2.4.1. Cảm biến dòng ACS712
ACS712 là một IC cảm biến dòng (Hall Effect Current Sensor) tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall để đo dòng điện một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC). Khi có dòng điện chạy qua, IC ACS712 tạo ra 1 tín hiệu tương tự (analog), điện áp ngõ ra biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện được lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC) trong phạm vi đo đạc.
Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là:
VH = (I.B)/(d.e.n) (2.1)
Với VH: hiệu điện thế Hall.
I: cường độ dòng điện.
B: cường độ từ trường.
D: độ rộng của thanh Hall.
E: điện tích của các hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall.
N: mật độ các hạt này trong thanh Hall.
Bên trong ACS712 bao gồm một mạch cảm biến Hall tuyến tính, có độ bù thấp, với dây dẫn bằng đồng nằm gần bề mặt. Dòng điện cần đo chạy qua đường dẫn này tạo ra từ trường được cảm nhận bởi IC Hall tích hợp và chuyển đổi thành điện áp tỷ lệ. Độ chính xác của IC được tối ưu hóa thông qua khoảng cách giữa tín hiệu từ tính đến đầu dò Hall[7].
Hình 2.14. IC ACS712-5A
Đặc điểm của họ IC ACS712 :
Tín hiệu tương tự đầu ra có độ nhiễu thấp.
Thời gian tăng của đầu ra để đáp ứng với đầu vào là 5µs. Có kích thước nhỏ gọn.
Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ. Nguồn vận hành đơn là 5V. Độ nhạy đầu ra từ 63-190mV/A. Điện áp ra cực kỳ ổn định. Băng thông 80kHz.
2.4.2. Module cảm biến dòng ACS712
Để tiện cho việc sử dụng thì IC ACS712 được tích hợp thành một module nhỏ gọn và chắc chắn. Module có các chân để truyền tín hiệu lại cho vi điều khiển và nhận nguồn cung cấp. Có cổng header để giao tiếp với tải công suất.
Hình 2.15. Module cảm biến dòng ACS712
Thông số kĩ thuật:
Nguồn cung cấp: 5V
Nhiệt độ hoạt động: -40 - 85ºC
Điện áp cách ly tối đa: 2100 V (RMS) Độ nhạy đầu ra:
- ACS712-05B (5A): 180-190 mV/A. - ACS712-20A (20A): 96-104 mV/A. - ACS712-30A (30A): 64-68 mV/A.
Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lí module ACS712
2.5. MODULE GIẢM ÁP AMS1117
Module sử dụng IC giảm áp AMS1117 3.3V. Đây là IC chuyên dụng để ổn định điện áp tuyến tính với sụt áp thấp, điện áp đầu ra 3.3v, dòng điện đầu ra ≤ 1A.
AMS1117-ADJ và AMS1117-1.2, -1.5, -1.8, -2.5, -2,85,-3.3 và-5 là các bộ điều chỉnh ba cực thấp cho ra dòng cực đại đầu ra lên tới 1A. Giới hạn nhiệt độ trên chip bảo vệ chống lại quá tải và nhiệt độ môi trường xung quanh sẽ tạo ra nhiệt độ tiếp giáp quá mức. Không giống như bộ điều chỉnh loại PNP có tới 10% dòng điện bị hao phí như dòng tĩnh, dòng tĩnh của AMS1117 cấp vào tải, tăng hiệu quả hoạt động[8].
Hình 2.18. Cấu tạo bên trong IC AMS1117
Đặc điểm IC AMS1117:
Điện áp rơi thấp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điều tiết tải: 0,2% điển hình Tối ưu hóa cho điện áp thấp Giới hạn nhiệt trên chip
Ba đầu thấp có thể điều chỉnh hoặc cố định 1.2V, 1.5V, 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V, 5V.
Trong mạch có các tụ không phân cực C1, C2, C3, C4 dùng để làm phẳng các xung điện áp và ổn định điện áp vào/ra. Led dùng để báo nguồn khi ngõ ra có điện áp. Điện trở R1 dùng để hạn dòng cho led, hạn chế tình trạng quá áp cho led.
Mạch giảm áp AMS117 có cấu tạo rất đơn giản nên kích thước module nhỏ gọn, tiện lợi.
Hình 2.20. Module giảm áp 3.3V
2.6. MODULE RELAY MỘT KÊNH
Để vi điều khiển có thể điều khiển các tải có công suất lớn thì cần dùng đến linh kiện trung gian là relay, triac (đối với tải công suất vừa và nhỏ) hoặc contactor (đối với tải công suất lớn).
Relay có hai thông số quan trọng cần quan tâm đó là:
Hiệu điện thế kích tối ưu: Là giá trị điện áp đặt vào hai đầu cuộn dây bên trong relay mà ở đó cuộn dây có thể tạo ra từ trường để hút tiếp điểm. Trong thực tế, có nhiều mỗi loại relay có giá trị hiệu điện thế kích tối ưu khác nhau: 5V, 12V, 24V, …
Hình 2.21. Relay trong thực tế
Hiệu điện thế tối đa và dòng điện tối đa: Là giá trị hiệu điện thế và dòng điện lớn nhất cung cấp cho tải mà tiếp điểm bên trong của relay hoạt động trong khoảng thời gian cho phép có thể chịu được mà không bị hư hỏng.
Rơle (relay) là một công tắc chuyển mạch hoạt động bằng điện. Dòng điện chạy qua cuộn dây của rơle tạo ra một từ trường làm lõi sắt non bị nhiễm từ và hút tiếp điểm, từ đó làm thay đổi vị trí của công tắc chuyển mạch. Vì vậy có thể điều khiển relay đóng tiếp điểm bằng cách cho dòng điện chạy qua hai đầu của cuộn dây. Để mở tiếp điểm thì chỉ việc ngắt dòng chạy qua cuộn dây.
Hình 2.22. Cấu tạo cơ bản của relay
Các chân đấu nối và chân chuyển mạch của rơle thường được ký hiệu là COM (POLE), NC và NO:
COM là chân chung, là nơi kết nối đường cấp nguồn chờ. NC và NO là 2 chân chuyển đổi.
Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp relay sử dụng transistor có opto cách li:
Để giao tiếp với vi điều khiển, thường sử dụng mạch kích relay với transistor hoặc opto. Khi tín hiệu điều khiển vào chân IN ở mức thấp, diode phát quang trong U1 cho dòng điện đi qua, U1 dẫn. U1 dẫn làm transistor Q1 thông và cuộn hút nam châm hoạt động, relay chuyển mạch sang “NO”. Đồng thời dòng từ Vcc đi qua làm Led sáng báo có tín hiệu điều khiển.
Khi tín hiệu điều khiển IN ở mức cao, diode phát quang trong U1 không cho dòng điện đi qua, U1 ngắt. Do đó, transistor Q1 đóng, cuộn hút nam châm không hoạt động, relay ở chế độ “NC”.
2.7.KHỐI HIỂN THỊ LCD
2.7.1. Giới thiệu về màn hình LCD 16x2
LCD có rất nhiều dạng phân biệt theo kích thước từ vài kí tự đến hàng chục kí tự, từ 1 hàng đến vài chục hàng. Ví dụ LCD 16×2 có nghĩa là có 2 hàng, mỗi hàng có 16 kí tự. LCD 20×4 có nghĩa là có 4 hàng, mỗi hàng có 20 kí tự.
Hình 2.24. Mặt trước của LCD 16x2
Trong 16 chân của LCD được chia ra làm 4 dạng tín hiệu như sau[3]:
Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là Vdd nối với nguồn +5V. Chân thứ 3 dùng để chỉnh contrast 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 D7÷D0: 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.
Sơ đồ các chân của LCD 16x2:
Bảng 2.2. Các chân LCD và chức năng
Chân số (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tên
chân Input/Output Chức năng tín hiệu
1 VSS Power GND
2 VDD Power +5V
3 VO Analog Contrast Control
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 (strobe)
7 D0 I/O Data (LSB 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 (MSB)
15 LED_A Input Backlight Anode
16 LED_K Input Backlight Cathode
2.7.2. Module giao tiếp I2C – LCD
Vì LCD có quá nhiều chân (16 chân) nên gây khó khăn trong quá trình kết nối và chiếm dụng nhiều chân của vi điều khiển. Để khắc phục tình trạng đó thì ta có thể sử dụng module chuyển đổi I2C cho LCD.
Thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi, chỉ cần sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối. Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD
1602, LCD 2004, … ), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.
Ưu điểm của phương pháp này là giảm số chân kết nối ngoại vi của vi điều khiển, gọn nhẹ và dễ dàng gắn vào LCD. Bên cạnh đó, nó còn giúp điều chỉnh độ tương phản màn hình, điều khiển đèn nền và thay đổi địa chỉ của LCD mà không cần thay đổi nhiều khi lập trình
Hình 2.25. Module I2C và các chân chức năng
Thông số kĩ thuật:
Điện áp hoạt động: 2.5 đến 6V DC
Hỗ trợ màn hình: LCD1602, 1604, 2004 (driver HD44780) Giao tiếp: I2C
Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2) Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)
Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
2.8. CÁC CHUẨN GIAO TIẾP TRUYỀN DỮ LIỆU
Có nhiều chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu phổ biến tích hợp trong các họ vi điều khiển bao gồm:
Truyền dữ liệu nối tiếp đồng bộ và bất đồng bộ (USART - Universal
Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter).
Truyền dữ liệu giữa vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi (SPI - Serial Peripheral
Interface – Giao diện ngoại vi nối tiếp).
Ở kiểu truyền nối tiếp đồng bộ thì có 1 đường dữ liệu và 1 đường xung clock, thiết bị nào cấp xung clock thì thì thiết bị đó đóng vai trò là chủ, thiết bị nhận xung clock đóng vai trò là tớ. Tốc độ truyền dữ liệu phụ thuộc vào tần số xung clock. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ở kiểu truyền nối tiếp bất đồng bộ thì có 1 đường phát dữ liệu và một đường nhận dữ liệu, không có tín hiệu xung clock nên được gọi là bất đồng bộ. Để truyền được dữ liệu thì cả bên phát và bên nhận phải tự tạo xung clock có cùng tần số và thường được gọi là tốc độ truyền dữ liệu (baund). Ý nghĩa của tốc độ baund là thể hiện số bit truyền được trong 1 giây[2].
2.8.1. Giao thức truyền dữ liệu bất đồng bộ USART
UART là giao thức truyền thông nối tiếp trên lớp vật lý bao gồm chuẩn RS232 hỗ trợ điểm-điểm và chuẩn RS485 hỗ trợ đa điểm được quản lí bởi Hội Công Nghiệp Điện Tử EIA. Những chuẩn truyền thông trên quy định nhiều thành phần của giao diện nối tiếp bao gồm mức điện áp, chuẩn đấu nối, chân ra, chiều dài dây, thứ tự bit, tốc độ bit giữa các thiết bị.
Truyền dữ liệu không đồng bộ bao gồm đường truyền dữ liệu (Tx) và đường nhận dữ liệu (Rx) và không có xung CK. Không còn phân biệt chủ (Master) và tớ (Slave) - các hệ thống ngang cấp. Mỗi xung CK là một bit dữ liệu được truyền đi. Để truyền được dữ liệu thì mỗi hệ thống phải có một mạch dao động tạo xung CK, hai hệ thống sẽ có hai mạch giao động độc lập nhưng phải có cùng tần số hay cùng tốc độ[2].
Hình 2.26. Truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ (USART)
Để duy trì sự đồng bộ giữa bộ truyền và nhận, trong một khung dữ liệu chèn các bit start vào đầu và bit stop vào cuối mỗi byte dữ liệu trong một chuỗi dữ liệu truyền đi.
cách lấy mẫu từ đường nhận dữ liệu (Rx) với xung nhịp nội. Khi bit start được xác định, thiết bị thu biết rằng quá trình truyền đã bắt đầu và cần dịch chuỗi bit nối tiếp. Quá trình truyền và nhận phải tuân theo một tốc độ bit chung được xác định trước khi quá trình truyền thông bắt đầu, nếu không thì thiết bị nhận sẽ giải mã sai dữ liệu thu được.
Truyền thông nối tiếp USART được sử dụng cho phương thức truyền song công để giao tiếp giữa bộ nhận và bộ truyền. Lúc này, phần cứng của bộ vi điều khiển cần được trang bị độc lập cả bộ truyền và bộ nhận riêng biệt. Khi kết nối các thành phần sử dụng chuẩn truyền thông nối tiếp để đảm bảo các thông số truyền thông giữa máy phát và máy thu giống nhau. Cả mấy phát và máy thu cần được thiết lập cùng tốc độ Baud, cùng số bit bắt đầu và kết thúc, tính chẵn lẻ, phân cực, mức điện áp,…
2.8.2. Chuẩn truyền dữ liệu I2C a. Tổng quan về chuẩn I2C a. Tổng quan về chuẩn I2C
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.
Hình 2.27. Hệ thống giao tiếp theo chuẩn I2C
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, thiết bị nào cung cấp xung clock thì được gọi là chủ (master), thiết bị nhận xung clock được gọi là tớ (slave)[3].
Thiết bị chủ chỉ có 1, thiết bị tớ thì có nhiều, mỗi thiết bị tớ sẽ có 1 địa chỉ độc lập, chuẩn truyền ban đầu dùng địa chỉ 7 bit nên có thể 1 chủ giao tiếp với 128 thiết bị tớ. Các thiết bị sau này tăng thêm số bit địa chỉ nên có thể giao tiếp nhiều hơn.
Địa chỉ của thiết bị tớ thường do nhà chế tạo thiết bị thiết lập sẵn.
Quy trình thiết bị chủ giao tiếp với thiết bị tớ để thực hiện việc ghi đọc dữ liệu như sau:
Quá trình thiết bị chủ ghi dữ liệu vào thiết bị tớ[3] :
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 gửi 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): 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.
Bước 4: Thiết bị chủ tiến hành gửi địa chỉ của ô nhớ bắt đầu cần ghi dữ liệu, bit R/W ở trạng thái ghi.
Bước 5: Thiết bị chủ chờ nhận tín hiệu trả lời từ thiết bị tớ.
Bước 6: Thiết bị chủ gửi tiến hành gửi dữ liệu để ghi vào thiết bị tớ, mỗi lần ghi 1 byte, sau khi gửi xong thì tiến hành chờ nhận tín hiệu trả lời từ thiết bị tớ, quá trình thực hiện cho đến byte cuối cùng xong rồi thì thiết bị chủ chuyển sang trạng thái STOP để chấm dứt quá trình giao tiếp với thiết bị tớ.
Quá trình thiết bị chủ đọc dữ liệu vào thiết bị tớ [3]
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 gửi 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.
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bước 4: Thiết bị chủ tiến hành gửi địa chỉ của ô nhớ bắt đầu cần đọc dữ liệu, bit