2 hoofdstuk TA. Noordhoff Uitgevers bv

Transcriptie

1 TA hoofdstuk TA

2 Technische automatisering Een alarmsysteem en een thermostaat zijn automatische systemen. Zo n systeem zorgt dat er automatisch een reactie komt op een gebeurtenis met behulp van een elektrisch circuit. Je maakt kennis met de sensoren, verwerkers en actuatoren die hiervoor nodig zijn. Met de kennis over de werking hiervan leer je automatische systemen ontwerpen voor allerlei toepassingen. Wegwijzer Paragraaf Experimenten Site TA Technische automatisering Voorkennistest TA. Automatische systemen Automaten TA. Sensoren TA. Sensoren ijken TA.3 Verwerking TA.4 Uitvoer TA.5 Systemen ontwerpen TA.6 Afsluiting TA. Comparator en invertor TA.3 Geheugencel TA.4 EN- en OF-poort TA.5 Tijd meten TA.6 Relais TA.7 Teller TA.8 AD-omzetter TA.9 Babyfoon TA. Aquariumthermostaat A Dierentuin B Bagageafgifte op Schiphol C Deuren Logische poorten Tussentoets Relais Binair coderen Automatische systemen Samenvatting Diagnostische toets Extra opdrachten Uitwerkingen oefenopgaven Startopdrachten Bekijk de openingsfoto. Verschillende apparaten houden de toestand van de baby in de gaten. a Waarom is het belangrijk dat de baby continu onder controle staat? b Welke grootheden moet je meten? c Wat zou er moeten gebeuren als de metingen afwijken van de gewenste waarden? Doe op de site de voorkennistest. Technische automatisering 3

3 TA. Automatische systemen Voor je met de fiets van huis vertrekt, kun je een blik werpen op buienradar.nl (figuur TA.) om te weten of je door de regen moet fietsen of niet. De site kun je ook gebruiken om te kijken of het een warme, zonnige stranddag wordt. Startopdracht 3 a Hoe kun je op buienradar.nl zien of het gaat regenen? b Welke grootheden kun je nog meer aflezen? c Waar komt de informatie over deze grootheden vandaan? Onderdelen van automatische systemen Op buienradar.nl kun je de waarden van temperatuur, windkracht en neerslag aflezen op een kaart van Nederland. Ieder moment van de dag kun je de site raadplegen, er staat altijd actuele informatie op. De metingen vinden continu plaats. Zelf moet je daaruit conclusies trekken: trek je een regenpak aan of toch niet? Op sommige koelkasten zit een alarm. Dat alarm gaat af als de temperatuur in de koelkast boven een bepaalde waarde komt. De koelkast houdt het eten op een zodanig lage temperatuur dat het niet snel bederft. Wanneer je het alarm hoort, krijg je het seintje dat de temperatuur boven de ingestelde waarde is gekomen. Als je in de winter thuiskomt, wil je in een warm huis aankomen. De thermostaat kun je op een aangename temperatuur instellen. Dat kun je programmeren of op afstand instellen. Een grootheid kun je meten met een sensor. De temperatuur in de koelkast meet je met een temperatuursensor. Een sensor zet een natuurkundige grootheid om in een spanning. De op deze wijze gemeten temperatuur wordt vergeleken met de ingestelde temperatuurwaarde. Afhankelijk van de uitkomst van deze vergelijking komt er actie, bijvoorbeeld een alarm dat afgaat. Een alarm is een voorbeeld van een actuator, een apparaat dat een actie uitvoert. De keten van gebeurtenissen noem je een proces. Daarin heeft ieder onderdeel een eigen taak om het proces naar wens te laten verlopen. De onderdelen die samen ervoor zorgen dat het proces op de gewenste manier verloopt, noem je een systeem. Een automatisch systeem bevat in ieder geval één of meer sensoren, verwerkers en actuatoren. Voor het koelkast - systeem is dat een temperatuursensor, een vergelijker en een alarm. Een sensor zet een natuurkundige grootheid om in een spanning. Een actuator is een apparaat dat een actie uitvoert. Een systeem is een samenhangend geheel van onderdelen met ieder een eigen functie. De onderdelen geven gegevens aan elkaar door. TA. Buienradarbeeld 4 hoofdstuk TA

4 Blokschema Het automatische systeem voor een koelkast kun je overzichtelijk weergeven in een blokschema. In figuur TA. zie je een blokschema. Ieder blokschema bevat de volgende drie blokken: invoer, verwerking, uitvoer. Het invoerblok zorgt voor het invoeren van gegevens uit de omgeving. Hiervoor gebruik je een sensor. Een sensor kan een grootheid, bijvoorbeeld de temperatuur, van de omgeving waarnemen. De sensor geeft een spanning af die een maat is voor die grootheid, in dit geval dus de temperatuur. Het invoerblok kan ook een variabele spanningsbron, een aan/uit-knop en/of een pulsgenerator bevatten. Deze componenten kom verderop je in dit hoofdstuk nog tegen. Het verwerkingsblok gaat via verwerkers met de gegevens van het invoerblok aan de slag. In het geval van het koelkastalarm is de verwerker in het verwerkingsblok een vergelijker. Die vergelijkt de gemeten waarde met de ingestelde waarde. Hier vindt het denkproces plaats. Het uitvoerblok bevat onderdelen die een gewenste handeling kunnen uitvoeren. Het uitvoerblok krijgt een signaal uit het verwerkingsblok, zodat er actie kan komen. In het voorbeeld van de koelkast geeft het verwerkingsblok een signaal aan een alarm als de temperatuur te hoog is. Het alarm gaat. Dat kan een geluid zijn en/of een (rood) lampje. De woorden invoer, verwerking en uitvoer kun je ook vervangen door de woorden waarnemen, denken en doen. In figuur TA.3 zie je het complete blokschema van het koelkastalarm. Elk automatisch verlopend proces kun je beschrijven met een blokschema dat uit drie delen bestaat: een invoerblok, een verwerkingsblok en een uitvoerblok. > > Opdracht 5 Gegevens en informatie Een sensor levert een elektrische spanning. Deze spanning zegt iets over de waarde van de natuurkundige grootheid die je wilt weten. In het voorbeeld van de koelkast zegt de spanning iets over de temperatuur. Een elektrische spanning kun je eenvoudig doorgeven. De gemeten spanning, als maat voor de temperatuur, is een gegeven. Gegevens heb je nodig om er informatie uit te halen. Informatie is de betekenis die aan gegevens vastzit. Een temperatuur van 8 C zegt op zich niet zo veel. Pas als je weet dat dit de temperatuur van de koelkast is, zul je zeggen: De temperatuur is veel te hoog voor een koelkast. Gegevens zijn waarden van een grootheid, die pas informatie bevatten als ze bij een situatie horen. invoer (waarnemen) verwerking (denken) uitvoer (doen) TA. Een blokschema invoer (waarnemen) meten van de temperatuur TA.3 Een blokschema van het koelkastalarm verwerking (denken) vergelijken van gemeten temperatuur met ingestelde temperatuur uitvoer (doen) aanzetten van alarm of niet Technische automatisering 5

5 Soorten systemen In deze paragraaf ben je verschillende automatische systemen tegengekomen. De buienradar is een mooi voorbeeld van een meetsysteem. Sensoren meten de neerslag, de temperatuur en de windkracht. De sensoren geven de bijbehorende spanningen door aan het verwerkingsblok. Verwerkers zorgen dat de gegevens gekoppeld worden aan de kaart van Nederland. De uitvoer is een kaartje zoals figuur TA. met de gegevens op de juiste plek. Andere manieren om metingen weer te geven zijn: een tabel, een diagram, een display of een (computer)scherm. Een nachtverlichting is een voorbeeld van een stuursysteem. Een lichtsensor meet de hoeveelheid licht. Wanneer die te laag is, gaat automatisch de nachtverlichting aan. De actuator, een schakelaar in dit geval, gaat aan na een signaal van de verwerker. De verwerker stuurt dus de actuator aan, vandaar de naam stuursysteem. Bij een meetsysteem kun je eventueel zelf nog actie ondernemen, bij een stuursysteem gaat de actie vanzelf. Een couveuse met een baby erin is een voorbeeld van een regelsysteem. Sensoren meten de temperatuur in de couveuse en geven die door aan de verwerker. In de verwerker vindt de vergelijking plaats met de ingestelde temperatuur. Wanneer de temperatuur te laag is, stuurt de verwerker een signaal om de verwarming aan te doen. Is de temperatuur daarentegen te hoog, dan stuurt de verwerker juist een signaal om de verwarming uit te doen. De actie van de actuator heeft dus direct invloed op de gemeten grootheid temperatuur. Dit noem je terugkoppeling. Op deze manier blijft de couveuse op een zo constant mogelijke temperatuur. De grootheid wordt dus niet alleen gemeten, maar het systeem regelt die grootheid ook, vandaar de naam regelsysteem. In figuur TA.4 zie je van de drie verschillende systemen een (ander) voorbeeld in een blokschema. invoer (waarnemen) verwerking (denken) omzetten sensorspanning in getal uitvoer (doen) cijfers weergeven op display of kaart TA.4a Blokschema van een digitale thermometer (meetsysteem); rechts zie je een foto van een digitale thermometer. invoer (waarnemen) IR-sensor verwerking (denken) vergelijk sensorspanning met normale waarde uitvoer (doen) alarmbel gaat rinkelen of lamp gaat knipperen TA.4b Blokschema van een inbraakalarm (stuursysteem); rechts zie je een foto van de onderdelen van een inbraakalarm. invoer (waarnemen) temperatuursensor temperatuursensor verwerking (denken) vergelijk sensorspanning met ingestelde waarde uitvoer (doen) ketel slaat aan of niet TA.4c Blokschema van een thermostaat (regelsysteem); rechts zie je een foto van een moderne thermostaat. 6 hoofdstuk TA

6 Er zijn drie verschillende soorten systemen: Een meetsysteem meet grootheden en geeft ze op een handige manier weer. Een stuursysteem meet een grootheid. Na het verwerken van de gegevens voert het systeem een actie uit. Een regelsysteem is een uitbreiding van een stuursysteem. De actie beïnvloedt de waargenomen grootheid (terugkoppeling). Het systeem zorgt ervoor dat de grootheid zo dicht mogelijk bij een gewenste waarde blijft. Site > > Opdrachten 4 en 6 t/m 9 Automaten Je bekijkt een aantal automatische processen. Opdrachten A 4 Koppel de begrippen in de tabel van figuur TA.5 aan de juiste betekenis. Bijvoorbeeld: A4. begrip A een proces B een systeem C een sensor D een verwerker E een actuator F informatie G een regelsysteem H een stuursysteem I een meetsysteem betekenis vergelijkt, controleert of geeft informatie door aan een andere verwerker of aan het uitvoerblok voert een bepaalde taak uit 3 meet een grootheid en na het verwerken van de gegevens voert het systeem een actie uit 4 is een reeks handelingen die tot een bepaald resultaat leidt 5 is de betekenis van gegevens in een situatie 6 zet een natuurkundige grootheid om in een spanning 7 meet grootheden en geeft de meetwaarden op een handige manier weer 8 is een samenhangend geheel van onderdelen die elk een eigen functie hebben en die gegevens aan elkaar doorgeven 9 is een systeem, waarbij de actie de waarneming aan het begin van het systeem beïnvloedt TA.5 B 5 a Beschrijf een automatisch proces dat in je lichaam plaatsvindt. b Maak er een blokschema van. B 6 Een smeltveiligheid van 6 A in de meterkast smelt door als de stroomsterkte te groot is. a Leg uit of dit een automatisch proces is. b Zet dit proces in een blokschema. c Geef aan of dit een meetsysteem, een stuursysteem of een regelsysteem is. Technische automatisering 7

7 TA.6 De Glen Canyon Dam B 7 Geef van onderstaande voorbeelden het blokschema. Vermeld erbij of er sprake is van een meetsysteem, een stuursysteem of een regelsysteem. a Een pop zegt mamma als je de pop neerlegt. b Een elektrisch strijkijzer sluit je aan op het stopcontact. Je stelt het in op strijken van nylon (dat mag je niet te heet strijken). c Op een kruispunt kan de tijdsduur van rood en groen van de verkeerslichten automatisch worden aangepast aan de verkeersstroom. d De gastoevoer bij een gaspit stopt als de pan niet meer op de pit staat. De gastoevoer stopt niet als je de pan maar even van de pit afhaalt, bijvoorbeeld om af te gieten. C 8 De energie van vallend water uit een stuwmeer kun je gebruiken om in een centrale elektrische energie op te wekken. In figuur TA.6 zie je de Glen Canyon Dam in de Coloradorivier. De dam steekt 6 m uit boven de bodem van het dal en 78 m boven het oppervlak van de rivier. In kwam het water in Lake Powell aan de andere kant tot m onder de bovenkant van de dam. a Maak een schets van de situatie. Het waterpeil in het meer daalt door het uitstromende water. Een systeem van sensoren registreert de waterhoogte ten opzichte van de rivier. Bij een tweemaal zo grote waterhoogte geeft het sensorsysteem een tweemaal zo grote spanning. Bij een waterhoogte van 8 m is de sensorspanning, V. b Leg uit wat een verwerker moet doen met de sensorspanning. c Leg uit of de spanning van een sensor energie levert of een signaal doorgeeft. d Leg uit of die spanning een gegeven of informatie is. Bij een bepaalde waterhoogte schakelt automatisch een noodvoorziening voor de elektriciteit aan. Het water staat dan 5 m hoog. e Bereken de spanning van het sensorsysteem als de noodvoorziening aangaat. Het water mag niet hoger komen dan de dam zelf. Het automatische systeem moet een sirene laten loeien, als het water minder dan m onder de top van de dam komt. f Bereken de spanning die het sensorsysteem dan geeft. g Teken het blokschema van dit waarschuwingssysteem. h Leg uit of dit een meetsysteem, een stuursysteem of een regelsysteem is. 8 hoofdstuk TA

8 45 T ( C) t (s) TA.7 Temperatuurverloop in een couveuse D 9 In een couveuse moet de temperatuur in de buurt van de 37,5 C blijven. Elke couveuse heeft een regelsysteem met een verwarmingselement. Het systeem registreert de temperatuur in de couveuse. In figuur TA.7 zie je wat er op de monitor als uitvoer verschijnt. a Verklaar het verloop van de grafiek. De regelsnelheid geeft aan in welk tempo de temperatuur toeneemt: de temperatuurstijging per minuut. b Bepaal uit de figuur de regelsnelheid van dit systeem. c Leg uit of de regelsnelheid toe- of afneemt wanneer je een verwarmingselement met een groter vermogen gebruikt. d Geef in een schets de oorspronkelijke grafiek en de grafiek bij een groter vermogen van het verwarmingselement. Na deze paragraaf kun je: uitleggen wat een automatisch systeem is; uitleggen of een systeem een meetsysteem, een stuursysteem of een regelsysteem is; beschrijven wat de functie is van het invoerblok, het verwerkingsblok en het uitvoerblok; het blokschema van een automatisch systeem opstellen. Technische automatisering 9

9 TA. Sensoren Met een weerstation heb je altijd lokale weergegevens bij de hand. Je meet gegevens als luchtdruk, tempera tuur, windsnelheid en vochtig heid buiten. Binnen op een scherm kun je alle waarden aflezen (zie figuur TA.8). In dit automatische systeem zitten verschillende sensoren om deze grootheden te kunnen meten. Startopdracht Bekijk het display van een weerstation in figuur TA.8. a Is dit een meetsysteem, een stuursysteem of een regelsysteem? b Welke grootheden kun je hiermee meten? c Met welke apparaten kun je deze grootheden meten? Meten met sensoren Bij het weerstation meet je onder andere de temperatuur. De temperatuursensor zet de waarde van de temperatuur om in een bijbehorende sensorspanning. Voor ieder automatisch verlopend proces zijn een of meer sensoren nodig. Voor veel grootheden zijn sensoren ontwikkeld. Een sensor bestaat onder andere uit regensensor windsensoren vochtigheidsmeter een elektronische schakeling met daarin vaak een ohmse weerstand en een component die gevoelig is voor een bepaalde natuurkundige grootheid. Voorbeelden zijn de NTC-weerstand voor de temperatuur en de LDR voor de lichtsterkte. Je sluit een sensor aan op een spanningsbron. Een sensor bestaat uit een elektronische schakeling en zet de waarde van een natuurkundige grootheid om in een elektrische spanning. Het ijken van sensoren Een vloeistofthermometer bevat als vloeistof meestal gekleurde alcohol. Deze vloeistof zet uit als de temperatuur stijgt en kruipt dan omhoog in het smalle buisje. Naast dit buisje bevindt zich een geijkte schaalverdeling. De stand van de alcohol in het buisje is een maat voor de temperatuur van de alcohol in het reservoir. Een sensor die de temperatuur omzet in een elektrische spanning moet je ook ijken. Je moet weten welke spanning overeenkomt met welke waarde van de temperatuur. Je meet daarom bij een groot aantal waarden van de temperatuur de bijbehorende spanning. Er bestaan veel verschillende vloeistofthermometers, die alle een eigen schaalverdeling hebben. Zo zijn er ook veel soorten temperatuursensoren, die elk op hun eigen karakteristieke manier de temperatuur omzetten in een elektrische spanning, de sensorspanning. Je kunt dat weergeven in de een sensorkarakteristiek. Dat is een diagram waarin je de onafhankelijke variabele (de temperatuur) horizontaal uitzet en de afhankelijke variabele (de spanning) verticaal. De lijn in dit diagram heet de ijkkromme. Iedere sensor heeft een eigen ijkkromme. In figuur TA.9 en TA. zie je enkele voorbeelden. Iedere sensor heeft een eigen sensorkarakteristiek, die je bepaalt met een ijking. Een sensorkarakteristiek is een diagram waarin de natuurkundige grootheid langs de horizontale as uitgezet is en de spanning langs de verticale as. De lijn in het diagram is de ijkkromme. > > Opdracht TA.8 Weerstation: display (rechts) met sensoren (links). hoofdstuk TA

10 Eigenschappen van sensoren Voor het weerstation heb je een temperatuursensor nodig die je kunt gebruiken bij vriesweer en op een zomerse dag. Voor alle waarden van de omgevingstemperatuur tussen 3 C en 4 C wil je graag verschillende waarden van de spanning van de sensor krijgen. Om de temperatuur in een oven te meten heb je een andere sensor nodig, die bij veel hogere temperaturen een spanning geeft. Afhankelijk van de toepassing kies je een sensor met een bepaald bereik. In figuur TA.9 zie je een diagram voor het verband tussen de sensorspanning en de temperatuur (een sensor karakteristiek). Het bereik van deze sensor gaat van C tot C. De ijkkromme van de hoeksensor in figuur TA. is een rechte lijn. Zo n sensor noem je dan lineair. Een sensor kan ook gedeeltelijk lineair zijn of de ijkkromme kan een aantal lineaire gedeeltes hebben. De ijkkromme van de temperatuursensor in figuur TA.a bijvoorbeeld bestaat uit twee rechte lijnen. Vanaf C is de steilheid groter. U (V) temperatuur ( C) TA.9 Sensorkarakteristiek van een temperatuursensor De steilheid van de ijkkromme komt overeen met de gevoeligheid van de sensor. De temperatuursensor (zie figuur TA.9) is vanaf C gevoeliger. Dat betekent dat de spanning per graad meer verandert: een bepaalde temperatuurverandering geeft dan een grotere verandering in de spanning. In voorbeeld zie je hoe je de gevoeligheid van een sensor bepaalt. De nauwkeurigheid van de sensor is de maximale afwijking die de gemeten waarde kan hebben ten opzichte van de werkelijke waarde van de natuurkundige grootheid. Meestal geeft de fabrikant de nauwkeurigheid van de sensor op. De nauwkeurigheid van de hoeksensor in figuur TA. is. Dat betekent dat bij een spanning van, V een hoekwaarde hoort die tussen de 54 en 56 ligt. Voorbeeld Eigenschappen van een sensor Gebruik de sensorkarakteristieken van figuur TA.. a Bepaal de gevoeligheid van sensor A. b Geef het bereik van sensor B. a De gevoeligheid is hetzelfde als de steilheid van de ijkkromme: U I = (3,3,4) 3 = 6,3 3 V/lux b Het bereik van sensor B ligt tussen en 75 lux. Uit een sensorkarakteristiek kun je het bereik, de lineariteit en de gevoeligheid bepalen. De gevoeligheid van een lineaire sensor is de steilheid van de ijkkromme. Ook de nauwkeurigheid van een sensor is van belang. > > Opdrachten t/m 4 5 U (V) U (V) 3 A B hoek ( ) TA. Sensorkarakteristiek van een hoeksensor verlichtingssterkte (lux) TA. Sensorkarakteristieken van twee lichtsensoren Technische automatisering

11 Experimenten 4,4 TA. Sensoren ijken Wil je een grootheid gebruiken in een systeem op het systeembord, dan moet de sensor de gemeten grootheid omzetten in een spanning tussen en 5 V. In een ijkdiagram kun je de waarde van de gemeten grootheid aflezen. De onderzoeksvragen zijn: Hoe maak je een ijkdiagram? Hoe bepaal je de eigenschappen van een sensor met de ijkgrafiek? > > Complete instructies op de site TA.3a U (V) A 4 temperatuur ( C) U (V), B 4 6 temper U (V) 4 Opdrachten A Verbind de situaties in de eerste kolom van figuur TA. met de juiste sensor in de tweede kolom.,, A B C situatie sensor A In een lift gaat een zoemer als er te veel mensen in staan. B De straatverlichting gaat automatisch aan wanneer het donker is. C Een broedmachine houdt de kuikens lekker warm. D Een sensor registreert het aantal passerende auto s. U (V) U (V) 4 lichtsensor 4 temperatuur ( C) temperatuursensor TA.3b 3,4krachtsensor 4 hoeksensor E Een sensor meet de windrichting 5,druksensor, voor een weerstation. A B C TA. U (V) U (V), temperatuur ( C), U (V), temper B In figuur temperatuur TA.3 zie ( C) je drie ijkkrommen van temperatuur- ( C) sensoren. a Rangschik de sensoren op toenemende gevoeligheid. TA.3c b Rangschik de sensoren op toenemende grootte van het bereik. temperatuur ( C) hoofdstuk TA

12 B 3 Je verricht een aantal metingen aan een lineaire luchtvochtigheidsensor. Dat levert de tabel van figuur TA.4 op. a Teken de ijkkromme van deze sensor. b Noteer het bereik. c Bepaal de gevoeligheid. d Wat is het verschil tussen de nauwkeurigheid en de gevoeligheid van een sensor? luchtvochtigheid (%) 5,3 6,9 7,4 8 3, 9 3,5 TA.4 uitgangsspanning (V) C 4 Een sensor is opgebouwd uit componenten, die zijn aangesloten op een spanningsbron. Het schakelschema van een bepaalde lichtsensor is getekend in figuur TA.5a. De spanning tussen de punten A en B is de sensorspanning. a Wat gebeurt er met de spanning over de LDR als je deze belicht? b Geef een argument waarom je meestal de spanning over de ohmse weerstand R als sensorspanning gebruikt. In figuur TA.5b zie je het verband tussen de weerstand van de LDR en de verlichtingssterkte. c Leg uit waarom de grafiek niet de ijkkromme van de sensor voorstelt. d Hoe groot is de weerstand van de LDR als de sensorspanning,5 V is? e Bepaal met figuur TA.5b de verlichtingssterkte bij een sensorspanning van,5 V. f Bereken de weerstand van de LDR bij een sensorspanning van, V;,5 V;, V... 4,5 V. Schrijf de uitkomsten in een tabel met een extra kolom voor de bijbehorende verlichtingssterktes. g Bepaal de bijbehorende verlichtingssterktes. Noteer deze in de extra kolom. h Teken met behulp van de tabel de sensorkarakteristiek van deze lichtsensor. R LDR (kω) LDR A R = kω B 5, V verlichtingssterkte (lux) TA.5a In een lichtsensor is een LDR vaak de gevoelige component. Je gebruikt daarbij de eigenschappen van een serieschakeling. TA.5b De karakteristiek van de LDR Na deze paragraaf kun je: de functie en de vier eigenschappen van een sensor omschrijven; het bereik en de gevoeligheid van een sensor bepalen aan de hand van een ijkkromme. Technische automatisering 3

13 TA.3 Verwerking Nederland kent een heel dicht spoorwegnet. In Utrecht zit een knooppunt waar veel sporen samenkomen. Om alle treinen op het juiste spoor binnen te laten komen, moet je op het juiste moment de wissels (figuur TA.6) omzetten. Dat gebeurt op afstand in een grote controlekamer. Startopdracht 5 Welke gegevens moet het systeem verwerken? Hoog-laag Het automatische systeem voor het spoor is een ingewikkeld systeem. In een blokschema kun je het systeem globaal beschrijven. Om systemen na te bouwen kun je een systeembord gebruiken (zie figuur TA.7 op de volgende bladzijde). Er zijn ook verschillende simulaties daarvan op de computer beschikbaar. Het bord bevat de drie blokken van het blokschema: invoer, verwerking en uitvoer. Sensoren kun je aansluiten in het eerste blok. Het signaal van de sensor kun je sturen naar het verwerkingblok, waarin je verschillende onderdelen ziet. Uiteindelijk komt het signaal bij het uitvoerblok met de actuatoren terecht. Het systeembord sluit je aan op een voeding van 3 V. Deze spanning wordt omgezet in een spanning van 5, V waar de onderdelen op het systeembord op werken. Bij de verwerking maakt het systeembord geen gebruik van de precieze spanning, maar van een laag signaal (meestal minder dan, V) of van een hoog signaal (hoger dan 3, V). In plaats van met de waarde van de spanning geef je een laag signaal aan met en een hoog signaal met. Dit noem je een tweewaardig of binair signaal. Een binair signaal kan dus maar twee waarden hebben: hoog () of laag (). In het uitvoerblok vind je led-lampjes als actuator. Een led-lampje functioneert op het bord als signaallampje dat alleen brandt als je een hoog signaal toevoert. De drukschakelaar vind je aan de invoerkant bij de sensoren. Bij indrukken stuur je een hoog signaal naar het verwerkingsblok. Daarmee kun je een verwerker aansturen. Je kunt bij het maken van een automatisch systeem een systeembord gebruiken. De onderdelen in het systeem werken op 5, V. Een drukschakelaar kan een hoog of laag signaal geven als invoer. De verwerking gaat binair: met een hoog () of een laag () signaal. Een led kun je gebruiken als signaallampje. TA.6 Heel veel wissels a Een sprinter vertrekt van Utrecht Centraal. b Utrecht Centraal in vogelvlucht 4 hoofdstuk TA

14 Schakelen Veel sensoren geven een signaal af dat een willekeurige waarde kan hebben tussen nul en de maximale waarde van het sensorsignaal. Dit noem je een continu signaal. De drukknop op het systeembord is een voorbeeld van een signaal dat maar twee waarden kan aannemen. Dat noem je dan een discreet signaal. Een discreet signaal hoeft niet altijd maar twee waarden aan te kunnen nemen, het kunnen er bijvoorbeeld ook vier of nog meer zijn. Zo kun je de hoogte van een gebouw in het aantal verdiepingen weergeven. De verwerkers op het systeembord werken alleen met binaire signalen, een hoge () of lage () spanning. Om een continu signaal van een sensor om te zetten in een discreet signaal, dat nodig is voor de verwerkers, sluit je de sensor aan op een comparator. Een comparator (figuur TA.8) is een elektronische component met een ingang, een uitgang en een aansluiting voor de referentiespanning U ref. De referentiespanning kun je instellen op een waarde tussen en 5 V. De comparator vergelijkt de spanning op de ingang U in met deze referentiespanning. De uitgangsspanning is: hoog () als de ingangsspanning gelijk is aan of hoger is dan de referentiespanning; laag () als de ingangsspanning lager is dan de referentiespanning. Als je wilt dat bij een lage temperatuur een verwarmingselement aangaat, heb je een hoog signaal nodig uit de comparator. De lage temperatuur geeft echter juist een laag signaal op de uitgang van de comparator. Om dat om te draaien kun je een invertor (figuur TA.9) gebruiken. Deze component verandert een hoog signaal in een laag signaal en andersom. INVOER VERWERKING UITVOER + 5V sensor translator V comparator led led sensor & V led puls generator geluid sensor drukschakelaar drukschakelaar 3 variabele 4 5 V Hz spanning 8 4 in uit AD - omzetter TA.7 Het systeembord set EN - poort M reset geheugencel tel pulsen tellen aan/uit reset signaal in OF - poort 8 4 pulsenteller computer aansluiting invertor signaal uit relais Universiteit van Amsterdam led zoemer SYSTEEMBORD V comparator TA.8 De referentiespanning van deze comparator kun je met een draaiknop instellen. invertor TA.9 Een invertor Technische automatisering 5

15 Voorbeeld Storingsmelder Je wilt een systeem maken dat automatisch een waarschuwingslampje inschakelt, zodra de temperatuur in een kelder lager is dan 5 C. Je beschikt over een temperatuursensor met de ijkkromme van figuur TA.. Uit de ijkkromme blijkt dat 5, C overeenkomt met een sensorspanning van, V. Je stelt de referentiespanning daarom in op, V. Als de temperatuur hoger is dan 5, C komt uit de comparator een hoog signaal. Dat moet net omgekeerd zijn, want je wilt actie als de temperatuur juist lager is dan 5, C. Daarom verbind je de uitgang van de comparator met een invertor. Dan krijg je een hoog signaal, als de temperatuur lager is dan 5, C. De uitgang van de invertor kun je dan verbinden met een led (signaallampje). In figuur TA. zie je de schakeling, waarbij gebruikgemaakt is van een digitale versie van het systeembord. Een comparator zet een continu signaal op de ingang om in een discreet signaal op de uitgang. Een comparator vergelijkt de ingangsspanning met een in te stellen referentiespanning. De uitgang is hoog () als U in > U ref en laag () als U in < U ref. Een invertor zet een laag signaal () om in een hoog signaal () en andersom. > > Opdrachten 7, 9 en Logische poorten Wanneer je voor je oma een alarm wilt maken dat afgaat als ze op een knop drukt óf als ze hard roept, heb je twee signalen nodig die het alarm aansturen. Je maakt dan gebruik van logische poorten. Een EN-poort en een OF-poort hebben beide twee ingangen en één uitgang. Om te bepalen welke poort je nodig hebt voor het alarm van je oma, kijken we naar het verschil tussen beide poorten. Alleen als een EN-poort bij twee ingangen een hoog signaal () binnenkrijgt, geeft hij een hoog signaal () bij de uitgang. In alle andere gevallen geeft de EN-poort een laag signaal. Als je oma alleen nog maar kan roepen en geen knop kan indrukken, gaat het alarm niet af wanneer je een EN-poort gebruikt. De OF-poort geeft alleen een laag signaal () als beide ingangssignalen laag zijn. In alle andere gevallen geeft de OF-poort een hoog uitgangssignaal. Voor het alarmsysteem voor je oma heb je dus een OF-poort nodig: óf je oma drukt op de knop óf ze roept hard (óf ze doet beide). In een waarheidstabel staan de resultaten van de uitgangsspanning voor elk van de mogelijke combinaties van ingangsspanningen (figuur TA. en TA.3). ingangssignaal ingangssignaal uitgangssignaal TA. De waarheidstabel voor een EN-poort U (V) ingangssignaal ingangssignaal uitgangssignaal T ( C) TA. IJkkromme van een temperatuursensor spanning, V var. spanning (temperatuursensor) spanning, V comparator TA. Bij een spanning onder de, V brandt de led. invertor led TA.3 De waarheidstabel voor een OF-poort Logische poorten gebruik je om signalen te verwerken. Afhankelijk van de signalen op twee (of meer) ingangen geven poorten een hoog signaal op hun uitgang. Een EN-poort geeft alleen een hoog signaal als beide ingangssignalen hoog zijn. Een OF-poort geeft alleen een laag signaal als beide ingangssignalen laag zijn. > > Opdracht 6 hoofdstuk TA

16 Onthouden Wil je dat het lampje van de storingsmelder uit voorbeeld blijft branden ook al is de temperatuur in de kelder alweer boven de 5, C, dan moet het systeem onthouden dat de temperatuur lager is geweest. Het lampje gaat pas uit, als je het zelf uitzet. De verwerker die je daarvoor kunt gebruiken, is een geheugencel. Zie figuur TA.4a en b. Een geheugencel geeft een hoog signaal op de uitgang, zodra er op de ingang een hoog signaal komt. Het uitgangssignaal blijft hoog, ook al is het ingangssignaal inmiddels laag. De resetingang (kortweg: reset) kan de uitgang weer laag maken. Zolang de resetingang een hoog signaal krijgt, blijft het uitgangssignaal laag. In het voorbeeld van de storingsmelder kun je het signaal via de invertor verbinden met de ingang van de geheugencel. De resetingang verbind je dan met een drukschakelaar uit het invoerblok, waarmee je het lampje kunt uitzetten. Een geheugencel gebruik je om informatie te onthouden. Een geheugencel geeft een hoog signaal op de uitgang bij een hoog signaal op de ingang. Een hoog signaal op de resetingang maakt de uitgang weer laag. Tellen Een pulsgenerator geeft met een bepaalde frequentie spanningspulsen van 5, V af, dus een hoog signaal (). De frequentie kun je instellen. Een frequentie van Hz betekent dat de pulsgenerator iedere seconde pulsen geeft. Wanneer je de pulsgenerator op Hz instelt, kun je een secondenklok maken. Iedere seconde geeft de pulsgenerator een hoog signaal af. Pulsen kun je laten tellen door een teller. Je verbindt dan de uitgang van de pulsgenerator met de ingang van de teller (zie figuur TA.5a en b). Je kunt ook een drukknop of een andere verwerker verbinden met de ingang van de teller. Een teller telt het aantal keer dat het signaal van laag naar hoog gaat. De teller telt alleen als de ingang tellen aan/uit hoog is en als de resetingang laag is. Je kunt op twee manieren de tellerstand aflezen: op het display en via de uitgangen 8, 4, en. Een pulsgenerator geeft met een bepaalde frequentie pulsen met een hoge spanning af. Een teller kan de pulsen tellen en samen met de pulsgenerator een elektronische klok vormen. Een teller telt als het signaal van laag naar hoog gaat. Het ingangsignaal kan ook van een andere verwerker dan een pulsgenerator afkomstig zijn. > > Opdrachten 6, 8, en 3 TA.5a Pulsgenerator en teller op systeembord puls generator Hz TA.4a Geheugencel op systeembord tel pulsen 8 4 set reset M geheugencel TA.4b Een geheugencel schematisch tellen aan/uit reset pulsenteller TA.5b Een pulsgenerator aangesloten op een teller Technische automatisering 7

17 Experimenten TA. Comparator en invertor Het systeembord werkt met binaire signalen. Je maakt eerst kennis met de comparator en de invertor. De onderzoeksvragen zijn: Wat is de functie van een comparator? Wat is de functie van een invertor? TA.3 Geheugencel Soms moet een systeem onthouden dat een signaal (even) hoog of laag geweest is. Daar gebruik je de geheugencel voor. De onderzoeksvraag is: Hoe werk je met een geheugencel? TA.4 EN- en OF-poort De logische poorten op het systeembord hebben twee ingangen en een uitgang. De onderzoeksvragen zijn: Wanneer is de uitgang van een EN-poort hoog? Wanneer is de uitgang van een OF-poort hoog? TA.5 Tijd meten Met een teller en een pulsgenerator is het mogelijk een tijdsduur te meten. De onderzoeksvragen zijn: Hoe kun je automatisch een tijdsduur meten? Hoe kun je met een systeembord de snelheid van een voorwerp bepalen? > > Complete instructies op de site Site Logische poorten Je onderzoekt de werking van een aantal logische poorten. Tussentoets Opdrachten A 6 Neem de volgende zinnen over en vul ze aan met een van de volgende woorden: comparator, geheugencel, pulsgenerator, teller. Voor een elektronische klok zijn een... en een... met een bekende frequentie nodig. Een... heeft altijd een set en een reset - aansluiting. Een sensor moet je altijd verbinden met een... en niet rechtstreeks met een andere verwerker. A 7 Leg het verschil uit tussen: a een continu en een discreet signaal; b een hoog en een laag signaal; c en. B 8 Welk type signaal moet je aanbieden aan: a de ingang van een invertor; b de ingang van een comparator; c de ingang van een EN-poort? Welk type signaal komt uit: d de uitgang van een teller; e de uitgang van een comparator; f de uitgang van een variabele spanningsbron? B 9 Leg uit waarom je de uitgang van een sensor niet rechtstreeks met de ingang van een invertor mag verbinden. B De schakeling van figuur TA.6 heeft drie ingangen en één uitgang. Maak een tabel met zes kolommen waarin je in de laatste kolom het uitgangssignaal S 4 opneemt bij alle mogelijke combinaties van de ingangssignalen S, S en S 3. Gebruik de twee extra kolommen om de uitgangssignalen van de bovenste en onderste EN-poort afzonderlijk te noteren. 8 hoofdstuk TA

18 S S S 3 EN - poort & EN - poort & OF - poort V S 4 C 3 Je wilt een alarm (zoemer) maken dat aangaat wanneer je in een ruimte licht maakt of een sterk geluid produceert. Je maakt je ontwerp van de schakeling met een computerprogramma. Voor de lichtsituatie kun je de sensor uit figuur TA.7a gebruiken en voor de geluidsituatie de sensor uit figuur TA.7b. a Ontwerp de schakeling. TA.6 B De afstandsbediening van een tv geeft infraroodstraling met een code van hoge en lage signalen. Een ander knopje indrukken geeft een andere code. a Maak een blokschema van het systeem van de afstandsbediening. b Is het signaal dat het tv-toestel ontvangt van de afstandsbediening continu of discreet? C Ontwerp voor de volgende problemen een schakeling. a Als de baby hard huilt, moet een signaallampje gaan branden. b Een storingsmelder meldt met een zoemer dat de temperatuur te hoog is. De zoemer gaat pas weer uit als de temperatuur niet meer te hoog is en je op een knopje drukt. Je wilt ook kunnen controleren of de zoemer het doet. b Pas je schakeling aan. TA.7a TA.7b drukschakelaar drukschakelaar lamp zoemer lichtsensor geluidssensor Na deze paragraaf kun je: de functie van comparator, invertor, led, drukknop, geheugencel, pulsgenerator en teller omschrijven; de functie van logische poorten omschrijven; het verschil aangeven tussen een continu signaal en een discreet signaal; een eenvoudig systeem op het systeembord bouwen. Technische automatisering 9

19 TA.4 Uitvoer Wanneer je in de winkel zelf groente of snoep afweegt, gebruik je meestal een digitale weegschaal (zie figuur TA.8). Veel meetapparaten zijn digitaal. Dat lijkt een nauwkeurige manier van meten. De waarde van de meting verschijnt op een display met getallen. Startopdracht 4 Geef een voordeel en een nadeel van een digitale weegschaal. Binair tellen Bij het systeembord gebruik je alleen hoge en lage signalen ( en ) om informatie door te geven. Door deze nullen en enen te combineren kun je getallen weergeven. In het vaardigheidskader zie je hoe dat werkt. Voorbeeld 3 maakt daar gebruik van. Vaardig Binaire weergave decimaal binair TA.9 In de tabel van figuur TA.9 staan de decimale getallen van tot en met 9 in de eerste kolom. Rechts ernaast zie je de binaire weergave van deze getallen. Het decimale getal 67 kun je ook schrijven als: 67 = = Een decimaal getal geef je weer door het te schrijven als de som van de machten van, beginnend met de grootste. Binair tellen werkt net als decimaal tellen, alleen zijn er nu maar twee mogelijke cijfer ( en ) in plaats van tien ( t/m 9). Je telt binair vanaf als volgt:, en dan,, enzovoorts. Een binair getal geef je weer door het te schrijven als de som van machten van, beginnend met de grootste. Het binaire getal (uitspraak: éénéén-nul) heeft de volgende decimale betekenis: = ^ + + = = 6 Zo vind je dit ook terug in de tabel. De getallen boven de kolommen geven het bijbehorende decimale getal aan. Overal waar een staat moet je de bijbehorende decimale getallen optellen. TA.8 Een digitale weegschaal hoofdstuk TA

20 Voorbeeld 3 Binaire weergave a Welke binair getal hoort bij het decimale getal? b Welk decimaal getal hoort bij het binaire getal? a De grootste macht van die past is 3 (= 8), dus daar zet je een. 8 = 3 blijft over. Het getal 3 kun je maken uit en. Bij 4 (= ) zet je dus een, bij (= ) een en bij (= ) nog een. Het binaire getal is dan. b (binair) = ^ = ^ = = = 3 (decimaal) Binair tellen doe je met nullen en enen. Je kunt ieder decimaal getal omzetten in een binair getal en andersom. Uitgang teller De teller op het systeembord telt het aantal keer dat een signaal op tel pulsen van laag naar hoog gaat. De tellerstand van nul tot en met negen kun je aflezen op het display. De teller geeft de tellerstand ook weer in een binaire code van nullen en enen. De teller heeft vier uitgangen, bits, met de getallen acht, vier, twee en één erboven. Wanneer de pulsenteller bijvoorbeeld op 5 (decimaal) staat, zullen de uitgangen 4 en hoog zijn. Je kunt dat zichtbaar maken door de vier uitgangen van de teller elk te verbinden met een led. Zodra een uitgang hoog is, brandt de led. In dit geval branden dus de leds van de uitgangen 4 en. Met de resetknop kun je de tellerstand weer op nul zetten. Een teller heeft vier uitgangen die de tellerstand binair weergeven. De pulsenteller geeft de tellerstand decimaal weer. > > Opdrachten 6, 7 en 3 Relais Het automatische systeem dat je bouwt, werkt vaak op een lage spanning. Als je een wasmachine wilt aansturen, kan dat niet direct met het automatische systeem. De netspanning (3 V) is daar veel te groot voor. Je kunt wel een schakelaar aansturen die deel uitmaakt van een uitwendige stroomkring met daarin de wasmachine. Zo n schakelaar heet een relais. Een belangrijk onderdeel van een relais is een elektromagneet. Als de spanning over het relais hoog genoeg is, trekt de elektromagneet een ijzeren plaatje aan (zie figuur TA.3a). Daardoor sluit de uitwendige stroomkring. Een hoge spanning naar de ingang van het relais zorgt dus voor een uitwendig gesloten stroomkring. Een lage spanning betekent dat de stroomkring onderbroken is. Het ingangs signaal van een relais moet dus binair zijn (hoog of laag). Een mogelijke manier van schakelen op het systeembord zie je in figuur TA.3b. Een relais is een elektromagnetische schakelaar, die je gebruikt om met een kleine spanning vanuit het automatische systeem een grotere spanning in een uitwendige stroomkring te schakelen. AD-omzetting De weegschaal van figuur TA.8 maakt gebruik van een digitale weergave van de grootheid op een display. Heel oude weegschalen hebben een wijzer. Je noemt dat een analoge weergave. De wijzer kan iedere waarde aangeven. Een krachtsensor in de weegschaal meet de kracht continu: elke waarde is mogelijk. Deze kracht kun je zowel analoog als digitaal weergeven. + V M A TA.3a Het principe van een relais. Er loopt een kleine stroom door de spoel: de uitwendige kring met het lampje is gesloten. relais TA.3b Het relais van het systeembord met een niet-gesloten uitwendige stroomkring Technische automatisering

21 Je kunt ook een discrete grootheid analoog meten. Als je bijvoorbeeld de spanning wilt meten over de uitgang van de comparator op het systeembord, kun je een analoge spanningsmeter gebruiken. Analoog en digitaal geven alleen maar aan op welke manier je een grootheid afleest. De waarde van de grootheid is in beide gevallen gelijk. Een continu signaal kun je omzetten in binaire signalen met een AD-omzetter, een analoog-digitaal-omzetter (in feite een omzetter van continu naar dicreet). Een comparator is een heel simpele AD-omzetter met maar één uitgang. Op het systeembord vind je linksonder een AD-omzetter met vier uitgangen. De uitgang van een sensor verbind je met de ingang van de AD-omzetter. De sensor geeft een continue waarde van de spanning tussen en 5, V af. De vier uitgangen van de AD-omzetter kunnen elk laag () of hoog () zijn en kunnen dus maximaal zestien (= 4 ) codes weergeven. Dat betekent dat je de spanning in zestien stapjes verdeelt. Dat zijn dus stapjes van 5 =,35 V. 6 Je raakt zo wel informatie kwijt in je systeem, omdat verschillende waarden van de invoer dezelfde digitale waarde kunnen krijgen. In figuur TA.3 zie je dat de stapgrootte voor een 3-bits omzetter,65 V is. Een ingangsspanning tussen de en,65 V zet de AD-omzetter om in de binaire code. De volgende stap met code betreft de spanningen vanaf,65 tot,5 V. Een 3-bits omzetter heeft 3 = 8 stapjes, een omzetter met n bits heeft n mogelijkheden. Hoe meer bits, hoe meer mogelijkheden er zijn en hoe kleiner de stapgrootte is. Je verliest dan minder informatie. U in (V) (analoog) uitgang 4 binaire code, tot,65,65 tot,5,5 tot,875 Voorbeeld 4 Van binair naar decimaal Een 3-bits AD-omzetter werkt op 5, V. Welke spanning hoort bij de binaire code? De 3-bitsomzetter deelt de spanning in 3 = 8 stappen. De stapgrootte van deze omzetter is dus: 5, 8 =,65 V De binaire code betekent decimaal 5. Alle spanningen van 5,65 = 3,5 V tot 6,65 = 3,75 V krijgen de code. Antwoord: 3,5 U in < 3,75 V Voorbeeld 5 Van decimaal naar binair Een 3-bits AD-omzetter werkt op 5, V. Welke binaire code hoort bij een spanning van,36 V? De stapgrootte is,65 V (zie voorbeeld 4).,36,65 = 3,776 De spanning hoort dus bij het spanningsgebied met de decimale code 3. Antwoord: Kijk ter controle in figuur TA.3. Zolang de spanning boven de,875 V is maar nog niet,5 V, hoort de binaire code hierbij. Een AD-omzetter zet een analoge waarde om in een digitale waarde, die is uitgedrukt in een binaire code. Daarbij verlies je informatie over het signaal. Hoe meer bits, des te kleiner is de stapgrootte en des te minder informatieverlies. > > Opdrachten 5, 8, 9 en 3,875 tot,5,5 tot 3,5 3,5 tot 3,75 3,75 tot 4,375 4,375 tot 5, TA.3 De binaire code bij een 3-bits omzetter hoofdstuk TA

22 Experimenten TA.6 Relais Als je een extern apparaat met het systeembord aanstuurt, gebruik je een relais. De onderzoeksvraag is: Hoe werk je met het relais? TA.7 Teller In sommige systemen moet je tellen hoe vaak een bepaalde situatie is voorgevallen. Daarvoor gebruik je de teller. De onderzoeksvraag is: Hoe werk je met de teller? TA.8 AD-omzetter Het systeembord werkt met binaire signalen. De AD-omzetter maakt van een spanning een binaire code. De onderzoeksvraag is: Hoe zet de AD-omzetter een spanning om in een binaire code? > > Complete instructies op de site Site Relais Je onderzoekt de werking van het relais. Binair coderen Je zet getallen om naar hun binaire code en omgekeerd. Opdrachten A 5 Geef de betekenis van de volgende begrippen. a een bit; b digitale weergave; c analoog. A 6 Reken de volgende binaire getallen om in decimale getallen: a b Reken de volgende decimale getallen om in binaire getallen: c 75 d 69 e B 7 Teken voor de volgende gevallen een werkend systeem. a Een led gaat branden, nadat je drie keer op een knop hebt gedrukt. b Een led gaat in een cyclus van 4 s na 3 s aan en brandt dan s. c Een led gaat in een cyclus van 8 s na 6 s aan en brandt dan s. d Bij een inbraakalarm gaat een signaallampje branden. De sensor boots je met een drukknop na. Het signaallampje moet 6 s lang branden. B 8 De ingangsspanning bij een 4-bits AD-omzetter kan variëren tussen de V en de 5, V. a Bij welk spanningsinterval hoort de binaire code? b Bepaal de binaire code die bij een spanning 3,44 V hoort. B 9 Je hebt de beschikking over een 4-bits en een 8-bits AD-omzetter. a Leg uit bij welke van deze omzetters je de minste informatie van het analoge signaal verliest. TA.3 Een mengpaneel bevat veel AD- en DA-omzetters. Technische automatisering 3

23 Op de analoge kant van de 8-bits omzetter sluit je een spanning aan tussen V en 5, V. b Bereken de binaire code die bij een spanning van,3 V hoort. c Bereken de mogelijke waarden van de spanning bij de binaire code. C 3 Een teller kun je gebruiken om te registreren hoeveel keer de deurbel gaat. Dat wil je alleen als er niemand thuis is. Je moet het systeem dus aan en uit kunnen zetten. Ontwerp en teken het systeem. C 3 De muziek op een cd is gedigitaliseerd. Elke seconde zet de 6-bits omzetter 44, 3 keer analoge muziek om in binaire codes. Deze codes worden in de vorm van putjes en geen putjes op de cd aangebracht. In de cd-speler tast een laser de codes op de cd af (zie figuur TA.33). De cd-speler zet de codes weer om in analoge muziek. Bereken het aantal putjes/geen putjes op een cd dat nodig is voor 7 minuten muziek. TA.33 De laserbundel leest het putjespatroon (rechts). Na deze paragraaf kun je: het verschil aangeven tussen analoge en binaire weergave; de functie van een AD-omzetter uitleggen; berekeningen uitvoeren met gegevens van een AD-omzetter; getallen omzetten in een digitale code en omgekeerd. 4 hoofdstuk TA

24 TA.5 Systemen ontwerpen In een frisdrankenfabriek komen de flesjes automatisch van een lopende band in een krat. In het krat kunnen negen flesjes. Daarna moet je het krat vervangen door een leeg krat. Zie figuur TA.34. Startopdracht 3 Maak het blokschema van de flesjesteller. Voorbereiding Wanneer je een systeem wilt automatiseren, moet je eerst goed nadenken welk probleem je moet oplossen. Als eerste stap maak je een blokschema om overzicht te krijgen. Bedenk aan welke voorwaarde(n) het systeem moet voldoen. Is er terugkoppeling nodig bijvoorbeeld? Bij de flesjesteller moet er actie komen als het krat vol is. Dat heeft gevolgen voor de lopende band, die moet stoppen. Bij het ontwerpen van automatische systemen is een handige volgorde: Invoer: welke grootheid wil je meten en welke sensor heb je daarvoor nodig? Uitvoer: je vraagt je af wat het systeem moet gaan doen in het uitvoerblok. Welke actie(s) moet het systeem uitvoeren? Verwerking: je gaat na welke logische denkstappen je nodig hebt om tot de benodigde actie(s) te komen. Bij iedere denkstap hoort een verwerker. Soms heb je een systeem dat meerdere gegevens meet of dat meerdere acties moet uitvoeren. Het is dan handig om het probleem op te delen in deelproblemen. Bij het ontwerpen van een automatisch systeem maak je eerst een blokschema. Een probleem met meerdere meetwaarden of meerdere acties splits je op in deelproblemen. TA.34 Aan de lopende band Technische automatisering 5

25 Standaardproblemen Sommige problemen komen heel vaak voor als onderdeel van een groter probleem. Hieronder volgt een aantal voorbeelden. Voorbeeld 6 Tijd tellen Met het systeembord kun je een tijdsduur meten. In figuur TA.35a zie je de pulsgenerator aangesloten op tel pulsen van de teller. Staat de pulsgenerator op Hz, dan telt de teller de tijd in seconden. Zolang je niet op de drukschakelaar drukt, is de teller uit en staat op nul, nadat je eerst gereset hebt. Druk je op de drukschakelaar, dan telt de teller de tijd dat je de drukschakelaar ingedrukt houdt. Als je loslaat, blijft de tijd zichtbaar. Soms moet je steeds vanaf nul tellen. Dan kun je de schakeling van figuur TA.35b gebruiken. De tijd die je de schakelaar ingedrukt houdt, verschijnt op het display. Maar als je de drukschakelaar loslaat, reset je meteen de teller. Voorbeeld 7 Babyfoon Als een baby voldoende hard huilt, moet er een led gaan branden. De led moet blijven branden tot iemand hem uitzet. Invoer: je gebruikt een geluidsensor en een drukschakelaar. Uitvoer: er gaat een led branden (of niet). Verwerking: Het systeem moet het geluidsniveau vergelijken met een ingestelde waarde. Daartoe zet je na de geluidssensor een comparator. Het systeem moet het geluid onthouden. Dat realiseer je met een geheugencel. In figuur TA.36 zie je een oplossing. De U ref van de comparator kun je op het gewenste niveau instellen. Voorbeeld 8 Sensorlamp Als in het donker iemand de voordeur nadert, moet het licht bij de voordeur gedurende (korte) tijd aangaan. Een vogel of een kat mogen het systeem niet aanzetten. drukschakelaar drukschakelaar 3 variabele 4 spanning 5 V puls generator Hz TA.35a drukschakelaar drukschakelaar 3 variabele set M reset geheugencel tel pulsen tellen aan/uit reset set M reset geheugencel tel pulsen invertor 8 4 pulsenteller invertor 8 4 Invoer: je gebruikt een bewegingssensor om een beweging bij de voordeur waar te nemen en een pulsgenerator voor de tijdsduur. Uitvoer: je wilt als actie dat er een lamp gaat branden. Daarvoor kun je een relais gebruiken dat een externe stroomkring de lamp aan kan zetten. In figuur TA.37 is de lamp vervangen door een led. Verwerking: Je hebt een comparator nodig om te kunnen onderscheiden of een persoon of een (klein) dier de voordeur nadert. Een spanning boven een bepaalde waarde betekent dat er een persoon in de buurt van de voordeur is. Je moet de tijd kunnen tellen, dus heb je een teller nodig. Om seconden te tellen gebruik je de pulsgenerator op een frequentie van Hz. Kies een uitgang van de teller die hoog moet zijn om de lamp weer uit te schakelen. 4 spanning 5 V puls generator Hz tellen aan/uit reset pulsenteller In figuur TA.37 zie je een oplossing. Als de pulsgenerator is ingesteld op Hz, gaat de lamp na 8 s weer uit. TA.35b 6 hoofdstuk TA