K2 Technische automatisering Meten en regelen | Havo Werkblad opgave 1 Automatische systemen om je heen In jouw omgeving zijn diverse automatische systemen aanwezig. Voor een smartphone en tablet zijn diverse apps gemaakt waarmee je meer kunt dan telefoneren of internet gebruiken. 1. Je kunt de sterrenhemel bekijken (figuur 1) door een tablet op een deel van de hemel te richten. En naar beneden gericht zie je zelfs de zuidelijke sterrenhemel boven Nieuw Zeeland. Welk onderdeel moet dan in je tablet zitten en hoe werkt dat? 2. Op veel smartphones zit een gps-ontvanger, waarmee je nauwkeurig kunt navigeren. Leg uit waarom er in het apparaat dan wel een goede rekenmachine moet zitten. 3. Sommige stoplichten voor fietsers gaan alleen op groen als er een fiets voor de stopstreep staat en niet als er een voetganger wil oversteken. Hoe werkt dit systeem globaal? Figuur 1: sterrenhemel in Nieuw Zeeland 4. Automatische tuinlamp Op de foto (figuur 2) zie je een automatische tuinlamp, zoals je die in veel winkels kunt kopen. De lamp heeft geen elektrische voeding (adapter) nodig. Als je de lamp in de tuin zet, doet hij het ’s avonds als het donker wordt. Nadeel is wel dat de lamp weinig licht geeft. De automatische schakeling bestaat uit vijf onderdelen (draadjes niet meegerekend). Op de foto zie je de lamp en de zonnecel. a. Welke drie andere onderdelen moeten er in de elektrische schakeling van de tuinlamp zitten? Bij deze lamp kun je ook instellen hoe donker het moet zijn voordat de lamp gaat branden. b. Hoe zorgt de schakeling ervoor dat de lamp op het juiste moment gaat branden? © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 1 van 14 K2 Technische automatisering Meten en regelen | Havo Werkblad opgave 2 1 Introductie Invoer op het systeembord Je gaat met behulp van een voltmeter de onderdelen bij de ‘invoer’ van het systeembord onderzoeken. Op het bord is dat het linkerdeel. Voorlopig sla je de sensoraansluiting even over. Alle onderdelen in het systeembord zijn aan één zijde met elkaar verbonden en ook met alle zwarte bussen (met het teken van aarde). Sluit de voltmeter met de minkant aan op één van deze zwarte bussen van het bord en laat dat verder zo zitten. Nu zijn alle onderdelen éénzijdig met de voltmeter verbonden. Controleer of de voltmeter op gelijkspanning (DC) staat ingesteld. Figuur 1 Systeembord © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 2 van 14 1 Drukschakelaar Verbind de gele bus op het systeembord met de rode bus van de voltmeter. Figuur 2 Drukschakelaar Meet de spanning van een ingedrukte schakelaar. Uit: ………. V Aan: ………. V 2 Variabele spanningsbron Sluit de voltmeter aan op de variabele spanningsbron. Kijk naar de uitslag van de voltmeter, terwijl je de knop rustig van 0 tot 5 V en weer terug naar 0 V draait. Figuur 3 Variabele spanningsbron Leg uit wat je waarneemt. 3 Pulsgenerator Zet de draaiknop op 1 Hz en sluit de voltmeter aan op de gele bus. Wat geeft de voltmeter aan? Leg uit wat er gebeurt. Draai de knop van 1 naar 5 Hz. Verklaar wat er verandert aan de uitslag van de voltmeter. Conclusie: Figuur 4 Pulsgenerator De hoogst gemeten spanning is ………. V. Dit heet de werkspanning. De spanning van de componenten varieert tussen de waarden ………. V en ………. V. © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 3 van 14 2 Signalen en sensoren Op het bord zitten aansluitingen voor twee sensoren. Een geluidsensor is ingebouwd. 4 Werkspanning van de sensor Meet de spanning op de rode bus van het systeembord bij ‘sensor’. Figuur 5 Aansluiting voor een sensor Wat valt je op als je de gemeten spanning vergelijkt met de eerste drie onderdelen ? 5 Temperatuursensor Sluit een temperatuursensor aan. Meet met de voltmeter de uitgangsspanning (gele bus, rechts) bij kamertemperatuur. Verwarm de sensor met je handen of onder je oksel en kijk wat er met de spanning gebeurt. Figuur 6 Een temperatuursensor De spanning verandert van ………. V naar ………. V. Als de temperatuur toeneemt, neemt de sensorspanning dus ………. 6 Geluidsensor In het bord zit een geluidsensor (microfoon). De sensor reageert onder andere op tikken op het bord. Sluit de voltmeter aan en tik een paar keer op het bord. Tussen welke waarden verandert de spanning daarbij? Figuur 7 Een geluidsensor is ingebouwd. 7 Temperatuursensor ijken Van een temperatuursensor bepaal je het meetbereik en de gevoeligheid. De metingen doe je bij temperaturen van ongeveer 0 tot 60 °C. Je kunt de sensor aansluiten op een systeembord. De spanning op het bord tussen de rode en zwarte bus is automatisch 5,0 V. Sluit de sensor hierop aan. Met de voltmeter kun je nu de sensorspanning meten. Gebruik een gewone (alcohol)thermometer en doe minimaal vijf metingen: bij water direct uit de kraan, ijswater, water van ongeveer 40, 60 en 80 °C. Zet de meetresultaten in een tabel. Maak een diagram van de sensorspanning tegen de temperatuur. Bepaal uit het diagram het bereik van de sensor. Bepaal uit het diagram de gevoeligheid van de sensor bij kamertemperatuur. © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 4 van 14 8 De bouw van een temperatuursensor Een sensor bestaat vaak uit twee weerstanden in serie, één weerstand die niet van de temperatuur afhangt en één weerstand die wel verandert met de temperatuur. De aansluiting zie je in figuur 8. De rode en zwarte draden worden verbonden met de 5,0 V van het systeembord. De uitgangsspanning is de spanning tussen de gele draad en de zwarte draad (aarde). Zie voor de schakeling figuur 9. Figuur 8 Sensoraansluitingen Je gebruikt bij de volgende opdracht een stroommeter en een bekerglas met warm water. Maak vooraf een meetplan: wat ga je meten en waarom? Geef aan de hand van minimaal twee metingen een antwoord op de volgende twee vragen. Is R1 of R2 de temperatuurgevoelige weerstand? Is de temperatuurgevoelige weerstand een NTC of een PTC? 9 Bouw zelf een lichtsensor Met een LDR in serie met een vaste weerstand maak je een lichtgevoelige sensor (zie ook opgave 27 uit het boek). Meet met een multimeter de weerstand van de LDR: in het volle licht (dat bijvoorbeeld van buiten komt of van een sterke lamp); als de LDR is afgedekt. Figuur 9 Sensoropbouw Kies nu een vaste weerstand R die minimaal 1,5 × de weerstand is van de LDR bij gematigd licht en bouw de schakeling van figuur 9. Hierbij is de uitgangsspanning (tussen de gele en zwarte aansluiting) minstens 3 V als de LDR door een lampje op enige afstand wordt beschenen. Voor een grotere afstand mag je een kleine laser gebruiken. Als iemand de bundel onderbreekt, moet de spanning tot onder 1 V dalen. Verklaar je keuze voor de waarde van R en maak een kort verslag van je metingen. © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 5 van 14 3 Automaten bouwen Verwerkers Je onderzoekt eerst de werking van de verwerkers in het middengedeelte van het systeembord, voordat je automaten gaat bouwen. 10 Comparator Verbind de variabele spanningsbron met de ingang van de comparator en sluit een led aan op de uitgang. Zet de referentiespanning op 3,0 V. Draai de variabele spanning langzaam omhoog van 0 naar 5,0 V en weer langzaam terug naar 0 V. Figuur 10 Comparator Noteer bij welke spanning de led brandt. Omschrijf de werking van de comparator. 11 Invertor Verbind de ingang van de invertor met een drukschakelaar en de uitgang met een led. Figuur 11 Omschrijf kort de werking van de invertor. Invertor 12 EN-poort Je moet beide ingangen van een EN-poort onafhankelijk van elkaar hoog en/of laag kunnen maken met schakelaars. Sluit de uitgang aan op de led. Druk eerst alleen de bovenste schakelaar in, vervolgens alleen de onderste en ten slotte allebei. Figuur 12 EN-poort Figuur 13 Wanneer geeft een EN-poort een hoog signaal af? Vul de waarheidstabel van figuur 13 in: 0 is laag, 1 is hoog. Ingang 1 Ingang 2 0 0 0 1 1 0 1 1 © ThiemeMeulenhoff bv Uitgang Conceptversie Pagina 6 van 14 13 OF-poort Maak de aansluitingen zoals bij de EN-poort. Onderzoek hoe de OF-poort reageert op het indrukken van de schakelaars. Figuur 14 OF-poort Wanneer geeft een OF-poort een hoog signaal af? Vul de waarheidstabel van figuur 15 in: 0 is laag, 1 is hoog. Ingang 1 Ingang 2 0 0 0 1 1 0 1 1 Uitgang Figuur 15 14 Geheugencel De geheugencel heeft twee ingangen: de set- en de reset-ingang. Verbind de twee drukschakelaars met de set en de reset en verbind de uitgang met de led. Figuur 16 Geheugencel Druk op de schakelaar van reset. Brandt de led? Druk even op de schakelaar van set. Gaat de led aan of uit? Druk even op de schakelaar van reset. Gaat de led aan of uit? Kun je met set de led aan of uit schakelen, of beide? Kun je met reset de led aan of uit schakelen, of beide? Leg de werking van de geheugencel uit. Waarom wordt deze bouwsteen een geheugencel genoemd? In het diagram van figuur 17 wordt aangegeven wanneer de set en wanneer de reset wordt ingedrukt en weer losgelaten. Figuur 17 Teken in hetzelfde diagram wanneer de led brandt en wanneer niet. Controleer je antwoord door de proef uit te voeren. Als je in een schakeling de geheugencel gebruikt, druk dan voor het gebruik eerst de reset-knop in! © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 7 van 14 15 Pulsenteller Verbind een drukschakelaar met de ingang telpulsen. Figuur 18 decimaal 0 1 Pulsenteller binair Sluit elk van de uitgangen 1, 2, 4 en 8 aan op een led. Zie figuur 18. De aan/uit-verbinding hoeft niet verbonden te zijn, want de teller is in deze stand aan. Reset de teller. Bij welke tellerstanden brandt de led die is aangesloten op 2? Welke leds branden als de teller op 7 staat? Vul de tabel van figuur 19 in. De leds geven de getallen 0 tot en met 9 binair weer. 0001 Verbind nu de uitgang 8 met de reset van de pulsenteller. 2 3 4 5 6 7 Verklaar wat er hierdoor verandert. Automaten bouwen Je gaat nu zelf automaten bouwen op het systeembord. 8 9 16 Zonwering Een school laat de zonwering zakken als de zon schijnt en het niet te hard waait. In je boek staat een voorbeeld van een zonwering. Maak de schakeling van figuur 20 en controleer de werking. Gebruik voor de lichtsensor en de windsensor een drukknop en voor de zonwering een led. Figuur 19 Figuur 20 Druk een aantal keren op de drukschakelaar en beschrijf wat er gebeurt. Zonwering Leg uit waardoor de zonwering niet zakt als het te hard waait, of de zon nu schijnt of niet. Doe dit door bij elke poort na te gaan wat de poort in die situatie doet. Leg uit waardoor de zonwering zakt als het niet te hard waait en de zon schijnt. Doe dit weer door bij elke poort na te gaan wat de poort in die situatie doet. 17 Aan en uit schakelen Gebruik bij deze opdracht alleen twee drukknoppen, een geheugencel, een pulsenteller en een led om de volgende twee schakelingen te maken. Een led wordt door een drukknop blijvend aangezet en via de tweede drukknop weer uitgezet. Een led wordt door een drukknop blijvend aangezet en via dezelfde drukknop weer uitgezet. Teken de twee schema’s en controleer daarna de werking met het systeembord. © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 8 van 14 18 Knipperlicht Met een geheugencel, pulsgenerator en pulsenteller kun je een knipperlicht bouwen waarvan de frequentie kan variëren van 1 tot 10 Hz (zie figuur 21). Het knipperlicht kun je handmatig in en uit schakelen. Bouw de schakeling en controleer de werking. Leg uit waardoor de led knippert als de bovenste schakelaar even wordt ingedrukt. Leg uit waardoor de led stopt met knipperen als de onderste schakelaar even wordt ingedrukt. Figuur 21 Knipperlicht 19 Buitenlamp Een buitenlamp moet aangaan als een warmtebron (persoon) in de buurt komt en als het buiten donker is. De lamp is voorzien van een IR-sensor en een lichtsensor. De lichtsensor is hoog (1) als het licht is en de IR-sensor is hoog als er een warmtebron in de buurt is. De lamp brandt als het systeem een hoge uitgang heeft. Figuur 22 XOF-poort Ingang 1 Ingang 2 0 0 0 1 1 0 1 1 Ontwerp een systeem dat aan de genoemde eisen voldoet en controleer daarna de schakeling met het systeembord. Neem voor de lichtsensor de variabele spanningsbron en voor de warmtebron een drukschakelaar. Leg uit waardoor de lamp aangaat als in het donker iemand in de buurt is van de lamp. Uitgang Figuur 23 Waarheidstabel XOF-poort 20 XOF-poort Er zijn ook nog poorten die niet op het systeembord voorkomen, zoals de XOFpoort, een afkorting van eXclusieve OF-poort. Een XOF is ook samen te stellen uit andere poorten (zie figuur 22). Schakel twee systeemborden aan elkaar door een snoer tussen een zwarte bus van het ene en een zwarte bus van het andere systeembord. Bouw de schakeling van figuur 22 en vul de waarheidstabel van figuur 23 in. Wat is het verschil met de OF-poort? Verklaar de naam ‘exclusieve OF-poort’. 21 Gordel om! In een auto is een systeem ingebouwd dat waarschuwt als de bestuurder zijn gordel niet om heeft. Het systeem heeft drie sensoren: een sensor die een hoog signaal geeft als de bestuurder in de stoel zit, een sensor die een hoog signaal geeft als de gordel in de houder zit en een sensor die een hoog signaal geeft als de snelheid boven 30 km/h komt. Verder heeft het systeem als uitvoer een waarschuwingslampje en een geluidssignaal. Het lampje gaat branden, zodra de bestuurder in de stoel zit en de gordel niet om heeft. Het geluidssignaal gaat klinken, als hij de gordel niet om heeft en bovendien de snelheid groter is dan 30 km/h. Neem 1,5 V als referentiespanning voor 30 km/h. Gebruik als snelheidssensor de variabele spanningsbron. Figuur 24 Gordel om! Bouw de schakeling en controleer de werking. © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 9 van 14 22 Schakelklok Een schakelklok is een schakeling waarbij in vaste tijdsintervallen bepaalde handelingen worden uitgevoerd. Bijvoorbeeld: op tijdstip t = 0 druk je op de knop bij een oversteekplaats. Op t = 4 s springt het verkeerslicht voor de auto’s op rood, op t = 6 s springt het voetgangerslicht op groen. En op t = 8 s gaan beide lichten weer uit. Bouw deze schakeling en controleer de werking. In werkelijkheid is 2 s oversteektijd voor voetgangers te weinig. Wat kun je in de schakeling veranderen om de oversteektijd 20 s te maken? Figuur 25 Schakelklok 23 Welke poort? Met behulp van een EN-poort of OF-poort en een invertor (zie figuur 27) kun je van twee ingangssignalen X en Y één uitgangssignaal Z maken. De signalen zijn in figuur 26 getekend. Teken de schakeling met de juiste poort en de invertor. Je kunt als hulpmiddel eerst een waarheidstabel maken. Figuur 27 Welke schakeling? Figuur 26 Welke poort? Figuur 28 De voorzitter gaat voor. Teken de schakeling en controleer daarna je antwoord met het systeembord. 24 De voorzitter gaat voor Tijdens de vergadering is er een microfoon op de tafel van de voorzitter en zijn er enkele microfoons in de zaal als interruptiemicrofoon. Om bij dreigende chaos of ruzie in te kunnen grijpen heeft de voorzitter een microfoon die altijd voorrang heeft. Wanneer hij zijn knop indrukt, worden alle andere microfoons uitgeschakeld. Via een led moet een spreker of de voorzitter kunnen zien welke microfoon ingeschakeld is. Als er geen knop is ingedrukt, mag er ook geen led branden. Teken de schakeling en controleer de werking ervan door het te bouwen op een systeembord. © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 10 van 14 25 Een energiezuinige roltrap Sommige roltrappen draaien continu, maar dat is eigenlijk bijna nooit nodig. Om iemand naar de volgende verdieping te brengen is 6 s nodig. Als er niemand omhoog wil, kan de roltrap stilstaan. Figuur 29 Energiezuinige roltrap Je moet een schakeling ontwerpen die ervoor zorgt dat de roltrap: • 8 s draait nadat iemand een lichtsluis aan het begin van de trap passeert; • door blijft draaien (en opnieuw begint met tellen) als er binnen die 8 s een tweede persoon de lichtsluis passeert; • voor een tweede, derde of … persoon weer 8 s draait. Teken een schakeling die aan deze eisen voldoet. Gebruik componenten uit figuur 29. De led brandt als de motor draait. Teken de schakeling, controleer je antwoord en leg de schakeling uit. Bij de volgende twee opdrachten is gegeven welke onderdelen je moet gebruiken. Maak de schakelingen eerst op papier, controleer daarna op het systeembord of de schakeling werkt en leg de schakeling uit. 26 Een stil alarm Maak een alarm dat reageert op geluid. Als het alarm afgaat, begint er ergens anders in het gebouw een licht te knipperen met een periode van 8 s. Het licht gaat 4 s aan, 4 s uit, enzovoort. Een drukschakelaar moet het alarm weer uit kunnen zetten. Figuur 30 Een stil alarm 27 Gangverlichting De gangverlichting moet aanspringen als in het donker iemand in de gang loopt. Voor de lichtsensor mag je de variabele spanningsbron gebruiken. Bij een spanning onder 1,0 V is het donker. De bewegingssensor mag je imiteren door de geluidsensor. Als je er op tikt, simuleert dat de beweging. De led stelt de lamp voor. Als er 8 s geen beweging meer is waargenomen, moet de lamp weer uit gaan. Figuur 31 Gangverlichting © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 11 van 14 28 Onderzoek de AD-omzetter (facultatief) Sluit de variabele spanningsbron aan op de ingang van de AD-omzetter (zie figuur 32). Sluit de vier uitgangen van de AD-omzetter aan op de vier leds. Draai de spanning langzaam op. Vergelijk het branden van de leds met het binaire tellen. Bij welke spanning gaan de leds branden die horen bij het decimale getal 12 (8 + 4)? Wat is de binaire code van 12? Wat is de stapgrootte? Dus bij hoeveel meer spanning gaat de teller één omhoog? Figuur 32 AD-omzetter © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 12 van 14 4 Ontwerpopdrachten Je kunt kiezen uit de volgende ontwerpopdrachten met een oplopende moeilijkheidsgraad. Teken eerst het ontwerp en controleer dan de werking op het systeembord. 29 Winkelbel Als een klant een winkel binnenkomt, gaat automatisch de winkelbel even rinkelen. Gebruik de variabele spanningsbron als lichtsensor en de zoemer als winkelbel. Gebruik de teller als secondeklok die na een tijdsduur van 2 s de zoemer uitschakelt. Zorg ervoor dat de teller dan stopt en weer op nul wordt gezet. 30 Rookmelder Een rookmelder moet bij te veel rook direct een alarm laten afgaan. De rookmelder moet ook met een drukknop getest kunnen worden. Gebruik de variabele spanningsbron als rooksensor die bij ‘te veel rook’ een signaal van 4,0 V afgeeft. De rookmelder van deze opdracht geeft vaak vals alarm, bijvoorbeeld als er sigarettenrook in de rookmelder geblazen wordt. Dit probleem kan worden opgelost door het alarm pas te laten afgaan, nadat er 4 s lang rook is gesignaleerd. 31 Schoolbel De schoolbel rinkelt steeds 6 s nadat er aan het eind van een lesuur even op een knop gedrukt is. 32 Zwembad Aan het water in een zwembad wordt onder andere de volgende eis gesteld: er mogen (per uur) in 1 m3 water maximaal 7 vuildeeltjes zitten (haarbandjes, pleisters, boombladeren enzovoort). Om dit te controleren is een buis in het water geplaatst. Door deze buis stroomt 1 m3 water per uur. Met een lichtsensor kan het aantal vuildeeltjes worden geteld. Als er per uur meer dan 7 vuildeeltjes geteld zijn, moet een controlelampje gaan branden. Gebruik de variabele spanningsbron als lichtsensor, die bij afwezigheid van een vuildeeltje een signaal van 2,5 V afgeeft. 33 Luchtsluis In sommige ziekenhuizen bevindt zich bij de ingang van bepaalde afdelingen een luchtsluis. Je loopt dan door twee achter elkaar geplaatste deuren. Als je de eerste deur opent, passeer je een lichtsensor. Daardoor gaat de tweede deur met een elektromagneet even op slot. Je moet dus wachten, voordat je de tweede deur kunt openen. Gebruik de variabele spanningsbron als lichtsensor. Gebruik een led als elektromagneet. Zorg ervoor dat de tweede deur 8 s lang op slot blijft zitten. © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 13 van 14 34 Föhn Een föhn heeft een drukknop voor het inschakelen en een andere drukknop voor het uitschakelen van het apparaat. Als de föhn is ingeschakeld, moet er een signaallampje branden. De föhn moet beveiligd zijn tegen oververhitting: de temperatuur van de warme lucht mag niet hoger worden dan 45 °C. Gebruik de variabele spanningsbron als temperatuursensor, die bij een temperatuur van 45 °C een signaal van 3,0 V afgeeft. Gebruik de zoemer als föhn. 35 Lift In een lift kies je met een drukknop de juiste verdieping. Na 4 s gaan de liftdeuren dicht, tenzij er iemand tussen de deuren beklemd dreigt te raken. Gebruik de variabele spanningsbron als lichtsensor. Gebruik een led als signaallampje voor ‘deuren dicht’. 36 Broodrooster In een broodrooster is het brood goed na 8 s roosteren. Het brood moet bij het begin van die tijdsduur van 8 s dan wel al een bepaalde temperatuur hebben. Gebruik de variabele spanningsbron als temperatuursensor, die een signaal van 4,0 V afgeeft als de juiste broodtemperatuur is bereikt. Gebruik een led als verwarmingselement in het broodrooster. 37 Inbraakalarm Een inbraakalarm kan op geluid reageren. Bij het waarnemen van een inbreker moet een lamp gaan knipperen. De lamp moet steeds 4 s uit en 4 s aan zijn. Gebruik de variabele spanningsbron als geluidsensor, die een signaal van 3,5 V afgeeft als er een inbreker aanwezig is. Gebruik een led als lamp. 38 Voetgangerslicht Het voetgangerslicht bij een oversteekplaats staat normaal gesproken op rood. Met een drukknop kan een voetganger het licht op groen zetten. Na het indrukken van de knop gebeurt er 4 s niets. Dan gaat het rode licht uit en het groene licht aan. Het groene licht blijft 4 s branden. Daarna wordt de startsituatie (rood licht) hersteld, tot er weer een voetganger op de knop drukt. Gebruik twee leds als groen en rood licht. 39 Vuurtoren Bij een vuurtoren brandt de lamp constant. Het aan/uit-ritme ontstaat door de lamp wel of niet af te schermen. Maar zo’n aan/uit-ritme kan ook ontstaan door het in en uit schakelen van de lamp. Gebruik een led als vuurtorenlamp, die steeds 2 s aan en 6 s uit is. De vuurtoren van deze opdracht geeft ook overdag licht. Dat is niet nodig: de vuurtoren moet alleen bij invallende schemer en ‘s nachts in werking zijn. Neem aan dat de lichtsensor overdag een signaal van meer dan 3,0 V afgeeft. Figuur 2: tuinlamp © ThiemeMeulenhoff bv Conceptversie Pagina 14 van 14