Cổng logic, cảm biến và tự động hóa trong một vòng bốn bước: đo, quyết định, hành động, đo lại | LUKATO AI
Cẩm nang khái niệm Công nghệ 12: điện trở, diode, cổng logic, mạch đếm, khuếch đại thuật toán và hệ thống tự động hóa trong một vòng đo, quyết định, hành…
LUKATO AI · CÔNG NGHỆ 12 · ĐIỆN TỬ SỐ VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
ĐO · QUYẾT ĐỊNH · HÀNH ĐỘNG · ĐO LẠI
Cổng logic, cảm biến và tự động hóa trong một vòng bốn bước :
đo, quyết định,
hành động, đo lại
Đèn cầu thang tự bật, máy làm mát tự chạy khi nóng, còi báo cháy, máy dừng khi mở cửa: mỗi thiết bị ấy làm cùng một việc. Nó đo một đại lượng, quyết định theo một quy tắc, hành động bằng cơ cấu chấp hành, rồi đo lại xem việc làm đã đủ chưa. Chuyên đề này gắn điện trở, diode, tranzito, cổng logic, mạch đếm, khuếch đại thuật toán và vi điều khiển vào bốn chỗ của vòng ấy, rồi thêm một lớp an toàn bao quanh. Phần nào ngoài sách giáo khoa được ghi là kiến thức bổ sung.
- ① Một tín hiệu từ cảm biến đi qua những khối nào trước khi làm quay một động cơ?
- ② Vì sao đặt sai một điện trở, một cổng hay một ô NOT là cả mạch sai?
- ③ Khi nào cần đo lại, và khi nào cần một lớp an toàn không phụ thuộc phần mềm?
4+2
bốn bước của vòng, cộng nền linh kiện và lớp an toàn
12 lab
phòng lab: xếp khối, điện trở, nhiễu, cổng, mạch, bộ đếm, khuếch đại, vòng hở, máy trạng thái, an toàn, trò chơi
14 bẫy
mỗi bẫy có mục, phòng lab và bài để quay lại luyện
12 bài
10 chọn đáp án, 1 đúng sai, 1 trả lời ngắn
01
Bản đồ chung
Một vòng bốn bước cho các hệ thống tự động
Hãy nhìn một chiếc đèn cầu thang. Có người bước tới, một cảm biến thấy; một mạch kiểm tra «trời đang tối và có người»; đèn sáng; vài chục giây sau người đã đi khỏi, cảm biến thấy ngược lại và đèn tắt. Bốn việc nối nhau thành một vòng: đo , quyết định , hành động , đo lại . Chuyên đề này coi vòng ấy là bộ khung chung; các mục sau là từng ô của bộ khung.
↔ Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Bản đồ vòng điều khiển: bốn khối nối thành vòng, nền linh kiện ở dưới và lớp an toàn bao quanh. Bấm vào một khối để đọc mô tả và số mục.
Bốn khối không phải là bốn loại linh kiện cố định. Một cảm biến nằm ở khối ĐO khi nó báo điều kiện vào, và nằm ở khối ĐO LẠI khi nó đặt ở phía kết quả để báo điều đã xảy ra. Một tranzito nằm ở khối HÀNH ĐỘNG khi nó đóng ngắt dòng cho tải, nhưng cũng có thể làm nền bên trong một cổng logic. Vì vậy, muốn xếp một thiết bị vào khối nào, hãy hỏi nó làm việc gì trong vòng , đừng hỏi tên nó là gì.
Bốn bước, hai lớp phụ
Khối
Việc làm
Thường gặp
Mục
ĐO
Biến đại lượng bên ngoài thành tín hiệu điện
cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, mức nước; nút nhấn; công tắc hành trình
QUYẾT ĐỊNH
Xử lí tín hiệu theo một quy tắc rồi ra lệnh
cổng logic, mạch so sánh, mạch đếm, khuếch đại thuật toán, vi điều khiển
4, 5, 6
HÀNH ĐỘNG
Cấp công suất cho tải theo lệnh
tranzito, rơ-le, động cơ, đèn, còi, van
ĐO LẠI
Đưa kết quả thật về để so với giá trị đặt
cảm biến đặt ở phía kết quả (phần so sánh với giá trị đặt thuộc QUYẾT ĐỊNH)
NỀN
Làm chất liệu cho các khối
điện trở, tụ điện, diode, tranzito, mạch tích hợp
AN TOÀN
Giữ người và thiết bị khỏi sự cố của cả vòng
kiểm tra tín hiệu, liên động, dừng khẩn bằng phần cứng
Cách chia bốn bước cộng hai lớp phụ là cách phân loại của LUKATO để xâu chuỗi các bài; sách giáo khoa trình bày từng phần riêng lẻ.
Từ điển một dòng: đưa chuột hoặc chạm vào chữ gạch chân
Những thuật ngữ dưới đây xuất hiện suốt chuyên đề. Mỗi từ có một định nghĩa ngắn và mục để quay lại.
Thuật ngữ
Nghĩa ngắn
Mục
tín hiệu tương tự
Biên độ biến đổi liên tục theo thời gian, như điện áp của một cảm biến nhiệt độ
tín hiệu số
Chuỗi các mức rời rạc; với hai mức, mức thấp là 0 và mức cao là 1
bit
Một chữ số nhị phân, nhận giá trị 0 hoặc 1
ngưỡng
Mức điện áp dùng để phân biệt tín hiệu là 0 hay 1
3, 6
cổng logic
Mạch số thực hiện một phép logic: NOT, AND, OR, NAND, NOR
bảng chân lí
Bảng liệt kê đầu ra ứng với từng tổ hợp đầu vào
4, 5
cơ cấu chấp hành
Phần nhận lệnh rồi tác động lên đối tượng: động cơ, đèn, còi, van
giá trị đặt
Giá trị mong muốn mà hệ thống phải đạt hoặc giữ
phản hồi
Đường đưa kết quả đo được trở về để so với giá trị đặt
vòng hở và vòng kín
Không có đường phản hồi, hoặc có đường phản hồi từ cảm biến về bộ điều khiển (kiến thức bổ sung)
liên động
Điều kiện an toàn phải thỏa thì máy mới được chạy (kiến thức bổ sung)
Phòng lab 1: xếp thiết bị vào các khối
Đoán trước: hãy nghĩ xem một cảm biến mực nước đặt ở đầu ra của hệ thống bơm thuộc khối nào, rồi kiểm tra bằng câu hỏi dưới đây.
Một cảm biến đặt ở phía kết quả, đo mức nước thật rồi đưa số đo về để đối chiếu với giá trị đặt. Nó thuộc khối nào của vòng?
Cách dùng phòng lab
Xếp từng thẻ bằng cách chạm thẻ rồi chạm ô, hoặc kéo thẻ thả vào ô. Sau khi bấm «Kiểm tra», thẻ đúng viền xanh và thẻ sai viền đỏ; dòng kết luận giải thích thẻ sai đầu tiên. Phòng lab này luyện bẫy 1 và 12.
Thử tay: đọc vòng trong một máy làm mát mini tự bật khi nóng
Một máy làm mát mini đặt trong căn phòng nóng. Cảm biến nhiệt độ báo nhiệt độ lên cao. Một mạch so sánh thấy nhiệt độ vượt giá trị đặt rồi ra lệnh bật. Tranzito đóng dòng cho động cơ của máy. Máy chạy, phòng mát dần, cảm biến báo nhiệt độ giảm và mạch ra lệnh tắt. Hãy gọi tên khối cho từng việc.
Gợi ý 1 · Hai việc đầu
Cảm biến nhiệt độ báo nhiệt độ: ĐO. Mạch so sánh với giá trị đặt rồi ra lệnh: QUYẾT ĐỊNH.
Gợi ý 2 · Hai việc sau
Tranzito đóng dòng cho động cơ của máy làm mát và động cơ chạy: HÀNH ĐỘNG. Đường từ cảm biến về mạch so sánh sau khi phòng mát: ĐO LẠI.
Đáp án · cả vòng
ĐO (cảm biến nhiệt độ) rồi QUYẾT ĐỊNH (so sánh) rồi HÀNH ĐỘNG (tranzito, động cơ) rồi ĐO LẠI (cảm biến báo phòng đã mát). Điện trở phân cực cho tranzito là NỀN, không thuộc bước nào trong bốn bước.
Chỗ hay trượt ở bản đồ chung
Bẫy 1: nghĩ rằng cảm biến phát hiện xong là trực tiếp kéo tải. Nhiều cảm biến cho tín hiệu điện rất nhỏ; bộ điều khiển quyết định, còn công suất do cơ cấu chấp hành lấy từ nguồn riêng. Bẫy 12 (mục 7) nói tiếp chuyện này từ phía đầu ra. Bài 6 ở mục 10 hỏi đúng chuỗi ấy.
Mục 2 đi xuống lớp nền: điện trở, diode, tranzito.
02
Nền · linh kiện
Điện trở, diode, tranzito: lớp nền của các khối
Dưới bốn khối của vòng có một lớp nền rất giản dị: vài loại linh kiện nối với nhau bằng dây. Muốn đọc một mạch, hãy biết từng linh kiện làm việc gì chứ chưa cần biết nó được chế tạo ra sao. Điện trở chặn bớt dòng và chia điện áp. Tụ điện và cuộn cảm tích trữ năng lượng. Diode cho dòng đi một chiều. Tranzito để một dòng nhỏ điều khiển một dòng lớn. Mạch tích hợp gom nhiều linh kiện vào một con chip.
Linh kiện
Việc làm trong mạch
Gặp ở khối
Điện trở
Hạn chế dòng điện; chia điện áp. Điện áp rơi trên điện trở bằng tích của dòng điện và điện trở: U=I\cdot R
nền; hạn dòng cho LED, cho cực B của tranzito
Tụ điện
Tích điện rồi phóng điện; đơn vị là fara. Ở mạch nguồn, tụ lọc lớn có thể còn tích điện sau khi đã ngắt nguồn
nền; lọc nguồn
Cuộn cảm
Tích trữ năng lượng dưới dạng từ trường; đơn vị là henry
nền; cuộn dây của rơ-le và động cơ
Diode, LED
Cho dòng điện đi theo một chiều khi mắc đúng cực. LED là diode phát sáng
nền; ĐO (báo trạng thái), HÀNH ĐỘNG (đèn báo)
Tranzito
Có ba cực B, C, E. Dòng nhỏ ở cực B điều khiển dòng lớn giữa C và E: làm khóa đóng ngắt hoặc khuếch đại
HÀNH ĐỘNG; nền của cổng logic
Mạch tích hợp
Nhiều linh kiện làm sẵn trên một chip: cổng logic, khuếch đại thuật toán, vi điều khiển
QUYẾT ĐỊNH
Điện trở và LED: bảng chia điện áp
Nối LED với nguồn qua một điện trở thì dòng đi qua hai phần tử là một. Điện áp nguồn bằng tổng điện áp rơi trên LED và trên điện trở. Từ đó suy ra điện trở cần chọn: R=\dfrac{U-U_{LED}}{I}, trong đó U là điện áp nguồn, U_{LED} là điện áp rơi trên LED và I là dòng mong muốn. Điện áp rơi của LED phụ thuộc loại LED; các con số trong chuyên đề là số liệu minh họa.
↔ Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Bộ nguồn 12 V chia cho hai phần tử nối tiếp. Có điện trở 600\ \Omega: điện trở nhận 9 V, LED nhận 3 V, dòng 15 mA. Không có điện trở: LED chịu cả 12 V.
Kiểm lại số liệu của hình: R=\dfrac{12-3}{0{,}015}=600\ \Omega. Công suất tỏa trên điện trở là P=I^2R=0{,}015^2\cdot 600=0{,}135 W, nên một điện trở công suất nhỏ vẫn chịu được. Trong thực tế điện trở bán sẵn thuộc một dãy giá trị chuẩn; ta chọn giá trị chuẩn gần nhất không làm dòng vượt mức cho phép (kiến thức bổ sung).
Diode: một chiều và một bậc điện áp
Khi mắc thuận cực, diode silic dẫn và có một bậc điện áp rơi khoảng 0{,}7 V trong mô hình đơn giản (kiến thức bổ sung); bậc này gần như không đổi dù dòng thay đổi. Nối diode với nguồn 5 V qua điện trở 430\ \Omega: điện trở nhận 5-0{,}7=4{,}3 V, dòng là \dfrac{4{,}3}{430}=0{,}01 A, tức 10 mA. Mắc ngược cực thì diode không dẫn, dòng bằng 0.
Thử tay: chọn điện trở cho một LED trong mạch 5 V
Một LED có điện áp rơi khoảng 2 V, cần dòng khoảng 10 mA, nguồn 5 V. Điện trở chuẩn có sẵn: 220\ \Omega, 330\ \Omega, 470\ \Omega. Chọn giá trị nào?
Gợi ý 1 · Điện áp trên điện trở
Điện áp nguồn trừ điện áp rơi trên LED: 5-2=3 V rơi trên điện trở.
Gợi ý 2 · Điện trở cần
R=\dfrac{3}{0{,}01}=300\ \Omega. Không có giá trị chuẩn đúng 300\ \Omega, nên xét hai giá trị gần nhất.
Đáp án · 330\ \Omega
Với 330\ \Omega, dòng là \dfrac{3}{330}\approx 9{,}1 mA: hơi nhỏ hơn mong muốn nhưng an toàn. Với 220\ \Omega, dòng là \dfrac{3}{220}\approx 13{,}6 mA: lớn hơn mong muốn. Với 470\ \Omega dòng còn 6{,}4 mA, LED mờ hơn. Quy ước chọn giá trị chuẩn lớn hơn gần nhất giữ dòng dưới mức cho phép.
Phòng lab 2: kéo điện áp và điện trở
Đoán trước: nếu giữ nguồn 12 V và LED đỏ, đổi điện trở từ nhỏ lên lớn thì dòng điện thay đổi thế nào, và điện trở nhỏ nhất có nên dùng không?
Giữ nguồn và LED, tăng dần điện trở nối tiếp. Dòng qua LED sẽ thế nào?
Cách dùng phòng lab
Chọn linh kiện, kéo điện áp nguồn và điện trở. Thanh trên chia nguồn thành phần rơi trên điện trở và phần rơi trên linh kiện; thang dưới là dòng điện, vạch đỏ ở 30 mA là giới hạn minh họa cho LED. Thử bấm «Đảo cực linh kiện» để thấy dòng bằng 0. Phòng lab bắt đầu ở trạng thái quá dòng; hãy tăng điện trở cho tới khi dòng vào khoảng làm việc của LED. Điện trở trong phòng lab chỉ lấy chín giá trị: 47, 68, 100, 150, 220, 330, 470, 680 và 1000\ \Omega (trích từ dãy E6, kiến thức bổ sung). Ngoài đời còn dãy chi tiết hơn (E12 có thêm, chẳng hạn, 390\ \Omega giữa 330 và 470\ \Omega), nên «giá trị chuẩn gần nhất» ở thực tế có thể khác kết quả trong phòng lab. Phòng lab này luyện bẫy 2 và 3.
Chỗ hay trượt ở linh kiện nền
Bẫy 2: lấy điện áp nguồn chia cho dòng để tính điện trở của LED, quên rằng một phần điện áp đã rơi trên LED. Bẫy 3: coi diode đang dẫn như dây dẫn, bỏ qua bậc điện áp khoảng 0{,}7 V. Cả hai sai cùng một kiểu: quên trừ điện áp rơi trên linh kiện bán dẫn. Bài 1 và Bài 2 ở mục 10 là hai phép tính ấy với số liệu khác.
Tranzito làm khóa: bước nối sang khối HÀNH ĐỘNG
Hình dưới cho thấy tranzito như một công tắc điều khiển bằng điện. Bấm nút để đổi tín hiệu ở cực B và xem đèn.
↔ Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Tranzito làm khóa đóng ngắt. Khi cực B bằng 0, giữa C và E không có dòng và đèn tắt. Khi B bằng 1, dòng nhỏ vào cực B điều khiển dòng lớn qua đèn.
Mục 7 quay lại tranzito ở vai tầng đệm công suất, nơi một đầu ra nhỏ điều khiển tải lớn.
03
Khối ĐO · cảm biến và tín hiệu
Từ đại lượng ngoài đời đến bit trong mạch
Mạch số chỉ hiểu hai mức điện áp, trong khi nhiệt độ, ánh sáng hay mực nước biến đổi liên tục. Khối ĐO làm hai việc nối tiếp: cảm biến biến đại lượng thành điện áp hoặc dòng điện, rồi mạch xử lí biến điện áp ấy thành bit . Hiểu từng việc, em sẽ biết vì sao một số hệ thống đọc sai dù mạch quyết định hoàn toàn đúng.
Đại lượng
Cảm biến (ví dụ)
Điều cần để ý
Nhiệt độ
cảm biến nhiệt độ
cho điện áp biến đổi liên tục; muốn dùng làm điều kiện «nóng» hay «không nóng» phải so với ngưỡng
Ánh sáng
quang trở, cảm biến ánh sáng
độ sáng đổi thì điện trở hoặc điện áp đổi; ngưỡng «tối» do người thiết kế chọn
Độ ẩm, mức nước
cảm biến độ ẩm đất, cảm biến mực nước
có loại cho tín hiệu tương tự, có loại báo thẳng «đã chạm» hoặc «chưa chạm»
Chuyển động, vị trí
cảm biến chuyển động, công tắc hành trình, cảm biến tiệm cận
thường cho hai trạng thái, hợp với đầu vào số
Bảng trên là ví dụ để gọi tên đại lượng; mỗi loại cảm biến cụ thể có thể cho tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số, nên khi làm bài cần đọc kĩ mô tả để biết tín hiệu ra là gì.
Tín hiệu tương tự và tín hiệu số
↔ Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Bên trái: tín hiệu tương tự biến đổi liên tục. Bên phải: tín hiệu số là chuỗi bit 1\,0\,1\,1\,0\,0\,1\,0 trên hai mức 5 V và 0 V, có đường ngưỡng minh họa ở giữa.
Tín hiệu tương tự có biên độ biến đổi liên tục theo thời gian; tín hiệu số là chuỗi mức rời rạc, và với hai mức thì mức cao ứng với bit 1, mức thấp ứng với bit 0. Mạch số nhận một điện áp rồi so với ngưỡng : trên ngưỡng là 1, dưới ngưỡng là 0. Chính phép so này làm cho tín hiệu số chịu được nhiễu nhỏ: miễn là mức nhận được vẫn ở đúng phía của ngưỡng, bit không đổi.