Các tín hiệu đầu vào chia thành hai loại:
- Tín hiệu tương tự: là tín hiệu điện áp lấy trên biến trở (đặt trong bộ phận chấp hành của van điện) dùng để xác định vị trí trục van.
- Tín hiệu số: là hai tín hiệu xác định trạng thái van khóa hoàn toàn và van mở hoàn toàn của van lấy từ các công tắc hành trình của cơ cấu chấp hành.
a.Mạch xử lý tín hiệu tương tự.
Tín hiệu điện áp lấy trên biến trở có giá trị biến thiên từ 0 tới V0 (V0 là điện áp cấp cho biến trở)
Mạch xử lý tín hiệu tương tự cần đảm bảo:
- Tín hiệu điện áp sau xử lý ổn định, ít dao động.
- Độ lớn của tín hiệu đầu ra phù hợp với mức điện áp hoạt động của vi điều khiển đã lựa chọn ở mục 3.1.3
Ngoài ra, mạch xử lý tín hiệu tương tự cần có cấu tạo đơn giản, được xây dựng với những linh kiện giá thành thấp, dễ tìm kiếm trên thị trường, thuận lợi cho việc sửa chữa, nâng cấp.
Với các yêu cầu trên, giải pháp đơn giản và hiệu quả nhất là sử dụng một vi mạch khuếch đại thuật toán với hai tầng xử lý:
- Tầng xử lý thứ nhất: ổn định điện áp vào. - Tầng xử lý thứ hai: xử lý mức điện áp của tín hiệu.
Phương án được đưa ra ở tầng xử lý thứ nhất là kết hợp với tụ điện và một mạch lặp đầu vào, tín hiệu nhận từ biến trở qua mạch này được đảm bảo ổn định, ít dao động đồng thời đảm bảo sự phối hợp trở kháng với tầng xử lý phía sau.
Phương án được sử dụng ở tầng xử lý thứ hai là kết hợp mạch chia áp điện trở và mạch lặp đầu ra. Phần mạch chia áp đảm bảm mức điện áp đầu vào không vượt quá mức điện áp hoạt động của vi điều khiển. Phần mạch lặp đầu ra đảm bảo trở kháng để kết nối với vi điều hiển phía sau.
Chọn vi mạch khuếch đại thuật toán:
Vi mạch khuếch đại thuật toán cần đáp ứng các yêu cầu: - Hoạt động ổn định, tin cậy.
- Có đủ bộ khuếch đại thuật toán (2 bộ). - Phổ biến trên thị trường, dễ dàng thay thế.
Với các yêu cầu trên, đề tài chọn vi mạch khuếch đại thuật toán LM358 của Texas Instrument với các đặc điểm:
- Số lượng bộ khuếch đại: 2 bộ - Điện áp hoạt động: 3-32V - Dải tần hoạt động: 0.7MHz - Slew Rate: 0.3V/us
- Điện áp Offset tối đa: 7mV - Nhiệt độ hoạt động: 0-70 oC
Sơ đồ khối của LM358 được thể hiện trên Hình 3.8.
Với hai tầng khuếch đại như đã xây dựng phía trên, mạch xử lý tín hiệu tương tự được thiết kế như Hình 3.9.
Hình 3.9. Mạch xử lý tín hiệu tương tự đầu vào
Nguyên lý hoạt động: tín hiệu điện áp lấy từ biến trở (tối đa 12V) sau khi được lọc qua tụ điện đầu vào (C303) được đưa vào mạch lặp (sử dụng bộ khuếch đại thuật toán số 1 của LM358). Đầu ra của mạch lặp đi vào một mạch chia điện áp sử dụng 3 điện trở bằng nhau (hệ số khuếch đại tầng này: k = 1/3). Đầu ra của mạch chia điện áp đưa vào mạch lặp thứ hai (sử dụng bộ khếch đại thuật toán số 2 của LM358). Đầu ra của mạch này đưa vào vi điều khiển để chuyển đổi tín hiệu. Với thiết kế trên, điện áp đầu ra của mạch đảm bảo ổn định và phù hợp với điện áp hoạt động của vi điều khiển.
b.Mạch xử lý tín hiệu số
Theo phân tích tại mục 2.2, đề tài xác định vị trí của van bằng cách sử dụng kết hợp tín hiệu lấy từ biến trở và tín hiệu lấy từ công tắc hành trình.
Các công tắc hành trình ở đây dùng để định vị hai vị trí giới hạn: vị trí van ở trạng thái khóa hoàn toàn và vị trí van ở trạng thái mở hoàn toàn.
Để xác định hai vị trí giới hạn trong hành trình của van cần dùng mạch xử lý tín hiệu số với các yêu cầu:
- Xác định chính xác trạng thái tín hiệu (0-1 ứng với trạng thái của hai tiếp điểm khóa hoàn toàn, mở hoàn toàn)
- Tín hiệu đầu ra đảm bảo tương thích với điện áp hoạt động của vi điều khiển đã lựa chọn.
- Cách ly tín hiệu đầu vào đảm bảo an toàn cho vi điều khiển.
- Sử dụng linh kiện phổ biến trên thị trường, đảm bảo dễ dàng thay thế sửa chữa và nâng cấp.
Giải pháp đơn giản và hiệu quả nhất để đáp ứng các yêu cầu trên là sử dụng mạch cách ly quang. Đề tài chọn vi mạch cách ly quang TLP521 với ưu điểm phổ biến, giá thành rẻ, dễ tìm kiếm trên thị trường. Sơ đồ nguyên lý của TLP521 được thể hiện trên Hình 3.10.
Hình 3.10. Cách ly quang TLP521 và sơ đồ nguyên lý Điều kiện hoạt động bình thường của TLP521:
- Dòng điện qua diode: IF = 16-25 mA - Dòng điện qua collector: IC = 1-10 mA - Nhiệt độ hoạt động: -25 – 80oC
Trong các tủ, bảng điện, người ta thường dùng nguồn điện điều khiển 24VDC. Do vậy với mục đích thiết kế bộ phản hồi vị trí van có thể được ứng dụng dễ dàng trong công nghiệp, đề tài coi các cặp tiếp điểm báo trạng thái van khóa hoàn toàn và van mở hoàn toàn được nối với nguồn điện một chiều 24V.
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly quang
Nguyên lý hoạt động mạch xác định trạng thái van mở hoàn toàn:
- Trường hợp van điều khiển mở hoàn toàn, tiếp điểm thường mở CT1 của công tắc hành trình báo van mở hoàn toàn ngắn mạch, nối nguồn 24VDC vào mạch cách ly quang qua điện trở hãm dòng R303 (với R303=10kΩ, dòng điện IF = 24mA), như vậy diode IR(nguồn phát tia hồng ngoại trong cách ly quang) phát sáng, chân 3 (collector) của cách ly quang được nối với chân 4 (emitter) – đang nối xuống GND. Vậy tín hiệu điện áp đưa về vi điều khiển ở mức logic 0.
- Trường hợp van điều khiển không mở hoàn toàn, tiếp điểm thường mở CT1 của công tắc hành trình báo van mở hoàn toàn hở mạch, diode IR không phát sáng, tín hiệu điện áp đưa về vi điều khiển được nối với nguồn 3.3V qua điện trở kéo R306 ứng với mức logic 1.
Xác định mức logic của tín hiệu đưa từ mạch cách ly quang về vi điều khiển sẽ xác định được việc van điều khiển có đang mở hoàn toàn hay không.
Mạch xác định trạng thái van khóa hoàn toàn có nguyên lý hoạt động tương tự mạch xác định trạng thái van mở hoàn toàn.