Mục lục bài họcĐang ở d05-b1
Sensors, monitoring and control
What a sensor does
A sensor is an input device that measures a physical quantity in the environment and turns it into an electrical signal.
| temperature | heating systems, ovens, greenhouses |
| moisture / humidity | greenhouses, soil watering, damp detection |
| light | street lamps, automatic headlights, screen brightness |
| infrared | burglar alarms, automatic doors, motion detection |
| pressure | burglar alarms in floors, car tyre monitoring |
| acoustic / sound | intruder detection, monitoring machinery for faults |
| gas | carbon monoxide alarms, air quality |
| pH | soil acidity, water treatment, chemical processes |
| magnetic field | detecting whether a door or window is closed |
Why an analogue-to-digital converter is always needed
The physical world is continuous: temperature does not jump from $20$ to $21$ degrees, it slides through every value in between. So a sensor produces a continuously varying (analogue) signal.
A microprocessor can only work with discrete binary values. So between every sensor and the microprocessor there must be an analogue-to-digital converter (ADC).
Where an output device is analogue — a motor, a valve — the reverse is needed: a digital-to-analogue converter (DAC) before the actuator.
Leaving the converter out of a system diagram is a marked error, and it is the most common one in this topic.
Monitoring systems and control systems
Both read sensors, and both use a microprocessor to compare the reading against stored values. The difference is what happens next.
| monitoring system | control system | |
| what it does with the result | reports or warns a human | changes the process itself |
| does it alter the process? | never | yes |
| output | a display, a log, an alarm | a signal to an actuator |
| example | a patient monitor showing heart rate and sounding an alarm | a central heating system switching the boiler on |
The test: ask whether the system changes anything by itself. A patient monitor sounds an alarm — but a nurse decides what to do. That is monitoring. A thermostat turns the boiler on with no human involved. That is control.
The loop a control system runs
- the sensor takes a reading continuously;
- the reading is converted to digital by the ADC;
- the microprocessor compares it with the stored value;
- if action is needed, it sends a signal to an actuator — a motor, valve, heater or pump;
- the actuator changes the process;
- the loop repeats, so the new reading reflects the change.
Step 6 is what makes it a feedback loop: the effect of the action is measured again, so the system keeps itself at the target value without a human.
Cảm biến làm gì. Cảm biến là một thiết bị nhập đo một đại lượng vật lý trong môi trường và biến nó thành tín hiệu điện.
- nhiệt độ — hệ thống sưởi, lò nướng, nhà kính;
- độ ẩm — nhà kính, tưới đất, phát hiện ẩm mốc;
- ánh sáng — đèn đường, đèn pha tự động, độ sáng màn hình;
- hồng ngoại — báo trộm, cửa tự động, phát hiện chuyển động;
- áp suất — báo trộm gắn dưới sàn, theo dõi lốp xe;
- âm thanh — phát hiện đột nhập, theo dõi máy móc để phát hiện hỏng hóc;
- khí — báo động khí các-bon mô-nô-xít, chất lượng không khí;
- độ pH — độ chua của đất, xử lý nước, quá trình hoá học;
- từ trường — phát hiện cửa sổ hay cửa ra vào đã đóng chưa.
Vì sao luôn cần bộ chuyển đổi tương tự sang số. Thế giới vật lý là liên tục: nhiệt độ không nhảy từ $20$ lên $21$ độ, nó đi qua mọi giá trị ở giữa. Nên cảm biến tạo ra một tín hiệu biến thiên liên tục, tức tín hiệu tương tự.
Bộ vi xử lý chỉ làm việc được với các giá trị nhị phân rời rạc. Vì thế giữa mỗi cảm biến và bộ vi xử lý bắt buộc phải có một bộ chuyển đổi tương tự sang số.
Ở chiều ngược lại, khi thiết bị xuất là loại tương tự — động cơ, van — thì cần một bộ chuyển đổi số sang tương tự đặt trước cơ cấu chấp hành.
Bỏ sót bộ chuyển đổi trong sơ đồ hệ thống là lỗi bị trừ điểm, và đó là lỗi phổ biến nhất của chủ đề này.
Hệ thống giám sát và hệ thống điều khiển. Cả hai đều đọc cảm biến, và cả hai đều dùng bộ vi xử lý để so sánh số đo với giá trị đã lưu. Khác nhau ở chuyện gì xảy ra tiếp theo.
- Hệ thống giám sát — báo cáo hoặc cảnh báo cho con người. Nó không bao giờ tự thay đổi quá trình. Kết quả xuất ra là màn hình hiển thị, bản ghi, hoặc chuông báo;
- Hệ thống điều khiển — tự thay đổi quá trình. Nó gửi tín hiệu tới một cơ cấu chấp hành.
Phép kiểm: hỏi xem hệ thống có tự mình thay đổi thứ gì không. Máy theo dõi bệnh nhân kêu chuông — nhưng y tá mới là người quyết định làm gì. Đó là giám sát. Bộ điều nhiệt bật nồi hơi mà không cần ai can thiệp. Đó là điều khiển.
Vòng lặp mà hệ thống điều khiển chạy.
- cảm biến đo liên tục;
- số đo được bộ chuyển đổi tương tự sang số đổi sang dạng số;
- bộ vi xử lý so sánh nó với giá trị đã lưu;
- nếu cần hành động, nó gửi tín hiệu tới một cơ cấu chấp hành — động cơ, van, bộ gia nhiệt hoặc bơm;
- cơ cấu chấp hành thay đổi quá trình;
- vòng lặp lặp lại, nên số đo mới đã phản ánh thay đổi vừa gây ra.
Bước 6 chính là thứ làm nên một vòng phản hồi: kết quả của hành động lại được đo tiếp, nên hệ thống tự giữ mình ở giá trị mục tiêu mà không cần con người.
Một nhà kính cần giữ nhiệt độ và độ ẩm ổn định. (a) Nêu các cảm biến cần dùng. (b) Mô tả vòng lặp hệ thống điều khiển chạy, nêu rõ vai trò của bộ chuyển đổi tương tự sang số. (c) Hệ thống sẽ khác thế nào nếu nó chỉ là hệ thống giám sát?
(a) Các cảm biến cần dùng.
- cảm biến nhiệt độ — đo nhiệt độ không khí trong nhà kính;
- cảm biến độ ẩm — đo lượng hơi nước trong không khí.
(Có thể thêm cảm biến ánh sáng để điều khiển rèm che hoặc đèn bổ sung.)
(b) Vòng lặp của hệ thống điều khiển.
Bước 1. Các cảm biến đo liên tục, không phải thỉnh thoảng mới đo một lần.
Bước 2 — vai trò của bộ chuyển đổi. Cảm biến tạo ra tín hiệu tương tự, tức tín hiệu biến thiên liên tục, vì nhiệt độ trong thực tế không nhảy từ giá trị này sang giá trị khác mà trượt qua mọi giá trị ở giữa.
Bộ vi xử lý chỉ hiểu giá trị nhị phân rời rạc. Nên bộ chuyển đổi tương tự sang số đứng giữa để đổi tín hiệu liên tục ấy thành số mà bộ vi xử lý đọc được.
Không có nó, bộ vi xử lý không nhận được gì cả.
Bước 3. Bộ vi xử lý so sánh giá trị đọc được với giá trị đã lưu — chẳng hạn nhiệt độ mục tiêu $24\,^\circ\text{C}$.
Bước 4. Nếu quá lạnh, nó gửi tín hiệu tới cơ cấu chấp hành để bật bộ gia nhiệt. Nếu quá nóng, nó mở cửa thông gió. Nếu quá khô, nó bật hệ thống phun sương.
Bước 5. Cơ cấu chấp hành thay đổi quá trình thật sự.
Bước 6 — điểm mấu chốt. Vòng lặp lặp lại. Số đo tiếp theo đã phản ánh thay đổi vừa gây ra, nên hệ thống biết khi nào nên dừng.
Đây là vòng phản hồi, và nó là lý do hệ thống tự giữ được điều kiện ổn định mà không cần con người.
(c) Nếu chỉ là hệ thống giám sát.
Bốn bước đầu giống hệt: vẫn cảm biến, vẫn bộ chuyển đổi, vẫn bộ vi xử lý so sánh với ngưỡng.
Khác biệt nằm ở kết quả xuất ra. Hệ thống giám sát không có cơ cấu chấp hành. Thay vào đó nó hiển thị số liệu trên màn hình, ghi lại vào bản ghi, hoặc kêu chuông khi vượt ngưỡng.
Rồi người làm vườn phải tự đi bật gia nhiệt hoặc mở cửa thông gió.
Nói cách khác, hệ thống giám sát không bao giờ tự thay đổi quá trình — nó chỉ cung cấp thông tin để con người quyết định.
Nêu cảm biến phù hợp nhất cho mỗi tình huống và giải thích: (a) đèn đường tự bật lúc chập tối; (b) báo động khi có người bước vào phòng ban đêm; (c) cảnh báo khí độc trong bếp dùng ga; (d) kiểm tra cửa sổ đã đóng chưa.
(a) Đèn đường tự bật lúc chập tối → CẢM BIẾN ÁNH SÁNG.
Đại lượng vật lý cần đo ở đây là độ sáng môi trường, và cảm biến ánh sáng đo đúng thứ đó.
Bộ vi xử lý so sánh mức sáng đọc được với một ngưỡng đã lưu; khi mức sáng tụt xuống dưới ngưỡng, nó bật đèn.
Vì sao không dùng đồng hồ hẹn giờ: giờ mặt trời lặn thay đổi theo mùa, và trời có thể tối sớm khi nhiều mây. Cảm biến phản ứng với điều kiện thật, còn đồng hồ thì không.
(b) Báo động khi có người bước vào phòng → CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI.
Cơ thể người phát ra nhiệt dưới dạng bức xạ hồng ngoại. Cảm biến hồng ngoại phát hiện sự thay đổi của bức xạ đó khi có người di chuyển qua vùng nó quan sát.
Ưu điểm là nó hoạt động trong bóng tối hoàn toàn, đúng điều kiện cần cho báo trộm ban đêm.
(Có thể thay bằng cảm biến áp suất gắn dưới sàn, phát hiện trọng lượng người bước lên — nhưng nó chỉ bao được chỗ có tấm cảm biến.)
(c) Cảnh báo khí độc trong bếp dùng ga → CẢM BIẾN KHÍ.
Nguy hiểm cụ thể là khí các-bon mô-nô-xít sinh ra khi ga cháy không hết. Khí này không màu, không mùi, nên con người hoàn toàn không phát hiện được.
Chính vì thế phải dùng cảm biến: nó đo nồng độ khí và kêu báo động khi vượt mức an toàn.
Đây là trường hợp cảm biến không chỉ tiện lợi mà cứu mạng.
(d) Kiểm tra cửa sổ đã đóng chưa → CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG.
Cách lắp: gắn một nam châm lên cánh cửa sổ và một cảm biến từ trường lên khung.
Khi cửa đóng, nam châm nằm sát cảm biến nên từ trường mạnh. Khi cửa mở, nam châm rời xa và từ trường yếu đi hoặc mất.
Bộ vi xử lý chỉ cần đọc hai trạng thái đó là biết cửa đang đóng hay mở.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Automated and Emerging Technologies gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.