a. Module nguồn
Trong bộ điều khiển, bộ nguồn có chức năng đảm bảo cung cấp điện ổn định cho vi điều khiển và các module chức năng ngoại vi như LCD, module đo cường độ sáng.
Trong mạch LCD được chọn là LCD graphic 128x64 có điện áp cấp là 5VDC. Các module, vi mạch còn lại cần điện áp cấp là 3.3VDC.
Như vậy mạch nguồn phải đáp ứng được các yêu cầu sau đây: - Đầu vào: điện áp một chiều 24VDC
- Đầu ra : 5VDC và 3.3VDC
Lựa chọn IC cấp nguồn
Với điện áp nguồn đầu vào là 24VDC, điện áp đẩu ra 5VDC và 3.3VDC thì ta lựa chọn IC LM2575 của TI để tạo nguồn điện áp đầu ra 5V và IC TLV1117-33 để tạo nguồn điện áp ra 3,3V.
Giới thiệu về IC LM2575
Họ LM2575 là loại IC nguồn Switching Điện áp vào: 4,75 – 40V
Điện áp ra: 1,27 – 37V
Cường độ dòng điện tối đa là 1A.
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
23
Giới thiệu về IC TLV1117-33
- IC nguồn LDO với dòng ra tối đa là 800mA
- Điện áp đầu vào: 4.7V – 15V - Điện áp đầu ra: 3.3V
Hình 3-4Sơ đồ chân của TLV1117- 33[9]
Thiết kế mạch nguyên lý
Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn được thể hiện ở Hình 3-5:
Hình 3-5: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn
D4 là diode Xung (sử dụng loại diode Xung chịu được 1A đến 3A và điện áp
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
24
Cuộn cảm L1 được sử dụng để chặn xung sao cho điện áp ra trên tải và tụ lọc nguồn C22 không vượt quá mức danh định.
Theo tài liệu hướng dẫn mà hãng cung cấp ([8])với giá trị điện áp ra là 5V ta lựa chọn cuộn cảm L1=330µF.
b. Khối vi điều khiển
Vi điều khiển là bộ não của toàn bộ hệ thống điều khiển, có chức năng thu thập tính toán và xử lý dữ liệu đưa về từ các module cảm biến, module thời gian thực, phím bấm từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển cường độ sáng của đèn và hiển thị các thông số lên màn hình LCD. Việc lựa chọn vi điều khiển dựa trên cấu hình cần thiết của bộ điều khiển, cũng như giá thành của sản phẩm.
Từ sơ đồ khối bộ điều khiển Hình 3-2, vi điều khiển được lựa chọn phải có đầy đủ các ngoại vi cần thiết như: I2C, UART, có bộ nhớ Flash đủ lớn để dễ dàng lập trình sau này và có giá thành phải chăng. Qua các phân tích trên, ta thấy vi điều khiển MSP430F5438 của TI đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kể trên.
Các tính năng nổi bật của MSP430F5438[10] - Nhiều chế độ tiết kiệm năng lượng
- Dải điện áp hoạt động nằm trong khoảng 1.8V đến 3.6V - Tiêu thụ điện năng cực thấp
Chế độ hoạt động: 230uA với tần số hoạt động là 1Mhz, 2.2V
Chế độ ngủ: 0.5uA
Chế độ không hoạt động (duy trì hoạt động của RAM): 0.1uA - MCU 16bits với 32kB Flash số lần ghi xóa dữ liệu vào flash đạt 100000 lần. - 4 I2C, 8 SPI, 4 UART….
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
25
Sơ đồ nguyên lý của MSP430F5438 được thể hiện qua Hình 3-6
Hình 3-6: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển.
c.Khối phím bấm và màn hỉnh hiển thị
Khối phím bấm
Khối phím bấm giúp người dùng tương tác dễ dàng hơn với bộ điều khiển. Thông qua các phím bấm người dùng có thể thiết lập được các thông số như thời gian, cài đặt cường độ sáng của từng panel đèn và cài đặt chu trình bật tắt điều khiển cường độ sáng.
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
26
Để đảm bảo yêu cầu thẩm mỹ khi đóng hộp sản phẩm, thì khối phím bấm được thiết kế theo nguyên lý như Hình 3-7
Để đảm bảo an toàn cho vi điều khiển ta lựa chọn các điện trở kéo có giá trị là 10KΩ
Hình 3-7: Sơ đồ nguyên lý khối phím bấm
Khối hiển thị
Khối hiển thị có chức năng hiển thị thông tin về cường độ sáng của từng panel đèn. Giúp người dùng dễ dàng hơn trong việc tương tác với bộ điều khiển. LCD
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
27
được lựa chọn phải đủ lớn để có thể lập trình hiển thị nhiều thông tin cùng một lúc. LCD graphic 192x64 được lựa chọn sử dụng cho bộ điều khiển:
Hình 3-8: LCD graphic 192x64
Thông số kỹ thuật của LCD
- Điện áp hoạt động: 5V.
- Độ phân giải: 192x64 điểm ảnh.
- Các chuẩn giao tiếp: Song song 8 bit, song song 4 bit, và giao tiếp nối tiếp. - IC Driver: KS0108.
Giới thiệu về LCD
Mỗi Graphic LCD 1926405 sử dụng 1 chíp điều khiển KS0108. LCD có thể hiển thị bảng chữ cái, chữ số, các phông chữ mà người sử dụng tự thiết lập… Cung cấp cho người sử dụng tới 3 chế độ giao tiếp với LCD là 8bit song song, 4 bit song song, đồng bộ nối tiếp. Hỗ trợ đầy đủ các phông chữ lấy từ CGROM, HCGROM, GDRAM, CGRAM (không gian nhớ lưu trữ phông chữ 16x16 mà người sử dụng tự thiết lập). Mức điện áp hoạt động của KS0108 từ 2.7V – 5.5V, mức tiêu thụ điện năng thấp.
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
28
Graphic LCD19264-05 có 20 chân, trong đó chân 19 và 20 là Anode và Cathode của LED nền. 18 chân còn lại, có 4 chân cung cấp nguồn và 14 chân điều khiển … Chức năng các chân được nêu cụ thể ở bảng 3.1:
Bảng 3.1 Chức năng các chân của LCD192x64
STT Tên Chức năng Trạng
thái Logic
Mô tả
1 VSS Cấp nguồn cho LCD - 0V
2 VDD - +5V
3 V0 Điều khiển tương phản - 0-VDD
4 RS Điều khiển LCD 0 1 D0-D7: Lệnh D0-D7: Dữ liệu 5 R/W 0 1 Ghi vào LCD Đọc ra từ LCD 6 E 0 1 1 xuống 0 Vô hiệu LCD Chạy LCD Bắt đầu đọc/ghi LCD
7 D0 Truyền dữ liệu/lệnh 0/1 Bit 0
8 D1 0/1 Bit 1 9 D2 0/1 Bit 2 10 D3 0/1 Bit 3 11 D4 0/1 Bit 4 12 D5 0/1 Bit 5 13 D6 0/1 Bit 6
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
29
14 D7 0/1 Bit 7
15 CS1 Lựa chọn chíp điều khiển 0/1 Bên trái
16 RST Reset chip 0 Reset chip tích cực
thấp 17 CS2 Lựa chọn chíp điều khiển 0/1 Giữa 18 CS3 Lựa chọn chíp điều khiển 0/1 Bên phải
19 VEE Nguồn âm Nguồn âm do LCD
tạo ra 20 A Chân Anot
Thiết kế sơ đồ nguyên lý khối LCD
Hình 3-9: Sơ đồ khối LCD graphic 192x64
d. Khối thời gian thực
Giới thiệu khối thời gian thực BQ32000
BQ32000 là thiết bị thời gian thực tiêu chuẩn công nghiệp, có các tính năng cơ bản: các thanh ghi thời gian được cập nhật cùng một thời điểm, từng giây, tự động
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
30
xác định năm nhuận, có chương trình hiệu chỉnh với độ chính xác cao (-63ppm đến +126ppm); nguồn cấp dự phòng có thể được cấp bởi siêu tụ hoặc pin không sạc lại; chuẩn giao tiếp bằng I2C …
Bảng 3.2 Chức năng các chân của BQ32000
NAME I/O FUNCTION
GND I Ground
VBACK I Backup device power VCC I VCC:3.3V
SCL I I2C serial interface clock SDA I/O I2C serial data
IRQ Configurable interrupt output. Open-drain output.
OSCI Oscillator input
OSCI0 Oscillator output
Sơ đồ cấu tạo chân của BQ32000 như sau:
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
31
Thiết kế sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực BQ32000
Hình 3-11: Sơ đồ khối thời gian thực RTC
- Nguồn cung cấp cho BQ32000 là nguồn 3,3VDC ngoài ra nguồn dự phòng cấp vào chân Vback là nguồn Pin Cmos 3V. Khi BQ32000 hoạt động bằng nguồn dự phòng, nó sẽ không còn khả năng ghi/đọc các thanh ghi nữa, nguồn Pin này chỉ được dùng cung cấp cho bộ dao động bên trong chíp chạy.
- Sử dụng thạch anh ngoài 32,768 KHz là nguồn tạo dao động cho IC.
- Các chân sử dụng trong giao tiếp giữa BQ32000 với MCU được sử dụng điện trở kéo lên (10k) theo đúng khuyến cáo của chuẩn giao tiếp I2C nối và được với nguồn cung cấp chứ không nối với nguồn dự phòng.
- Vẫn sử dụng tụ Bypass nhỏ C4 = 100 nF để thực hiện lọc nhiễu cao tần cho nguồn cung cấp IC.
e.Khối mở rộng
Yêu cầu của bộ điều khiển là có khả năng mở rộng kết nối khi cần thiết để có thể dễ dàng truyền nhận dữ liệu trên máy tính. Do vậy, truyền thông RS232 được thiết kế để bộ điều khiển có thể kết nối máy tính khi cần thiết.
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
32
Hình 3-12: Sơ đồ khối truyền tin RS232
3.3. Khối cảm biến đo cƣờng độ ánh sáng
Khối cảm biến đo cường độ ánh sáng có tác dụng đo cường độ sáng của từng panel đèn và truyền về bộ điều khiển trung tâm. Do kích thước giàn đèn lớn nên khối cảm biến được làm tách biệt với bộ điều khiển và giao tiếp với bộ điều khiển qua chuẩn RS485.
Khối cảm biến sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến cường độ sáng và thực hiện việc chuyển đổi từ cường độ bức xạ quang hợp (µmol.s-1
.m-2) sang cường độ sáng LUX, như vậy, thay vị đo cường độ bức xạ quang hợp ta sẽ đi thiết kế mạch đo cường độ sáng LUX và sử dụng hàm chuyển đổi đã trình bày ở để quy đổi về cường độ bức xạ quang hợp của cây. Cảm biến đo cường độ sáng được sử dụng là cảm biến TSL2561.
Giới thiệu về module cảm biến TSL2561
• Chuyển từ tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu số • Độ phân giải cao với 16bit đầu ra số.
• Dải nhiệt độ hoạt động rộng từ -400C đến 850
C • Tính năng giảm nhiễu ánh sáng 50Hz/60Hz • Tiêu thụ năng lượng ít 0,75mW
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
33
Hình 3-13: Module cảm biến TSL2561
Hình 3-14: Sơ đồ khối TSL2561
Mỗi module TSL 2561 được tích hợp sẵn 2 bộ chuyển dổi ADC, chuyển đỗi dữ liệu từ 2 photodiode có độ nhạy sáng khác nhau hoạt động độc lập với nhau tạo thành 2 kênh dữ liệu. Tín hiệu tương tự sau khi qua bộ chuyển đổi ADC sẽ được lưu vào 2 thanh gi dữ liệu của kênh 0 và kênh 1. Truyền thông với các thiết bị bên ngoài theo chuẩn I2C.
Cường độ sáng sẽ được giữ nguyên khi cường độ sáng thay đôi với môt giới hạn trên và giới hạn dưới được người dùng cài đặt thông qua chân ngắt INT giúp làm tăng hiệu suất của hệ thống
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
34
Dữ liệu ra là cường độ sáng LUX được truyền về vi điều khiển qua chuẩn truyền thông I2C.
Thiết kế mạch nguyên lý khối đo cƣờng độ ánh sáng
Hình 3-15: Sơ đồ nguyên lý mạch đo cường độ sáng
Mạch đo cường độ sáng sử dụng vi điều khiển MSP430G2553 của TI. Giao tiếp giữa mạch đo cường độ sáng và bộ điều khiển trung tâm được thực hiện qua chuẩn truyền thông RS485 Hình 3-16
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
35
Hình 3-17: Sơ đồ khối RS485 ở bộ điều khiển trung tâm
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED 36 Hinh 3 -18: Sơ đ ồ ph ần cứ ng b ộ đi ều k hiên chí nh
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
37
3.4. Tính toán thiết kế driver đèn
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.