLC, PLC luôn kiểm tra trạng thái của hệ thống bao gồm: Kiểm tra tín hiệu phản hồi
Đồ án tốt nghiệp
22
đại học bách khoa hà nội

từ thiết bị nhập đựa vào chơng trình logic để xử lý tín hiệu và mang thiết bị điều
khiển ra các thiết bị xuất.
PCL có đầy đủ các chức năng nh: Bộ đếm, bộ định thời, các thanh ghi, bộ cộng,
bộ trừ, bộ so sánh và các tập lệnh cho phép thực hiện các tín hiệu theo yêu cầu điều
khiển từ đơn giản đến phức tạp khác nhau. Hoạt động của PLC hoàn toàn phụ thuộc
vào chơng trình nằm trong bộ nhớ, nó luôn câp nhật tín hiệu ngõ vào xử lý tín hiệu
để điều khiển ngõ ra.
Hình thức giao diện cơ bản giữa PLC và các thiết bị nhập là: nút ấn, cầu
dao Ngoài ra PLC còn nhận đợc tín hiệu từ các thiết bị nhận dạng tự động nh: Công
tắc trạng thái, cảm biến quang điện Các loại tín hiệu nhập đến PLC phải là trạng
thái Logic ON/OFF hoặc tín hiệu Analog. Những tín hiệu ngõ vào này đợc giao tiếp
với PCL qua các Modul nhập.
Trong một hệ thống tự động hóa , thiết bị xuất cũng là một yếu tố rất quan trọng.
Nếu ngõ ra của PLC không đợc kết nối với thiết bị xuất thì hầu nh hệ thống sẽ bị tê
liệt hoàn toàn. Các thiết bị xuất thông thờng là: Động cơ, cuộn dây nam châm , relay,
còi báo Thông qua hoạt động của motor, các cuộn dây, PLC có thể điều khiển một
hệ thống từ đơn giản đến phức tạp.
Tuy nhiên các thiết bị xuất khác nh là: Đèn, còi và các báo động sự cố chỉ cho
biết các mục đích nh: Báo cho chúng ta biết giao diện tín hiệu ngõ vào , các thiết bị
ngõ ra đựoc giao tiếp với PLC qua miền rộng của Modul ngõ ra PLC.
Ngày nay PLC đợc đa vào hệ thống điều khiển một cách rộng rãi và trở nên thông
dụng để đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng . Các nhà sản xuất đa ra thị trờng hàng
loạt các loại PLC khác nhau với nhiều mức độ thực hiện chơng trình đủ để đáp ứng
nhu cầu của ngời sử dụng. Vì vậy để đánh giá một PLC ngời ta đa vào hai tiêu chuẩn
nh sau:
- Dung lợng bộ nhớ
- Số tiếp điểm vào/ra của PLC
Bên cạnh đó cũng cần chú ý đến các chức năng nh: Bộ vi xử lý, chu kì xung clock,
ngôn ngữ lập trình, khả năng mở rộng số ngõ vào/ra
2.4. Cấu trúc cơ bản:

Đồ án tốt nghiệp
23
đại học bách khoa hà nội
2.4.1. CPU
Chế tạo trên công nghệ vi xử lý, nó có các bộ nh:
Bộ thuật toán và logic (ALU) chịu trách nhiện xử lý dữ liệu thực hiện các phép
tóan số học( cộng trừ) và các phép toán logic: AND, OR, NOT
Bộ nhớ(các thanh ghi). Bên trong bộ vi xử lý đợc sử dụng để lu trữ thông tin liên
quan đến sự thực thi chơng trình.
2.4.2 Memory
Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ:
- Bộ nhớ địa chỉ(ROM) cung cấp dung lợng lu trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố
định đợc CPU sử dụng.
- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên(RAM) dành cho dữ liệu. Đây là nơi lu trữ thông tin
theo trạng thái của các thiết bị nhập xuất. Đặc điểm nội dung có thể đọc, ghi ,
xóa, khi mất điện thông tin sẽ bị mất.
- Bộ nhớ nửa cố định:
+ EFROM đợc dùng phổ biến do có thể xóa đựoc và lập trình lại nhiều lần. Việc
xóa và lập trình lại cho EFROM phải đợc thực hiện trên các thiết bị riêng, mỗi lần
lập trình lại phải xóa toàn bộ các ô nhớ của EFROM.
+ EEFROM là loại có thể xóa và ghi bằng tín hiệu điện với các mức điện áp
thông thờng, ngòai ra EEFROM còn có thể xóa từng ô nhớ xác định mà không cần
nhấc ra khỏi mạch ứng dụng
2.4.3. Input
- Số lợng
- Xoay chiều, một chiều
Đồ án tốt nghiệp
24
đại học bách khoa hà nội
- Số

- Tơng tự
2.4.4. Out put
- Số lợng
- Tiếp điểm
- Số
- Tơng tự
2.4.5.Ghép nối
- Console
- Máy tính
- Phần mềm
2.4.6.Bus:
- Bus địa chỉ
- Bus dữ liệu
- Bus hệ thống
- Bus điều khiển
Đồ án tốt nghiệp
25