Samenvatting Automatische Systemen

• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4

Samenvatting Automatische systemen

Nog extra.

Opbouw Automatisch systeem

Een automatisch systeem is een systeem dat naar aanleiding van een signaal (impuls) geheel zelfstandig,  

zonder tussenkomst van buiten het systeem,

handelingen verricht.

Een automatisch systeem is altijd opgebouwd uit drie onderdelen: invoer, verwerking en uitvoer. Deze onderdelen kunnen worden weergegeven in een blokschema, zie hieronder.

Bij de invoer wordt er een grootheid gemeten.

Bijv. een lichtsensor meet een bepaalde hoeveelheid licht.

Bij de verwerking wordt de gemeten waarde van de invoer verwerkt. Bijv. gemeten waarde wordt vergeleken met een ingestelde waarde

Bij de uitvoer wordt een actie ondernemen. Bijv. een motor wordt ingeschakeld.

Soorten Automatisch systeem

Er zijn drie soorten automatische systemen:

- Meetsysteem

- Stuursysteem

- Regelsysteem

Bij een meetsysteem wordt een bepaalde grootheid gemeten door een sensor. De waarde van de gemeten grootheid is door de sensor omgezet in een sensorspanning en die spanning wordt weer omgezet door een verwerkingseenheid in een waarde die mensen kunnen aflezen.

Een stuursysteem heeft dezelfde onderdelen als het meetsysteem, maar de verwerkingseenheid stuurt een uitvoerelement aan.

Een regelsysteem heeft dezelfde onderdelen als een stuursysteem, maar met het uitvoerelement kan de invoer weer beïnvloed worden. Er is sprake van een terugkoppeling naar de invoer.

Sensoren

Een automatisch systeem kan alleen werken met elektrische signalen. Als we naar het voorbeeld van de thermostaat kijken, is er een component aanwezig in de thermostaat, die de grootheid Temperatuur kan meten. Zo'n component heet een sensor.

In het geval van de thermostaat, is de sensor een temperatuursensor. Die zet de gemeten grootheid Temperatuur om in een elektrische sensorspanning.

Sensor ijken

Om een sensor te kunnen gebruiken, moet die eerst geijkt worden. Dit betekent dat de sensorspanning ten opzichte van de gemeten eenheid moet worden bepaald.

In het geval van een temperatuursensor, wordt de sensor in een volume heet water gezet en daarbij een thermometer geplaatst. De sensorspanning wordt nu gemeten met een voltmeter, tegelijkertijd met de temperatuur.

De resultaten van die ijking geeft meetgegevens van zowel spanning als temperatuur, zie afbeelding hiernaast, onderaan. Er is een deel 
van de grafiek waar de lijn lineair loopt; dit is de lineariteit van de grafiek. In dit geval tussen 35 en 50 °C. 

Het bereik is het deel van de grafiek
 waarbinnen de waarden van de gemeten grootheid vallen. In dit geval 

tussen 0,00 en 72,5 °C. 

Uit de linieariteit van de ijkgrafiek kunnen we de gevoeligheid van de sensor bepalen. Dat is altijd de hoeveelheid spanning gedeeld
door de hoeveelheid gemeten grootheid binnen de lineairiteit.

In dit geval is dat:

​ΔT​​ΔU​​=​15​​3,5​​=0,23 

V/°C

Systeembord

Op het systeembord zijn de bekende onderdelen aanwezig; invoer, verwerking en uitvoer.

Invoerelementen

Op het systeembord zitten twee invoerelementen voor twee sensoren. De uitgang geeft een sensorspanning tussen de 0-5 Volt. 

Daaronder bevindt zich een geluidsensor die op geluid reageert. De uitgang geeft ook hier een sensorspanning tussen de 0-5 Volt.

Daar weer onder twee drukschakelaren die ingedrukt een HOOG signaal (5 Volt, binair 1) geven, niet ingedrukt een LAAG signaal (0 Volt, binair 0) geven.

Daaronder weer een variabele spanning waarmee een sensor kan worden gesimuleerd. De uitgang geeft ook hier een spanning tussen de 0-5 Volt.

Daaronder een pulsgenerator die pulsen geeft bij een frequentie die is ingesteld door de gebruiker (tussen de 0 en 10 Hz). 

Systeembord

Op het systeembord zijn de bekende onderdelen aanwezig; invoer, verwerking en uitvoer.

Verwerkingselementen

Bij het onderdeel verwerking staat een transistor die wij niet gebruiken en de werking niet van hoeven te weten.

Daarnaast een comparator. Op de ingang van de comparator wordt de spanning van een sensor of een variable spanning gezet. De comparator vergelijkt die spanning met een ingestelde waarde (aan de draaiknop, tussen 0-5 Volt). 

Als binnengekomen spanning lager dan de ingestelde waarde is, geeft de uitgang van de comparator een LAAG signaal (0 Volt, binair 0).  

Als binnengekomen spanning hoger dan de ingestelde waarde is, geeft de uitgang van de comparator een HOOG signaal (5 Volt, binair 1). 

LET OP: na een sensor of variable spanning komt ALTIJD een comparator.

Systeembord

Op het systeembord zijn de bekende onderdelen aanwezig; invoer, verwerking en uitvoer.

Verwerkingselementen

Een EN-poort heeft twee ingangen en een uitgang. Alleen wanneer beide ingangen HOOG zijn, is de uitgang HOOG. In alle andere combinaties is de uitgang LAAG. 

Zie voor de waarheidstabel BINAS tabel 17C.

Een OF-poort heeft twee ingangen en een uitgang. Alleen wanneer beide ingangen LAAG zijn, is de uitgang LAAG. In alle andere combinaties is de uitgang HOOG. Zie voor de waarheidstabel BINAS tabel 17C.

Een geheugencel heeft twee ingangen, "set" en "reset".

Wanneer er een kort HOOG signaal op de "set" komt, geeft de uitgang een continu HOOG signaal, ook als de "set" niet meer ingedrukt wordt. Wanneer er kort op de  "reset" gedrukt wordt, wordt ook het continue HOGE signaal gestopt.

Systeembord

Op het systeembord zijn de bekende onderdelen aanwezig; invoer, verwerking en uitvoer.

Verwerkingselementen

Een invertor zet een HOOG signaal aan de ingang om in een LAAG signaal bij de uitgang en andersom.

Zie de waarheidstabel in BINAS T17C.

De pulsenteller bestaat uit verschillende onderdelen:

De "tel pulsen" wordt altijd aan een pulsgenerator gekoppeld. Op het LCD schermpje zie je de pulse geteld worden in het ingestelde tempo van de pulsgenerator.

De "tellen aan/uit" staat altijd AAN als er geen draad aan gekoppeld is. Is er wel een draad aan gekoppeld, dan begint de pulsenteller met tellen als er een HOOG signaal op staat. Met een LAAG signaal wordt het tellen weer uitgeschakeld.

Systeembord

Op het systeembord zijn de bekende onderdelen aanwezig; invoer, verwerking en uitvoer.

Verwerkingselementen

Naast de "tel pulsen" staan vier uitgangen; "8, 4, 2 en 1". Dit zijn de waardes van de binaire codes die als uitgang door de pulsenteller gegenereerd worden. 

Bijv. de 8 heeft een HOOG signaal als er 8 pulsen zijn geteld. Zo ook voor de 4, 2, en de 1. 

De "reset" zet het totaal getelde pulsen weer op nul, een herstart. Wanneer bijv. de 8 van de binaire uitgang op de reset staat, zal na 8 pulsen de pulsenteller herstart worden.

Systeembord

Op het systeembord zijn de bekende onderdelen aanwezig; invoer, verwerking en uitvoer.

Uitvoerelementen

Als uitvoer heeft het systeembord eerst 4 LEDjes, dan een zoemer en uiteindelijk een relais.

Het relais was geen onderdeel van de theorie dus hoef je niet te weten hoe het werkt.

Van decimaal naar binair

Wanneer wij het getal 5730 willen gebruiken, weten we dat het bestaat uit 5000, 700, 30 en 0.

Computer tellen niet op die manier. Zij werken alleen met HOGE (binair 1, 5 Volt) en LAGE (binair 0, 0 Volt) signalen.

Om van decimaal naar binair te gaan, moet naar de telmogelijkheden van de computer gekeken worden. Zij hebben een code voor 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192, etc. Merk op dat het continu verdubbelingen zijn van het eerdere getal.

Je kan deze getallen ook berekenen door te beginnen met 2 tot de macht 0: 2⁰. Dan 2¹, 2², 2³, etc, tot je genoeg telmogelijkheden hebt om 5730 te om te kunnen zetten. In dit geval t/m 2¹³: 

4096,   2048,   1024,  512,  256,  128,  64,  32,  16,  8,  4,  2,  1

Om nu het getal 5730 te vertalen naar een binair getal, moeten we bepalen welke telmogelijkheid in dat getal past.

In 5730 past geen 8192, maar wel 4096. Dus 5730 - 4096 = 1634. Binnen 1634 past geen 2048, maar wel 1024.

Dus 1634 - 1024 = 610. Binnen 610 past geen 1024, maar wel 512. Dus 610 - 512 = 98. Zo ga je door totdat je 0 overhoudt; 98 - 64 = 34. 34 - 32 =  2. 2 - 2 = 0.

Onderstreept staan de telmogelijkheden van de computer om van 5730 naar 0 te komen. Wanneer er een telmogelijkheid is gebruikt, geef je die een 1. Wanneer niet, geef je die een 0:

4096   2048   1024  512  256  128  64  32  16  8  4  2  1

    1          0            1       1     0       0      1     1    0  0  0  1  0 

Dus de binaire code van 5730 is 1011001100010

Van binair naar decimaal

Om van binaire naar decimale getallen te gaan, nemen we eerst het binaire getal zelf, bijvoorbeeld 10001110.

We tellen 8 telmogelijkheden voor de computer dus kunnen we van 2⁰ naar 2⁷ tellen (7, omdat je 0 ook meetelt).

Dus dat wordt, uitgewerkt met binaire code:

2⁷    2⁶   2⁵    2⁴   2³   2²   2¹   2⁰

128  64  32    16    8    4    2     1

  1     0    0     0      1     1     1     0

Dus de decimale getallen die gebruikt zijn in de binaire code zijn: 128, 8, 4 en 2.

Samen geeft dat 128 + 8 + 4 + 2 = 142.

Het decimale getal van de binaire code 10001110 is 142.