2.2.1 Cảm biến dòng điện và điện áp
Nguyên lý cơ bản của cảm biến: có thể đọc được giá trị dòng điện và điện áp tại cùng một thời điểm.
Thông số yêu cầu đạt được của cảm biến: Sai số của cảm biến ± 1%.
Đo được điện áp từ 0 – 25VDC. Đo được dòng điện từ 0 – 3A.
Đo được công suất khoảng từ 0 – 50W.
Từ những yêu cầu trên, nhóm đã quyết định chọn cảm biến dòng INA219. Module cảm biến dòng INA219 dùng để đo dòng DC với độ chính xác cao. Tích hợp bộ ADC 12 bit, thông qua giao tiếp I2C trả về giá trị dòng điện, độ nhiễu thấp. Bên cạnh đó, cảm biến INA219 còn có thể đo được cả dòng điện và điện áp đồng thời.
Hình 2.26. Cảm biến dòng INA219 [7]. Thông số kỹ thuật của cảm biến INA219 như sau: [7]
Điện áp hoạt động: 3 – 5VDC.
Khoảng điện áp DC đo được: 0 – 26VDC. Dòng tối đa đo được: ± 3.2A.
Độ phân giải: ± 0.8mA.
Địa chỉ I2C: 0x40 (mặc định), 0x41, 0x44, 0x45. Độ phân giải 12 bit.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Khoảng công suất DC đo được: 0 – 83.2W. Chuẩn giao tiếp: TWI/I2C.
Thời gian chuyển mạch: 532𝜇s. Nhiệt độ hoạt động: - 25 ~ 85ºC. Sơ đồ chân của cảm biến INA219:
Hình 2.27. Sơ đồ chân của cảm biến INA219. Dưới đây là chức năng các chân của cảm biến dòng INA219:
Bảng 2.1. Các chân của cảm biến INA219.
Tên chân
Chân số Input/Output Chức năng
IN+ 1 Analog Input Đọc giá trị điện áp.
IN- 2 Analog Input Đọc giá trị dòng điện.
GND 3 Analog GND
VS 4 Analog Nguồn cung cấp, từ 3-5,5V.
SCL 5 Digital Input Truyền tải xung clock để dịch
chuyển dữ liệu. SDA 6 Digital Input/Output Truyền tải dữ liệu.
A0 7 Digital Input Kết nối theo chuẩn I2C.
A1 8 Digital Input Kết nối theo chuẩn I2C.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH GIỚI THIỆU CHI TIẾT VỀ ESP8266
ESP8266-12 là module wifi giá rẻ và được đánh giá rất cao cho các ứng dụng liên quan đến Internet và Wifi cũng như các ứng dụng truyền nhận sử dụng thay thế cho các module RF khác. Với yêu cầu của đề tài là có thể giám sát và gửi dữ liệu lưu trữ thông qua wifi vì thế nhóm đã lựa chọn ESP8266 làm vi điều khiển cho toàn hệ thống.
ESP8266 là một chip tích hợp cao, được thiết kế cho nhu cầu của một thế giới kết nối mới, thế giới Internet of thing (IoT). Nó cung cấp một giải pháp kết nối mạng Wi-Fi đầy đủ và khép kín, cho phép nó có thể lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải tất cả các chức năng kết nối mạng Wi-Fi từ một bộ xử lý ứng dụng.
ESP8266 có xử lý và khả năng lưu trữ mạnh mẽ cho phép nó được tích hợp với các bộ cảm biến, vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác thông qua GPIOs với một chi phí tối thiểu và một PCB tối thiểu.
ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn, cung cấp nhiều Module lập trình mã mới giúp nhiều người có thể tiếp cận và xây dựng ứng dụng rất nhanh.
Hình 2.28. Kit NodeMCU ESP8266 [8].
Thông số kỹ thuật: [8]
Hỗ trợ Arduino IDE 1 và Arduino ESP8266. Sử dụng module wifi ESP – 12E.
Nguồn vào: cấp nguồn 5V và chương trình thông qua cổng USB. Kích thước: 49 x 24.5 x 13mm.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Phiên bản firmware: Node MCU. Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102.
GPIO tương thích hoàn toàn với firmware – Node MCU. Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin.
GPIO giao tiếp mức 3.3VDC.
Tích hợp led báo trạng thái, nút Reset, Flash. Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino. Tích hợp giao thức TCP/IP.
Hổ trợ nhiều loại anten. 16 chân GPIO.
Hổ trợ SDIO 2.0, UART, SPI, I²C, PWM, I²S với DMA. 1 ADC 10-bit.
Dải nhiệt độ hoạt động rộng: - 40 ~ 125ºC.
Sơ đồ chân Kit NodeMCU ESP8266: [8]
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Thông qua kỹ thuật PWM, việc có thể điều khiển công suất được cung cấp cho tải bằng cách sử dụng tín hiệu ON - OFF.
Một chu kỳ nhiệm vụ hoặc điện chu trình là phần của một giai đoạn trong đó một tín hiệu hoặc hệ thống đang hoạt động. Một khoảng thời gian là thời gian cần thiết để tín hiệu hoàn thành chu kỳ bật và tắt. Một chu kỳ nhiệm vụ (tỷ lệ) có thể được biểu thị như sau:
D = PW T
(2.57) Trong đó: D: là chu kỳ nhiệm vụ.
PW: là độ rộng xung (thời gian hoạt động của xung).
T: là tổng thời gian của tín hiệu. Các hàm chức năng điều chế PWM:
AnalogWrite (pin, dutycycle): cho phép PWM trên chân pin được chỉ định, nhiệm vụ chu kỳ trong phạm vi từ 0 đến PWMRANGE, tức là 1023 theo mặc định.
AnalogWrite (pin, 0): vô hiệu hóa PWM trên chân pin được chỉ định. AnalogWriteRange (new_range): thay đổi phạm vi PWM (chu kỳ nhiệm
vụ).
AnalogWriteFreq (new_frequency): tần số PWM là 1kHz theo mặc định. Hàm này dùng để thay đổi nó với tần số mới. Tần số PWM nằm trong phạm vi 1 – 1000KHz.
2.2.3 Mạch kích và cách ly
Mạch kích và cách ly dùng để kích ngắt và dẫn cho IGBT. Các linh kiện chính sử dụng trong mạch kích:
a) Opto TLP250
Opto là một linh kiện quang điện tử chuyên dùng để truyền tín hiệu điều khiển giữa hai mạch điện có sự chênh lệch cao về điện áp thông qua ánh sáng mà không cần liên hệ với nhau bằng tín hiệu điện. TLP250 dùng để cách ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất như khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn. Cấu trúc của một opto bao gồm một đèn led và một photo tranzitor bên trong nó. Nguyên tắc truyền tín hiệu bằng ánh sáng nên nó được gọi là opto quang. Opto rất hay được sử dụng trong các hệ thống điện – điện tử công suất lớn, dùng để ngăn các xung điện
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
áp cao hay các phần mạch điện công suất lớn có thể làm hư hỏng các ngõ điều khiển công suất nhỏ trên một bo mạch.
Hình 2.30. Hình ảnh opto TLP250.
Hình 2.31. Sơ đồ tương đương của opto TLP250. [9]
Đầu vào của TLP250 đó là led, khi có dòng điện nhỏ IF đi qua hai đầu led (chân 2, chân 3) có trong opto làm cho led phát sáng. Khi led phát sáng làm thông hai cực của photo tranzitor, mở cho dòng điện chạy qua. Điện áp VCC cấp vào chân số 8 cấp nguồn cho tranzitor 1 và tranzitor 2 hoạt động. Ngõ ra của opto TLP250 tại chân số 6 và số 7.
Thông số kỹ thuật cơ bản: [9]
Điện áp cung cấp: 10 – 35VDC. Dòng điện cung cấp: 11mA.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Dòng điện ngõ vào cho phép tối đa: 5mA. Dòng điện ngõ ra tối đa: ± 1.5A.
Thời gian chuyển mạch: 1.5𝜇𝑠 (max). Điện áp cách ly: 2500Vrms (min).
b) Mornsun QA01
Mornsun là bộ nguồn cung cấp năng lượng mô-đun DC-DC thiết kế cho trình điều khiển IGBT. Mornsun có thể vận hành trong điều kiện không tải, bảo vệ ngắn mạch đầu ra, hiệu suất lên tới 80%.
Hình 2.32. Hình ảnh Mornsun QA01. Thông số kỹ thuật cơ bản: [10]
Điện áp ngõ vào: 15VDC.
Điện áp ngõ vào cực đại: 16VDC.
Dòng điện ngõ vào (có tải/không tải): 130/20mA. Điện áp ngõ ra (+Vo/-Vo): +15/-8.7VDC.
Điện áp ngõ ra cực đại (+Vo/-Vo): +15.75/-9.4VDC. Điện áp ngõ ra cực tiểu (+Vo/-Vo): +14.25/-8VDC. Dòng điện ngõ ra (+Io/-Io): +80/-40mA.
Nhiệt độ hoạt động: - 40ºC ~ 105ºC. Sơ đồ chân của mornsun:
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 2.33. Sơ đồ chân mornsun QA01.
Theo sơ đồ chân hình 2.33, chân số 1 (Vin) cấp nguồn vào 15VDC, chân số 7 (+VO) tạo điện áp ra 15VDC, chân số 5 (-VO) tạo điện áp ra -15VDC, chân số 6 (0V) là chân GND. Chân số 7 (+VO) và chân số 5 (-VO) cấp nguồn cho Opto TLP250 hoạt động.
2.2.4 IGBT
Transistor có cực điều khiển cách ly (Insulated Gate Bipolar Transistor) hay còn gọi IGBT là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh bởi Hans W.Beck và Carl F.Wheately vào năm 1982. IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của Mosfet và khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Mặc khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.
Hình 2.34. Ký hiệu IGBT.
a. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động
IGBT rất giống với Mosfet, tuy nhiên ở IGBT có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emiter (cực gốc) với collector (cực máng), mà không phải là n-n như ở Mosfet. Do đó, IGBT có thể coi tương đương với một transistor p- n-p với dòng base được điều khiển bởi một Mosfet.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 2.35. Sơ đồ mạch tương đương của IGBT.
Dưới tác dụng của áp điều khiển UGE > 0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc Mosfet. Các điện tử di chuyển về phía collector vượt qua lớp tiếp giáp n – p như ở cấu trúc giữa base và collector ở transistor thường, tạo nên dòng collector.
b. Đặt tính đóng ngắt của IGBT 13
Do cấu trúc n-p-n điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấp hơn so với Mosfet. Cũng do cấu trúc này làm cho thời gian đóng cắt của IGBT chậm hơn so với Mosfet, đặc biệt là khi khóa lại. Trên hình 2.35 thể hiện cấu trúc tương đương của IGBT với Mosfet và một Tranzitor p-n-p. Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai thành phần: i1 dòng qua Mosfet, i2 dòng qua Tranzitor. Phần Mosfet trong IGBT có thể khóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa cực G và E, do đó dòng i1 = 0, mặc dù vậy i2 sẽ không suy giảm nhanh chóng được do lượng điện tích lũy bên trong chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích. Điều này làm xuất hiện vùng dòng điện kéo dài khi khóa IGBT.
c. Vấn đề bảo vệ IGBT 13
IGBT được sử dụng trong những mạch đóng cắt tần số cao từ 2 đến hàng chục kHz. Vì đóng cắt ở tần số cao nên khi xảy ra sự cố có thể làm phá hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến phá hỏng toàn bộ thiết bị. Sự cố hay xảy ra nhất là quá dòng do ngắn mạch phía tải hoặc từ phần tử có lỗi do chế tạo hoặc lắp ráp.
Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm. Tuy nhiên quá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ dẫn bão hòa đến công suất
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt. Mặt khác, IGBT khi được khóa lại trong thời gian rất ngắn trong khi dòng điện rất lớn dẫn đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trên collector và emiter, lập tức đánh thủng phần tử.
Có thể ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột bằng cách sử dụng các mạch dập RC, mắc song song với các phần tử. Tuy nhiên, các mạch dập có thể làm tăng kích thước và giảm độ tin cậy của thiết bị. Giải pháp tối ưu là làm chậm quá trình khóa của IGBT hay còn gọi là khóa mềm khi phát hiện có sự cố dòng tăng quá mức cho phép.
2.2.5 LCD
Giới thiệu về LCD 20x4
LCD có nhiều loại và số chân của chúng cũng khác nhau nhưng có 2 loại phổ biến là loại LCD 16X2 (14 chân) và loại LCD 20X4 (16 chân), sự khác nhau ở 16 chân có thêm nguồn cung cấp cho đèn nền, còn các chân điều khiển thì không thay đổi. Ở đây nhóm lựa chọn LCD 20X4 vì để có thể hiển thị được dòng điện, điện áp đầu vào, điện áp đầu ra.
Hình 2.36. LCD 20x4.
Bảng 2.2. Các chân của LCD [11]. Chân
số Tên chân Input / Output Chức năng tín hiệu
1 VSS Power GND
2 VDD Power +5V
3 VO Analog Contrast
4 RS Input Register Select. H: data signal, L:
instruction signal
5 R/W Input Read/Write. H: read mode, L: write
mode
6 E Input Enable
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
8 D1 I/O Data 9 D2 I/O Data 10 D3 I/O Data 11 D4 I/O Data 12 D5 I/O Data 13 D6 I/O Data 14 D7 I/O Data (HSB)
15 LED_A Input Backlight Anode
16 LED_K Input Backlight Cathode
Trong 16 chân LCD được chia làm 4 dạng tín hiệu như sau:
- Các chân cấp nguồn: chân số 1 là chân nối mass (VSS), chân thứ 2 (VDD) nối với nguồn, chân thứ 3 (VO) để điều chỉnh độ tương phản thường nối với biến trở, chỉnh cho đến khi thấy được kí tự thì ngừng.
- Các chân điều khiển: chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển lựa chọn thanh ghi. Chân R/W dùng để điều khiển quá trình đọc và ghi. Chân E là chân cho phép dạng xung chốt.
- Các chân dữ liệu: chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao đổi dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD.
- Các chân LED_A và LED_K: chân số 15, 16 là 2 chân dùng để cấp nguồn cho đèn nền để có thể nhìn thấy vào ban đêm.
2.2.6 Truyền dữ liệu chuẩn I2C 14
I2C viết tắt của từ Inter-Integrated Circuit là một chuẩn truyền thông do hãng điện tử Philips Semiconductor sáng lập cho phép giao tiếp một thiết bị chủ với nhiều thiết bị tớ với nhau như hình 2.37.
Hình 2.37. Hệ thống các thiết bị giao tiếp theo chuẩn I2C.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Chuẩn giao tiếp I2C có 2 đường tín hiệu tên là SDA (serial data) có chức năng truyền tải dữ liệu và tín hiệu SCL (serial clock) truyền tải xung clock để dịch chuyển dữ liệu.
Trong hệ thống truyền dữ liệu I2C thì thiết bị nào cung cấp xung clock thì được gọi là chủ (master), thiết bị nhận xung clock được gọi là tớ (slave).
Thiết bị chủ chỉ có một, thiết bị tớ thì có nhiều, mỗi thiết bị tớ sẽ có một địa chỉ độc lập, chuẩn truyền ban đầu dùng địa chỉ 7 bit nên có thể một chủ giao tiếp với 128 thiết bị tớ. Các thiết bị sau này tăng thêm số bit nên có thể giao tiếp nhiều hơn.
Giao diện I2C hỗ trợ tốc độ truyền chuẩn 100kHz hay tốc độ cao 400kHz. Ngoài ra còn hỗ trợ 7 hoặc 10 bit địa chỉ. Được thiết kế nhằm đơn giản hóa quá trình trao đổi với 2 kênh DMA cho truyền và nhận dữ liệu.
Quy trình truyền dữ liệu chuẩn I2C: 15
Quá trình thiết bị chủ ghi dữ liệu vào thiết bị tớ:
Bước 1: Thiết bị chủ tạo trạng thái START để bắt đầu quá trình truyền dữ liệu – các thiết bị tớ sẽ ở trạng thái sẵn sàng nhận địa chỉ từ thiết bị chủ.
Bước 2: Thiết bị chủ gởi địa chỉ của thiết bị tớ cần giao tiếp – khi đó tất cả các thiết bị tớ đều nhận địa chỉ và so sánh với địa chỉ của mình, các thiết bị tớ sau khi phát hiện không phải địa chỉ của mình thì chờ cho đến khi nào nhận trạng thái START mới.
Trong dữ liệu 8 bit thì có 7 bit địa chỉ và 1 bit điều khiển đọc/ghi (R/W): thì bit này bằng 0 để báo cho thiết bị tớ sẽ nhận byte tiếp theo.
Bước 3: Thiết bị chủ chờ nhận tín hiệu bắt tay từ thiết bị tớ. Thiết bị tớ nào đúng địa chỉ thì phát 1 tín hiệu trả lời cho chủ biết.