Thiết kế mạch điều khiển bơm nước vào một tháp nước nhờ hai bơm P1 và P2.

Đề bài 15 : Thiết kế mạch điều khiển bơm nước vào một tháp nước nhờ hai bơm P1 và
P2. Cả hai bơm P1 và P2 được mở ( bơm nước ) khi nước ở dưới mức 1 và vẫn mở đến
khi nước chưa đạt tới mức 2 . Khi nước vừa đạt tơi mức 2 thì bơm P1 ngắt (không bơm
nước ) , chỉ còn P2 vẫn bơm. P1 vẫn ngắt cho tới khi nước lại ở dưới mức 1. P2 vẫn mở ,
chỉ khi nào nước đạt tới mức 3 thì P2 mới ngắt. P2 vẫn ngắt , chỉ mở khi nước lại xuống
mức 1.
I.

Phân tích lý thuyết .

Bài toán có thể được phân tích ngắn gọn như sau :
 Ban đầu khi bể chưa có nước :
- P1 bơm ,khi mực nước dưới mức 2 ( B=0) và
P1 tắt khi nước đạt tới mức 2 ( B=1)
- P2 bơm ,khi mực nước dưới mức 3 (C=0) và
P2 tắt khi mực nước đạt tới mức 3 (C=1)


Khi bể đầy nước : Nước được xả ra ; P1 và P2 đều không hoạt động cho tới khi
mức nước xả về dưới mức 1 ( A=0)

*Quy ước: khi nước ở dưới mức A thì mức logic tương ứng của A là 0
khi nước đạt đến mức A hoặc trên mức A thì mức logic tương ứng của
A là 1. ( tương tự với mức B và mức C )
 Nhận xét :Ta thấy khoảng làm việc của P1 là mức 1 đến mức 2. Của P2 là từ mức
1 đến mức 3. Hai bơm P1, P2 hoạt động độc lập nhau nhưng cùng quy tắc , do đó
ta sẽ xét bài toán phụ chỉ có một bơm như sau :
- P bơm khi nước dưới mức 1 và vẫn bơm cho đến khi nước vừa đạt đến mức 2.
P chỉ bơm lại khi nước vừa đạt dưới mức 1 .
Cách 1:
Giả sử ban đầu nước ở dưới mức 1,

trạng thái S0 ứng với A=B=0
trạng thái S1 ứng với A=1; B=0
trạng thái S2 ứng với A=B=1

i) Đồ hình trạng thái:
Z= 0

S0

Z=1

S1

Z= 0

Z=1

S2


ii) Ta có bảng trạng thái của P như sau ( Dựa vào đồ hình trạng thái ):
(1) S0
(2) S1

A
0
1

B

0
0

Zn
0
1

Zn+1
1
1

lập
nhớ / lập

(3) S2

1

1

1

0

xóa

Bảng 1

Do mạch trên có tính tuần tự nên
ta sẽ sử dụng Trigơ để điều khiển

bơm P.Chú ý rằng các trạng thái
(2) S1 1
0
0
0
nhớ / xóa
trong S0; S1; S2 không phải là các
trạng thái trong được lấy từ đầu ra
(1) S0 0
0
0
1
lập
Q của các trigger mà các trạng thái
trong này được hiểu là các trạng thái tương ứng của mực nước, mặt khác do chỉ có
một trạng thái ra Z để diều khiển bơm P tắt hoặc mở nên ta chỉ cần dùng 1 trigger để
mã hóa trạng thái trên.
 Ta sẽ sử dụng trigger RS để giải quyết bài toán trên, đương nhiên ta cũng có thể sử
dụng trigger JK hay trigger D; T.


Từ bảng 1 ta suy ra:
(1) A=0; B=0 là tổ hợp lập
(2) A=1; B=0 là tổ hợp nhớ
(3) A=1; B=1 là tổ hợp xóa
Ta có bảng Các-nô sau:
Set= f(A,B)
B
0
1

A

0

1

1
x

0
0

__

S= A

Reset= f(A,B)
B
0
1
R= B

__

Vì vậy ta đưa A vào chân S (set) và B vào
chân R (reset) của trigger. Mặt khác điều này có
thể dễ dàng suy ra một cách trực tiếp từ (1)(2)(3) .

A

0

1

0
x

0
1


Ta có bảng trạng thái kiểm tra hoạt động sau :

Bơm

Xả





A
0
1

A
1
0

B
0
0

P
1
1

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

0

0

0

1

0

1

Bảng 2
Bảng trạng thái thứ nhất và thứ 2 thu được kết quả giống nhau
 Vậy bài toán đã được giải quyết
Để điều khiển máy bơm P ta mắc thêm một Rơle
- P=1 BJT thông bão hòa ; Rơle đóng => máy bơm P chạy
- P=0 BJT ngắt
; Rơle mở => máy bơm P tắt

Quay trở về bài toán ban đầu :
Một cách hoàn toàn tương tự ta sẽ sử dụng 2 Trigơ RS để điều khiển 2 máy bơm P1 và
P2
P1 được điều khiển bởi A ( Set1 ) và B ( Reset 1)
P2 được điều khiển bởi A ( Set 2) và C ( Reset 2)


Ta có bảng trạng thái của mạch trên :

Bảng 3
Bảng trạng thái trên mô tả chính xác yêu cầu hoạt động thực tế của hai máy bơm P1 và
P2

Như vậy ta tìm được cách giải quyết bài toán đã nêu .


Cách 2
Để giải quyết bài toán phụ trên , ngoài việc dùng mạch tuần tự ta có thể dùng một mạch
logic khác. Điều quan trọng nhất là xác định được trạng thái của bể nước là đang được
bơm hay đang được xả .
Gọi T1 là trạng thái nước ở dưới mức 1 (A=0)
T2 là trạng thái nước đạt tới mức 2 (B=1)
nT1 là biến đếm số lần nước đạt trạng thái T1, tức là chỉ
khi nào A=0 thì nT1 mới được đếm lên 1 lần.
nT2 là biến đếm số lần nước đạt trạng thái T2, tức là chỉ
khi B= 1 thì nT2 mới được đếm lên 1 lần.
Đầu tiên nT1 = nT2 = 0.
- Giả sử ban đầu bể cạn nước( nước ở dưới mức 1): máy bơm P chạy, bể được bơm.
Lúc đó: A= B = 0 → nT1= 0+1=1
=> nT1 > nT2
nT2 = 0
- Khi bể được bơm đầy ( nước đạt tới mức 2 ) : máy bơm P ngắt, bể xả.
Lúc đó: A = B = 1 → nT1= 1
nT2 = 0+1=1
=> nT1 = nT2
Khi bể cạn, vòng lặp trên sẽ được lặp lại. Từ đó ta rút ra được kết luận như sau:
Khi nT1 > nT2 , nước chưa đạt tới mức 2, bơm P chạy.
Khi nT1 = nT2 , nước đạt tới mức 2, bơm P tắt.
! Nếu chọn trạng thái đầu là bể đầy thì ta vẫn có cách làm tương tự, nhưng nó sẽ
ngược với phần giả sử bên trên, tức là khi n T1 < nT2, bơm P tắt, khi nT1 = nT2 , bơm P
chạy.
Dựa vào thuật toán trên, ta sẽ thiết kế ra mạch so sánh n T1 và nT2 , từ đó đưa ra hàm
điều khiển bơm P hoạt động. Khi f > = 1, bơm P chạy, khi f= = 1 hay f >= 0 bơm P tắt.

Ta có mạch sau: ( phân tích như trên )


Để reset cho cả hai bộ đếm, khi nước đầy, nT1 = nT2= 1, ta reset cho cả hai bộ đếm
về 0, tức là nT1 = nT2= 0, do đó bể vẫn giữ được trạng thái xả của nó
Quay trở lại bay toán ban đầu . Ta xét thêm biến đếm n T3, nT3 được đếm lên chỉ khi nước đạt
tới trạng thái C=1.
Bơm P1 được điều khiển bởi A,B
Bơm P2 được điều khiển bởi A,C
Ta có mạch sau :

Khi A = B = C= 0

nT2= nT3= 0
nT1 = 1

→ cả 2 bơm đều chạy

Khi A = B = 1; C=0

nT1 = nT2= 1
nT1 > nT3 = 0

→ bơm 1 tắt, bơm 2 vẫn chạy.

Khi A = B = C= 0

nT1 = nT2= nT3= 1 → cả 2 bơm tắt

Đê reset cho cả ba bộ đếm, khi bể đầy nước, tức là C=1, lúc đó n T1 = nT2= nT3= 1, ta reset

cho cả ba bộ đếm về 0, tức là nT1 = nT2= nT3= 0, điều này vân đảm bảo điều kiện nT1 = nT2=
nT3, do đó cả hai bơm vẫn tắt cho đến khi nước xuống dưới mức 1.


II. Mô phỏng bằng Proteus.
1. Mô phỏng mực nước.
Theo thực tế bài toán trên cần gắn với một bể được bơm nước và được xả nước, vì
vậy, ta sẽ mô phỏng mực nước theo đèn led. Khi bể được bơm nước, nước sẽ đầy lên, ta
mô phỏng các đèn led sáng từ dưới lên trên và khi bể xả nước, ta sẽ cho các đèn led tắt
dần từ trên xuống.
Để làm điều này ta sẽ nghĩ tới việc sử dụng IC 74192 có khả năng đếm thuận/nghịch
mod 10, tức là đếm thuận từ 0 đến 9, và đếm nghịch từ 9 về 0. Tuy nhiên do đầu ra của
IC 74192 được mã hóa tương ứng với 4 bit nhị phân. Từ đó ta có bảng trạng thái của các
đèn led, tương ứng với cá mức nước như sau:
QD (Q3) QC (Q3) QB(Q3)
QA (Q3) D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
0
0
0
0
Bật đếm up và tắt đếm down
0
0
0
1
0
0
0
0
0

0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1

1
0
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1

1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
Bật đếm down và tắt đếm up
Từ bảng trạng thái trên ta lập ra các bảng Các-nô, sau đó rút gọn, ta được:
__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

D1 = Q D QC Q A  Q D Q B QC Q A  Q D Q A Q B QC
__

__

__

__

__

D2 = Q D Q B QA  Q D QC  Q D Q A Q B QC
__

__

D3 = Q D Q C  Q D Q A Q B Q C
__

D4 = Q D Q B QC  Q D Q C Q A  Q D Q A Q B Q C
__

__

__

__

__

__

D5 = Q D Q B QC  Q D Q A Q B QC
__

__

D6 = Q D Q B QC Q A  Q D Q A Q B Q C
__

__

__

D7 = Q D Q A Q B Q C
Để khi QDQCQBQA= 0000 bật đếm up và tắt đếm down và khi Q DQCQBQA= 1001 bật đếm
down và tắt đếm up ta sẽ kết nối các trạng thái này với một trigger RS để điều khiển một
rơ-le kép, chính rơ-le này có tác dụng chuyển chế độ đếm thuận - nghịch và ngược lại.
__

__

__

__

__

__

QDQCQBQA= 0000 → ft = Q D Q A Q B QC = 1, d=0 ứng với đếm thuận.
QDQCQBQA= 1001 → fn = Q D Q A Q B QC = 1, d=1 ứng với đếm nghịch.


Ta có bảng:
ft
1
0
0
0
1
ftfn = 10 là tỏ hợp lập
ftfn = 00 là tổ hợp nhớ

ftfn = 01 là tổ hợp xóa

fn
0
0
1
0
0

dn
0
1
1
0
0

dn+1
1
1
0
0
1

Lập
Nhớ/ lập
Xóa
Nhớ/ xóa
Lập

suy ra ft ứng với chân Set của Trigger RS

fn ứng với chân Reset của Trigger RS

Vậy ta có mạch như sau:

2. Mô phỏng bài toán phụ.
Kết nối vào mạch mô phỏng bằng Led
Các đầu vào của mạch điều khiển bơm P được kết nối với các mực nước tương ứng,
chẳng hạn khi nước ở dưới mức 1 , thì giá trị của đầu vào là mức thấp. Chỉ cần nước đạt
tới mức 1 thì giá trị của đầu vào là mức cao, vì vậy ta chỉ cần kết nối trực tiếp các đầu
vào này vào Anốt của Led, khi led chưa sáng, nó có mức thấp, ứng với việc nước chưa
đạt tới mức đó, và khi led sáng, đầu vào có mức cao, tức là nước đã đạt tới mức đó. Cụ
thể ta có cách kết nối bài toán phụ dùng Trigger vào mạch mô phỏng mức nước như sau:


3) Mô phỏng bài tập lớn
Do chúng ta điều khiển hai bơm, tuy nhiên hai bơm này có cùng nguyên lý làm việc
và chúng chỉ khác nhau về khoảng làm việc mà thôi. Từ đó, các đầu vào của mạch điều
khiển ứng với mỗi bơm sẽ nằm ở các mực nước khác nhau. Bơm 1 có khoảng làm việc từ
mức 1 đến mức 2, bơm 2 có khoảng làm việc từ mức 1 đến mức 3. Dựa vào bài toán phụ,
ta kết nối các bơm trên một cách hoàn toàn tương tự vào mạch mô phỏng mực nước.


Tương tự, bài toán trên hoàn toàn có thể được mô phỏng bởi mạch đếm !
III. Ứng dụng thực tế
Mạch trên có thể hoàn toàn được ứng dụng vào thực tế, nó khắc phục được hiện tượng
bơm xả liên tục của bơm phao. Tuy nhiên, cách sử dụng Trigger ưu việt hơn rất nhiều so
với cách dùng bộ đếm. Ta có mô hình đơn giản như sau :
C
A
A

B

Mức 3 ( C )

Mức 2 ( B )

Mức 1 ( A )