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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.48 MB, 101 trang )

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
𝑁𝑡

=

𝐼𝑡
𝐼𝑠

(2.1)

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

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.7: Nguyên lý mạch đo encoder
Cách đo tốc độ động cơ : sử dụng ngắt ngoài để xác định xung cạnh lên. Sử
dụng timer để đo thời gian cố định đặt trước, dựa vào số lần xuất hiện cạnh lên đếm
số lượng xung trong thời gian cố định đặt trước. Từ đó áp dụng công thức để tính.
Vận tốc (vòng /phút) =

𝒔ố 𝒙𝒖𝒏𝒈 đế𝒎 đượ𝒄 𝑿 𝟔𝟎
𝒕𝒉ờ𝒊 𝒈𝒊𝒂𝒏 đặ𝒕 𝒕𝒓ướ𝒄 𝑿 độ 𝒑𝒉â𝒏 𝒈𝒊ả𝒊 𝒆𝒏𝒄𝒐𝒅𝒆𝒓

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 12

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.4. Biến tần
Biến tần là thiết bị dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều ở
đầu vào từ một tần số này thành điện áp hoặc dòng điện có một tần số khác ở đầu ra.
Biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động cơ xoay chiều theo phương
pháp điều khiển tần số, theo đó tần số của lưới nguồn sẽ thay đổi thành tần số biến

thiên.
Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần : Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều
1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Quá trình
này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất
cos(φ) của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96.
Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối
xứng. Trong quá trình này được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực
có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của
công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có
thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên
lõi sắt động cơ.

Hình 2.8: Sơ đồ khối của một biến tần
Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và
tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một
quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ
số điện áp - tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là
hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là
hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men
cũng lại là hàm bậc hai của điện áp.
Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 13

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng
lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.

Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau
phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ
PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc
điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.

2.1.4. Động cơ xoay chiều
Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng
lượng cơ. Từ những đồ dùng trong gia đình như quạt điện, tủ lạnh, máy giặt, máy
bơm nước,…đến những máy mốc đồ sộ, hiện đại trong công nghiệp sản xuất như
máy khoan, máy tiện, máy trộn…thậm chí đến ổ cứng, ổ quang trong công nghệ
máy tính đều là động cơ điện. Động cơ điện xoay chiều là động cơ hoạt động với
dòng điện xoay chiều.
Động cơ gồm có hai phần chính là stator và rotor : Stato gồm các cuộn dây
của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường
quay. Rotor hình trụ có tác dụng như một cuộn dây quấn trên lõi thép. Khi mắc
động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stator gây ra làm cho rotor
quay trên trục. Chuyển động quay của rotor được trục máy truyền ra ngoài và được
sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác.

Hình 2.9: Cấu tạo của động cơ điện xoay chiều

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 14

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác
nhau. Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm hai loại: động cơ 3 pha và 1 pha, và
nếu theo tốc độ có động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ.

-

Động cơ điện 1 pha : là động cơ điện bằng dòng điện xoay chiều 1 pha.

-

Động cơ điện 3 pha : là động cơ điện bằng dòng điện xoay chiều 3 pha.

-

Động cơ đồng bộ : là động cơ điện mà tốc độ quay của rotor bằng tốc độ
quay của từ trường.

-

Động cơ không đồng bộ : là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của
rotor chậm so với tốc độ quay của từ trường stator. Ta thường gặp động cơ
không đồng bộ rotor lòng sóc vì đặc tính hoạt động của nó tốt hơn dạng dây
quấn.

2.1.5. Giao diện đồ họa người dùng
Giao diện đồ họa người dùng trong tiếng Anh gọi tắt là GUI (Graphical User
Interface) là một thuật ngữ trong ngành công nghiệp máy tính. Đó là một cách giao
tiếp với máy tính hay các thiết bị điện tử bằng hình ảnh và chữ viết thay vì chỉ là
các dòng lệnh đơn thuần. GUI được sử dụng phổ biến trong máy tính, các thiết bị
cầm tay, các thiết bị đa phương tiện, hoặc các linh kiện điện tử trong văn phòng…
Phạm vi sử dụng thuật ngữ GUI hầu như chỉ được giới hạn trong các thiết bị
có màn hình 2 chiều. Nó ít được sử dụng trong các thiết bị với giao diện có độ phân
giải thấp như một số thiết bị chơi game (HUD được sử dụng nhiều hơn).
GUI được các nhà nghiên cứu tại Xerox PARC phát triển trong thập niên

1970. Ngày nay hầu hết các hệ điều hành máy tính nhiều người dùng đều sử dụng
giao diện này. Douglas Englebar hiện được xem là cha đẻ của giao diện người dùng
đồ họa lúc còn sơ khai. Sau khi tốt nghiệp ngành kĩ thuật điện vào năm 1948,
Douglas làm việc tại Viện NACA(NACA Institute, tiền thân của NASA hiện giờ).
Một hệ thống GUI là sự kết hợp của các công nghệ, thiết bị để cung cấp cho
người dùng một nền tảng cho phép người sử dụng có thể tương tác với nó. Một
chuỗi các thành phần của GUI tuân theo một ngôn ngữ trực quan (visual language)
để biểu diễn thông tin được lưu trữ trong các máy tính. Thông dụng nhất khi kể đến
sự kết hợp các thành phần như vậy là mô hình WIMP (window, icon, menu,

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 15

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
pointing device) trong các máy tính cá nhân.

Hình 2.10: Một GUI có dạng máy tính cầm tay

2.1.6. Giao thức I2C
Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL). SDA
là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ để đồng bộ
và chỉ theo một hướng. Như ta thấy trên hình vẽ trên, khi một thiết bị ngoại vi kết nối
vào đường bus I2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ
nối với dây SCL.
Có rất nhiều thiết bị có thể cùng được kết nối vào một bus I2C, tuy nhiên sẽ
không xảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị, bởi mỗi thiết bị sẽ được nhận ra bởi
một địa chỉ duy nhất với một quan hệ chủ / tớ tồn tại trong suốt thời gian kết nối. Mỗi
thiết bị có thể hoạt động như là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu hay có thể vừa truyền

vừa nhận. Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là chủ
(master) hay tớ (slave). Điểm mạnh của I2C chính là hiệu suất và sự đơn giản của nó:
một khối điều khiển trung tâm có thể điều khiển cả một mạng thiết bị mà chỉ cần hai
lối ra điều khiển.
Các bus I2C có thể hoạt động ở ba chế độ, hay nói cách khác các dữ liệu trên
bus I2C có thể được truyền trong ba chế độ khác nhau:
 Chế độ tiêu chuẩn (Standard mode) :
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 16

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

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về