Giáo trình Nhập môn cơ điện tử - Phần 2

L BU(3) BN(1) BK(4) BU(3) BN(1) BK(4) V Kết nối 2 cảm biến 3 dây mắc song song +24V DC 0 V L BU(3) BN(1) BU(3) BN(1) UV Kết nối 2 cảm biến hai dây mắc song song Cảm biến bốn dây PNP có một thường đóng và một thường mở NPN có một thường đóng và một thường mở 65 Bài tập: 1. Cảm biến là gì? 2. Ứng dụng của cảm biến? 3. Hãy kể tên các loại cảm biến thông dụng. 4. Nêu nguyên lý hoạt động của cảm biến quang. 5. Vẽ sơ đồ lắp đặt cảm biến điện dung, điện từ. 6. Nêu một số lỗi của cảm biến trong quá trình sử dụng và cách khắc phục. L BU(3) BN(1) BK(4) BU(3) BN(1) BK(4) +24V DC 0 V 1 2 V V V V Kết nối 2 cảm biến ba dây mắc nối tiếp L 1 2 BU(3) BN(1) BU(3) BN(1) +24V DC 0 V V V V Kết nối 2 cảm biến hai dây mắc nối tiếp 66 BÀI 5: KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Mã bài: Giới thiệu: Sau khi thu thập dữ liệu từ cảm biến và các thiết bị ngoại vi. Hệ thống cơ điện tử cần phải qua một quá trình xử lý để điều khiển các thiết bị đầu ra. Qúa trình xử lý là quá trình quan trọng nhất, là bộ não của hệ thống cơ điện tử. Mục tiêu: - Nắm được các khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử. - Phân tích, tính toán được các hệ thống xử lý số Nội dung chính: 1. Một số hệ đếm điển hình a.Hệ nhị phân: Hệ đếm nhị phân còn gọi là hệ đếm cơ số 2 là hệ đếm mà trong đó người ta chỉ sử dụng hai chữ số 0 và 1 để biểu diễn tất cả các số. Hai số 0,1 được gọi là bit hoặc digit đặc trưng cho hai trạng thái ổn định của Flip-Flop và các mạch điện tử. Một số nhị phân n cấp (gọi là n bit nhị phân) ở hệ 10 có dạng: A(10)= an-1.2n-1 + an-2.2n-2 + + a1.21 + a0.20 (1.1) Trong đó: an-1 gọi là bit có nghĩa lớn nhất tức là có trọng số lớn nhất. a0 gọi là bit có nghĩa nhỏ nhất tức là có trọng số nhỏ nhất. Các ký tự ak chỉ nhận một trong hai giá trị 0 hoặc 1. Ví dụ: cho số nhị phân 10111001(2) có n = 8 ( 8 bit hay gọi là 1 byte) ở hệ đếm 10 nó biểu diễn số: 1.27 + 0.26 + 1.25 + 1.24 + 1.23 + 0.22 + 0.21 + 1.20 = 128 + 0 + 32 + 16 + 8 + 0 + 0 + 1 = 185(10) Xét một số nhị phân 4 bit: a3a2a1a0. Biểu diễn dưới dạng đa thức theo cơ số của nó là: a3a2a1a0 = a3.23 + a2.22 + a1.21 + a0.20 = 8a3 + 4a2 + 2a1 + 1a0. Trong đó: 23, 22, 21, 20 (8,4,2,1) là các trọng số của số nhị phân. a3 bit có trọng số lớn nhất (MSB: most significant bit) a0 bit có trọng số nhỏ nhất (LSB: least significant bit) 67 - Một nhóm 4 bit : nibble - Một nhóm 8 bit : byte - Một nhóm nhiều byte : word (từ) Như vậy nếu sử dụng nhóm 4 bit ta biểu diễn được 24 = 16 số. Bảng các số nhị phân 4bit: STT Số nhị phân a3a2a1a0 Số thập phân 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Một số nhị phân có thể gồm 2 phần: bên trái dấu phẩy là phần nguyên sử dụng hệ thức (1.1) để xác định biểu diễn trong hệ mười. Nếu các ký số 0,1 nằm bên phải, sau dấu phẩy chúng sẽ biểu diễn phần lẻ, được biểu diễn trong hệ mười tương đương như sau: Ví dụ: 0,1010(2) = 1.2-1 + 0.2-2 + 1.2-3 + 0.2-4 = 12 + 0 + 1/8 = 0,625(2) Như vậy số nhị phân:10111001,1010(2) = 185,625(10) b.Để biểu diễn một số dương hay âm trong hệ nhị phân có thể sử dụng cách bổ sung vào số đó một ký số (được gọi là bit thể hiện dấu) ở đầu phía trước số đã cho theo qui định: 68 Ký số 1 biểu diễn số nhị phân sau nó là số âm. Ký số 0 biểu diễn số nhị phân sau nó là số dương. Ta gọi đây là cách biểu diễn dấu và trị số thật để phân biệt với cách biểu hiện dấu khác. Ví dụ: -242(10) = 1 11110010(2) ; +150(10)= 0 10010110. Biểu diễn theo số bù 1: tương tự như trên để diểu biễn một số nhị phân n bit theo nguyên tắc: - MSB là bit dấu với: ký số 1 biểu diễn số âm và ký số 0 biểu biễn số âm. - Các bit còn lại biểu diễn giá trị thực của số dương hoặc biểu thị giá trị của bù của một số âm. Số bù 1 có dãy giá trị -(2n-1-1)( 2n-1-1) Ví dụ: số 13(10) = 0 1101(2) Số -13(10) = 1 0010(2) số 31(10) = 0 11111(2) Số -31(10) = 1 00000(2) Biểu diễn theo số bù 2: Dùng số bù 2 để biểu diễn số âm ta sẽ bắt đầu bằng việc thiết lập số bù 1 (đảo) của số đã cho sau đó cộng thêm 1 vào số vừa tạo thành sẽ nhận được số nhị phân bù 2 của số nhị phân ban đầu. Ví dụ: 4510 = 1011012  010010 số bù 1 sau đó cộng 1 vào số bù 1: 010010 + 1 = 010011 đây là dạng số bù 2 của số 101101 đã cho. Khi đó số có dấu được qui định như sau: 0 1011012 = + 4510 1 0100112 = - 4510 c. Các phép toán trong hệ nhị phân: Khi tiến hành thực hiện phép toán trên hệ nhị phân ta thực hiện theo cột để tránh nhầm lẫn và dễ thực hiện hơn.  Phép cộng nhị phân: Qui tắc cộng: 0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 + 0 = 1 1 + 1 = 1 0 = 0 + nhớ 1 vào cột tiếp ở bên trái. 1 + 1 + 1 = 1 1 = 1 + nhớ 1vào cột tiếp bên trái. Ví dụ: các phép cộng nhị phân:  Phép trừ nhị phân: 0 1 1 (3) 1 1 0 (6)+ 1 0 1 1 (9) 1 1 1 1 0 0 (60) + 1 0 1 1 0 1 (45) 1 1 1 1 (15) 1 1 0, 0 0 1 (6,125) + 1 1, 0 1 1 (3,375) 1 0, 1 1 0 (2,750) 69 Qui tắc trừ: 0 - 0 = 0 1 - 0 = 1 1 - 1 = 0 10 - 1 = 1 vay ở cấp cao hơn. Chú ý: khi ở cột thứ k xảy ra việc (0-1) ta áp dụng qui tắc vay 1 ở cấp cao hơn (k+1) thực hiện theo qui tắc hàng cuối của qui tắc trừ với số chỉ có duy nhất bit MSB bằng 1 (1000) sau khi trừ đi số nhị phân chỉ có duy nhất 1 bit LSB kết quả sẽ là bù 1 của số bị trừ: 1 0 0 0 0 - 1 = 0 1 1 1 1 Ví dụ: Cần chú ý rằng có thể thực hiện phép trừ rồi nhờ đổi dấu số trừ sau đó dùng các qui tắc của phép cộng để thực hiện giữa số bị trừ (số hạng đầu)và số trừ sau khi đã đổi dấu.  Phép nhân nhị phân: thực hiện giống phép nhân trong hệ 10 theo qui tắc sau: 0 . 0 = 0 0 . 0 = 1 . 0 = 0 1 . 1 = 1 Khi thực hiện nhân liên tiếp từng cột của một thừa số với tất cả các cột của thừa số kia, hai hàng kết quả của hai cột liên tiếp nhau phải đặt dịch trái 1 nhịp sau đó cùng cộng các tích (các hàng tích sẽ có tích toàn phần). Ví dụ: Khi số nhị phân có m chữ số lẻ (sau dấu phẩy) và số nhân có n chữ số lẻ, ta bỏ dấu phẩy của cả 2 thừa số và thực hiện qui tắc nhân như với hai chữ số nhị phân chỉ có phần nguyên. Kết quả ở tích số toàn phần, dấu phẩy được đặt ở vị trí trước cột thứ m+n tính từ phải qua trái như phép nhân có số thập phân ở hệ 10.  Phép chia nhị phân: qui tắc chia: 1 1 0 0 0 1 1 1 (199) 1 1 0 1 1 0 1 (109)- 0 1 0 1 1 0 1 0 (90) 1 0 1 0 0 1 0 1 Säú bë nhán 1 0 1 Säú nhán 0 0 0 0 1 0 1 0 + 1 1 0 0 1 0 têch säú toaìn pháön 70 0 : 0 = 0 1 : 1 = 1 Ví dụ: thực hiện phép chia 101 101 : 101 2. Chuyển đổi cơ số 2.1.Biến đổi hệ thập phân sang hệ nhị phân: Được thực hiện riêng biệt cho phần nguyên và phần lẻ và sau đó gộp hai kết quả lại. 2.1.1 Chuyển đổi phần nguyên có hai cách thực hiện: - Sử dụng biểu thức 1.1 ở dạng ngược với quá trình chuyển đổi hệ hai – mười: triển khai số thập phân (phần nguyên) thành tổng các lũy thừa của 2 sau đó xác định giá trị các ký tự (bit) ak tương ứng. Ví dụ: A(10) = 58(10) = 32 + 16 + 8 + 2 = 1.25 + 1.24 + 1.23 + 0.22 + 1.21 + 0.20 = = 111010. Sử dụng nguyên tắc chia số A(10) liên tiếp cho 2 sau đó lấy phần dư. + Phần dư đầu tiên của phép chia (A(10)/2) là bit LSB. + Phần dư cuối cùng của phép chia (A(10)/2) là bit MSB. Ví dụ 1: A(10) = 55 ta tiến hành như sau: 101 1001 Thæång säú- 101 0001 01 - 000 0010 1 - 000 0101 - 101 000 Pháön dæ 101 101 71  A10 = 55  A2 = 110111 2.1.2. Chuyển đổi phần lẻ thập phân được thực hiện theo qui tắc: “nhân 2 trừ 1”: - Đặt phần lẻ số A10 ở tận cùng bên trái, nhân nó với 2. - Nếu tích kết quả 2A10 ≥ 1 thì trừ cho 1 (2A10 - 1) đồng thời đặt ký số 1 đầu tiên của phần lẻ sau dấu phẩy. - Nếu tích 2A10 < 1 thì đặt 0 ở vị trí này. - Nhân phần dư (2A10 - 1) hay 2A10 ở một trong hai bước trên với 2 để tìm tiếp ký số thứ 2 sau dấu phẩy - Quá trình trên sẽ chấm dứt khi đạt tới ký số (bit) lẻ nằm sau dấu phẩy theo yêu cầu hay đến khi phép trừ không còn số dư. Ví dụ 2: A10 = 0,8625 hãy tìm A2 lấy tới 4 bit lẻ (4 số lẻ sau dấu phẩy) A10 =0,8325 2A10 = 1,665 2A10 –1= 0,665 2.0,665 = 1,33 1,33 – 1 = 0,33 0,33.2 = 0,66 0,66 < 1 0,66.2 = 1,32 1,32 – 1 = 0,32 A2 1 1 0 1 Vậy A2 = 0,1101 Ví dụ 3: A10 = 0,3125 hãy tìm A2 lấy tới 4 bit lẻ (4 số lẻ sau dấu phẩy) A10 =0,3125 2A10 = 0,625 0,665 < 1 2.0,625 = 1,25 1,25 – 1 = 0,25 0,25.2 = 0,5 0,5 < 1 0,5.2 = 1 1 – 1 = 0 A2 0 1 0 1 Vậy A2 = 0,0101 Nếu A10 gồm cả phần nguyên và phần lẻ: kết quả chung là sự kết hợp hai kết quả chuyển đổi riêng biệt như trên. Nếu sử dụng các với dụ đã có với A10 = 58,3125 thì biểu diễn nhị phân của nó có dạng A2 = 111010,0101. 2.2.Biến đổi hệ nhị phân sang hệ thập phân: thực hiện theo hệ thức đã biết: A10= an-1.2n-1 + an-2.2n-2 + + a1.21 + a0.20 (1.5) Chú ý rằng vị trí của bit ak có trọng số tương ứng 2k. 55 2 2 2 2 2 2 271 13 6 3 1 0 1 1 0 1 1 72 Ví dụ: A2 = 101101 khi chuyển sang A10 có biểu diễn tương đương theo 1.5 là: A10 = 1.25 + 0.24 + 1.23 + 1.22 + 0.21 + 1.20 = 32 + 0 + 8 + 4 + 0 + 1 = 4510 Hoặc với 1 số nhiều bit hơn: A2 = 10111001 A10 = 1.27 + 0.26 + 1.25 + 1.24 + 1.23 + 0.22 + 0.21 + 1.20 = 128 + 0 + 32 + 16 + 8 + 0 + 0 + 1 = 185(10) Nếu A2 là một số nhị phân có phần nguyên và phần lẻ, phép chuyển đổi thực hiện theo hệ thức (1.1) mở rộng: Ví dụ: A2 = 101101,1010 A10 = 1.25 + 0.24 + 1.23 + 1.22 + 0.21 + 1.20 + 1.2-1 + 0.2-2 + 1.2-3 + 0.2-4 = 45,625 3. Mã số Mã hóa là gán một ký hiệu cho một đối tượng để thuận tiện cho việc thực hiện một yêu cầu cụ thể nào đó. Một cách toán học, mã hóa là một phép áp một đối một từ một tập hợp nguồn vào một tập hợp khác gọi là tập hợp đích. (H 1.1) Tập hợp nguồn có thể là tập hợp các số, các ký tự, dấu, các lệnh dùng trong truyền dữ liệu . . . và tập hợp đích thường là tập hợp chứa các tổ hợp thứ tự của các số nhị phân. Một tổ hợp các số nhị phân tương ứng với một số được gọi là từ mã. Tập hợp các từ mã được tạo ra theo một qui luật cho ta một bộ mã. Việc chọn một bộ mã tùy vào mục đích sử dụng. Thí dụ để biểu diễn các chữ và số, người ta có mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange), mã Baudot, EBCDIC . . .. Trong truyền dữ liệu ta có mã dò lỗi, dò và sửa lỗi, mật mã . . .. Vấn đề ngược lại mã hóa gọi là giải mã.Cách biểu diễn các số trong các hệ khác nhau cũng có thể được xem là một hình thức mã hóa, đó là các mã thập phân, nhị phân, thập lục phân . . . và việc chuyển từ mã này sang mã khác cũng thuộc loại bài toán mã hóa. Trong kỹ thuật số ta thường dùng các mã sau đây: 73 Mã BCD (Binary Coded Decimal) Mã BCD dùng số nhị phân 4 bit có giá trị tương đương thay thế cho từng số hạng trong số thập phân. Thí dụ: Số 62510 có mã BCD là 0110 0010 0101. Mã BCD dùng rất thuận lợi : mạch điện tử đọc các số BCD và hiển thị ra bằng đèn bảy đoạn (led hoặc LCD) hoàn toàn giống như con người đọc và viết ra số thập phân. Mã Gray Mã Gray hay còn gọi là mã cách khoảng đơn vị. Nếu quan sát thông tin ra từ một máy đếm đang đếm các sự kiện tăng dần từng đơn vị, ta sẽ được các số nhị phân dần dần thay đổi. Tại thời điểm đang quan sát có thể có những lỗi rất quan trọng. Thí dụ giữa số 7(0111) và 8 (1000), các phần tử nhị phân đều phải thay đổi trong quá trình đếm, nhưng sự giao hoán này không bắt buộc xảy ra đồng thời, ta có thể có các trạng thái liên tiếp sau: 0111  0110  0100  0000  1000 Trong một quan sát ngắn các kết quả thấy được khác nhau. Để tránh hiện tượng này, người ta cần mã hóa mỗi số hạng sao cho hai số liên tiếp chỉ khác nhau một phần tử nhị phân (1 bit) gọi là mã cách khoảng đơn vị hay mã Gray. Tính kề nhau của các tổ hợp mã Gray (tức các mã liên tiếp chỉ khác nhau một bit) được dùng rất có hiệu quả để rút gọn hàm logic tới mức tối giản. Ngoài ra, mã Gray còn được gọi là mã phản chiếu (do tính đối xứng của các số hạng trong tập hợp mã, giống như phản chiếu qua gương) Người ta có thể thiết lập mã Gray bằng cách dựa vào tính đối xứng này: - Giả sử ta đã có tập hợp 2n từ mã của số n bit thì có thể suy ra tập hợp 2n+1 từ mã của số (n+1) bit bằng cách: - Viết ra 2n từ mã theo thứ tự từ nhỏ đến lớn - Thêm số 0 vào trước tất cả các từ mã đã có để được một phần của tập hợp từ mã mới - Phần thứ hai của tập hợp gồm các từ mã giống như phần thứ nhất nhưng trình bày theo thứ tự ngược lại (giống như phản chiếu qua gương) và phía trước thêm vào số 1 thay vì số 0 (H 1.2). 74 (H 1.2) Để thiết lập mã Gray của số nhiều bit ta có thể thực hiện các bước liên tiếp từ tập hợp đầu tiên của số một bit (gồm hai bit 0, 1). Dưới đây là các bước tạo mã Gray của số 4 bit. Cột bên phải của bảng mã 4 bit cho giá trị tương đương trong hệ thập phân của mã Gray tương ứng (H 1.3). trị thập phân tương đương 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1   0 0 0 0 0 1 1   0 1 1  1 1  0 1 0 0 1 1 2 bit 1 0  0 1   0 0 1 0 3   1 0 2 bi  1 1  0 1 1 0 4 t   1 0  0 1 1 1 5 1 1 1 0  0 1 0 1 6 1 1  0 1 0 0 7 0 0 3 bi  1 1 0 0 8 t  1 1 0 1 9  1 1 1 1 10   1 1 1 0 11 1 0 1 0 12 1 0 1 1 13 1 0 0 1 14 1 0 0 0 15 4 bit (H 1.3) Nhận xét các bảng mã của các số Gray (1 bit, 2 bit, 3 bit và 4 bit) ta thấy các 75 số gần nhau luôn luôn khác nhau một bit, ngoài ra, trong từng bộ mã, các số đối xứng nhau qua gương cũng khác nhau một bit. 4. Dữ liệu và mã hoá dữ liệu Mã hóa là gán các ký hiệu cho các đối tượng trong một tập hợp để thuận tiện cho việc thực hiện một yêu cầu cụ thể nào đó. Thí dụ mã BCD gán số nhị phân 4 bit cho từng số mã của số thập phân (từ 0 đến 9) để thuận tiện cho máy đọc một số có nhiều số mã; mã Gray dùng tiện lợi trong việc tối giản các hàm logic . . .. Mạch chuyển từ mã này sang mã khác gọi là mạch chuyển mã, cũng được xếp vào loại mạch mã hóa. Thí dụ mạch chuyển số nhị phân 4 bit sang số Gray là một mạch chuyển mã. 4.1.1 Mạch mã hóa 2 n đường sang n đường Một số nhị phân n bit cho 2n tổ hợp số khác nhau. Vậy ta có thể dùng số n bit để mã cho 2n ngã vào khác nhau, khi có một ngã vào được chọn bằng cách đưa nó lên mức tác động, ở ngã ra sẽ chỉ báo số nhị phân tương ứng. Đó là mạch mã hóa 2n đường sang n đường. (H 4.1) là mô hình một mạch mã hóa 2n đường sang n đường. - (H 4.1a) là mạch có ngã vào và ra tác động cao : Khi các ngã vào đều ở mức thấp, mạch chưa hoạt động, các ngã ra đều ở mức thấp. Khi có một ngã vào được tác động bằng cách ấn khóa K tương ứng để đưa ngã vào đó lên mức cao, các ngã ra sẽ cho số nhị phân tương ứng. - (H 4.1b) là mạch có ngã vào và ra tác động thấp. Hoạt động tương tự như mạch trên nhưng có mức tác động ngược lại. (trong mô hình (H 4.1b) ký hiệu dấu o ở ngã ra để chỉ mức tác động thấp, còn ở ngã vào không có dấu o vì là mạch thật) Trong trường hợp ngã ra có mức tác động thấp, muốn đọc đúng số nhị phân ở ngã ra, ta phải đảo các bit để đọc. Dĩ nhiên, người ta cũng có thể thiết kế theo kiểu ngã vào tác động thấp và ngã ra tác động cao hay ngược lại. Trên thực tế, ta có thể có bất cứ loại ngã vào hay ra tác động theo bất cứ kiểu nào (mức cao hay thấp). Ngoài ra, để tránh trường hợp mạch cho ra một mã sai khi người sử dụng vô tình (hay cố ý) tác động đồng thời vào hai hay nhiều ngã vào, người ta thiết kế các mạch mã hóa ưu tiên: là mạch chỉ cho ra một mã duy nhất có tính ưu tiên khi có nhiều ngã vào cùng được tác động. Mã hóa ưu tiên 4 đường sang 2 đường Thiết kế mạch mã hóa 4 đường sang 2 đường, ưu tiên cho mã có trị cao, ngã vào và ra tác động cao Bảng sự thật và sơ đồ mạch (H 4.2) 0 1 2 3 A 1 A 0 1 0 0 0 0 0 x 1 0 0 0 1 x x 1 0 1 0 x x x 1 1 1 Bảng 4.1 76 Nhận thấy biến 0 trong bảng sự thật không ảnh hưởng đến kết quả nên ta chỉ vẽ bảng Karnaugh cho 3 biến 1, 2 và 3. Lưu ý là do trong bảng sự thật có các trường hợp bất chấp của biến nên ứng với một trị riêng của hàm ta có thể có đến 2 hoặc 4 số 1 trong bảng Karnaugh. Thí dụ với trị 1 của cả 2 hàm A1 và A0 ở dòng cuối cùng đưa đến 4 số 1 trong các ô 001, 011, 101 và 111 của 3 biến 123. Từ bảng Karnaugh, ta có kết quả và mạch tương ứng. Trong mạch không có ngã vào 0, điều này được hiểu là mạch sẽ chỉ báo số 0 khi không tác động vào ngã vào nào. Mã hóa 8 đường sang 3 đường Chúng ta sẽ khảo sát một IC mã hóa 8 đường sang 3 đường. Trên thực tế khi chế tạo một IC, ngoài các ngã vào/ra để thực hiện chức năng chính của nó, người ta thường dự trù thêm các ngã vào và ra cho một số chức năng khác như cho phép, nối mạch để mở rộng hoạt động của IC. IC 74148 là IC mã hóa ưu tiên 8 đường sang 3 đường, vào/ ra tác động thấp, có các ngã nối mạch để mở rộng mã hóa với số ngã vào nhiều hơn. Dưới đây là bảng sự thật của IC 74148, trong đó Ei ngã vào nối mạch và cho phép, Eo là ngã ra nối mạch và Gs dùng để mở rộng cho số nhị phân ra. Dựa vào bảng sự thật, ta thấy IC làm việc theo 10 trạng thái: - Các trạng thái từ 0 đến 7: IC mã hóa cho ra số 3 bit - Các trạng thái 8 và 9: dùng cho việc mở rộng, sẽ giải thích rõ hơn khi nối 2 IC để mở rộng mã hóa cho số 4 bit Trạn g thái Ei 0 7 1 Ngã vào 2 3 4 5 6 A2 Ngã ra A1 A0 Gs Eo 9 1 x x x x x x X 1 1 1 1 1 8 0 x 1 1 1 1 0 7 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 6 0 1 0 0 1 0 1 5 0 x x x x x x x 0 1 0 0 1 4 0 0 0 1 1 0 1 0 x x x x x x 0 1 0 0 0 1 2 0 1 1 0 1 0 1 1 0 x x x x x 0 1 1 1 0 0 1 77 0 0 1 1 1 1 0 1 x x x x 0 1 1 1 x x x 0 1 1 1 1 x x 0 1 1 1 1 1 x 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 Bảng 4.2 - IC2 có Ei = 0 nên hoạt động theo các trạng thái từ 0 đến 8, nghĩa là mã hóa từ 0 đến 7 cho các ngã ra A2A1A0. - IC1 có Ei nối với Eo của IC2 nên IC1 chỉ hoạt động khi tất cả ngã vào dữ liệu của IC2 lên mức 1 (IC2 hoạt động ở trạng thái 8) * Để mã hóa các số từ 0 đến 7, cho các ngã vào 8 đến 15 (tức các ngã vào dữ liệu của IC2) lên mức 1, IC2 hoạt động ở trạng thái 8. Lúc đó Ei1 = Eo2 = 0: kết quả là IC1 sẽ hoạt động ở trạng thái từ 0 đến 7, cho phép tạo mã các số từ 0 đến 7 (từ 111 đến 000) và IC2 hoạt động ở trạng thái 8 nên các ngã ra (A2A1A0)2= 111, đây là điều kiện mở các cổng AND để cho mã số ra là B2B1B0 = A2A1A0 của IC1, trong lúc đó B3 = Gs2 = 1, ta được kết quả từ 1111 đến 1000, tức từ 0 đến 7 (tác động thấp). Thí dụ để mã số 4 , đưa ngã vào 4 xuống mức 0, các ngã vào từ 5 đến 15 lên mức 1, bất chấp các ngã vào từ 0 đến 3, mã số ra là B3B2B1B0=Gs2B2B1B0=1011, tức số 4 * Để mã hóa các số từ 8 đến 15, cho IC2 hoạt động ở trạng thái từ 0 đến 7 (đưa ngã vào ứng với số muốn mã xuống thấp, các ngã vào cao hơn lên mức 1 và các ngã vào thấp hơn xuống mức 0), bất chấp các ngã vào dữ liệu của IC1 (cho IC1 hoạt động ở trạng thái 9), nên các ngã ra (A2A1A0)1=111, đây là điều kiện mở các cổng AND để cho mã số ra là B2B1B0=A2A1A0 của IC2, , trong lúc đó B3 = Gs2 = 0, ta được kết quả từ 0111 đến 0000, tức từ 8 đến 15. Thí dụ để mã số 14, đưa ngã vào 14 xuống mức 0, đưa ngã vào 15 lên mức 1, bất chấp các ngã vào từ 0 đến 13, mã số ra là B3B2B1B0 = Gs2B2B1B0 = 0001, tức số 14 Muốn có ngã ra chỉ số nhị phân đúng với ngã vào được tác động mà không phải đảo các bit ta có thể thay các cổng AND bằng cổng NAND Mạch tạo mã BCD cho số thập phân Mạch gồm 10 ngã vào tượng trưng cho 10 số thập phân và 4 ngã ra là 4 bit của số BCD. Khi một ngã vào (tượng trưng cho một số thập phân) được tác động bằng cách đưa lên mức cao các ngã ra sẽ cho số BCD tương ứng Bảng sự thật của mạch: 78 1 9 0 Trạng thái các ngã vào 8 7 6 5 4 3 2 Mã số ra A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 Bảng 4.3 Không cần bảng Karnaugh ta có thể viết ngay các hàm xác định các ngã ra: A0 = 1 + 3 + 5 + 7 + 9 A1 = 2 + 3 + 6 + 7 A2 = 4 + 5 + 6 + 7 A3 = 8 + 9 Để tạo mã BCD ưu tiên cho số lớn, ta viết lại bảng sự thật và dùng phương pháp đại số để đơn giản các hàm xác định các ngã ra A3 , A2 , A1 , A0 1 9 Trạng thái các ngã vào 8 7 6 5 4 3 0 2 Mã số ra A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 x 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 x x 0 0 0 0 0 0 0 1 x 0 0 1 x x 1 0 0 0 0 0 1 X x 0 1 0 x x 0 0 0 0 0 1 x X x 0 1 0 x x 1 0 0 0 1 x x X x 0 1 1 x x 0 0 0 1 x x x X x 0 1 1 x x 1 79 0 1 x x x x X x 1 0 0 x x 0 1 x x x x x X x 1 0 0 x x 1 Bảng 4.4 80 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 A 2 7.8.9 6.7.8.9 5.6.7.8.9 4.5.6.7.8.9 (76.75.6.74.5.6.7)8.9 A 2 (7 6 5 4)8.9 (7 6 5 4)(8 9) A1 7.8.9 6.7.8.9 3.4.5.6.7.8.9 2.3.4.5.6.7.8.9 (7 6.7 3.4.5.6.7 2.3.4.5.6.7)8.9 A 1 (7 6 3.4.5 2.3.4.5)8.9 (7 6 3.4.5 2.4.5)(8 9) A 0 9 7.8.9 5.6.7.8.9 3.4.5.6.7.8.9 1.2.3.4.5.6.7.8.9 9 (7 5.6.7 3.4.5.6.7 1.2.3.4.5.6.7)8.9 A 0 9 (7 5.6 3.4.6 1.2.4.6)8.9 9 (7 5.6 3.4.6 1.2.4.6)(8 9) Mạch chuyển mã Mạch chuyển từ một mã này sang một mã khác cũng thuộc loại mã hóa. Mạch chuyển mã nhị phân sang Gray Thử thiết kế mạch chuyển từ mã nhị phân sang mã Gray của số 4 bit. Trước tiên viết bảng sự thật của số nhị phân và số Gray tương ứng. Các số nhị phân là các biến và các số Gray sẽ là hàm của các biến đó. A B C D  X Y Z T 0 0 0 0  0 0 0 0            Bảng 4.5 Dùng bảng Karnaugh để xác định X, Y, Z, T theo A,B, C, D Quan sát bảng sự thật ta thấy ngay: X = A, Vậy chỉ cần lập 3 bảng Karnaugh cho các biến Y, Z, T (H 4.6 a,b,c) và kết quả cho ở MẠCH GIẢI MÃ 81 G Vào A1 A0 Y0 R Y1 a Y2 Y3 0 x x 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 Giải mã n đường sang 2 n đường Giải mã 2 đường sang 4 đường: Thiết kế mạch Giải mã 2 đường sang 4 đường có ngã vào cho phép (cũng được dùng để nối mạch) Để đơn giản, ta xét mạch giải mã 2 đường sang 4 đường có các ngã vào và ra đều tác động cao . Bảng sự thật, các hàm ngã ra và sơ đồ mạch Giải mã 3 đường sang 8 đường Dùng 2 mạch giải mã 2 đường sang 4 đường để thực hiện mạch giải mã 3 đường sang 8 đường (H 4.8) Vào R a A2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y 4 Y5 Y6 Y7 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 82 Quan sát bảng sự thật ta thấy: Trong các tổ hợp số 3 bit có 2 nhóm trong đó các bit thấp A1A0 hoàn toàn giống nhau, một nhóm có bit A2 = 0 và nhóm kia có A2 = 1. Như vậy ta có thể dùng ngã vào G cho bit A2 và mắc mạch như sau. Khi A2=G=0, IC1 giải mã cho 1 trong 4 ngã ra thấp và khi A2=G=1, IC2 giải mã cho 1 trong 4 ngã ra cao Trên thị trường hiện có các loại IC giải mã như: - 74139 là IC chứa 2 mạch giải mã 2 đường sang 4 đường, có ngã vào tác động cao, các ngã ra tác động thấp, ngã vào cho phép tác động thấp. - 74138 là IC giải mã 3 đường sang 8 đường có ngã vào tác động cao, các ngã ra tác động thấp, hai ngã vào cho phép G2A và G2B tác động thấp, G1 tác động cao. - 74154 là IC giải mã 4 đường sang 16 đường có ngã vào tác động cao, các ngã ra tác động thấp, 2 ngã vào cho phép E1 và E2 tác động thấp Dưới đây là bảng sự thật của IC 74138 và cách nối 2 IC để mở rộng mạch giải mã lên 4 đường sang 16 đường (H 4.9) Ghi chú G2 =G2A+G2B , H = 1, L =0, x: bất chấp Vào phép Ra Ch o G1 x L H H H H H H H H Dữ liệu B x x L L H H L L H H G2 H x L L L L L L L L C x x L L L L H H H H A x x L H L H L H L H Y0 H H L H H H H H H H Y1 H H H L H H H H H H Y2 H H H H L H H H H H Y3 H H H H H L H H H H Y4 H H H H H H L H H H Y5 H H H H H H H L H H Y6 H H H H H H H H L H Y7 H H H H H H H H H L 83 Thí dụ, thiết kế mạch tạo hàm Y=f(A,B,C)= A BC ABC A BC ABC Với hàm 3 biến, ta dùng mạch giải mã 3 đường sang 8 đường. 8 ngã ra mạch giải mã tương ứng với 8 tổ hợp biến của 3 biến, các ngã ra tương ứng với các tổ hợp biến có trong hàm sẽ lên mức 1. Với một hàm đã viết dưới dạng tổng chuẩn, ta chỉ cần dùng một cổng OR có số ngã vào bằng với số tổ hợp biến trong hàm nối vào các ngã ra tương ứng của mạch giải mã để cộng các tổ hợp biến có trong hàm lại ta sẽ được hàm cần tạo. Dĩ nhiên, với những hàm chưa phải dạng tổng chuẩn, chúng ta phải chuẩn hóa. Và nếu bài toán có yêu cầu ta phải thực hiện việc đổi cổng, bằng cách dùng định lý De Morgan. 5. Bài tập ứng dụng 1. Đổi các số thập phân dưới đây sang hệ nhị phân và hệ thập lục phân : a/ 12 b/ 24 c/ 192 d/ 2079 e/ 15492 f/ 0,25 g/ 0,375 h/ 0,376 i/ 17,150 j/ 192,1875 2. Đổi sang hệ thập phân và mã BCD các số nhị phân sau đây: a/ 1011 b/ 10110 c/ 101,1 d/ 0,1101 e/ 0,001 f/ 110,01 g/ 1011011 h/ 10101101011 3. Đổi các số thập lục phân dưới đây sang hệ 10 và hệ 8: a/ FF b/ 1A c/ 789 d/ 0,13 e/ ABCD,EF 4. Đổi các số nhị phân dưới đây sang hệ 8 và hệ 16: a/ 111001001,001110001 b/ 10101110001,00011010101 c/ 1010101011001100,1010110010101 d/ 1111011100001,01010111001 5. Mã hóa số thập phân dưới đây dùng mã BCD : a/ 12 b/ 192 c/ 2079 d/15436 e/ 0,375 f/ 17,250 6. Thiết kế mạch mã hóa 32 đường sang 5 đường dùng IC 74148 và cổng logic. 7. Thiết kế mạch giải mã 4 đường sang 16 đường từ mạch giải mã 2 đường sang 4 đường có ngã vào cho phép. 8. Thiết kế mạch so sánh 4 bit từ mạch so sánh 1 bit 9. Thiết kế mạch chuyển từ mã Gray sang mã nhị phân 10. Thiết kế mạch chuyển từ mã BCD sang mã Excess-3 của các số từ 0 đến 9. (Mã Excess-3 của 1 số có được từ trị nhị phân tương ứng cộng thêm 3, thí dụ mã số 0 là 0011, mã số 9 là 1100) 84 11. Dùng một mạch giải mã 3 sang 8 đường, 2 cổng NAND 3 ngã vào và 1 cổng AND 2 ngã vào thực hiện các hàm sau: F1 = (1,2,3) ; F2 = (4,5,7) ; F3 = (1,2,3,4,5,7) 12. Cài đặt các hàm sau dùng bộ dồn kênh (multiplexer) 4 1 (Dùng thêm cổng logic nếu cần) 13. Thiết kế mạch MUX 4 1 từ các MUX 2 1 14. Dùng 2 MUX 2 1 để thực hiện 1 MUX 3 1 như sau: AB = 00 chọn C AB = 01 chọn D AB =1X chọn E (Trường hợp này B không xac định). 15. Thực hiện hàm Z= AB +BC + CA a. Giải mã 3 sang 8 đường (dùng thêm cổng logic nếu cần). b. Đa hợp 4 1 (dùng thêm cổng logic nếu cần). c. Hai mạch cộng bán phần và một cổng OR. d. Bài tập: 1. Đổi các số sau từ hệ nhị phân sang thập phân: 110; 1010; 1100 1001; 0010 1011; 1110 0001. 2. Đổi các số sau từ hệ thập phân sang nhị phân: 9; 130; 1812; 1991; 590; 157; 428; 126. 3. Đổi các số sau từ hệ thập phân sang thập lục phân: 9; 130; 1812; 1991; 590; 157; 428; 126. 4. Đổi các số sau từ hệ nhị phân sang thập lục phân: 110; 1010; 1100 1001; 0010 1011; 1110 0001. 5. Thực hiện các phép toán sau và đổi sang hệ nhị phân: a. 11012 – 01102 b. 10 – 37 c. 8A16 + 6FA16 d. 4316 + D4216 85 BÀI 6: CÁC VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH HỆ THỐNG CƠ DIỆN TỬ Mã bài: Giới thiệu: Từ lý thuyết khái niệm cơ bản về hệ thống cơ điện tử. Phần này chúng ta sẽ nghiên cứu một số ví dụ điển hình về hệ thống cơ điện tử trên cơ sở khảo sát thực tế trong quá trình thực hành. Mục tiêu: - Hiểu được nguyên lý hoạt động của các hệ thống cơ điện tử điển hình. - Khảo sát, phân tích được các phần tử của một số hệ thống cơ điện tử. - Tìm tòi một số hệ thống cơ điện tử điển hình trong thực tế Nội dung chính: 1. Mô hình nồi cơm điện tự động. Phân loại theo dòng điện sử dụng: + Lò một chiều. + Lò xoay chiều. Theo cách cháy của ngọn lửa HQ, chia thành: + Lò nung gián tiếp: Nhiệt của ngọn lửa HQ tạo ra giữa 2 điện cực (graphít, than) được dùng để nấu chảy kim loại. + Lò nung trực tiếp: Nhiệt của ngọn lửa HQ tạo ra giữa điện cực và kim loại dùng để nấu chảy kim loại. Phân loại theo đặc điểm chất liệu vào lò (vật liệu rắn, kim loại vụn): + Lò chất liệu bên sườn bằng phương pháp thủ công hay máy móc. + Lò chất liệu trên đỉnh lò xuống nhờ gầu chất liệu. 7.5.2 Sơ đồ điện (thiết bị chính mạch lực) lò hồ quang Điện cấp cho lò hồ quang lấy từ trạm biến áp lò. Điện áp vào là 6 , 10, 35 hay 110kV tùy theo công suất lò. Sơ đồ lò có các thiết bị chính sau: + Cầu dao cách ly CL: Dùng phân cách mạch động lực của lò với lưới khi cần thiết, chẳng hạn lúc sửa chữa. + Máy cắt 1MC: Dùng đóng cắt mạch lực dưới tải và để bảo vệ lò HQ khỏi ngắn mạch sự cố. + Cuộn kháng LK: Được đóng vào mạch hoặc loại khỏi mạch nhờ vào máy cắt 2MC. Cuộn kháng LK dùng để hạn chế dòng điện khi ngắn mạch làm việc và ổn định sự cháy của HQ. Lúc ngắn mạch làm việc, máy cắt 2MC mở ra để cuộn kháng LK tham gia vào mạch, hạn chế dòng ngắn mạch. Một ứng dụng quan trọng của mạch giải mã là dùng giải mã địa chỉ cho bộ nhớ bán dẫn. Ngoài ra, mạch giải mã kết hợp với một cổng OR có thể tạo được hàm logic. Khi liệu chảy hết, lò cần công suất nhiệt lớn để nấu luyện, máy cắt 2MC đóng lại để ngắn mạch cuộn kháng LK. 86 3~6-10kV 1MCV \ \ CL ^2 C e? e? ( 7 BAL Ở giai đoạn hoàn nguyên (KL đã được nóng chảy hết), công suất lò yêu cầu ít hơn để tránh bốc hơi thì máy cắt 2MC mở ra để đưa cuộn kháng LK vào mạch, làm giảm công suất cấp cho lò. + Máy biến áp lò BAL: Sơ cấp của BAL được đổi nối thành hình Y hay À nhờ vào các máy cắt 3MC, 4MC. Máy biến áp BAL được đặt gần lò vì dòng điện thứ cấp của nó rất lớn, khoảng 10kA. Máy biến áp BAL phải làm việc trong môi trường nhiệt độ rất cao và thường xuyên ở chế độ ngắn mạch làm việc (mồi hồ quang). Thứ cấp của BAL là các thanh dẫn, cấp điện cho các điện cực ĐC. Nối giữa thanh dẫn với điện cực là một "mạch ngắn" MN, là đoạn mạch dẫn được dòng điện lớn nhưng mềm để dễ cho điện cực di chuyển. + Điện cực ĐC: Là phần tạo ra hồ quang. * Máy biến áp lò BAL : Máy biến áp BAL dùng cho lò HQ phải làm việc trong các điều kiện đặc biệt nặng nề nên có các đặc điểm sau: - Công suất thường rất lớn (có thể tới hàng chục MW) và dòng điện thứ cấp rất lớn (có thể tới hàng trăm kA). - Điện áp ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạch dưới (2,5^4)Iđm. - Có độ bền cơ học cao để chịu được các lực điện từ phát sinh trong các cuộn dây, thanh dẫn khi có ngắn mạch. - Có khả năng điều chỉnh điện áp sơ cấp dưới tải trong một giới hạn rộng. - Phải làm mát tốt vì dòng lớn, hay có ngắn mạch và vì biến áp đặt ở nơi kín lại gần lò. Nguyên lý làm việc của lò hồ quang Khi đóng điện vào mạch chính, HQ chưa phát sinh. Thiết bị tự động sẽ từ từ hạ điện cực xuốn để đầu điện cực chạm vào kim loại trong lò làm phát sinh HQ. Sau khi HQ phát sinh thì các điện cực phải được nâng nhanh lên để giải phóng ngắn mạch nhưng phải giữ khoảng cách nào đó với KL trong lò để HQ không tắt. Trong quá trình cháy của HQ thì làm cho điện cực ngắn dần, dòng HQ giảm, do đó yêu cầu hạ điện cực xuống để đảm bảo khoảng cách. Phần điều khiển dịch cực lò phải thỏa mãn các điều kiện: - Hạ chậm điện cực xuống. 87 - Kéo nhanh điện cực khi phát sinh HQ. - Hạ dần điện cực trong quá trình cháy và giữ cho HQ tồn tại. Chất lượng thép nấu luyện phụ thuộc vào công suất cấp và sự phân bố nhiệt hay nhiệt độ trong lò. Điều chỉnh công suất lò HQ có thể thực hiện bằng cách thay đổi điện áp ra của BAL hoặc bằng sự dịch chuyển điện cực để thay đổi chiều dài ngọn lửa HQ và như vậy sẽ thay đổi được điện áp HQ, dòng điện HQ và công suất tác dụng của HQ. Có 3 giải pháp điều khiển để điều chỉnh công suất lò: 1) Phương pháp giữ dòng điện HQ Ihq = const: Thực chất là giữ khoảng cách giữa điện cực và kim loại trong lò không đổi. Phương pháp này có nhược điểm là không mồi hồ quang tự động được, cần phải hỗ trợ mồi. Ngoài ra, trong trường hợp có một pha không phát HQ (hồ quang bị đứt) thì sẽ làm V3U, , , giảm dòng: Ihq = ----- —, do đó các bộ điều chỉnh 2 pha còn lại sẽ tiến hành hạ điện cực mặc dù không cần việc đó (tác động không chính xác). Phương pháp này chỉ dùng cho lò hồ quang một pha và chủ yếu dùng cho lò HQ chân không. 2) Phương pháp duy trì điện áp HQ không đổi Uhq = const: Gặp khó khăn trong việc đo điện áp. Do người ta không đo trực tiếp điện áp HQ nên phải đo gián tiếp: cuộn dây đo được nối giữa thân kim loại của lò và thanh cái thứ cấp MBA. Do vậy điện áp đo phụ thuộc dòng tải và sự thay đổi dòng của một pha sẽ ảnh hưởng tới hai pha còn lại như ở phương pháp đầu tiên. Uhq w .A 3) Phương pháp điều khiên duy trì = Zhq = const: Là phương pháp điều khiển Ihq tốt nhất. Phương pháp này điều khiển thông qua hiệu số các tín hiệu dòng và áp: a.Ihq - b.Uhq = b.Ihq(Zohq - Zhq) Trong đó: + a, b là hệ số phụ thuộc hệ số các biến áp đo lường (biến dòng, biến điện áp) và điện trở điều chỉnh trên mạch. + Zohq, Zhq - Giá trị đặt và giá trị thực của tổng trở HQ. Phương pháp này dễ mồi HQ, duy trì được công suất, ít chịu ảnh hưởng của dao động điện áp nguồn cũng như ảnh hưởng lẫn nhau giữa các pha. Sơ đồ 1 pha tự động khống chế dịch cực lò HQ Động cơ Đ làm dịch chuyển điện cực lò hồ quang, được cấp điện từ MĐKĐ. MĐKĐ gồm 3 cuộn kích từ: + CFA: Cuộn phản hồi âm áp. 88 + CĐC2: Cuộn làm việc theo chế độ bằng tay, được cấp điện từ nguồn ngoài qua một bộ tay gạt: (1-2) + (3-4): Nâng điện cực (N). (9-10) + (11-12): Hạ điện cực (H). + CĐC1: Cuộn làm việc ở chế độ tự động, được đóng bằng các tay gạt (5-6) + (7- 8 ). Dòng điện qua cuộn CĐC1 IC Đ C 1 phụ thuộc vào U5R - U4R. Trong đó: U5R tỉ lệ với dòng điện hồ quang, lấy từ bộ chỉnh lưu 1CL, điện áp của bộ chỉnh lưu 1CL lại lấy từ thứ cấp của bộ biến dòng BD. U4R lấy từ bộ chỉnh lưu 2CL. Điện áp đặt lên 2CL tỉ lệ với điện áp của hồ quang. Chế độ tự động: Khi mạch chính có điện, do hồ quang chưa phát sinh nên lúc này Uhq = max còn Ihq = 0. => U5R = 0 còn U4R = max. -> Trên cuộn CĐC1 có dòng chảy qua, tạo sức từ động F1. Sức từ động tổng: Ft = F1 - FA. Do Ihq = 0 nên lúc này rơle dòng điện RD chưa tác động -> 3R được nối tiếp với cuộn CĐC1 -> Làm cho F1 bị giảm xuống. Đồng thời lúc này cực tính (+) của động cơ Đ đang ở cực phía trên -> điôt 3CL trên mạch lực thông -> 7R bị nối tắt -> dòng qua cuộn CFA tăng -> Fa tăng lên. => Kết quả là làm cho sức từ động tổng Ft giảm xuống -> điện áp ra của MĐKĐ giảm -> đông cơ Đ quay chậm -> điện cực được hạ xuống chậm. Khi điện cực chạm vào kim làm phát sinh hồ quang, lúc này Ihq = max còn Uhq « 0. Kết quả là U5R = max U4R « 0, do đó dòng điện trong cuộn CĐC1 đảo chiều (dẫn đến sức từ động đảo chiều) và lúc này rơle dòng điện RD tác động, tiếp điểm RD dóng lại làm 3R bị nối tắt, làm cho dòng điện qua cuộn CĐC1 tăng lên dẫn đến F1 tăng lên. Đồng thời lúc này cực tính (+) của động cơ Đ ở phía dưới nên điôt 3CL bị khóa, điện trở 7R được đưa vào nối tiếp với cuộn CFA, làm giảm FA, kết quả làm sức từ động tổng Ft tăng lên. MĐKĐ phát điện áp cấp cho động cơ Đ kéo điện cực lên nhanh. Đồng thời lúc này điôt 4CL thông, rơle áp RA tác động, tiếp điểm thường kín của nó mở ra làm cuộn dây rơle thời gian RTh mất điện, tiếp điểm thường mở mở chậm RTh đưa điện trở 9R nối tiếp cuộn CKĐ làm giảm dòng điện qua cuộn CKĐ. Từ thông động cơ Đ giảm làm tốc độ động cơ Đ tăng lên, điện cực được kéo nhanh lên. Quá trình đi lên của điện cực làm Ihq giảm, uhq tăng. Đến lúc U4r và U5r xấp xỉ bằng nhau thì dòng điện qua cuộn CĐC1 IC Đ C 1 ~ 0, do đó động cơ sẽ dừng quay, điện cực có một khoảng cách nào đó đối với kim loại và đảm bảo hồ quang được duy trì. Trong quá trình cháy của điện cực, điện cực sẽ ngắn dần làm khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng dần, dẫn đến Ihq giảm, uhq tăng, thế cân bằng bị phá vỡ. Lúc này dòng trong cuộn CĐC1 khác không (IC Đ C 1 ^ 0), động cơ được khởi động lại, chạy hạ điện cực xuống, lập lại thế cân bằng mới. * Tác dụng mở chậm của rơle RTh: Chờ cho điện áp động cơ đạt định mức rồi mới giảm từ thông ỘĐ của động cơ. 2. Mô hình máy ép nhựa. Đốt là quá trình oxy hóa chất thải ở nhiệt độ cao. Theo các tài liệu kỹ thuật thì khi thiết kế lò đốt chất thải phải đảm bảo 4 yêu cầu cơ bản: cung cấp đủ oxy cho quá trình nhiệt 89 phân bằng cách đưa vào buồng đốt một lượng không khí dư; khí dư sinh ra trong quá trình cháy phải được duy trì lâu trong lò đốt đủ để đốt cháy hoàn toàn (thông thường ít nhất là 4 giây); nhiệt độ phải đủ cao (thông thường cao hơn 1.0000C); yêu cầu trộn lẫn tốt các khí cháy - xoáy. Để làm giàu các kim loại trong bo mạch điện tử, phương pháp tiền xử lý bao gồm quá trình cơ khí, tách loại, cắt, nghiền nhỏ, tuyển nổi, và quá trình nhiệt. Nhiều tác giả đã tổng hợp tình hình tái chế chất thải điện và điện tử ở Hàn Quốc hiện nay. Đặc biệt là việc tái chế các kim loại quý từ chất thải bản mạch điện tử. Ở Hàn Quốc vào thời điểm hiện nay, việc ứng dụng tập trung vào làm giàu các kim loại bằng phương pháp nhiệt và tách loại. Tuy nhiên, hiệu quả làm giàu kim loại của các thử nghiệm này là không cao, các tác giả cũng chứng tỏ rằng việc mất các kim loại quý do bị cô trong giai đoạn cháy (các phần không kim loại) Các tấm bắt đầu bộc lộ một vài dấu hiệu của sự tách lớp từ nhiệt độ 2500C, nhưng khoảng nhiệt độ tốt nhất để sự tách lớp xảy ra hoàn toàn là 325 đến 3500C và thời gian tại nhiệt đó là 15 đến 30 phút. Khi một mẻ 135g mảnh bản mạch được nung trong lò nung kín ở nhiệt độ 3500C trong 15 phút, khối lượng mất khoảng 18.7%. Bằng cách bóc các tấm đồng từ các tấm sợi thuỷ tinh và tách chúng một cách thủ công, các mảnh đồng chiếm đến 55% khối lượng và các tấm sợi thủy tinh là 45% khối lượng sản phẩm đã nung. Điều này có nghĩa là đồng có trong mẫu bản mạch trước khi đựơc nung là 45%. Hình 9: Sơ đồ công nghệ nhiệt luyện Công nghệ thiêu đốt có nhiều ưu điểm như khả năng tận dụng nhiệt, xử lý triệt để khối lượng, sạch sẽ, không tốn đất để chôn lấp nhưng cũng có một số hạn chế như chi phí đầu tư, vận hành, xử lý khí thải lớn, dễ tạo ra các sản phẩm phụ nguy hiểm. Các sản phẩm làm giàu (tập trung nhiều kim loại) bằng phương pháp nhiệt luyện sẽ được áp dụng rộng rãi bởi các công ty tái chế ở những nước phát triển, nhưng do tính đa dạng của các chất có trong chất thải diện tử nên việc đốt sẽ kèm theo nguy cơ phát sinh và phát tán các chất ô nhiễm và chất độc hại làm ô nhiễm khí quyển. Các nghiên cứu ở các nhà máy thiêu chất thải rắn đô thị cho thấy đồng có trongbản mạch in và dây đóng vai trò chất xúc tác cho tạo thành dioxinkhi các chất chống cháy bị đốt. Các chất chống cháy có brominat đó khi phơi ra ở nhiệt độ thấp (600-8000C) có thể phát sinh dioxin polybrominat (PBDD) và furan (PBDF) cực độc. PVC có thể có trong chất thải điện tử với lượng lớn là chất ăn 90 món cao khi đốt cháy và cũng tạo thành dioxin. Phương pháp nhiệt luyện còn dẫn đến hao hụt các giá trị của các nguyên tố vết có thể tận thu được khi phân loại và xử lý tách riêng đồng thời tiêu hao một lượng lớn năng lượng. 3. Máy điều khiển theo chương trình số CNC. Trung tâm gia công là máy phay CNC có hệ thống thay dao tự động. Trung tâm gia công có 2 loại trục đứng và trục ngang. YX Z Hình 1.1:Trung tâm gia công trục đứng Z Y X Hình 1.2:Trung tâm gia công trục ngang Trung tâm gia công có các bộ phận chính sau: 1.2.1. Trục chính: Trục chính giống như trục chính của máy phay CNC có phần côn ở đầu dùng để gá 91 dao. 1.2.2. Ụ trục chính: Ụ trục chính có đường trượt để dẫn hướng cho đầu dao di chuyển lên xuống theo phương Z. 1.2.3. Bàn máy: Bàn máy có công dụng để gá phôi. Bàn máy có thể di chuyển theo phương X và Y. 1.2.4. Thân máy: Thân máy có công dụng để đỡ các bộ phận của máy. 1.2.5. Bộ phận thay dao tự động: Bộ phận thay dao tự động có ổ tích dao và tay máy để thay dao tự động theo chương trình. 1.2.6. Một số dao gia công trên trung tâm gia công: a.Dao phay mặt phẳng: b.Dao phay ngón: c.Mũi khoan: d. Dao khoét: e.Dao doa: 92 f. Mũi khoan tâm: g. Dao vát mép: h.Mũi ta rô: 4. Mô hình phân loại sản phẩm tự động 1. Sơ đồ vị trí trạm phân loại phôi. 93 1.Vị trí đặt phôi 4 2.khay đựng 1 3.khay đựng 2 4.khay đựng 3 Vị trí ban đầu của trạm phân loại:  Không có phôi ở vị trí đặt phôi 4 (Sensor 5-1 là OFF)  Xy lanh khí 5-1 vào vị trí di chuyển trở lại (cảm biến 5-5 là OFF)  Xy lanh khí 5-2 vào vị trí di chuyển trở lại (cảm biến 5-6 là OFF)  Xy lanh khí 5-3 vào vị trí di chuyển trở lại (cảm biến 5-7 là OFF)  Động cơ AC dừng Tín hiệu vào/ra của trạm phân loại sản phẩm Input signals ID Input Symbol Symbol Description Signal Description Source of signal 1 X000 B Terminal Revolve encoder Input pulse signal to X000 Device side（H01687） 2 X001 A Terminal Input pulse signal to X001 3 X002 Z Terminal N/A 4 X003 SC1 Sensor 5-1 Workpiece on Fetching place 4 5 X004 SC2 Sensor 5-2 It is metal workpiece 6 X005 SC3 Sensor 5-3 The workpiece is not 94 black 7 X006 Sensor 5-4 N/A 8 X007 1B Sensor 5-5 Air cylinder 5-1 move out 9 X010 2B Sensor 5-6 Air cylinder 5-2 move out 10 X011 3B Sensor 5-7 Air cylinder 5-3 move out 11 X012 SB2 Stop button Device stops properly Control unit 12 X013 SB1 Start button Device starts 13 X014 QS Emergency button Device stops in urgent 14 X015 SA Working mode Working mode switch Output signals ID Output Symbol Symbol Description Signal Description Source of signal 1 Y000 STF Frequency converter Forward revolve FR-E700 2 Y001 RH High speed 3 Y004 1Y Electromagnetic valve 5-1 Air cylinder 5-1 move out, push the workpiece into stocker#1 Device side（H01650） 4 Y005 2Y Electromagnetic valve 5-2 Air cylinder 5-2 move out, push the workpiece into stocker#2 5 Y006 3Y Electromagnetic valve 5-3 Air cylinder 5-3 move out, push the workpiece into stocker#3 10 Y007 HL1 Yellow lamp ON Control unit 11 Y010 HL2 Green lamp ON 12 Y011 HL3 Red lamp ON Yêu cầu lập trình trạm phân loại sản phẩm Việc lựa chọn chế độ, vận hành và hiển thị trạng thái hoạt động được cung cấp bởi khối điều khiển. Công tắc chuyển mạch SA được dùng cho chế độ phân loại. 95 Có 6 loại phôi cần phân loại như hình dưới đây: Kim loại (trắng) Trắng (trắng) Trắng (đen)Kim loại (đen) Đen (trắng) Đen (đen) Khi thiết bị ở vị trí ban đầu, đèn chỉ thị HL1 sẽ sáng báo hệ thống đã sẵn sàng. Nếu không, tức là trạm chưa ở vị trí ban đầu thì đèn chỉ thị sẽ nhấp nháy với tần số 1Hz. Nếu thiết bị đã sẵn sàng, nhấn nút Start SB1, hệ thống bắt đầu hoạt động, đèn chỉ thị hoạt động là HL2 sẽ sáng. Bật SA qua bên trái thực hiện kiểu phân loại A Khi các phôi đã lắp ráp được đặt lên trên băng tải, biến tần sẽ khởi động và điều khiển động cơ đưa phôi vào vị trí phân loại ở tần số 20Hz. Nguyên tắc phân loại là: Đáp ứng các mối quan hệ cặp đôi  Một phôi kim loại (trắng) và một phôi kim loại (đen) kết hợp thành một cặp và không phân biệt thứ tự của các phôi, gọi là cặp đôi 1.  Một phôi nhựa trắng (trắng) và một phôi nhựa trắng (đen) kết hợp thành một cặp và không phân biệt thứ tự của các phôi, gọi là cặp đôi 2.  Nếu phôi phù hợp quan hệ cặp đôi 1 sẽ được đưa vào máng số 1.  Nếu phôi phù hợp quan hệ cặp đôi 2 sẽ được đưa vào máng số 2.  Nếu phôi không phù hợp quan hệ cặp đôi sẽ đưa vào máng số 3. L ưu ý: Sau khi bắt cặp đủ 1 cặp thì chu trình bắt cặp mới sẽ tiếp tục mà không cần phân biệt thứ tự của các phôi. Bật SA qua bên phải thực hiện kiểu phân loại B Khi các phôi đã lắp ráp được đặt lên trên băng tải, biến tần sẽ khởi động và điều khiển động cơ đưa phôi vào vị trí phân loại ở tần số 40Hz.  Nếu phôi là nhựa trắng (trắng), đưa vào máng số 1.  Nếu phôi là nhựa trắng (đen), đưa vào máng số 2.  Nếu phôi là nhựa đen (trắng), đưa vào máng số 3.  Nếu phôi nhựa đen (đen), loại bỏ tại cuối băng tải. 96 5. Mô hình rôbốt công nghiệp. Robot công nghiệp được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực: đúc, gia công áp lực, hàn và nhiệt luyện, gia công và lắp ráp . . . HỆ THỐNG ROBOT Hình 1.1: Các hệ thống cấu thành robot Tay máy gồm các bộ phận :đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động 2, thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn kẹp 6. Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí , thuỷ khí hoặc điện khí, là bộ phận chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch của các khớp động. Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của robot theo các thông tin đặt trước hoặc nhận biết được trong quá trình làm việc. Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết các biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân robot (cảm biến nội tín hiệu) và môi trường, đối tượng mà robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu). Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ đưa vào hệ thống điều khiển sau khi xử lí bằng máy vi tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay máy. BA BÀI TOÁN CƠ BẢN VỀ ROBOT: Robot là một ngành khoa học hay ngành học về công nghệ truyền thống kết hợp với lí thuyết và ứng dụng của các hệ thống robot. Việc nghiên cứu bao gồm cả hai vấn đề là nghiên cứu lí thuyết và ứng dụng, những vấn đề đó chia ra thành các lĩnh vực: công tác 97 thiết kế robot, cơ học cơ cấu, thiết kế quĩ đạo và điều khiển, công tác lập trình và tri thức cho máy....Cơ học là một nhánh khoa học nghiên cứu các vấn đề về năng lượng, lực và tác dụng của chúng đối với chuyển động của các hệ thống cơ khí. Việc nghiên cứu bao gồm ba vấn đề có quan hệ với nhau là: Động học, Tĩnh học và Động lực học. Động học Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây ra chúng như lực và mô men. Khoa học động học nghiên cứu về vị trí, vận tốc, gia tốc. Do đó, động học chỉ liên quan đến hình học và thời gian thay đổi của chuyển động. Sự thay đổi của các khâu của robot liên quan đến hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộc của các khớp. Những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu động học robot. Việc nghiên cứu động học có hai vấn đề: Phân tích động học và Tổng hợp động học. Tuy nhiên vấn đề phân tích động học và tổng hợp động học luôn liên quan đến nhau. Nội dung nghiên cứu động học của robot là việc tìm các quan hệ chuyển động của các khâu gồm có hai bài toán là: Bài toán động học thuận và Bài toán động học ngược. Trong việc lập trình cho robot điều cơ bản là đặt ra các yêu cầu về vị trí của điểm tác động cuối và hướng của khâu cuối,vận tốc và gia tốc của khâu bất kì trong không gian. Vấn đề ở đây là tìm tất cả các bộ thông số có thể chấp nhận được về sự thay đổi của các khâu hoạt động và các đạo hàm tương ứng của chúng xảy ra ở khâu chấp hành cuối cùng để đặt các yêu cầu về vị trí và hướng, đó chính là các thông số hoạt động (bài toán động học thuận) hay từ yêu cầu về vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối tìm ra các thông số tương ứng của các khâu trước đó(bài toán động học ngược). Tổng hợp động học chính là quá trình ngược lại của việc phân tích động học. Trong trường hợp này, nhà thiết kế cần đặt ra được những robot hay máy mới, điều đó đòi hỏi những thay đổi nhất định về mặt động học. Cụ thể, khi có các thông số vị trí, hướng(cùng vận tốc và gia tốc) của khâu chấp hành cuối cuối, chúng ta cần xác định các thay đổi tương ứng ở các khâu hoạt động và cấu trúc hình học của robot. Tĩnh học Tĩnh học nghiên cứu quan hệ về lực ở trạng thái cân bằng của các phần thay đổi của robot. Mét robot có thể hoạt động nhờ tác động lực sinh ra từ các nguồn kích động khác nhau, như trọng lực, tải trọng, lực ma sát, lực quán tính... những lực này cần phải được 98 xem xét cẩn thận khi thiết kế các robot bởi vì các thành phần của chúng có thể có trị số đáng kể và có thể làm cho robot không đảm bảo được các chức năng đã định. Lực cân bằng phụ thuộc vào cấu tạo và đặc điểm của robot mà không phụ thuộc vào thời gian. Động lực học Động lực học nghiên cứu về giữa các lực tác dung vào cơ cấu và chuyển động của cơ cấu. Động lực học robot là vấn đề rất phức tạp. Một cách cụ thể, khâu chấp hành cuối cùng được truyền dẫn thông qua một đường dẫn với các thông số hoạt động chính xác. 6. Học sinh tự tìm tòi mô hình và phân tích tổng quan chức năng Bài tập: 1. Hãy nêu các khái niệm cơ bản về hệ thống cơ điện tử. 2. Hãy nêu một ví dụ về hệ thống cơ điện tử. 3. Hãy kể tên các phần tử trong hệ thống đó. 4. Phân tích nguyên lý hoạt động của hệ thống đó. 5. Lập bảng kế hoạch bảo trì hệ thống đó. 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Modular Production System, Festo, 06/2002 [2] Lê Hòai Quốc, Bộ điều khiển lập trình- Vận hành và ứng dụng, NXB KH &KT, 1999 [3] Lang. Warnock, Programmable controller operation and application, 1996 [4] Nguyễn Doãn Phước & Phan Xuân Minh, Tự động hóa với S7-300, 2002, NXB KH &KT, 2002 [5] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển khí nén, NXB Giáo Dục, 2001 [6] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển thủy lực, NXB Giáo Dục, 2001 [7] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến, NXB Giáo Dục, 2001.