تحقیق مقاله طراحی و ساخت برد کنترل جهت اضافه بار و اندازه گیری وزن

یکی از مهمترین قطعات مورد تاکید در استانداردهای جهانی سیستم‌های آسانسوری، برد کنترل اضافه بار می‌باشد. وظیفه این برد اندازه‌گیری بار ورودی به کابین، مقایسه آن با ظرفیت مجاز و ارسال پیامهای مناسب به برد کنترل مرکزی آسانسور می‌باشد.

مزیت استفاده از این سیستم در درجه اول تأمین امنیت جانی و جلوگیری از سقوط کابین و در درجه دوم  کاهش هزینه‌های نگهداری و تعمیرات موتور در اثر استفاده نادرست از آسانسورها می‌باشد.

متاسفانه به دلیل هزینه سنگین بردهای وارداتی و عدم تمایل سازندگان داخلی به تولید مشابه داخلی به دلیل  ماهیت چند تخصصی (Multi- Discplinary) تولید که مستلزم به کارگیری چند تخصص برای تولید مجموعه برد دیجیتال و ساخت قطعه مکانیکی مورد استفاده در ساختمان آسانسور و نیز سنسورهای مورد نیاز، استفاده از بردهای کنترل اضافه بار در استانداردهای ایران، اجباری شده است. هدف از پروژه  حاضر، طراحی و ساخت برد کنترل اضافه بار می‌باشد.

وردی این برد، سیگنال الکتریکی حاصل از تنش سنسور strain guage متصل به قطعه مکانیکی مخصوصی می‌باشد.

سیگنال ورودی که حاصل از تنش سنسور می‌باشد پس از تقویت و نمونه برداری وارد کنترل کننده می‌گردد. در کنترل کننده عمل تصمیم گیری نسبت به ارسال پیامهای foll load   و over load متناسب با ظرفیت کابین و همچنین فعال شدن آلارم، انجام می‌شود.

بر ای تنظیم حداکثر مقادیر مجاز از پانل تنظیم دستی استفاده می‌شود. که شامل نمایشگر مناسب برای نمایش اعداد و پیغامهای لازم برای کاربرد و صفحه کلید برای ورد اطلاعات مربوط به تعداد نفرات مجاز و غیره می‌باشد.

برای طراحی این برد دیجیتالی ابتدا باید یک میکرو کنترلر مناسب در نظر گرفته شود و سپس سیستم طراحی شده توسط سخت افزار تحقق پیدا کند، برای این منظور یک بلوک دیاگرام کلی مطابق شکل زیر فرض می‌شود.

در بلوک دیاگرام فوق سنسور وظیفه تولید سینگنال آنالوگ ایجاد شده از تغییرات وزن کابین آسانسور را به  عهده دارد تقویت کننده‌ای که بعد از سنسور قرار دارد. سیگنال ایجاد شده را تقویت می کنند و آن را برای عملیات کنترلی آماده می‌سازد و بعد از ا“ نیز میکروکنترلر قرار داده شده که عمل کنترل کننده را انجام می‌دهد.

بلوکهای ذکر شده در بالا همگی توسط سخت‌افزار بر روی کارت تحقق پیدا می‌کند بطوریکه سنسور وزن را که یک سیگنال آنالوگ است تشخیص می‌دهد و آن را به A/D منتقل می‌کند . سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال تبدیل می شود و سپس بوسیله میکروکنترلر، کنترل دیجیتال روی آن صورت می‌گیرد. سیگنالهای خروجی دیجیتال می‌باشند و برای تولید پیامهای over load و full و آمار به کار می‌روند.

در فصلهای بعدی به بررسی کاملتر مباحث ذکر شده، جزئیات کار و طراحی کنترلر پرداخته می شود که مباحث ارائه شده به صورت زیر طبقه بندی می‌شوند:

در فصل اول به معرفی سنسور strain guage و اساس کار آن و معیارهای انتخاب سنسور و آرایش مداری آن می‌پردازیم.

در فصل دوم به اتصال فیزیکی سنسور 8-G و طراحی مکانیکی المان اندازه‌گیری وزن پرداخته می‌شود.

فصل سوم به طراحی و ساخت تقویت کننده صنعتی برای S.G پرداخته خواهد شد.

فصل چهارم به طراحی و ساخت برد دیجیتال کنترل بار می‌پردازیم

در فصل پنجم، ساختار کلی برنامه میکروکنترلر ارائه خواهد شد.

در فصل ششم نیز تحقق عملی پروژه، نتایج و پیشنهادات ارائه خواهد شد.

فصل 1:

معرفی سنسور strain Gauge

1-1: مقدمه:

یکی از روشهای متداول در اندازه‌گیری وزن استفاده از سنسورهای S-G می‌باشد. اساس کار این سنسورها همانطور که توضیح داده خواهد شد بر تغییر طول یک المان الکتریکی و در نتیجه تغییر مقاومت الکتریکی آن استوار است. در این فصل به معرفی اساس کار، آرایشهای مداری سنسور و نیز معیارهای انتخاب سنسور مناسب خواهیم پرداخت.

1-2: اساس کار سنسور S-G :

مقاومت الکتریکی هر المان فیزیکی متناسب با طول آن المان می‌باشد. یعنی  یا به طور دقیق‌تر  که در آن L طول  المان و A سطح قطع آن می‌باشد. و اگر طول یک المان فیزیکی به هر دلیلی تغییر کند مقاومت الکتریکی آن دچار تغییر خواهد شد. این مطلب اساس کار سنسورهای S-G می‌باشد.

این سنسورها معمولاً به صورت چاپ شده می‌باشند. که نمونه‌ای از آنها در شکل زیر نمایش داده شده است.

همانطور که ملاحظه می شود و چاپ سنسور به صورت مارپیچ انجام شده در نتیجه امکان تغییر طول کلی سنسور بسیار افزایش یافته است به این معنی که با تغییر طول  در هر یک از قطعه‌های افقی و با فرض اینکه تعداد این قطعه‌ها n می‌باشد. تغییر طول کلی بربر  خواهد بود.

برای تبدیل تغییرات وزن به تغییر طول در سنسور لازم است از یک المان مکانیکی استفاده شود. که نمونه‌ای از آن در شکل زیر نشان داده شده است.

نقش المان مکانیکی تبدیل نیروی  که ناشی از وزن است به نیروی می‌باشد تغیر نیروی  باعث تغییر انحنای المان می گردد.

بعد از اعمال نیروی                                      قبل از اعمال نیروی

اگر سنسور S-G به المان مکانیکی به طور کامل چسبانده شده باشد. تغییر انحنای فوق باعث تغییر طول این سنسور و در نتیجه تغییر مقاومت الکتریکی آن خواهد شد.

به طور خلاصه تغییر وزن باعث تغییر تنش در المان مکانیکی و در نهایت تغییر مقاومت سنسور می‌شود.

به طور علمی تنش به صورت زیر تعریف می شود.  

که در آن  تغییر طول ناشی از نیروی ورودی و L طول اولیه المان می‌‌باشد.

G.F به نسبت تغییر مقاومت به مقاومت اولیه تقسیم بر نسبت تغییر طول به طول اولیه G.F یا گین فاکتور می‌شود.

1-3- آرایش مداری سنسور S-G :

 یا

سنسورهای S-G معمولاً به صورت پل مقاومتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فرض  و  و 

علت استفاده از آرایش مداری پل وتسون آن است که :

1)  تغییرات بسیار کوچک ایجاد شده در مقاومت‌های مدار را تشخیص دهیم.

2 ) حساسیت‌ دمایی ناشی از گرم شدن مقاومت در اثر عبور جریان را کاهش دهیم برای این منظور لازم است هر چهار مقاومت مورد استفاده در پل وتستون از یک نوع یعنی چاپ شده باشند. ولی از آنجا که تنها یکی از چهار مقاومت باید نسبت به تغییر طول حساس باشد. لذا یکی از مقاومتها را در جهت تغییرات طول و سه مقاومت دیگر را عمود بر جهت تغییر طول چاپ می کنند.

1-4 : معیارهای انتخاب سنسورها S-G

یکی از پارامترهای الکتریکی مؤثر در انتخاب سنسور نسبت تغییر ولتاژ خروجی به دامنه ‌ولتاژ تحریک می باشد.  که این پارامتر بر حسب  بیان می‌شود به عنوان مثال گفته می‌شود این سنسور دارای تغییرات  می‌باشد. یعنی در حالت حداکثر تنش (حداکثر مجاز 4) و با ولتاژ تغذیه 10 ولت  خواهد بود.

هر چند میزان  بیشتر باشد. دامنه سیگنال خروجی سنسور در تحریک یکسان بیشتر خواهد بود لذا دقت اندازه‌گیری افزایش می‌یابد.

پارامتر الکتریکی دیگری که در انتخاب سنسور باید در نظر گرفته شود سخنی تغییرات G-F می باشد. از آنجا که تغییر طول المان فیزیکی نسبت به تغییرات نیروی وارده ههم جا خطی نیست لذا منحنی GF نیز خطی نمی‌باشد و به صورت منحنی‌هایی مانند شکل زیر می‌باشد.

برای اینکه اندازه‌گیریهای دارای دقت کافی باشند لازم است سنسور در محدوده خطی آن مورد استفاده قرار گیرند. لذا انتخاب سنسوری که محدوده خطی مناسبی در وزن‌های مطلوب داشته باشد. در دقت اندازه‌گیری بسیار تأثیر گذار است.

پارامتر فیزیکی که در انتخاب سنسور باید مورد توجه قرار گیرد. حداکثر تنش قابل اعمال به سنسور می‌باشد. سنسور S-G یک المان فیزیکی می‌باشد و مانند هر المان فیزیکی دیگر دارای محدوده ‌ مجاز برای تغییر طول می‌باشد. بطوریکه اگر تغییر طول سنسور بیش از این مقدار مجاز شود. دیگر خاصیت ارتباعی المان قادر به برگرداندن وضعیت سنسور به طول اولیه ‌ آن نخواهد بود و سنسور خاصیت خود را از دست خواهد داد. اگر تغییرات طول باز هم بیشتر باشد می‌تواند حتی موجب پارگی قطعات چاپی سنسور شود. و لذا برای هر سنسور یک حداکثر تغییر طول مجاز یا حداکثر تنش مجاز قابل اعمال تعریف می‌شود.

1-5-  نمونه‌ای از سنسورهای S-G و المان‌های میکانیکی:

1-6- روش نصب سنسور روی المان مکانیکی .

فصل 2 :

طراحی و ساخت برد دیجیتال کنترل بار

2-1- مقدمه

در این فصل به توضیح و معرفی بر دو قسمتهای مختلف آن پرداخته می شود.

بلوک دیاگرام کلی سیستم در شکل (4-1) نشان داده شده است.

فرمانهای ارسالی به برد کنترل آسانسور

این بلوک دیاگرام شامل پنج بلوک اصلی تشکیل دهنده برد است.

کلید و کنترلر (Microcontroler)

مبدل آنالوگ به دیجیتال . (A/D)

تقویت کننده (AMP)

صفحه کلید (Keyboard)

نمایشگر (LCD)

علاوه بر این بخشها جهت امکان ارائه آزمایشگاهی پروژه بردهای شبیه سار سنسوری –  staiو برد خروجی فرمانهای ارسالی به تابلوی مرکزی آسانسور نیز طراحی و ساخته شده است.

2-2- میکروکنترلر

در پیاده سازی سیستم از میکروکنترلر  8qc51 استفاده شده است. میکرکنترلر 8qc51 یکی از میکر کنترلرهای همه منظوره می باشد که در بسیاری از سیستمهای الکترونیکی که نیاز به قابلیت برنامه‌ریزی دارند استفاده می‌گردد.

مشخصات میکروکنترلر 8qc51:

128 بایت حافظه داخلی RAM

رابط سریال

64  کیلو بایت فضای حافظه خارجی که

64 کیلو بایت حافظه خارجی برای داده

پردازنده بولی ( که عملیات روی بیت ها را انجام می‌دهد)

210 مکان بیتی آدرس پذیر.

انجام عملیات ضرب و تقسیم در 4 میکروثانیه

چهار در گاه (I/O) هشت بیتی

دو تایمر (شمارنده 16 بیتی)

این میکرو کنترلر قابلیت کار با ولتاژ   و حداکثر جریان دهی در پورتهای خروجی آن 15ma می‌باشد و فرکانس کاری این میکرو از 4 تا 24 مگاهرتز می‌باشد.

2-2-01- بررسی پایه‌های 8051

این میکروکنترلر یک IC با 40 پایه است که 32 پایه از 40 پایه این IC به عنوان در گاه I/O عمل می‌کند، که البته 24 خط از این خطوط دو منظوره هستند. هر یک از این خطوط می‌تواند به عنوان I/O یا خط کنترل و یا بخشی از درگاه آدرس یا گذرگاه داده بکار بروند. یا صفحه کلید قرار گیرند و یا هر خط به تنهایی با قطعات تک بیتی مانند سوئیچ ها و ترانزیستورها ارتباط برقرار کنند.

در گاه صفر   PoRT 

این درگاه، یک درگاه دو منظوره از پایه 32 تا 39 تراشه می باشد. این درگاه در طراحی‌های با کمترین اجزای ممکن به عنوان یک درگاه I/O  عمومی استفاده می‌شود و در طراحی‌های بزرگتر که از حافظه خارجی استفاده می‌کنند، این درگاه یک گذرگاه آدرس و داده مالتی پلکس شده می‌باشد.