3.3.1. Chọn mạch điều khiển
➢ Yêu cầu:
- 3 Thông số đầu vào để điều chỉnh bao gồm: BPM, I/E, Pressure (3 analog).
- 1 Thông số cảm biến để cập nhật liên tục: áp suất
- 2 nút nhấn: xác nhận thông số cài đặt (confirm) và dừng hoạt động (stop) (2 digital).
- 1 công tắc hành trình để định vị trí ban đầu (1 digital) - Điều khiển động cơ: cấp xung PWM và điều khiển chiều
quay (3 digital) - 1 còi báo (1 digital)
- LCD: 6 chân digital hoặc sử dụng giao tiếp I2C chỉ tốn 2 chân SDA, SCL
➢ Tổng kết: 4 cổng analog, 11 cổng digital
➢ Chọn sử dụng mạch điều khiển là Arduino
- Arduino Mega: sẽ dư rất nhiều chân, gây lãng phí
- Arduino Uno: nếu sử dụng LCD bằng giao tiếp I2C sẽ mất hai chân analog A4(SDA), A5(SCL) nên không đủ cổng analog. Sử dụng LCD theo cách thông thường sẽ vừa đủ các cổng cần thiết
- Chọn sử dụng mạch điều khiển Arduino Uno.
3.3.2. Chọn động cơ
Với các thông số tính toán từ thiết kế cơ khí, ta chọn động cơ với các điều kiện sau: công suất P = 70W, momen xoắn T = 10Nm
Ta chọn động cơ động cơ bước 57HS7630B6D8 kèm hộp giảm tốc hành tinh PX57N005S0 tỉ số truyền 1:5 với các thông số:
• Động cơ bước 57HS7630B6D8
Hình 3.14: Động cơ bước 57HS7630B6D8 - Điện áp đầu vào: 12V-80VDC
- Momen xoắn: 1.8Nm. - Momen giữ: 6Nm. - Công suất: 60 W.
- Tốc độ: 1000-1600 vòng/phút
- Số xung/1 vòng quay: 200 xung/360°
➔Góc quay trục đầu ra động cơ mỗi xung là: 360
200=1.8°
Hình 3.15: Hộp giảm tốc hành tinh PX57N005S0
Hộp giảm tốc hành tinh được chế tạo đặc biệt, chuyên dụng làm tăng momen xoắn cho động cơ servo, động cơ bước trong khi vẫn giữ được độ chính xác vị trí cao (điều rất cần thiết trong lĩnh vực điều khiển.)
Ưu điểm giá thành rẻ, độ bền cao. Ứng dụng nhiều trong các máy cần độ chính xác cao như máy cấp phôi tự động, máy đóng gói, máy cắt CNC, máy khắc CNC, máy khắc laser….
Cấu tạo bên trong của hộp giảm tốc
Việc chọn hộp số hành tinh cho động cơ bước trên với tỉ số truyền 1:5 giúp tăng momen xoắn cho tổng thể cụng động cơ 1.8Nm*5=9Nm.
Tăng độ chính xác khi điều khiển. Góc quay của trục đầu ra của cụm động cơ cho mỗi xung khi này sẽ là: 200
360∗5 = 0,36°.
3.3.3. Mạch điều khiển động cơ
Mạch điều khiển động cơ bước TB6560 là loại thường được sử dụng nhất hiện nay, mạch có thể điều khiển được động cơ bước 2 pha (10 – 35VDC) với công suất tối đa 3A. Mạch điều khiển động cơ bước TB6560 được sử dụng để điều khiển động cơ bước, ứng dụng trong máy CNC hoặc các hệ cơ khí chính xác.
Thông số kỹ thuật
- Điện áp hoạt động: 10-35VDC. - Dòng tải tối đa: 3A, peak 3.5A.
- Tích hợp Opto cách ly 6N137 tốc độ cao giúp cách ly tín hiệu điều khiển với board điều khiển, an toàn và chống nhiễu.
- Tích hợp tản nhiệt nhôm lớn giúp tản nhiệt cho TB6560.
- Thích hợp với động cơ bước 43, 57, 86 | 2 hoặc 4 pha | 4 dây hoặc 6 dây.
- Có công tắc để Setup dòng tải, tối đa 3A.
- Có công tắc để Setup vi bước 1:1, 1:2, 1:8, 1:16. - Có công tắc để Setup Decay (lực giữ vị trí cố định).
- Sử dụng đơn giản, chỉ cần thiết lập thông số Motor, cấp nguồn và cấp xung điều khiển.
➔Tùy chọn dòng tải tối đa lên đến 3A và 3.5A có thể sử dụng công suất tối đa của động cơ bước.
➔Có tùy chọn setup vi bước lên đến 1:16. Tăng số xung cấp vào cho 1 vòng của động cơ. Khiến độ chính xác cao hơn trong lập trình và quá trình hoạt động
VD: Nếu lựa chọn vi bước 1:16 thì cụm động cơ kèm hộp giảm tốc ta sử dụng sẽ có số xung để điều khiển một vòng quay động cơ là: 200*5*16 = 16000 xung/vòng động cơ đầu ra. Chính xác hơn trong quá trình điều khiển.
3.3.4. Chọn cảm biến áp suất
Dựa trên các thông số từ yêu cầu bài toán
- Áp suất nằm trong khoảng: 10 - 40 cmH2O - Phát hiện áp suất hơi thở thay đổi
Hình 3.18: Cảm biến áp suất BMP280
- Khoảng đo áp suất : 300-1100 hPa (0.3 kPa-110kPa) – tương ứng 0.1 cmH2O-115cmH2O.
- Độ chính xác tương đối: ± 12 hPa - Độ chính xác tuyệt đối : ± 1
- Hệ số bù nhiệt độ: 1.5 Pa/K, ứng với At 12.6cm /K (khoản 25~40°C tại 900hPa)
- Khoản đo nhiệt độ: -40- + 85 ° C - Điện áp hoạt động: 3V3
- Kích thước 11.5 x 14.5mm
3.3.5. Một số linh kiện khác 3.3.5.1. Màn hình LCD 20x4
Màn hình LCD là 1 màn hình LED có kích thước 20x4, kết nối với Arduino để hiển thị thông tin sau khi xử lý
Hình 3.19: LCD 20x4 Thông số kỹ thuật:
• Chân nguồn hoạt động ở mức: 2.7V đến 5.5V.
• Điện áp mức cao: 2.2V đến Vcc.
• Điện áp mức thấp: -0,3V đến 0,6V.
• Tần số dao động nội:190kHz đến 350kHz.
3.3.5.2. Giao tiếp I2C cho LCD
Việc LCD chiếm dụng quá nhiều chân cắm gây khó khăn trong quá trình kết nối và mất thẩm mỹ của mạch điện. Ta dùng module I2C để giải quyết vấn đề trên.
Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16x2 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì module IC2 bạn chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối.
Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16x2, LCD 20x4, ...) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay. [4]
Thông số kỹ thuật:
• Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC.
• Giao tiếp: I2C.
• Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2).
• Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.
• Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.
Hình 3.20: Module I2C
3.3.5.3. Biến trở điều chỉnh thông số đầu vào
Hình 3.21: Biến trở đầu vào
3.3.5.4. Còi cảnh báo
3.3.5.5. Nguồn tổ ong
Hình 3.23: Nguồn tổ ong
- Điện áp đầu ra khá ổn định và chính xác giúp hệ thống hoạt động được đúng công suất và lâu bền.
- Cơ chế tự bảo vệ (tự ngắt điện) khi thiếu/ quá tải/ quá điện áp, vậy nên người dùng có thể an tâm camera và các thiết bị khác sẽ được an toàn khi có sự cố xảy ra.
- Khả năng tự phục hồi khi bộ chuyển đổi trở lại hoạt động bình thường.
- Có thể sử dụng đa dạng như bộ chuyển đổi năng lượng cho màn hình LED (LED display), biển quảng cáo, thiết bị công nghiệp… - Cài đặt dễ dàng và đơn giản.
3.3.5.6. Mạch PCB
Hình 3.24: Thiết kế mạch PCB trên ALTIUM
3.3.6. Sơ đồ kết nối của hệ thống
Hình 3.26: Sơ đồ kết nối