3.2.1. Sơ đồ khối của hệ thống
Hệ thống gồm các khối với những chức năng khác nhau:
Khối nguồn cấp
Khối điều khiển vận hành Máy tính
Khối nhập thông tin
Hệ thống do nhiều thành phần hết hợp lại với nhau. Mỗi thành phần lại đóng một vài trò quan trọng trong hệ thống:
Khối điều khiển vận hành: là một board Arduino Mega2560, đóng vai trò xử lý các chức năng của hệ thống. Nó nhận dữ liệu từ module đọc RFID là RC522, đọc dữ liệu từ cảm biến dòng ACS712, chuyển thông tin của khách hàng về máy chủ và nhận lại tín hiệu từ máy chủ để điều khiển mạch giao tiếp công suất với tải (bóng đèn).
Cơ sở dữ liệu Vi điều khiển
trung tâm Đọc dữ liệu RFID
Giao tiếp công suất
Vi điều khiển LCD RFID Cảm biến Khối nguồn cấp Khối nhập thông tin Khối điều khiển vận hành
Phần mềm quản lí
Khối máy tính
Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống
Khối máy tính: là một máy tính cá nhân chạy hệ điều hành Microsoft Windows. Đóng vai trò là một máy chủ (Server) lưu trữ tất cả các thông tin khách hàng trong cơ sở dữ liệu viết bằng SQL đồng thời là môi trường để chạy phần mềm để giao tiếp với người quản lí vận hành.
Khối nhập thông tin: là một board Arduino UNO R3, nhận dữ liệu từ module RC522 và chuyển lại cho máy tính để truy xuất cơ sở dữ liệu đồng thời điều khiển màn hình LCD hiển thị các thông tin cơ bản của khách hàng.
Khối nguồn cấp: cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống hoạt động. Nguyên lí hoạt động cơ bản của hệ thống:
Khi quét thẻ RFID lần đầu tiên ở khối nhập thông tin, các dữ liệu cơ bản của khách hàng sẽ được lưu vào cơ sở dữ liệu trên máy chủ, đồng thời các thông tin của khách hàng sẽ được hiển thị lên màn hình LCD. Khi khách hàng cần sử dụng dịch vụ, chỉ cần quét thẻ qua bộ Reader, nếu thẻ có đủ số dư để thanh toán và máy giặt sẵn sàng hoạt động thì hệ thống sẽ cho phép máy giặt hoạt động. Ngược lại, nếu thẻ không đủ tiền hoặc máy giặt đang hoạt động thì hệ thống sẽ ngăn việc quét thẻ của khách hàng.
3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch a. Khối điều khiển vận hành a. Khối điều khiển vận hành
Để nhận biết sự thay đổi sự quá trình hoạt động của máy giặt mà không cần can thiệp quá sâu và phần cứng của máy giặt, nhóm sử dụng module cảm biến dòng ACS712 5A để đo dòng hoạt động của máy. Điểm mạnh của cảm biến này so với các loại cảm biến khác là giá thành rẻ, độ nhạy cao, cấu tạo đơn giản. Việc đọc dữ liệu từ cảm biến cũng rất đơn giản thông qua bộ ADC tích hợp trong vi điều khiển.
Các thông số cơ bản của module ACS712-5A: Điện áp hoạt động: 5VDC
Dòng tiêu thụ trung bình: 20mA Điện trở trong dây dẫn: 1.2mΩ Độ nhạy đầu ra: từ 180-190 mV/A
Do tải sử dụng điện áp xoay chiều nên khi sử dụng module ACS712 không cần quan tâm đến chiều điện áp của tải khi đưa vào cảm biến. Để đo dòng điện xoay chiều thì cần quan tâm đến điện áp hiệu dụng (VRMS) của nó.
Vrms = 𝑉𝑝−𝑝
2 𝑥 0.707 (V) (3.1)
Dòng điện hiệu dụng được tính bằng cách lấy điện áp hiệu dụng vừa đo được chia cho độ nhạy của cảm biến.
Arms = 𝑉𝑟𝑚𝑠
Độ 𝑛ℎạ𝑦 (A) (3.2)
Do điện áp đỉnh thay đổi liên tục, vì vậy để chính xác cần đo nhiều giá trị điện áp đỉnh trong một khoảng thời gian đủ dài.
Bởi vì hệ thống có thể điều khiển bốn tải nên cần đến bốn cảm biến dòng riêng cho từng tải. Cảm biến trả về tín hiệu tương tự nên sử dụng bốn chân ADC (A0-A3) cho việc đọc dữ liệu từ cảm biến.
Sơ đồ kết nối của các cảm biến dòng với mạch MEGA2560:
Hình 3.3. Sơ đồ nối dây ACS712 với Arduino MEGA
Bốn module RFID RC522 giao tiếp với MEGA2560 qua chuẩn SPI. Dùng giao tiếp SPI để truyền dữ liệu giữa các bộ RFID và vi điều khiển bởi vì chuẩn này có tốc độ nhanh (tránh làm sai lệch dữ liệu khi nhiều bộ RFID hoạt động cùng lúc) và nhờ vậy, có thể thêm nhiều module RC522 mà không cần tốn quá nhiều chân của vi điều khiển để giao tiếp.
được sử dụng ở những vị trí cần phát ra âm thanh nhưng không quan tâm đến việc tái tạo âm thanh trung thực, như lò vi sóng, báo cháy và đồ chơi điện tử.
Hình 3.4. Sơ đồ nối chân MEGA2560 với module RFID, RELAY và BUZZER
Để hoạt động được thì các module phải được nối GND chung với vi điều khiển và được cấp nguồn.
b. Khối nhập thông tin
Khối này sử dụng một board Arduino UNO R3 đọc dữ liệu từ module RFID RC522 và truyền về máy chủ đồng thời hiển thị thông tin khách hàng ra màn hình LCD. Ngoài ra còn có thêm một buzzer để báo hiệu khi quét thẻ thành công. Để tiết kiệm chân cho vi điều khiển thì dùng thêm một module chuyển đổi I2C để điều khiển LCD chỉ bằng hai đường tín hiệu và hai chân nguồn. Ngoài ra còn để có thể mở rộng thêm nhiều chức năng về sau này: hiển thị thời gian, led quảng cáo,…
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý khối nhập thông tin
c. Khối nguồn cấp
Mỗi module trong mạch điều khiển vận hành tiêu thụ năng lượng với những mức khác nhau. Cụ thể là: 4 module RC522 là 104 mA + 4 module Relay 1 kênh có opto cách ly là 320 mA + 4 cảm biến dòng ACS712 là 80 mA + 4 buzzer là 120 mA + Arduino MEGA là 100 mA cùng với các linh kiện điện tử khác ta được tổng dòng tiêu thụ của khối này là khoảng 800 mA. Để tiết kiệm chi phí và không gian thì nhóm đã sử dụng một adapter 5V-2A để cung cấp nguồn cho mạch điều khiển, vận hành.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp ngõ vào : 110VAC - 240VAC Tần số điện áp ngõ vào: 50/60Hz Điện áp ngõ ra : 5VDC
Dòng ngõ ra : dòng cực đại lên đến 2000mA. Hiệu suất : 80%.
Điện áp gợn sóng ( răng cưa) : 60mV
Đây là kiểu nguồn xung, là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung. Khác với nguồn tuyến tính cổ điển sử dụng biến áp sắt từ để làm nhiệm vụ hạ áp rồi sau đó dùng chỉnh lưu kết hợp với ic nguồn tuyến tính tạo ra các
cấp điện áp một chiều mong muốn như 3.3V, 5V, 6V, 9V, 12V, 18V, 24V.... Những bộ nguồn như trên thường rất cồng kềnh và tốn vật liệu lên không còn được sử dụng nhiều.
Hình 3.6. Adapter 5V-2A
Các bộ nguồn xung có ưu điểm là giá thành rẻ, gọn, nhẹ dễ tích hợp cho những thiết bị nhỏ gọn, hiệu suất cao. Tuy nhiên lại có nhược điểm là chế tạo đòi hỏi kỹ thuật cao, thiết kế phức tạp, việc sửa chữa cũng khó khăn cho những người mới học , ngoài ra tuổi thọ của nó thường không cao.
Hình 3.7. Cấu tạo bên trong Adapter
Một bộ nguồn xung thường có cấu tạo cơ bản:
Đầu tiên, điện áp đầu vào xoay chiều qua các cuộn lọc nhiễu rồi vào diode chỉnh lưu thành điện một chiều trên tụ lọc nguồn sơ cấp. Tụ lọc nguồn sơ cấp có nhiệm vụ tích năng lượng điện một chiều cho cuộn dây sơ cấp biến áp xung hoạt động. Cuộn dây sơ
cấp của biến áp xung được cấp điện theo xung cao tần thông qua khối chuyển mạch bán dẫn là các linh kiện như transistor, mosfet hay IGBT. Các xung điện này được tạo ra nhờ bộ tạo xung hoặc các mạch dao động điện tử. Ở bên cuộn thứ cấp của biến áp xung sẽ có những mạch chỉnh lưu cho ra điện một chiều cấp điện cho tải tiêu thụ.
Hình 3.8. Cấu tạo của bộ nguồn xung đơn giản
Biến áp xung cũng có cấu tạo gồm các cuộn dây quấn trên một lõi từ giống như biến áp thông thường chỉ có điều biến áp này sử dụng lõi ferit còn biến áp thường sử dụng lõi thép kỹ thuật điện. Với cùng một kích thước thì biến áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần. Ngoài ra biến áp xung hoạt động tốt ở dải tần cao còn biến áp thường chỉ hoạt động ở dải tần thấp.
Điện áp thứ cấp này sẽ được duy trì ở một điện áp nhất định như 3.3V, 5V, 9V, 12V, 15V, 18V, 24V nhờ mạch ổn áp gồm các loại diode và tụ điện. Đồng thời mạch hồi tiếp sẽ lấy tín hiệu điện áp ra để đưa vào bộ tạo xung dao động nhằm khống chế sao cho tần số dao động ổn định với điện áp ra mong muốn.
Với mạch thêm thông tin thì dòng tiêu thụ được do Arduino UNO, LCD, module chuyển đổi I2C và module RFID RC522 cộng lại vào khoảng 100mA. Vì vậy, có thể dùng nguồn từ cổng USB của máy tính để cấp cho mạch.
CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1. GIỚI THIỆU
Từ những nghiên cứu trước đó, nhóm thực hiện chia phần thi công hệ thống ra làm 2 phần:
Thiết kế, thi công phần cứng: - Lắp ráp và hàn linh kiện. - Kiểm tra và khắc phục lỗi. Thi công mô hình.
Thiết kế, viết chương trình cho Arduino, thiết kế phần mềm giao diện quản lý hệ thống và cơ sở dữ liệu.
Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng.
4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.1. Thi công mạch điện 4.2.1. Thi công mạch điện
a. Thi công mạch giao tiếp với Arduino MEGA
Mạch giao tiếp với Arduino MEGA được vẽ bằng phần mềm Altium, là mạch in một lớp.
Mạch gồm các rào đực để gắn Arduino MEGA2560 và truyền nhận dữ liệu với các phần khác trong hệ thống. Jack cắm DC cái làm nhiệm vụ nhận nguồn từ adapter 5V để cấp cho Arduino MEGA2560 và module giảm áp AMS1117.
Sau khi đã thiết kế được mạch in thì tiến hành mô phỏng 3D:
Hình 4.2. Sơ đồ bố trí linh kiện mạch giao tiếp
Từ mô phỏng 3D trên Altium có thể thấy các linh kiện có khoảng cách giữa các linh kiện tương đối đầy đủ. Tuy nhiên, việc sắp xếp các linh kiện trong mạch chưa được tối ưu, còn nhiều khoảng trống chưa hợp lí.
b. Thi công mạch công suất
Vì số tải là trong mô hình giới hạn số lượng là bốn nên cần thi công bốn mạch công suất. Mỗi mạch là một phần riêng biệt giao tiếp với một tải .
Hình 4.3. Sơ đồ mạch in mạch công suất
Để đảm bảo cách điện thì các đường mạch có điện áp cao (220V) không được phủ mass. Đồng thời để dử công suất thì các đường mạch này có độ rộng 150 mils (3.81mm).
Sau khi đã thiết kế mạch in cho mạch thì tiến hành mô phỏng 3D để tiện cho việc thi công mạch sau này.
Hình 4.4. Sơ đồ bố trí linh kiện mạch công suất
Mạch gồm ba module là: RC522, relay 1 kênh, ACS712.
Tiến hành thiết kế mạch in một lớp cho mạch nhập thông tin bằng phần mềm chuyên vẽ mạch điện là Altium:
Hình 4.5. Sơ đồ mạch in mạch nhập thông tin
Các đường tín hiệu có động rộng 20 mils (0.508mm), đường mạch có độ rộng 40 mils (1.016 mm). Mạch được phủ mass để hạn chế nhiễu tín hiệu giữa các linh kiện với nhau. Các jump dùng để đặt Arduino vào mạch và truyền nhận dữ liệu đến các thành phần khác trong mạch như: LCD, buzzer và module RFID RC522.
Sau khi đã thiết kế xong mạch in của mạch nhập thông tin thì chọn chế độ xem 3D của Altium để xem bố trí các linh kiện trên mạch. Buzzer đặt khá sát module I2C nên cần chú ý khi thi công mạch để tránh làm hư hỏng các linh kiện. LCD được cố định trên mạch nhờ bốn ốc được gắn trên mạch qua các lỗ đã được khoan sẵn.
4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra a. Mạch công suất a. Mạch công suất
Hình 4.7. PCB của mạch công suất
Sau khi đã thiết kế PCB thì tiến hành làm mạch in PCB. Để tiết kiệm chi phí, nhóm đã làm mạch in bằng cách thủ công. Để giao tiếp với bốn tải cần tới bốn board mạch. Khi rửa mạch cần chú ý đến kích thước của các đường mạch dữ liệu để tránh làm đứt đường mạch.
Sau đó tiến hành gắn các linh kiện và gắn các module lên mạch. Khi hàn cần chú ý cẩn thận các chân jump vì khoảng cách nhỏ có thể gây chập cháy mạch.
Hình 4.8. Mạch công suất sau khi hàn linh kiện
Hàn các chân jump giao tiếp trước, cần cẩn thận để tránh làm ngắn mạch các chân này do kích thước chân của chúng rất nhỏ. Sau đó hàn tiếp led, điện trở và buzzer lên mạch. Trong quá trình này cần chú ý đến chân âm (-), dương (+) của led và buzzer. Cuối cùng là hàn công tắc nguồn của tải. Vì kích thước chân của linh kiện lớn nên lượng thiết hàn cần nhiều và thời gian nung nóng lâu.
Hình 4.9. Mặt trên của mạch công suất
b. Mạch điều khiển
Khi đã thiết kế xong PCB thì tiến hành làm mạch in bằng cách thủ công, hạn chế làm đứt các đường mạch tín hiệu có tiết diện nhỏ.
Hình 4.10. PCB của mạch điều khiển
Mạch sử dụng nhiều jump nên khi khoan lỗ cần chọn mũi khoan đúng với kích thước của chân linh kiện.
Sau khi rửa mạch, để tránh việc mạch bị oxi hóa cần phủ một lớp nhựa thông lỏng lên bề mặt.
Sau khi hàn các jump và jack DC thì tiến hành gắn Arduino MEGA2560 và module giảm áp AMS1117. Vì số lượng chân của Arduino MEGA là rất nhiều cho nên cần cẩn thận để tránh làm hư hỏng các chân giao tiếp ngoại vi của nó.
c. Mạch nhập thông tin
Sau khi đã thiết kế mạch in thì tiến hành làm PCB bằng cách thủ công. Sau khi rửa mạch cần phủ một lớp nhựa thông lỏng lên bề mặt để tránh tình trạng oxi hóa của mạch khi đặt trong không khí.
a, Trước khi hàn b, Sau khi hàn
Hình 4.12. PCB của mạch nhập thông tin trước và sau khi hàn linh kiện
Sau đó tiến hành hàn các jump và buzzer lên mạch, trong lúc này cần tránh làm ngắn mạch các chân giao tiếp.
Hình 4.13. Mạch nhập thông tin khi đã hoàn thành
d. Kiểm tra các mạch đã thi công
Sau khi đã hoàn thiện các mạch thì cần phải kiểm tra xem mạch có đúng yêu cầu không. Đồng thời khắc phục những sai sót do quá trình thi công gây ra. Tiến hành thực hiện theo các bước:
- Bước 1: Kiểm tra mối hàn thiếc ở những chân linh kiện với đường mạch .
- Bước 2: Kiểm tra đường dây mạch liên kết các linh kiện với nhau.
- Bước 3: Cấp nguồn vào kiểm tra nguồn ở chân vào, chân ra của module giảm áp, nguồn vào ở các chân nguồn của board Arduino.
- Bước 4: Nạp chương trình cơ bản vào vi điều khiển và kiểm tra xem có hoạt động tốt không.
- Bước 5: Dùng vi điều khiển xuất tín hiệu điều khiển xem có kích được relay không.
Bảng 4.1. Kết quả kiểm tra
Đối tượng kiểm tra Kết quả thu được
Mối hàn linh kiện Các mối hàn tiếp xúc tốt, chất lượng chưa đồng đều
Đường mạch in Còn một vài đường mạch bị đứt nét do quá trình thi công và đã được khắc phục
Nguồn Điện áp do adapter khoảng 5-5.1V, điện áp đầu ra của module ASM1117 đúng 3.3V
Mạch công suất Module relay có thể đóng khi có tín hiệu điều khiển, tuy nhiên một số lần bị ảnh hưởng bởi nhiễu