Các tham số điện và quang của UVLED ký hiệu SB1100UV có bước sóng phát xạ 365nm do nhà sản xuất cung cấp được liệt kê ở bảng 3.1. Chúng ta thấy rằng điện áp phân cực UVLED từ 3.4 đến 4 Vdc và dòng cho phép qua từ 350mA
đến 700mA.
Bảng 3. 1: Tham số quang và điện của UVLED SB1100UV-365 305H[15].
Thông số Giá trị Đơn vị
Công suất chiếu xạ 200 mWatt
Bước sóng đỉnh 365 nm
Độ rộng của dải bước sóng 10 nm Áp AK ứng với dòng phân cực thuận 350mA 3.4 Volt Áp AK ứng với dòng phân cực thuận 700mA 4.0 Volt
Lưu ý: Công suất chiếu xạ 200mWatt ứng với dòng phân cực thuận là 700mA và sai số là +/-10%.
3.1.2. Các thông số cực đại khi hoạt động
Bảng 3. 2: Các tham số nhiệt độ của UVLED khi hoạt động ứng với dòng cực
đại cho phép 306H[15].
Thông số Giá trị Đơn vị
Dòng phân cực thuận lớn nhất 1000 mA Dòng phân cực thuận lớn nhất với chếđộ xung 1000 mA Nhiệt độ hoạt động -25~85 0C Nhiệt độ cất giữ -30~100 0C Nhiệt độ mối nối 125 0C Nhiệt độ mối hàn 280 0C Lớp độ nhạy ESD Lớp 2
3.1.3. Các biểu đồ thuộc tính của UVLED
Cũng căn cứ vào tham số kỹ thuật nhà sản xuất, một sốđặc tuyến kỹ thuật của UVLED này được biết đến:
(a) (b)
Hình 3. 1: Dòng UVLED phụ thuộc vào (a) đặc tuyến quan hệ giữa công suất chiếu xạ và (b) độ lệch bước sóng trung tâm 307H[15].
Từ đặc tuyến, ta nhận thấy rằng nếu ta thay đổi dòng điện qua UVLED thì ta sẽ thay đổi được công suất bức xạ của UVLED. Bước sóng bức xạ cũng bị lệch khi dòng tăng.
Quan sát đồ thị cho thấy có thểđiều khiển áp trên AK của UVLED đểđiều khiển dòng qua LED. Nhưng ta thế giá trị thay đổi của áp AK chỉ trong khoảng từ 3,4V đến 4,4V. Trong khi dòng điện qua LED thay đổi từ 50mA đến 700mA. Như vậy việc điều khiển áp AK sẽ khó khăn.
Hình 3. 3: Quanhệ giữa cường độ bức xạ và góc phát của UVLED.
Với góc phát là 00 thì cường độ bức xạđạt 100%, như thếở trung tâm của vòng tròn quầng sáng khi chiếu vào mặt phẳng cường độ bức xạ là 100% và giảm về gần 0% khi góc phát nhỏ hơn 700. Điều này rất quan trọng trong việc bố trí LED cho hợp lý để khi xét cường độ chiếu xạ trên bề mặt phơi nhiễm thì cường
độ chiếu xạ gần như bằng nhau.
3.2. Phương pháp điều khiển công suất chiếu xạ
3.2.1. Điều khiển dòng bằng thay đổi áp trên UAK
U1 LM317 3 1 2 VIN A D J VOUT R2 4K2 D2 UVLED J1 Nguon 1 2 R3 2K R1 2K4 D1 UVLED Vout=[3.4--4.4]V ) ( 3 1 ) ( 25 . 1 2 3 1 2 I R R R R R V Vout + Adj + + + = [3.1]
Hình 3. 5: Sơđồ mạch điều khiển điện áp UAK của UVLED bằng LM317.
Một sốđặc điểm khi dùng phương pháp điều khiển:
. Việc điều khiển áp thực hiện bằng điều chỉnh biến trở do đó áp đặt vào UVLED độ chính xác không cao.
. LM317 cho phép dòng điện qua tối đa là 1.5A do đó lượng UVLED mắc vào tối đa là 2 UVLED. Do vậy với mạch nhiều UVLED phải dùng nhiều IC LM317.
. Việc giao tiếp điều khiển tựđộng bằng vi điều khiển là rất phức tạp.
. Do dòng điện qua UVLED và LM317 liên tục do vậy việc giải nhiệt cho UVLED và IC LM317 là rất quang trọng.
. Quan hệ giữa dòng điện và điện áp qua UVLED là không tuyến tính do đó thay đổi điện áp thì công suất thay đổi không tuyến tính theo điện áp
3.2.2. Điều khiển dòng bằng thay đổi độ rộng xung (PWM) Vcc Vcc MCU PWM UVLED P60N06 R (a) (b)
Hình 3. 6: Mạch điện công suất cho UVLED: (a) dùng PWM điều khiển công suất của UVLED và (b) các dạng xung của tín hiệu V, I và thời gian kích xung.
CC off on on tb I T T T I + = [3.2] Khi điều khiển dòng qua UVLED dưới dạng xung thì điện áp trên 2 đầu của UVLED cũng có dạnng xung, do tính chất của UVLED không có tính cảm kháng cũng như dung kháng nên dòng qua UVLED cũng có dạng giống như dạng điện áp. Như vậy, khi ta thay đổi độ rộng xung áp thì độ rộng xung dòng điện cũng thay đổi theo, vì vậy ta có thể thay đổi dòng điện trung bình qua UVLED bằng cách thay đổi độ rộng xung áp. Một số đặc điểm nổi bật khi dùng phương pháp
điều khiển công suất bằng điều chế PWM:
. Phần cứng kết nối đơn giản làm hệ thống gọn nhẹ, giảm chi phí
. Các vi điều khiển hiện tại hầu hết có tích hợp PWM nên rất thuận tiện cho việc lập trình điều khiển tựđộng
. Do LED và Transistor làm việc ở chế độ xung nên giảm các ảnh hưởng của nhiệt độ, vấn đề giải nhiệt cũng ít quan trọng.
. Độ phân giải điều khiển có thểđạt (1/1000) Pmax nếu dùng PWM 10bit. . Do đóng, cắt bằng xung nên cho phép dòng tức thì qua LED cao hơn rất nhiều lần khi làm việc liên tục, cường độ tức thì cũng cao, tăng hiệu qua đâm xuyên xâm nhập môi trường.
3.3. Bố trí UVLED cho bức xạ cực đại
3.3.1. Thực nghiêm với LED ánh sáng trắng
(a) (b) (c)
(d) (e) (f) (g)
Hình 3. 7: Các mạch bố trí hình dạng các LED khác nhau sẽ cho độ rọi khác nhau: (a) hình vuông lớn, (b) hình thoi nhỏ và dầy, (c) hình thoi nhỏ và thưa, (d)
hình Ovan nhỏ, (e) theo hình Ovan lớn, (f) hình tròn và (g) hình chữ nhật lớn- nhỏ lồng nhau.
Hình 3.8 cho thấy độ rọi của các bố trí LED ánh sáng trắng thay đổi theo hình dạng và khoảng cách bố trí LED. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Đ R i (L u x ) Kho ng Cách (Cm) Quan H Gi a Kho ng Cách và Đ R i Ovan Nh OvanL n ThoiNh ThoiL n VuôngNh VuôngL n Tròn ChNh tNh ChNh tL n
0 5 10 15 20 25 30 0 5.19 10.3 15.26 19.98 24.44 28.6 32.47 36.03 39.29 42.27 Đ R i Góc Phát (đ ) Quan H Gi a Đ R i và Góc Phát ThoiNho VuôngL n OvanNho ChNhatLon OvanLon ChNhatNh ThoiL n VuôngNh Tròn
Hình 3. 9:Đồ thị cường độ sáng theo góc chiếu.
Qua kết quảđo, chúng tôi tìm thấy sự tương quan giữa góc đo và độ rọi theo hàm
x y=23.379−0.45656 [3.3] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 10 30 50 70 90 Đ R i ( L u x) Ph n Trăm Công Su t (%) Quan H Gi a %Công Su t Và Đ R i OVanNho OvanLon ThoiNho ThoiLon VuongLon VuongNho ChNhatLon ChNhatNho Tròn
Hình 3. 10:Đồ thị mô tảđộ rọi theo công suất từ 100% giảm còn 10%. Nhận xét: qua 3 đồ thị như hình 3.8, hình 3.9 và hình 3.10, ta thấy bố trí LED theo hình vuông nhỏ tối ưu nhất trong các hình khi thay đổi góc chiếu và
khoảng cách chiếu hơn cả. Do khi chiếu diệt khuẩn sẽ chiếu vào ống nghiệm dài, tác giả sẽ thiết kếđèn chiếu theo hình chữ nhật.
3.3.2. Cơ sở quang học bố trí UVLED
Hình 3. 11: Phân bố cường độ chiếu xạ của UVLED theo góc phát.
LED 1 LED 2 LED 3 LED 4 LED 5 LED 6 LED 7 LED 8 LED 9 LED 10
LED 11 LED 12 LED 13 LED 14 LED 15 LED 16 LED 7 LED 18 LED 19 LED 20
LED 21 LED 22 LED 23 LED 24 LED 25 LED 26 LED 27 LED 28 LED 29 LED 30
LED 31 LED 32 LED 33 LED 34 LED 35 LED 36 LED 37 LED 38 LED 39 LED 40
Hình 3. 12: Phương pháp bố trí LED để cường độ chiếu xạ trên bề mặt phơi nhiễm gần như bằng nhau.
Theo lý thuyết về ánh sáng cường độ sáng tại một điểm sẽ bằng tổng cường độ
các nguồn sáng phát đến điểm đó. Như vậy khi ta bố trí các LED so le nhau thì bề mặt chiếu xạ gần như bằng nhau như minh họa hình 3.12.
3.4. Thiết kế mạch điều khiển 3.4.1. Sơđồ khối hệ thống MCU Power supply Key Pad Memory Power Interface Control UVLED Real Time Therminal Sensor Computer communication
Hình 3. 13: Sơđồ khối thiết bị diệt khuẩn dùng tia tử ngoại.
3.4.2. Mô tả chức năng và thiết kế các khối
Chi tiết sơđồ mạch và linh kiện được trình bày trong phần phụ lục.
Nguồn (Power supply)
Bộ phận này cấp nguồn điện 5V ổn định cho toàn bộ hệ thống. Do đây là bộ
nguồn cấp cho cả phần công suất và phần điều khiển nên đòi hỏi phải có dòng cao, do UVLED tiêu thụ dòng lớn. Phương án lựa chọn: do thời gian thực hiện đề
tài bị giới hạn nên tác giả chọn phương án sử dụng bộ nguồn máy tính.
Vi điều khiển (Micro Controller Unit, MCU)
MCU sẽđiều khiển toàn bộ hệ thống như nhận thông số cài đặt từ người dùng
điều khiển công suất bức xạ, thu nhận tín hiệu từ cảm biến bảo vệ khi bị quá nhiệt, lưu trữ thông số vào bộ nhớ,...Xét đến các yếu tố tốc độ xử lý, bộ nhớ, các bộ phận cần thiết, giá thành, khả năng mở rộng..vv. Tác giảđã chọn vi điều khiển ATMEGA64 với tốc độ thạch anh là 11,0592 Mhz để thuận tiện cho việc đồng bộ giao tiếp máy tính.
Power interface
Khối này thực hiện nhiệm vụ nhận tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM
điều khiển MOSTFET đóng cắt điều khiển dòng trung bình qua UVLED. Trong phần này việc thực hiện nhiệm vụ đóng cắt dòng qua UVLED có thể thực hiện bằng transistor, nhưng do dòng qua UVLED lớn, trong khi đó vi điều khiển chỉ
cấp dòng tối đa là 20mA. Vì vậy nếu dùng transistor cần phải ghép thêm transistor lái làm mạch phức tạp. Do vậy tác giảđã chọn sử dụng MOSTFET để
thay thế.
Thông số của MOSTFET sẽ phụ thuộc vào số lượng UVLED cần điều khiển. Ở đây số lượng UVLED điều khiển là 10. Đo đó dòng qua MostFet sẽ
khoảng 10A, áp 5VDC=> Chọn MostFet P60N06
Khối màn hình hiển thị:
Khối này thực hiện chức năng hiện thi trạng thái hệ thống, giúp cho người dùng chọn các chếđộ hoạt động, nhập thông sốđiều khiển như: thời gian chiếu, công suất chiếu; giám sát hoạt động của hệ thống; cài đặt ngày tháng..vv; xem lại các lần chiếu xạ,…Do yêu cầu về độ lớn của màn hình; các chi tiết hiển thị tác giảđã lựa chọn màn hình Gaphic LCD để sử dụng trong đề tài này; tuy nhiên tác giả cũng thiết kết đồng thời chân cắp cho màn hình Text LCD trong trường hợp muốn sử dụng màn hình giá thành rẻ hơn, dễđiều khiển hơn và để giảm giá thành hệ thống nếu cần
Khối bộ nhớ
Chúng thực hiện lưu trữ thông tin về cường độ chiếu xạ và thời gian chiếu xạ
phục vụ cho việc thống kê dữ liệu khi kết nối với máy tính. Để tiết kiệm cổng giao tiếp, tác giả chọn bộ nhớ giao tiếp theo chuẩn I2C (AT24C64).
Khối dallas
Khối này cung cấp thời gian thực cho hệ thống, phục vụ cho các tiện ích tự động chiếu xạ, hiện thông tin kèm theo khi lưu trữ trong bộ nhớ, bộ nhớ RAM trong dallas còn có chức năng lưu trữ con trỏ bộ nhớ của EEROM I2C. Ta chon
phương án giống như bộ nhớ I2C EEROM, để tiết kiệm bộ nhớ và làm cho hệ
thống nhỏ gọn, tác giảđã chọn IC thời gian thực của hãng Dallass DS1307.
Cảm biến nhiệt
Chức năng cảm nhận nhiệt độ trên UVLED chuyển về cho MCU xử lý, trong trường hợp qua nhiệt để không làm hỏng UVLED vi điều khiển phải ngắt nguồn cung cấp cho UVLED ngay. Ta dùng cảm biến DS18B20, đây là cảm biến nhiệt có độ phân giải cao cho phép giao tiếp chỉ bằng 1 đường kết nối và có thể mở
rộng nhiều cảm biết.
Giao tiếp máy tính
Thực hiện chức năng kết nối với máy tính giám sát hoạt động của thiết bị,
điều khiển hoạt động trực tiếp từ máy tính, kiểm tra lịch sử chiếu xạ của thiết bị.
Để thuận tiện cho việc tương thích với tất cả các máy tính hiện nay và việc lập trình giao tiếp đơn giản tác giả đã lựa chọn chuẩn giao tiếp với máy tính bằng cổng USB ảo (dùng IC PL2030)
Chi tiết sơ đồ nguyên lý tổng thể của hệ thống được trình bày trong phần phụ lục 3.
Hình 3. 14: Tổng thể thiết bị diệt khuẩn sử dụng UVLED.
Hình dưới là mạch điều khiển cường độ cấp cho UVLED đã thực hiện với màn hình LCD để hiển thị giao diện thao tác.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Hình 3.15: Màn hình giao diện điều khiển trên LCD: (a) Màn hình Menu chính; (b) Màn hình lựa chọn các chế độ Auto, (c) nhập thông số chế độ Manual, (d) hiển thị kết nối với máy tính, (e) hiển thị cài đặt lại thời gian và địa chỉ bộ nhớ
Hình 3.16: Màn hình giám sát hệ thống trong quá trình chiếu.
3.5. Chương trình điều khiển
Khi khởi động thiết bị hiển thị màn hình chào, để qua các màn hình này người dùng nhấn bất kì phím nào trên bàn phím. Sau đó màn hình lựa chọn tính năng hiện ra. Để lựa chọn tính năng ta nhấn các phím tương ứng với thứ tự trên danh sách. Tuỳ vào phím người dùng nhấn mà thiết bị sẽ chuyển đến thực hiện chức năng tương ứng: 1. AutoSetup: chọn những chế độ chiếu đã cài sẵn, 2. Manual: Người dùng tuỳ ý chọn thời gian và công suất chiếu, 3. Kết nối với máy tính: thực hiện bắt tay với máy tính (kiểm tra kết nối); nhận lệnh điều khiển của máy tính; truyền thông số chiếu xạ đang thực hiện của thiết bị để máy tính giám sát; truyền lịch sử chiếu xạ lên máy tính,… 4. Chỉnh sửa ngày tháng năm hệ thống; địa chỉ bắt đầu của bộ nhớ EEROM lưu lịch sử chiếu xạ. 5. Xem lại lịch sử chiếu xạ: người dùng có thể xem lại thời gian và công suất đã chiếu trực tiếp trên thiết bị.
3.5.1. Điều khiển qua phím chức năng
Chếđộ tựđộng cài đặt (AutoSetUp)
Chếđộ được cài đặt khi quá trình thực nghiệm đã được thực hiện đủ nhiều
để đưa ra các chế độ thường sử dụng để người dùng có thể thuận tiện trong việc thực hiện chiếu xạ tương ứng với lượng dung dịch và màu sắc của nước. Để lựa chọn chếđộ tựđộng ta chỉ cần nhấn số thứ tự tương ứng trên bàn phím.
Về cơ bản hoạt động của các chế độ tựđộng hoàn toàn giống nhau chỉ khác về thời gian và công suất chiếu; Khi chọn một chế độ tự động thì thời gian và công suất chiếu được cài đặt, thời gian chiếu được đếm ngược cho đến khi hết thời gian, đồng thời thiết bị sẽ kiểm tra các phím ngừng bởi người dùng; các chế độ an toàn: quá nhiệt, quá áp,… bảo vệ LED và dừng ngay khi có sự cố.
Chếđộ điều khiển tay (manual)
Khi chọn chế độ Manual việc đầu tiên người sử dụng phải nhập thời gian chiếu vào, nếu nhập sai người nhập chỉ cần nhập tiếp, số cũ sẽ tự xoá và nhập số
mới, cho đến khi người dùng nhấn Enter. Nếu không muốn tiếp tục chế độ
Manual mà chuyển qua chế độ khác chỉ cần nhấn Mode để trở về Menu hoặc nhấn Exit để về vị trí khởi động hệ thống.
Khi nhập xong thời gian, ta phải nhập tiếp tỉ lệ công suất chiếu. Ởđây, cũng có chếđộ nhập lại như khi nhập thời gian và nhấn Exit; Mode.
Khi nhập xong thời gian chiếu và công suất chiếu thì thiết bị bắt đầu chiếu thời gian đếm ngược. Hệ thống luôn kiểm tra phím nhấn Exit; Mode khi người dùng nhấn sẽ thoát ra ngoài; Khi nhiệt độ và điện áp vượt giới hạn MCU sẽ tự động tắt điều khiển cấp nguồn cho UVLED.
Thay đổi thời gian hệ thống
Thao tác thay đổi ngày tháng năm hay giờ phút giây và địa chỉ bắt đầu bộ
nhớ EEPROM về cơ bản gống như khi nhập thời gian và công suất chiếu xạ. Người dùng sẽ nhập thứ tự giờ/phút/giây; ngày/tháng/năm nếu nhập sai cứ nhập tiếp hệ thống sẽ tự quay lại để nhập lại cho đến khi nhấn Enter hệ thống sẽ nhận