AUTOMATEN Co BTn I GETALSTELSELS II SYSTEEMBORD III SYSTEMEN Vanaf het begin der tijden hebben mensen automaten gemaakt, apparaten die automatisch werken zonder dat wij ons hoeven in te spannen. Eerst waren automaten showapparaten, pas sinds de industriële revolutie nemen ze ons werk over. Het idee om ons werk door apparaten te laten doen is nog maar 200 jaar oud. Op het voorblad staan afbeeldingen van de oudste stoommachine en een oud waterorgel (beide van Hero, 100 jr na Chr). De oelipile van Hero draaide omdat er water in de bol werd gespoten, het apparaat heeft alleen voor de show gewerkt. Het waterorgel werd gebruikt om vogelgeluid te imiteren en om mensen bang te maken. Onze wereld zit vol automaten, meestal met computers verbonden. Zonder deze (regel)systemen kunnen wij niet meer leven. In dit onderwerp leer je automatische schakelingen kennen en ontwerpen. I GETALSTELSELS II SYSTEEMBORD III SYSTEMEN IV ONTWERPEN V TOETSOPGAVEN

AUTOMATEN I GETALSTELSELS

4 GETALSTELSELS DEC OKT 10 8 BIN HEX 2 16 Wat jij moet kunnen: Getallen in verschillende getalstelsels kunnen opschrijven, BIN, DEC, OKT en HEX in elkaar kunnen omrekenen, Moeilijke opgaven over getalstelsels maken en Met getalstelsels op je rekenmachine kunnen werken

BINair 2-tallig Vbn1 BIN  DEC HEEN A 1010 00112 = ?10 Decimaal zijn er tien symbolen, namelijk 0, 1, ..9. Binair zijn er slechts 2 symbolen, namelijk 0 en 1. 2 zelf is geen binair maar een decimaal getal. BIN 0 1 10 11 100 101 110 111 DEC 0 1 2 3 4 5 6 7 BIN 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 DEC 8 9 10 11 12 13 14 15 Vbn1 BIN  DEC HEEN A 1010 00112 = ?10 B 1100 01012 = ?10 C 1111 11112 = ?10 Vbn2 DEC  BIN TERUG A 20010 = ?2 B 24110 = ?2 C 6310 = ?2

OKTaal 8-tallig Decimaal zijn er 10 symbolen, binair 2 en oktaal 8. Die 8 symbolen zijn 0,1 , ,7. De eerste getallen zien er als volgt uit: OKT 0 1 2 3 4 5 6 7 DEC 0 1 2 3 4 5 6 7 OKT 10 11 12 13 14 15 16 17 DEC 8 9 10 11 12 13 14 15 Vbn3 OKT  DEC HEEN A 3278 = ?10 B 778 = ?10 C 2778 = ?10 Vbn4 DEC  OKT TERUG A 24410 = ?8 B 9910 = ?8 C 35010 = ?8

HEXadecimaal 16-tallig Er moeten in het 16-tallig stelsel 16 symbolen zijn, de gewone 0 t/m 9 aangevuld met 6 nieuwe tekens. We kiezen de eerste hoofdletters daarvoor: A, B, …, F. De eerste getallen zien er als volgt uit: HEX 0 1 … 9 A B … F DEC 0 1 … 9 10 11 … 15 HEX 10 11 … 19 1A 1B … 1F DEC 16 17 … 25 26 27 … 31 Vbn5 HEX  DEC HEEN A 12316 = ?10 B AA16 = ?10 C 1FF16 = ?10 Vbn6 DEC  HEX TERUG A 24410 = ?16 B 9910 = ?16 C 35010 = ?16

snelle omrekeningen Het grote voordeel van het 16-tallig stelsel is dat je er heel eenvoudig mee kunt omrekenen naar binair (vv). Omdat 24 = 16 is elk 16-tallig cijfer te schrijven als 4 binaire cijfers. Computeraars gebruiken het 16-tallig stelsel om snel binaire getallen op te kunnen schrijven. Kijk maar eens: Vbn7 BIN  HEX A 1100 10102 B 1001 11112 C 1100 00012 1100 00012 = (8 + 2) (1) 1100 00012 = (A) (1) 1100 00012 = A116 1001 11112 = (8 + 1) (8 + 4+2+1) 1001 11112 = (9) (F) 1001 11112 = 9F16 1100 10102 = (8 + 4) (8 + 2) 1100 10102 = (12) (10) 1100 10102 = CA16 Oktaal geldt iets soortgelijks. Omdat 23 = 8 is elk 8-tallig cijfer te schrijven als 3 binaire cijfers. Kijk maar weer eens: Vbn8 BIN  OKT A 110 1102 B 101 1112 C 111 0012 111 0012 = (4 + 2+1) (1) 111 0012 = (7) (1) 111 0012 = 718 101 1112 = (4 + 1) (4+2+1) 101 1112 = (5) (7) 101 1112 = 578 110 1102 = (4 + 2) (4+2) 110 1102 = (6) (6) 110 1102 = 668

I OPTELLEN Rekenregels binair optellen: 0 + 0 = 00 1 + 0 = 01 0 + 1 = 01 1 + 1 = 10 A 1100 0101 1010 0011 1 0110 1000 B 197 163 360

II VERMENIGVULDIGEN A 1210 = 8 + 4 = 23 +22 = 11002 D 1100 0101 110 2410 = 16+ 8 = 24 +23 = 110002 1100 0101 110 1 100 0 1010 11 0001 0100 100 1001 1110 D B 1210 = 11002  2410 = 110002 keer 2: komma 1 naar rechts C 610 = 1102  2410 = 110002 keer 4=22: komma 2 naar rechts Check: 1100 01012=19710 1102=6 6x197 = 1182 610 = 1102  4810 = 1100002 keer 8=23: komma 3 naar rechts keer 2n: komma n naar rechts

III DELEN A 3610 = 32 + 4 = 25 +22 = 1001002 910 = 8+1 = 23+20 = 10012 101 1100,0000 10,01100 101 10,00 110 1000 11 F B 3610 = 1001002  910 = 10012 delen door 4=22: komma 2 naar links C delen door 2  komma 1 naar links delen door 8  komma 3 naar links D decimaal: 6 : 4 = 1,5 binair: 1102 : 1002 = 1,12 E 0,5010=2-1=0,12 0,2510=2-2=0,012

IV OKTAAL A OKT  BIN 3548 = (2+1) (4+1) (4) = 11 101 1002 B OKT  DEC DEC  BIN

V AD-OMZETTER A Een Analoog  Digitaal omzetter verdeelt de 0 – 5 V in een aantal gelijke stukken, die van links naar rechts genummerd worden. Bij 1 bit gaat het om 1 binair getal, en zijn er dus twee stukjes. Bij 2 bits gaat het om 22=4 stukken, bij 8 bits om 28 = 256 stukken. 0 1 0 0 01 10 11 B Stapgrootte 5 V /256 = 0,01952 0,0195 V/stap C Eerst omrekenen naar DEC Je begint bij 0 te tellen, dus 162 maal de stapgrootte 162 x 0,0195 = 3,159 3,2 V 3,2 Volt 1010 0011

AUTOMATEN II SYSTEEMBORD

WERKEN MET HET SYSTEEMBORD SYSTEEMBORD bevat logische componenten die werken op TTL-logica: ze werken bij een spanning van 0 – 5 V (computers gebruiken TTL-logica). Wij noteren altijd: 0 V LAAG 0 BIN 5 V HOOG 1 BIN In dit practicum moet je nette tekeningen maken van de schakelingen: Sensoren links, verwerkers midden, apparaten rechts Verbindt de componenten met rechte lijnen (geen spaghetti!). Een lampje moet aangaan als er meer geluid wordt waargenomen dan ingesteld. Het lampje moet ook handmatig (drukschakelaar) aangezet kunnen worden. M DS OF

Proef 123 NIET, EN, OF Tabellen met alle mogelijkheden zijn het duidelijkst! S - S 0 1 S1 S2 S1ENS2 -S1 -S1ENS2 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 S1 S2 S1OFS2 -S1 -S1ENS2 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1

Proef 45 OOIT, ALS . . DAN Als de dief de IR-straal onderbreekt, dan wordt de ingang van de INVERTOR laag en dus de uitgang HOOG. Het geheugen wordt dan AAN gezet. ALS Vin > Vref DAN Vuit = HOOG Met de comparator kun je automaten beslissingen laten nemen: afhankelijk van de spanning die de sensor levert moet er A of juist B gebeuren TEGENKOPPELING T IN K Temperatuur wordt laag Vin<Vref dus Vuit wordt LAAG  UIT invertor HOOG  RELAIS zet Kachel AAN  Huis wordt opgewarmd Temperatuur te hoog  Vin> Vref dus Vuit wordt HOOG  UIT invertor LAAG  RELAIS zet Kachel UIT  Huis koelt langzaam af

Proef 67 AD-omzetter & TELLER ANALOOG DEC BIN 0 ,00 – 0,31 0000 2,50 – 2,81 8 1000 0,31 – 0,62 1 0001 2,81 – 3,12 9 1001 0,62 - 0,94 2 0010 3,12 – 3,44 10 1010 0,94 – 1,25 3 0011 3,44 – 3,75 11 1011 1,25 – 1,57 4 0100 3,75 – 4,07 12 1100 1,57 – 1,88 5 0101 4,07 – 4,38 13 1101 1,88 – 1,19 6 0110 4,38 – 4,69 14 1110 1,19 – 2,50 7 0111 4,69 – 5,00 15 1111 4 bits  24 = 16 ,mogelijkheden  stapgrootte 5,0/16 = 0,3125 (V) TEL Als Vin 0  5 dan TELLER 1 omhoog A/U Standaard AAN, anders aan bij HOOG RESET Als Vin HOOG dan TELLER op 0 TEL LER a/u r tel 8 4 2 1 1 Hz

Proef8 IJKGRAFIEKEN Lineaire Temperatuursensor Niet-lineaire Lichtsensor Bereik: 0 – 300 Lux Gemiddelde gevoeligheid L Lineaire Temperatuursensor Bereik: -20 – 200 oC Gevoeligheid T Afstandswet: Hoe neemt de spanning af met de afstand tot de sensor?

SENSOREN Sensor zet gemeten informatie uit de buitenwereld om in voltage dat de computer kan verwerken (TTL-logica, dus in een spanning van 0 – 5 V) Temperatuursensor Microfoon of geluidsensor Lichtsensor Drukschakelaar Variabele spanning Pulsgenerator AD-omzetter (0 – 5 Volt  4 bits BIN) 1 Hz T M L DS 8 4 2 1

VERWERKERS Verwerkers zetten ingangssignalen om in uitgangssignalen volgens simpele logische regels (EN, OF, NIET, OOIT, ALS .. DAN .., TEL) IN EN OF M s r A B A EN B A OF B 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 Als OOIT SET hoog geweest is dan is M hoog, tot RESET HOOG A - A 0 1 Vin Vuit COMPARATOR= ALS .. DAN .. Vuit wordt hoog als Vin>Vref Vref TEL LER a/u r tel 8 4 2 1 TELLER Zolang AAN = HOOG en RESET = LAAG wordt de teller 1 opgehoogd als TEL van 0 naar 1 gaat

ACTUATOREN ACTUATOREN ondernemen aan ACTIE als het ingangssignaal HOOG is, sommige werken op TTL logica, andere op 230 V LED AAN als Vin = 5 V Z ZOEMER AAN als Vin = 5 V RELAIS zet schakelaar AAN als Vin = 5 V

III AUTOMATISCHE SYSTEMEN AUTOMATEN III AUTOMATISCHE SYSTEMEN

Drie soorten automatische systemen MEETSYSTEEM Produceert automatisch informatie over de buitenwereld in een voor de gebruiker prettige vorm. Vbn Dataloggers, meetcomputers Op school leer je werken met COACH en met DATA-studio. STUURSYSTEEM SENSORMEETPANEELCOMPUTER Onderneemt onder bepaalde omstandigheden een afgebakende, specifieke actie In een stuursysteem wordt altijd gemeten, de meting is alleen niet zichtbaar Vbn ALARM-installaties, Afstandsbediening voor tv of garagedeur REGELSYSTEEM Systeem waarin informatie uit de buitenwereld teruggekoppeld wordt om afhan-kelijk van die informatie verschillende soorten actie te ondernemen om gewenste toestanden te laten ontstaan. In een regelsysteem wordt altijd gemeten Vbn Thermostaat

8 4 2 1 Vbn1 AD-omzetter A Wat is het uitgangssignaal als op een 4 bits AD-omzetter 1,71 V staat? B Wat is het uitgangssignaal als op een 8 bits AD-omzetter 1,71 V staat? 4 bits  24 = 16 stappen 5 V /16 = 0,3125  0,31 V/stap 1,71/0,3125 = 5,472  vakje 5 computer begint te tellen bij 0  rangnummer 4  410 = 01002 8 bits  28 = 256 stappen 5 V /256 = 0,01952 0,0195 V/stap 1,71/0,0195 = 87,69  vakje 87 computer begint te tellen bij 0  rangnummer 86 8610 = 64 + 22= 64 + 16 + 4+2 = 0101 01102

Vbn2 Temperatuuralarm TEL LER a/u r M s EN tel 1 Hz T TEL LER a/u r tel M s DS A T hoger dan ingesteld  teller gaat aan  na 3 sec geheugen en dus zoemer aan B De tijden worden opgeteld: na 1 + 1 + 1 sec is de 3 bereikt en gaat het alarm af. Wat moet je doen om achtereenvolgens te automatiseren?

Vbn3 Brandmelder A Z M s EN IN T 1 Hz IN DS TEL LER a/u r tel 8 4 2 1 M s Z B De INVERTOR reset telkens de TELLER als de T te laag, vandaar dat deze automaat allleen af gaat als er 5 achtereenvolegnde seconden een te hoge T is

Vbn4 Thermostaat IN K Vuit (V) Tref = -10 + 0,5 x100 = -10 + 50 =40 oC Temp. te LAAG  UITGANG comp LAAG  UIT IN HOOG  Relais AAN  dompelaar AAN Temp. te HOOG  UITGANG comp HOOG  UIT IN LAAG  Relais UIT  dompelaar UIT Vuit (V) T (oC) 5 -10 90 Tref = -10 + 0,5 x100 = -10 + 50 =40 oC Twater = 34 oC water te koud  dompelaar AAN dompelaar AAN als het WARM is en UIT als het KOUD is  systeem INSTABIEL Systeem scharniert op INVERTOR  INVERTOR klapt om bij 1,5 V  dat is bij -10 + 0,3x100 =20 oC  Temperatuur wordt afgeregeld op 20 oC!

Vbn5 mee- en tegenkoppeling A Stuur iets te veel naar links  tegensturen naar rechts  je buigt naar rechts A Stuur iets te veel naar rechts  tegensturen naar links  je buigt naar links – x1,5 –x1,5 B kamer veel te koud  kachel K wordt loeiheet  K nog niet koud als norm gehaald  T schiet iets door x1,5 C Meekoppeling: systeem schiet door: te laag  nog lager te hoog  nog hoger x1,5

AUTOMATEN IV ONTWERPEN

Vbn1 BAKEN B Waarheidstabel t/m 16 DEC BIN IN EN LED DEC BIN IN EN LED 0 0000 1 0 1 0001 0 0 0 0010 1 0 1 0011 0 0 0 0100 1 0 1 0101 0 0 0 0110 1 1 1 0111 1 1 1 1000 1 0 1 DEC BIN IN EN LED 8 1000 1 0 1 9 1001 0 0 0 10 1010 1 0 1 11 1011 0 0 0 12 1100 1 0 1 13 1101 0 0 0 14 1110 1 1 1 15 0111 1 1 1 16 10000 1 0 1 A Betekenis gebruikte componenten: TELLER  1 ophogen als TEL L  H INVERTOR  omkeerder, H  L en L  H EN-poort  alleen H als beide ingangen H OF-poort  H als een van de ingangen H LED  geeft licht als ingang H C Zoals je aan de grafiek ziet is geeft het baken het signaal KORT – KORT - LANG

Vbn2 HARDLOOPWEDSTRIJD C COMMENTAAR BIJ DE SCHAKELING Schakelaar A in  geheugen aan  tellers tellen Schakelaar B in  geheugen uit  tellers stoppen op eindtijd Schakelaar C in  tellers worden gereset beide op 0 dus

Vbn3 LOGISCHE REGELS A B A B A B - A - B (-A EN –B) = - (A OF B) 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 A B A B A B - A - B (-A OF –B) = - (A EN B) 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0

Vbn4 GEHEUGELCEL MAKEN druk op SET  UIT OF H set reset druk op SET  UIT OF H Standaard: UIT IN HOOG UIT EN H SET LOS  LED UIT set reset Terugkoppellus van EN naar OF: Info over toestand lamp gebruikt Lamp AAN  blijft AAN Lamp UIT  blijft UIT

Vbn5 ALLERLEI ALARMEN A Dit is het allersimpelste alarm: het kan AAN gezet worden (boven) en door een an-dere knop UIT gezet (onder). B Je wilt niet dat het alarm te snel aan gaat. C Meer rook dan ingesteld, betekent een hoog signaal uit de comparator, dan gaat het alarm aan. D Meer rook dan ingesteld, betekent een hoog signaal uit de comparator, zodat de teller AAN gaat. Als de teller bij 8 is gaat het geheugen – en dus het alarm – aan. Als er minder dan 8 sec te veel rook is wordt de teller gereset en begint het tellen dus opnieuw. Zonder de invertor ging het alarm ook af na 5+3 sec te veel rook

Tips bij het ontwerpen Wat is het probleem dat je moet oplossen? Schrijf dat op. Heb je een goed idee hoe het aan te pakken? Schrijf op! Welke componenten zijn er nodig voor dit probleem? Leg sensoren links, verwerkers in het midden en apparaten rechts. Werk met logische deelsystemen (horizontale lagen). Test eerst de deelsystemen en plak dan alles aan elkaar Weet je het niet meer? Werk van achteren naar voren!

AUTOMATEN V EXAMENOPGAVEN

I DIGITALE KLOK B A tel C a/u r D 15 u  7+4+2+1 = 11112 UUR r EN 4 8 MIN 4 8 16 32 tel SEC 1 B TEL MIN tel a/u r A C D 15 u  7+4+2+1 = 11112 7 m  4+2+1 = 1112 43 s 32+8+2+1 = 10 10112 H 3 sec per 24x3600 = 86.400 is niet zo veel, procentueel: I De pulsenteller stond dus 0,0035% te hard: 1,000000  1,000035 pulsen/sec

II ALARM EN REGELSYSTEEM te weinig vocht meten  uitgang comparator laag  teller AAN  op t= 7 sec geheugen aan  vochtverstuiver verstuift vocht totdat er voldoende vocht is te weinig vocht meten  uitgang comparator laag  teller AAN  op t= 7 sec geheugen aan  ZOEMER blijft afgaan tot D UIT zet

III WATERTANK Vuit (V) h (cm) 5 20 70 A Niveau te LAAG  UITGANG comp LAAG  UIT IN HOOG  Relais AAN  kraan OPEN Niveau te HOOG  UITGANG comp HOOG  UIT IN LAAG  Relais UIT  kraan DICHT B Vuit (V) h (cm) 5 20 70 C 44 cm = 20 + 24 cm  44 cm = (24/50)x5= 2,4 V 2,4 > 2,0 V  niveau te hoog  kraan dicht D Meekoppeling: Kraan open als niveau te hoog Kraan dicht als niveau te laag E Hoogte niet meer te regelen  Uref = 1,3 V  h = 20+1,3x10=20+13 =33 cm

IV LICHTSENSOR A In het donker is de gevoelig-heid hoog B In het licht laag

V BAKEN EN AD-OMZETTER BIN 1OF2 -(4OF8) LED=EN BIN 1OF2 -(4OF8) LED=EN 0000 0 1 0 0001 1 1 1 0010 1 1 1 0011 1 1 1 0100 0 0 0 0101 1 0 1 0110 1 0 1 0111 1 0 1 1000 0 0 0 BIN 1OF2 -(4OF8) LED=EN 1000 0 0 0 1001 1 0 0 1010 1 0 0 1011 1 0 0 1100 0 0 0 1101 1 0 0 1110 1 0 0 1111 1 0 0 10000 0 1 0 Maak een herhalingslus van 10 seconde: Eerst 7 sec uit Dan op t = 7 voor 3 sec AAN Op t=10 resetten zodat lus opnieuw kan starten Er zit een periode van 16 sec in het baken: eerste 8 sec: twee maal 1 sec UIT en 3 sec AAN tweede 8 sec: UIT

VI AUTOLAMPEN A Je wilt dat er gezoemd wordt als EN de motor uit en de lamp aan. Er moet dus geen signaal van de motor komen (invertor) en wel een signaal van de lamp. A Je wilt dat er alleen gezoemd wordt als de motor uit en de lamp aan vlak nadat en de motor en de lamp aan waren. Dus alleen alarm als A: 10 tegelijk met B 11. A B C D E F G H J 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 ? ? ? ? ? 0 0 0 1 1 1 0 1 0

VII REKENMACHINE A Omrekenen DEC  BIN B Eerst optellen dan omrekenen en checken: A B AOFB -AENB ?=EN ?=OF 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 Dus ?=EN werkt goed!

VIII AUTO'S TELLEN A Fietsen leveren lagere wieldruk  LER a/u r tel 8 4 2 1 A Fietsen leveren lagere wieldruk  pref zo hoog, fietsen niet geteld auto’s wel ! B Elk 2e wiel wordt geteld, en onmiddellijk wordt A gereset! C Omrekenen BIN  DEC: D Omdat 4 + 32 + 64 = 100, telt C de honderdtallen. Teller B geeft de rest: Aantal auto’s N = 100xC+B=100x76+56=7.656

IX ALARMINSTALLATIE A Als M1 LAAG moet de teller uit en moet er gereset worden, als M1 HOOG moet de teller aan en moet er NIET gereset worden. Vandaar de lijn en de invertor. IN B Er zijn 30 sec voor 8 bliepjes, dus de frequentie is C Er moet een geheugencel in het blok die: AAN gaat op 1 UITgaat op 4 Zde teller reset op 4s M s r

X DE QUIZ BLOK I (1) Als B en C nog niet gedrukt hebben moet dit blok een hoge uitgang hebben: het is dus NIET zo dat B OF C heeft gedrukt. Er is ook een oplossing met NIET NIET EN, maar die oplossing mag niet want je moest kiezen voor het minste aantal verwerkers. Zie de opgave over wetten van De Morgan hier boven. BLOK II (3) Als uit Blok I een hoge waarde komt – omdat er nog niemand heeft gedrukt – EN als van A een hoge waarde komt – omdat deze als eerste drukte – dan moet Blok II een hoge waarde leveren. Het is dus een EN-poort. BLOK III (4) Dat A als eerste heeft gedrukt moet in de geheugencel op-geslagen worden, omdat alleen dan LED A blijft branden. M s r IN OF EN

EINDE