Bộ biến đổi Buck-Boost cho phép điện áp ra có thể cao hơn hoặc thấp hơn điện áp vào. Cấu hình của loại mạch này được mô tả trên Hình 2-10. Trong trạng thái xác lập, khi van dẫn, đầu vào nạp năng lượng cho cuộn cảm, đồng thời Diode phân cực ngược, tụ C phóng điện ra tải. Khi van không dẫn, Diode phân cực thuận, năng
Chương 2: Tổng quan điều khiển cường độ sáng của đèn LED
18
lượng tích trữ trên cuộn cảm được chuyển ra tải. Tùy vào khoảng thời gian van dẫn mà điện áp ra là lớn hơn hoặc bé hơn điện áp vào.
L Đ V2 C S V1 IL IO
Hình 2-10: Cấu hình mạch buck-boost cơ bản.
L C V2 S V1 IL IO Đ L Đ V2 C S V1 IL IO
Hình 2-11: Mạch Buck-boost khi: (a) Van dẫn. (b) Van không dẫn.
Công thức đặc trưng cho các bộ biến đổi loại này [4]:
(2.3)
Trong đó:
- Vout là điện áp ra. - Vin là điện áp vào.
- D là duty, hệ số đặc trưng cho khoảng thời gian van dẫn trong một chu kỳ.
(b) (a)
Chương 2: Tổng quan điều khiển cường độ sáng của đèn LED
19 Ưu điểm:
- Cấu hình mạch đơn giản
- Điện áp đầu ra có thể cao hơn hoặc thấp hơn so với điện áp đầu vào Nhược điểm:
- Không cách ly giữa điện áp đầu vào với điện áp đầu ra. - Tạo ra điện áp âm so với nguồn đầu vào
Từ các phân tích trên tôi thấy rằng việc sử dụng bộ biến đổi buck là phù hợp với ứng dụng điều khiển cường độ sáng cho hệ dàn đèn LED ứng dụng trong nuôi cấy mô.
Ngày nay với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các hãng sản xuất đã đưa ra rất nhiều các Vi mạch tích hợp để điều khiển cường độ sáng cho đèn LED. Trong luận văn sẽ sử dụng IC LM3406 của TI để thiết kế bộ điều khiển cường độ sáng chi tiết thiết kế cho mạch sẽ được trình bày ở chương tiếp theo.
Kết luận : Như vậy chúng ta đã tìm hiểu xong các đặc tính của LED và các bộ biến
đổi có thể sử dụng để điều khiển cường độ sáng của LED. Ở chương tiếp theo ta sẽ đi vào thiết kế phần cứng cho hệ thống điều khiển giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED.
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
20
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO PHẦN CỨNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHƢƠNG 3:
KHIỂN CHO GIÀN NUÔI CẤY MÔ SỬ DỤNG ĐÈN LED 3.1. Tổng quan thiết kế và nguyên lý hoạt động của hệ thống
Để thuận tiện cho việc tính toán thiết kế và thử nghiệm hệ thống luận văn đưa ra một bài toán cụ thể như sau:
Bài toán thiết kế như sau thiết kế hệ thống điều khiển cho 4 giàn nuôi cấy mô cây đẳng sâm (20 – 75 µmol m-2 s-1) , hệ thống có khả năng thiết lập cường độ chiếu sáng phù hợp với từng giai đoạn nuôi cấy mô. Đồng thời, hiển thị các thông số về cường độ bức xạ quang hợp của từng panel đèn, hiển thị ngày giờ. Ngoài ra module có tính năng mở rộng, dễ dàng phát triển thêm để kết nối với máy tính.
Từ yêu cầu của bài toán ta xây dựng hệ hệ thống có cấu trúc như Hình 3-1 :
Hình 3-1: Sơ đồ khối bộ hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô
Hệ giàn nuôi cấy mô tích hợp bộ điều khiển bao gồm 4 khối chính:
- Hệ giàn LED: hệ giàn đèn gồm 4 panel đèn được thiết kế đảm bảo cường độ bức xạ quang hợp cho nuôi cấy mô (20 – 75 µmol m-2 s-1) với tỉ lệ bước sóng phù hợp với nuôi cấy mô cây đẳng sâm.
- Driver đèn: Có chức năng điều khiển cường độ sáng của từng panel đèn. - Khối cảm biến đo cường độ sáng của giàn đèn có chức năng đưa về thông số cường độ bức xạ quang hợp của từng panel đèn tại thời điểm đo và hiển thị lên màn hình LCD của bộ điều khiển.
Modul hiển thị điều khiển
cường độ sáng Driver đèn Panel LED
Đo lường cường độ sáng
Cường Độ sáng
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
21
- Khối hiển thị và điều khiển: Có chức năng thiết lập cường độ sáng cho driver đèn. Đồng thời hiển thị các thông số cường độ bức xạc quang hợp của từng panel đèn, ngày giờ. Và tích hợp sẵn module mở rộng để dễ dàng kết nối máy tính.
3.2. Thiết kế bộ điều khiển cƣờng độ sáng giàn đèn led 3.2.1.Sơ đồ khối bộ điều khiển cƣờng độ sáng
Từ các phân tích trên bộ điều khiển cường độ sáng của giàn đèn led ta xây dựng được sơ đồ khối của bộ điều khiển đèn led như Hình 3-2:
Driver Đèn
Vi điều khiển trung tâm (MP430F5438)
Bàn phím kích thước 5x4
Màn hình hiển thị LCD Graphic 128x64
Modul đo cường độ sáng Module RTC BQ32000 Nguồn 3.3V DC Nguồn 24V DC Nguồn 5V DC DATA DATA PWM RS485 I2C
Hình 3-2: Sơ đồ khối bộ điều khiển giàn nuôi cấy mô
Các khối chức năng trong bộ điều khiển giàn nuôi cấy mô: - Module đo cường độ sáng : đo cường độ sáng của giàn đèn
Chương 3: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô sử dụng đèn LED
22
- Module màn hình hiển thị : Hiển thị các thông số của hệ thống. - Module thời gian thực: đồng bộ thời gian cho hệ thống
- Module bàn phím: giao tiếp giữa người sử dụng và hệ thống.
- Module điều khiển trung tâm : giao tiếp, điều khiển các khối chức năng từ các thông tin nhận được.
- Module nguồn : Cấp nguồn cho vi điều khiển và các khối chức năng.
3.2.2.Thiết kế các module chức năng của mạch điều khiển a. Module nguồn 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