2.2.2.3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của giao tiếp I2C
I2C là viết tắt của từ Inter-Intergrated Circuit. I2C là giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ phổ biến hiện nay, được sử dụng rộng rãi trong việc kết nối nhiều IC với nhau, hay kết nối giữa IC và các ngoại vi với tốc độ thấp. Giao tiếp I2C sử dụng 2 dây để kết nối là SCL (Serial Clock) và SDA (Serial Data). Trong đó dây SCL có tác dụng để đồng bộ hóa giữa các thiết bị khi truyền dữ liệu, còn SDA là dây dữ liệu truyền qua.
35 Đặc điểm I2C: I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu
Một đường xung nhịp đồng hồ(SCL) chỉ do Master phát đi ( thông thường ở 100kHz và 400kHz. Mức cao nhất là 1Mhz và 3.4MHz).
Một đường dữ liệu(SDA) theo 2 hướng. Sơ đồ kết nối như hình dưới.
Hình 2.23: Kết nối các thiết bị đến bus I2C
Bản chất của I2C là dữ liệu trên đường SDA chỉ được ghi nhận ở sườn lên của chân CLK. Do vậy xung clock có thể không cần chính xác tốc độ là 1MHz hay 3.4Mhz. Lợi dụng điểm này có thể sử dụng 2 chân GPIO để làm chân giao tiếp I2C mềm mà không nhất thiết cần một chân CLK tạo xung với tốc độ chính xác (có thể chỉ cần dùng delay và bật tắt mức logic ).
SCL và SDA luôn được kéo lên nguồn bằng một điện trở kéo lên có giá trị xấp xỉ 4,7 KOhm (tùy vào từng thiết bị và chuẩn giao tiếp, có thể dao động trong khoảng 1KOhm đến 4.7 Kohm. Chú ý rằng theo cấu hình này, một thiết bị có thể ở mức logic LOW hay cao trở nhưng ko thể ở dạng HIGH => Chính trở pull up tạo ra mức logic HIGH).
36
Hình 2.24: Kết nối điện trở khi kéo SCL và SDA
Có nhiều thiết bị kết nối cùng lúc vào bus I2C, nhưng chúng không bị lẫn với nhau vì mỗi thiết bị được cấp một địa chỉ khác nhau với một quan hệ chủ - tớ suốt thời gian kết nối với nhau.
Hình 2.25: Đường truyền nhận dữ liệu của Master – Slave
Chế độ hoạt động của I2C dựa vào tốc độ ta chia thành các loại: Chế độ chuẩn (standard mode) hoạt động ở tốc độ 100 Kbps. Chế độ tốc độ thấp (low-speed mode) hoạt động ở tốc độ 10 Kbps. Chế độ nhanh (Fast mode) hoạt động ở tốc độ lên tới 400 Kbps. Chế độ siêu tốc (High-Speed mode)
Cơ sở truyền nhận dữ liệu của I2C dựa vào các tín hiệu START, RESTART, STOP.
37 START : SCL ở mức 1 và SDA được kéo từ mức 1 xuống mức 0 lúc đấy sẽ báo hiệu 1 START
RESTART : Start + delay + Start
STOP: SCL ở mức 1 SDA được kéo từ 0 lên 1. Khi có tiến hiệu STOP thì bus I2C sẽ rỗi (free) và sẵn sàng cho một giao tiếp mới từ thiết bị chủ.
Truyền dữ liệu trong I2C: khi tín hiệu trên chân SCL ở mức thấp (bằng 0) thì dữ liệu trên chân SDA thay đổi sẽ không ảnh hưởng tới quá trình truyền sữ liệu. Khi tín hiệu chân SCL ở mức cao (bằng 1) thì dữ liệu 1 bit là trạng thái trên chân SDA. Khi kéo lại chân SCL xuống mức thấp (bằng 0) thì một bit đã truyền thành công.
Hình 2.27: Quá trình truyền dữ liệu
Dữ liệu định dạng 1 byte thì bit MSB là Bit cao được truyền đi trước. Khi Master truyền đủ một khung 8 bit Slave nhận được 8 bit thì Slave truyền lại cho Master một trạng thái ACK báo hiệu đã nhận thành công 8 bit.
Địa chỉ trong I2C: có 2 chuẩn là 7 bit địa chỉ và 10 bit địa chỉ. Trong phần này tôi chỉ nhắc đến chuẩn 7 bit địa chỉ. Với 7 bit địa chỉ ta có thể mã hóa vào 128 loại thiết bị. Một master có thể kết nối tối đa 127 Slave nhưng trong I2C có 16 địa chỉ sử dụng để dự trữ nên chỉ có thể kết nối tối đa 111 slave (112 thiết bị trên đường truyền). 7 bit địa chỉ được thêm vào sau đó một bit chế độ W/R (đọc/ghi ) để tạo thành 1 byte đầu tiên được truyền đi sau mỗi lệnh start hoặc Restart [9].
38
2.2.2.4. Kết nối module BH1750 và module arduino uno
Để thu được tín hiệu đo được từ cảm biến BH1750 có thể sử dụng rất nhiều cách. Trong bài này tôi chọn Kit Arduino Uno. Do khi kết nối 2 module BH1750 và module arduino uno lại với nhau ta sẽ có được một công cụ để kiểm tra độ sáng trên bề mặt của đèn đọc phim với độ sáng đo được lên tới 65000 lux.
Hình 2.29: Kết nối giữa 2 module BH1750 và Arduino uno
Dựa vào địa chỉ các chân kết nối trong hình 3.15 ta có thể dễ dàng thực hiện kết nối chân và được mô phỏng như hình dưới.
Hình 2.30: Kết nối 2 module Arduino và BH1750
Việc kết nối các module như trên thì chúng ta có thể quan sát kết quả của việc đo đạc thông qua monitor trên màn hình máy tính cùng với đó là thu thập và lưu dữ liệu để phân tích xử lý.
Kết luận chương:
Việc thiết kế hệ thống đo kiểm đèn đọc phim là đo độ rọi của đèn lọc phim tại các điểm trên bề mặt đèn bằng cách sử dụng hệ thống đo tự động yêu cầu sự di chuyển của đèn đọc phim cũng như cảm biến đo sao cho cảm biến đo có thể quét được tất cả các điểm cần đo. Chính vì thế nên tôi đã sử dụng một khung CNC cơ bản để có thể tự động hóa quá trình đo này, kết hợp với cảm biến và sử dụng máy tính để điều khiển cũng như thu thập dữ liệu và xử lí qua phần mềm Matlab.
39
CHƯƠNG 3.KẾT QUẢ THỰC HIỆN 3.1 Kết quả thực hiện
Với phương pháp thiết kế và tính toán như đã nêu ở các chương trước thì tôi đã thực hiện hoàn thành một hệ thống như dự định:
Kích thước tổng thể của hệ thống: chiều dài 1m chiều rộng 0.5m chiều cao 0.4m
Hệ thống đo được hầu hết các loại đèn có chiều dài và chiều rộng tối đa là 40x80mm.
Nguồn sử dụng là nguồn điện lưới 220V-50Hz Công suất tiêu thụ 120W
Dải đo độ rọi từ 0 đến 65535 lux
Hình 3.1: Hệ thống đánh giá độ đồng đều đèn lọc phim hoàn chỉnh
Cấu tạo và hoạt động của hệ thống cũng giống tương tự như quá trình mô phỏng. Trong đó khồi nguồn và khối điều khiển được thiết kế gọn nhẹ trong hộp, có dây kết nối ra khối chấp hành (là khung CNC) và hai dây kết nối với máy tính. Khối nguồn được cách điện bởi tấm mica trắng. Vỏ hộp được sơn phủ bằng lớp
40 sơn cách điện đảm bảo độ an toàn cho máy. Ngoài ra vỏ hộp điều khiển còn có công tắc cũng như giắc cắm kết nối để làm cho hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng di chuyển.
3.2 Dữ liệu thực nghiệm và đánh giá
Dữ liệu thô thu được sau quá trình đo, sẽ được xử lý thông qua một chương trình được viết trên công cụ Matlab. Chương trình này sẽ thực hiện việc tính toán độ rọi trung bình, giá trị nhỏ nhất và độ đồng đều. Dưới đây là kết quả đo của một số lần đo đối với đèn đọc phim tự thiết kế có kích thước 46 x 36 x 3 (cm) và đèn âm trần có kích thước 13 x13 (cm).
Hình 3.2 Quá trình đo và lấy dữ liệu
3.2.1 Dữ liệu thực nghiệm
3.2.1.1. Dữ liệu thu được đèn đọc phim một cửa
Đối với đèn đọc phim có kích thước 46 x 36 x 3 (cm). Độ sáng của đèn có thể thay đổi được trong khoảng 0 ÷ 6800 Lux. Đèn sử dụng nguồn phát ra ánh sáng trắng. Kích thước vùng chiếu sáng cần đo là 40 x 30 (cm).
41
Hình 3.3: Sản phẩm đèn đọc phim một cửa với độ dày 3cm
Lấy kích thước của đèn sau đó thiết lập hành trình cho cảm biến, nạp G- code vào phần mềm UniversalGcodeSender để điều khiển máy. Cảm biến được đặt cách mặt đèn 3cm. Tiến hành đo được dữ liệu như trong hình dưới đây.
Hình 3.4 Giá trị độ rọi thu được theo thời gian của đèn đọc phim lần 1
Độ rọi lớn nhất: 1889 lux Độ rọi nhỏ nhất: 938 lux Độ rọi trung bình: 1343 lux Độ đồng đều: 69.84%
42
Hình 3.5 Giá trị độ rọi thu được theo thời gian của đèn đọc phim lần 2
Độ rọi lớn nhất: 1841 lux Độ rọi nhỏ nhất: 947 lux Độ rọi trung bình: 1353 lux Giá trị độ đồng đều: 69.99%
Từ dữ liệu thu được nhận thấy, giá trị độ rọi thu được trên màn đọc phim thay đổi từ 947-1841 lux, độ đồng đều cả hai lần đo đều nhỏ hơn 75% nên đèn đọc phim này chưa đạt tiêu chuẩn về độ đồng đều. Nhận thấy đồ thị độ rọi thay đổi theo thời gian xuất hiện những gợn lớn chứng tỏ đèn đọc phim có cách bố trí led chưa đều nhau. Điều này cũng thấy được rõ thông qua việc khi đèn sáng trên bề mặt đèn xuát hiện những vệt sáng tối xen kẽ nhau.
Để kiểm nghiệm lại sự chính xác, tôi đã sử dụng thiết bị đo độ rọi … để kiểm nghiệm lại kết quả đo được. Để đầu cảm biến của thiết bị đo sát bề mặt đèn đọc phim, di chuyển cảm biến trên bề mặt đèn sau đó thu được kết quả như hình:
43
Hình 3.6 Độ rọi đo bằng máy đo ánh sáng
Độ rọi lớn nhất: 6201 lux Độ rọi nhỏ nhất: 3100lux Độ rọi trung bình: 4452 lux Giá trị độ đồng đều: 69.62%
Qua dữ liệu cho thấy giá trị độ rọi của đèn tại bề mặt lên tới 6201 lux, đạt tiêu chuẩn đưa ra nhưng giá trị độ đồng đều là 69.62% nhỏ hơn 75% nên chứng tỏ đèn đọc phim này thiết kế chưa đạt yêu cầu. Đồ thị độ rọi dạng sóng với sự chênh lệch khá lớn (giá trị nhỏ nhất là 3100 lux còn giá trị lớn nhất thu được là 6201 lux). Qua kiểm định lại bằng máy đo, ta thấy giá trị mà hệ thống đo được là tương đối chính xác. Độ đồng đều gần bằng với giá trị đo bằng máy đo ánh sáng.
3.2.2 Đánh giá quá trình thực hiện đề tài
3.2.2.2. Ưu điểm:
Xây dựng được hệ thống tự động đo độ rọi của đèn đọc phim cũng như đánh giá được chất lượng đèn về độ đồng đều ánh sáng.
Rút ngắn được nhiều công đoạn và thời gian so với việc kiểm tra chất lượng sáng bằng thủ công.
Kiểm tra chất lượng sáng của nhiều loại đèn có kích thước khác nhau. Sản phẩm có thiết kế đẹp và gọn nhẹ, dễ di chuyển
44
3.2.2.3. Nhược điểm:
Phần lấy dữ liệu và phần điều khiển khung CNC chưa được kết hợp đồng thời và việc thu và điều khiển vẫn sử dụng hai chương trình khác nhau.
Giá thành khá đắt do xây dựng hệ thống dựa trên khung CNC.
Chưa có cảm biến hành trình, do đó khi máy chạy quá hành trình sẽ không được dừng gây ảnh hưởng tuổi thọ của motor.
Với mỗi đèn có kích thước khác nhau thì cần phải viết lại mã G-code.
3.3 Kê khai các linh kiện và vật liệu sử dụng
Dưới đây là bảng kê khai các linh kiện và vật tư để cấu tạo nên hệ thống đo để có cái nhìn tổng quát hơn về sản phẩm:
Bảng 3.1 Kê khai các linh kiện và vật liệu sử dụng
STT Tên linh kiện Số lượng
1 Nhôm định hình 3030 6 mét
2 Nhôm định hình 1540 dùng làm mặt bàn CNC
1 mét
3 Ty trượt tròn phi 10 3 thanh 1m
4 Động cơ step size 42 2 cái
5 Vitme T10, đai ốc T10 (Bước 8) Dài 1m
2 thanh
6 Gá Bắt Đai Ốc Vitme T12 2 chiếc
7 Gá động cơ step size 42 loại thẳng 3 chiếc
8 Ổ Bi Trượt loại dài SC10LUU 4 chiếc
9 Khớp nối mềm 2 chiếc
10 Ke Góc Vuông 3030 20 chiếc
11 Kẹp trục SK 10 8 chiếc
12 Bạc đỡ trục KP 10 2 chiếc
13 Shield CNC V3 1 chiếc
14 Module A4988 2 chiếc
15 Arduino Uno 2 chiếc
45
Kết luận chương:
Kết quả thu được từ phương pháp thiết kế và tính toán như đã nêu ở các chương trước thì đã hoàn thành một hệ thống như dự định, với kích thước 100 x 50 x40 (cm), có thể kiểm tra được sự đồng đều ánh sáng của các loại đèn có kích thước khác nhau. Xây dựng được hệ thống đo có thể rút ngắn được nhiều công đoạn và thời gian so với việc kiểm tra chất lượng sáng bằng thủ công. Sản phẩm hoàn thiện có thiết kế đep, dễ dàng di chuyển. Sau quá trình đo thu được độ rọi trên hầu hết tất cả các điểm của đèn đọc phim, đưa ra được các thông số quan trọng cần lấy như độ rọi, độ rọi lớn nhất, độ rọi nhỏ nhất, độ rọi trung bình và độ đồng đều ánh sáng của đèn.
46
KẾT LUẬN
Qua quá trình thực hiện và làm đề tài Xây dựng hệ thống đánh giá chất lượng đèn đọc phim của đồ án, tôi đã rút ra được nhiều kinh nghiệm và những điều thiếu sót mà mình cần học hỏi thêm trong tương lai. Là một đề tài gắn liền với thực tiễn, tôi hy vọng sản phẩm có thể áp dụng vào sử dụng ở trong các bệnh viện và phòng khám công cũng như tư nhân. Trong đồ án tôi đã hoàn thiện được một hệ thống khảo sát chất lượng đèn đọc phim với kích thước 100 x 50 x40 (cm), có thể kiểm tra được sự đồng đều ánh sáng của các loại đèn có kích thước khác nhau. Xây dựng được hệ thống đo có thể rút ngắn được nhiều công đoạn và thời gian so với việc kiểm tra chất lượng sáng bằng thủ công. Sản phẩm hoàn thiện có thiết kế đep, dễ dàng di chuyển. Hộp điều khiển được thiết kế rời có thể dễ dàng kết nối với khung CNC. Hộp điều khiển có công tắc và các giắc cắm kết nối, dễ dàng cắm dây nối với CNC để thuận tiện và làm cho sản phẩm gọn nhẹ. Ngoài ra khối nguồn của bộ điều khiển được thiết kế cách điện, vỏ hộp được làm bằng thép sơn cách điện bên ngoài tăng độ an toàn cho sản phẩm. Kết quả thu được của hệ thống đánh giá một cách chính xác về độ đồng đều của đèn đọc phim. Sau quá trình đo thu được độ rọi trên hầu hết tất cả các điểm của đèn đọc phim, đưa ra được các thông số quan trọng cần lấy như độ rọi, độ rọi lớn nhất, độ rọi nhỏ nhất, độ rọi trung bình và độ đồng đều ánh sáng của đèn.
Ngoài những điểm trên thì sản phẩm của tôi vẫn còn một số thiếu sót cần được khắc phục và phát triển trong tương lai. Thiết kế tuy gọn nhưng vẫn phải sử dụng tới 2 phần mềm để điều khiển quá trình đo và điều khiển CNC. Động cơ chạy vẫn chưa được lắp cảm biến hành trình nên khi có sự cố hay sai số trong điều khiển sẽ làm giảm tuổi thọ của motor. Ngoài ra hệ thống cũng cần có một phần mềm để tự lập mã G-code để với mỗi loại đèn khác nhau chỉ cần nhập vào các thông số kích thước của đèn đọc phim.
Hướng phát triển đề tài
Với đề tài: “Xây dựng hệ thống đo kiểm chất lường đèn đọc phim X quang” trong tương lai tôi muốn phát triển những điểm mạnh là ưu điểm được nhắc trên và khắc phục những nhược điểm đã nêu ra. Thiết kế được một hệ thống có thể kiểm tra được với mọi loại đèn khác nhau. Cùng với đó, tôi muốn hệ thống của mình phát triển thành sản phẩm có thể bán được ngoài thị trường. Ngoài việc
47 kiểm tra độ đồng đều về cường độ sáng của màn đọc phim y tế, đề tài còn hướng tới phát triển hệ thống đo và kiểm tra cường độ sáng của đèn mổ có đảm bảo yêu cầu hay không.
48
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] “Quy định Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chiếu sáng - Mức cho phép chiếu sáng nơi làm việc,” trong Thông tư số 22/2016/TT-BYT, Hà Nội, 2016.
[2] “http://www.litec.com.vn/news-88/cac-dai-luong-do-anh-sang/ truy cập lần
