a. Tính toán lựa chọn linh kiện
Yêu cầu bài toán:
Để đảm bảo các thông số cho việc nuôi cấy mô cho cây đẳng sâm (20 – 75 µmol m-2 s-1), hệ dàn đèn sẽ gồm 40 bóng led đỏ công suất 1W/ 1 bóng và 20 bóng led xanh công suất 1W/1 bóng. Như vậy, tổng công suất dự kiến của dàn đèn là 60W.
Lựa chọn linh kiện
Qua phân tích ở Chương 2, ta thấy có rất nhiều bộ điều khiển cường độ sáng cho LED. Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghiệp thiết kế IC, nhiều hãng sản xuất đã đưa ra được các IC chuyên dụng cho việc điều khiển LED mà có tích hợp một trong các bộ điều khiển đã được trình bày ở mục 1.2. Ví dụ như hãng Linear có các dòng IC DN501 điều khiển dựa trên bộ biến đổi Buck – Boost, IC DN392 điều khiển dựa trên bộ biến đổi Buck; hay hãng ST có đưa ra dòng chip L7981 điều khiển dựa trên bộ biến đổi Buck; hãng Texa Instrument đưa ra các dòng chip chuyên dụng cho điều khiển LED như: LM34xx, LM36xx, TPS926xx…
Nhưng trong bài toán này, IC LM3406 của TI được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển cường độ sáng cho dàn đèn vì một số ưu điểm sau:
- Dải điện áp vào rộng: 6V – 75V (LM3406HV). - Phương pháp điều khiển dòng
- Dòng điện ra: 1.5A
- Tích hợp bộ biến đổi buck.
- Sử dụng phương pháp điều khiển PWM. - Thông dụng tại thị trường Việt Nam.
Giới thiệu về IC LM3406
LM3406 là một mạch tích hợp điều khiển đóng cắt được thiết kế để điểu khiển dòng cho LED công suất lớn. Chúng bao gồm 1 MOSFET kênh N để đóng cắt với
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
38
dòng điện giới hạn là 2A sử dụng cho mạch Buck. Có đầu ra điều khiển chuỗi LED nối tiếp hoặc song song theo phương pháp điều khiển dòng. Việc điều khiển cường độ sáng của LED được thực hiện bằng phương pháp PWM[12]
Hình 3-18: Sơ đồ chân của họ LM3406[12].
LM3406HV chứa bên trong là bộ biến đổi buck với dải điện áp đầu vào rộng, điện áp tham chiếu thấp. Điều đó là cơ sở để sử dụng nó như một bộ điều khiển dòng cho LEDs với dòng ra lớn nhất là 1.5A.Hình 3-19 thể hiện sơ đồ khối của IC LM3406HV.
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
39
Hình 3-20: Sơ đồ khối LM3406HV
Cách đấu nối LED:
Để đảm bảo tỉ lệ cường độ bóng xanh và bóng đỏ, ta tiến hành đâu nối tiếp 10 bóng đỏ và 5 bóng xanh lại với nhau. Sau đó nối song song 4 dây nối tiếp lại.
Như vậy ta có điện áp đâu vào Vin=48VDC. Dòng điện đầu ra: IOUT_MAX=1.4A
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
40
Hình 3-21: Sơ đầu đấu nối, tính toán các thông số mạch.
Theo tài liệu hướng dẫn tính toán của hãng cung cấp ([12]) để đạt được dòng ra IOUT_MAX = 1.4A thì
.
Sơ đồ nguyên lý
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
41
Hình 3-20 thể hiện sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cường độ sáng cho dàn đèn được thiết kế trong đề tài. Các giá trị tụ điện và cuộn cảm thể hiện trên sơ đồ nguyên lý được lựa chọn theo thông số kỹ thuật nhà sản xuất đưa ra, đảm bảo cho mạch hoạt động ổn định, đạt hiệu suất cao.
Điện trở R3 và R7 được mắc song song và có trị số R3=R7=0.3R để đảm bảo RSNS=R3//R7=0.15R .
Kết luận : Như vậy ở chương 3 ta đã thiết kế xong phần cứng cho hệ điều khiển
giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED. Phần tiếp theo là xây dưng lưu đồ thuật toán cho hệ thống.
Chương 4: Nghiên cứu xây dựng phần mềm cho hệ điều khiển giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
42
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM CHO HỆ ĐIỀU CHƢƠNG 4:
KHIỂN GIÀN NUỒI CẤY MÔ SỬ DỤNG ĐÈN LED
Việc xây dựng lưu đồ thuật toán và lập trình cho bộ điều khiển giàn nuôi cấy mô phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của thiết đã được trình bày ở chương 3 từ đó ta xây dựng được chương trình như sau :
4.1. Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình của bộ điều khiển
Từ yêu cầu của bài toán ta xây dựng được lưu đồ thuật toán của bộ điều khiển như Hình 4-1
Bắt đầu
Khởi tạo hệ thống
Cấu hình xung clock Cấu hình tỉmer
Khởi tạo module thời gian thực BQ32000
Khởi tạo module thời gian thực BQ32000
Khởi tạo module giao tiếp với mạch đo cường độ
sáng (RS485 )
Khởi tạo flash
Đọc thông tin lưu trữ từ flash Điều khiển hiển thị LCD
Đọc giá trị cường độ sáng
Kiểm tra phím bấm Xử lý thông tin
từ bàn phím
Cần lưu thông tin Ghi vào bộ nhớ
flash
Thay đổi hiển thị LCD Cần thay đổi LCD
Thiết lập cường độ sáng cho các Panel (cài đặt
PWM) Y N Y Y N N
Chương 4: Nghiên cứu xây dựng phần mềm cho hệ điều khiển giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
43
Trình tự thực hiện trên trương chình chính như sau:
Khi vi điều khiển đã reset, đã bắt đầu quá trình khởi tạo hệ thống, các module ngoại vi, tiếp đến sẽ đọc các thông tin tù bộ nhớ flash của nó và thiết lập hiển thị trên LCD. Sau khi khởi tạo hệ thống xong chương trình vào vòng lặp và thực hiện một vòng lặp như sau :
- Đọc dữ liệu cường độ sáng của các panel
- Kiểm tra phím bấm trong trường hợp người dùng vận hành thao tác trên bàn phím thì nhảy vào chương trình ngắt bàn phím để xử lý thông tin.
- Thực hiện chương trình con ghi dữ liệu vào Flash trong trường hợp có nhu cầu thay đổi dữ liệu cài đặt và hiển thị.
- Thực hiện chương trình con hiển thị LCD khi cần thay đổi hiển thị LCD. - Phát xung PWM cho driver đèn để điều khiển cường độ sáng cho các Panel đèn
Chương 4: Nghiên cứu xây dựng phần mềm cho hệ điều khiển giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
44
4.1.1.Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt bàn phím
N
Y Nhận giá trị cài
đặt ngày giờ Ngắt phím bấm
Cài đặt giờ ? Xác nhận ENTI
Y Nhận giá trị cài đặt cường độ sáng Cài đặt cường độ sáng Xác nhận ENTI N Y Nhận giá trị cài đặt cường độ sáng Cài đặt chu trình bật tắt Xác nhận ENTI N ENTI N N N Y Y Y
Hình 4-2: Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt bàn phím
Đối với khối phím bấm ta xây dựng được lưu đồ thuật toán của khối phím bấm như Hình 4-2. Khi người dùng ấn phím F1 từ bàn phím, chương trình ngắt sẽ xảy ra. Màn hình LCD sẽ chuyển sang menu cài đặt để người dùng thiết lập các thông số cần thiết. Ở menu cài đặt, người dùng có thể lựa chọn cài đặt lại thời gian hiển thị, cài đặt cường độ sáng cho từng panel đèn hay cài đặt chu trình bật tắt panel đèn.
Các thông số được cài đặt sẽ được lưu vào biến/ mảng tương ứng để chương trình chính thực hiện điều khiển, hiển thị theo giá trị đã được thiết lập.
Sau thời gian chờ 30s, nếu người dùng không có cài đặt gì thì màn hình LCD sẽ trở lại giao diện màn hình chính.
Chương 4: Nghiên cứu xây dựng phần mềm cho hệ điều khiển giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
45
4.1.2.Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt đọc giá trị từ mạch đo cường độ sáng
Ngắt UART
Đọc giá trị gửi về từ mạch cảm biến
ENTI
Hình 4-3: Chương trình ngắt đọc dữ liệu từ mạch đo cường độ sáng
Để xử lý mạch đọc dự liệu từ Dữ liệu về cường độ sáng từ cảm biến đo cường độ sáng được bộ điều khiển trung tâm đọc về khi có ngắt UART xảy ra. Mạch đo cường độ sáng được thiết lập 5s lại gửi dữ liệu về bộ điều khiển trung tâm 1 lần. Khi có ngắt xảy ra vi điều khiển trung tâm sẽ đọc giá trị gửi về, lưu vào biến tạm thời và hiển thị lên màn hình LCD. Từ yêu cầu trên ta xây dưng lưu đồ thuật toán chương trình ngắt đọc từ mạch đo cường độ sáng nhứ Hình 4-3.
Chương 4: Nghiên cứu xây dựng phần mềm cho hệ điều khiển giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
46
4.2. Lƣu đồ thuật toán của mạch đo cƣờng độ ánh sáng
Khởi tạo hệ thống
Cấu hình xung clock
Khởi tạo I2C
Khởi tạo biến đếm dem=0;Khởi tạo Lux=0
Đếm <100 N
Y
Cấu hình xung timer
Đọc giá trị từ TLS2561 Lux=Lux+lux/1000; dem++
Lux_Final = Lux; Lux=0; dem=0 Bắt đầu
Hình 4-4: Lưu đồ thuật toán mạch đo cường độ sáng
Nhiệm vụ của mạch đo cường độ sáng là đọc giá trị cường độ sáng của dàn đèn về và truyền về bộ điều khiển trung tâm. Chương trình chính của mạch đo cường độ sáng thực hiện khởi tạo các giá trị, thiết lập RS232, thiết lập ngắt timer và tiến hành đọc giá trị về từ cảm biến TSL2561.
Để đảm bảo kết quả đo chính xác, giảm sai số, ta tiến hành đọc nhiều lần giá trị từ cảm biến về, sau đó tính trung bình. Việc làm này giúp giảm thiểu sai số ngẫu nhiên mang lại. Từ đó ta xây dựng được lưu đồ thuật toán như Hình 4-4
Sau thời gian 2s, ngắt timer sẽ xảy ra, khi đó mạch đo cường độ sáng sẽ gửi dữ liệu cường độ sáng về vi điều khiển trung tâm để xử lý và hiển thị.
Chương 4: Nghiên cứu xây dựng phần mềm cho hệ điều khiển giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
47
Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt gửi dữ liệu như Hình 4-5 :
Ngắt Timer
Gửi giá trị cƣờng độ sáng về bộ điều khiển trung tâm
ENTI
Hình 4-5: Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt gửi dữ liệu cường độ sáng về bộ điều khiển trung tâm
Kết luận : Trong chương 4 tôi đã đưa ra lưu đồ thuật toán thực hiện trên hệ vi điều khiển. Phần tiếp theo sẽ tiến hành chế tạo, và kiểm nghiệm sản phẩm.
Chương 5: Kết quả và đề xuất
48
KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT CHƢƠNG 5:
5.1. Mục tiêu, nội dung thử nghiệm hệ giàn đèn Led dùng trong nuôi cấy mô
Việc thử nghiệm bộ điều khiển giàn đèn là công việc bắt buộc sau khi ta đã chế tạo bộ điều khiển nó giúp ta đánh giá sơ bộ độ tin cậy và chất lượng của bộ điều khiển hệ giàn đèn xem có đáp ứng được các yêu cầu đặt ra hay không, còn có những thiếu sót gì để từ đó có phương án khắc phục sửa chữa.
Mục tiêu thử nghiệm :
Đánh giá độ tin cậy, hoạt động ổn định của toàn bộ hệ thống thiết bị phần cững cũng như phần mềm.
Kiểm tra hoàn thiện lại thiết kế phần cứng, phần mềm.
Làm cơ sở căn cứ để có thể đánh giá cũng như hoàn thiện sản phẩm để đưa vào sử dụng trong thực tế.
Nội dung thử nghiệm
Thử nghiệm hoạt động của toàn bộ hệ thống với đầy đủ các modul chức năng bao gồm các khối chức năng bao gồm khối nguồn, khối thời gian thực, khối điều khiển trung tâm, màn hình hiển thị, bàn phím chức năng
Thử nghiệm các chức năng điều khiển, hiển thị
Thời gian kiểm tra phải đủ dài dể đánh giá độ tin cậy của sản phẩm
5.2. Chế tạo bộ điều khiển cƣờng độ sáng cho hệ dàn đèn LED
Với thiết kế phần cứng cũng như phần mềm ở chương 3 và chương 4 ta chế tạo được mạch điện cho hệ thống điều khiển giàn nuôi cấy sử dụng đèn LED như sau:
Chương 5: Kết quả và đề xuất
49
Hình 5-1: Mạch in khối điều khiển chính hệ thống điều khiển giàn đèn LED
Chương 5: Kết quả và đề xuất
50
Hình 5-3: Mạch in ghép nối LCD
Chương 5: Kết quả và đề xuất
51
Hình 5-5: Sơ đồ ghép nối hệ thống
Mô tả chức năng và cách đấu nối hệ thống : Các dây cắm phích nối được trang bị đầy đủ. Mạch điều khiển chính sẽ được cấp nguồn 24VDC
Mạch led driver sẽ được nối với mạch điều khiển chỉnh qua dây IDE 7 lõi. Các panel đèn led sẽ được kết nối với mạch led driver.
Mạch đo cường độ sáng nối với mạch điều khiển chỉnh qua cổng RS232
5.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét
Sau khi chế tạo xong bộ điều khiển cường độ sáng của giàn nuôi cấy mô sử dụng LED công việc tiếp theo là thử nghiệm hệ thống để xem các chức năng điều khiển của bộ điểu khiển đã đáp ứng được những yêu cầu công nghệ hay chưa và hoàn thiện sản phẩm trước khi đưa vào sử dụng trong thực tế.
Để làm được những việc đó ta xây dựng mô hình thực nghiệm gồm các bộ phận như sau :
- Mạch điều khiển chính . - Mạch Led driver.
- 2 panel đèn LED song song, mỗi panel 12 LED được mắc xen kẽ 2 LED đỏ 1 LED xanh.
- Khối nguồn 24V - 5A
Với mô hình thực nghiệm đã xây dựng ta kiểm tra các phần sau :
Khối cảm biens do cường độ
Chương 5: Kết quả và đề xuất
52 - Đánh giá tín hiệu xung điều khiển PWM.
- Kiểm tra khả năng điều khiển cường độ sáng của từng panel đèn bằng cách đo kiểm tra các giá trị dòng điện với từng mức cường độ sáng đặt khác nhau.
- Kiểm tra sự đồng đều của cường độ sáng từng panel với nhau. Cách thức tiến hành thực nghiệm như sau :
- Nhập từ bàn phím các giá trị cường độ sáng xác định sau đó sử dụng đồng hồ đo, đo dòng điện qua từng panel ứng với mỗi giá trị dòng điện tương ứng sẽ là sự thay đổi độ sáng của mỗi panel đèn
Kết quả đo tín hiệu xung được thực hiện trên máy Oscillscope MSO7054B cho ra chất lượng tốt, ổn định.(Hình 5-6)
(a) (b)
Hình 5-6: Đồ thị xung PWM với tỉ lệ 50:50 (hình a), 30:70 (hình b)
Để đánh giá cường độ sáng của dàn đèn ta tiến hành đo cường độ dòng điện qua các dàn đèn và thu được kết quả trong bảng 5.1
Chương 5: Kết quả và đề xuất
53
Bảng 5.1: Cường độ dòng điện qua 2 panel LED
Độ sáng (%)
Panel 1 (A) Panel 2 (A) Sai lệch tuyệt đối (A)
100 0.32251 0.3347 0.01219 90 0.2651 0.2754 0.0103 80 0.1814 0.1875 0.0061 70 0.1443 0.14903 0.00473 60 0.1045 0.10987 0.00537 50 0.06105 0.0629 0.00185 40 0.03695 0.03798 0.00103 30 0.03638 0.03738 0.001
Nhận xét : Từ Bảng 5.1 có thể thấy độ sai khác giữa dòng điện của 2 panel LED mắc song song tương đối lớn việc sai số này có nguyên nhân do vùng điện áp hoạt động giữa các LED khác nhau là khác nhau mặc dù đã lựa chọn các LED này cùng lô sản xuất và cùng nhà sản xuất. Sai số này sẽ ảnh hưởng đến cường độ sáng giữa các giàn nuôi cấy và làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Làm cho các mô nuôi cấy trong mỗi giàn đèn sẽ có sự sinh trưởng phát triển khác nhau.
Phương pháp khắc phục sai lệch này có thể là sử dụng tối đa 1 panel đèn với mỗi driver hoặc sử dụng mạch cân bằng dòng giữa 2 panel, để giải quyết vấn đề này chúng ta có thể sử dụng mạch Mirror current .
Chương 5: Kết quả và đề xuất
54
Bảng 5.2: Cường độ dòng điện qua 2 panel LED sử dụng mạch cân bằng
Độ sáng (%) Panel 1 (A) Panel 2 (A) Sai lệch (A)
100 0.325 0.33 0.005 90 0.2572 0.261 0.0038