CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
2.3 Tìm hiểu linh kiện trong boar mạch máy làm đá viên
2.3.1 Giới thiệu về linh kiện trong mạch
Tụ Điện
Tìm hiểu tụ điện:
Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động cấu tạo bởi hai bản cực đặt song song được ngăn cách bởi lớp điện mơi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu. Tụ điện có tính chất cách điện 1 chiều nhưng cho dịng điện xoay chiều đi qua nhờ ngun lý phóng nạp. Chúng được sử dụng trong các mạch điện tử: mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động…
Nguyên lý hoạt động của tụ điện:
Nguyên lý phóng nạp của tụ điện được hiểu là khả năng tích trữ năng lượng điện như một ắc qui nhỏ dưới dạng năng lượng điện trường. Nó lưu trữ hiệu quả các electron và phóng ra các điện tích này để tạo ra dịng điện. Nhưng điểm khác biệt lớn của tụ điện với ắc qui là tụ điện khơng có khả năng sinh ra các điện tích electron.
Nguyên lý nạp xả của tụ điện là tính chất đặc trưng và cũng là nguyên lý cơ bản trong hoạt động của tụ điện. Nhờ tính chất này mà tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều.
Nếu điện áp của hai bản mạch không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian mà ta cắm nạp hoặc xả tụ rất dễ gây ra hiện tượng nổ có tia lửa điện do dòng điện tăng vọt. Đây cũng là nguyên lý nạp xả của tụ điện khá phổ biến.
Công dụng của tụ điện:
Khả năng lưu trữ năng lượng điện. Khả năng nạp xả thơng minh.
24
Hình 2.4: Tụ điện [21]
Điện trở.
Tìm hiểu điện trở:
Điện trở (Resistor) là một linh kiện điện tử thụ động với 2 tiếp điểm nối. Chức năng của nó dùng để điều chỉnh mức độ tín hiệu, hạn chế cường độ dòng điện chảy trong mạch. Dùng để chia điện áp, kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor, tiếp điểm cuối trong đường truyền điện đồng thời có trong nhiều ứng dụng khác.
Điện trở công suất sẽ giúp tiêu tán 1 lượng lớn điện năng chuyển sang nhiệt năng trong các hệ thống phân phối điện, trong các bộ điều khiển động cơ. Các điện trở thường có trở kháng cố định, ít bị thay đổi bởi nhiệt độ và điện áp hoạt động.
Biến trở là loại điện trở có thể thay đổi được trở khang và các núm vặn của nó đều có thể điều chỉnh được âm lượng.
Các loại cảm biến có điện trở biến thiên như: cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, lực tác động và các phản ứng hóa học.
25
Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dịng điện của vật liệu. Điện trở được định nghĩa chính là tỉ số của hiệu điện thế giữa 2 đầu vật thể đó với cường độ dịng điện đi qua nó.
Nguyên lý hoạt động của điện trở
Theo định luật Ohm: điện áp (V) đi qua điện trở tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện (I) và tỉ lệ này là 1 hằng số điện trở (R).
Công thức định luật Ohm: V=I*R
Điện trở thực tế cũng có một điện cảm và điện dung ảnh hưởng tới mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong mạch xoay chiều hiện nay.
Công dụng của điện trở
Điện trở có mặt ở mọi nơi trong thiết bị điện tử và như vậy điện trở là linh kiện quan trọng khơng thể thiếu được, trong mạch điện, điện trở có những tác dụng sau:
Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp, Ví dụ có một bóng đèn 9V, nhưng ta chỉ có nguồn 12V, ta có thể đấu nối tiếp bóng đèn với điện trở để sụt áp bớt 3V trên điện trở.
Mắc điện trở thành cầu phân áp để có được một điện áp theo ý muốn từ một điện áp cho trước.
Phân cực cho bóng bán dẫn hoạt động. Tham gia vào các mạch tạo dao động R C.
Điều chỉnh cường độ dòng điện đi qua các thiết bị điện. Tạo ra nhiệt lượng trong các ứng dụng cần thiết.
26
Hình 2.5: Điện trở [22]
Diode
Khái niệm diode
Điốt (Diode) bán dẫn hoặc tên gọi khác là Điốt, là một trong những linh kiện điện tử có tính bán dẫn cho phép dịng điện đi qua theo đúng một chiều.
Điốt thường đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn P ghép lại chung với một khối khối bán dẫn N và đi cùng 2 chân xuất ra cự dương gọi anode (+) và cực âm gọi Katot (-).
Nguyên lí làm việc
Diode chỉ cho phép dịng điện đi từ cực Anot (+) sang cực Katot (-) mà khơng cho phép dịng điện đi theo chiều ngược lại.Có thể hiểu rằng diode là một cầu chì điện một chiều, trong nhiều mạch điện chức năng chủ yếu của diode là giúp dòng điện đi theo một chiều cố định duy nhất.
Công dụng của diode:
Dùng để chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành dòng điện một chiều. Diode tách sóng dùng để lọc tần số.
Diode còn được sử dụng cho mạch ghim áp phân cực cho các transistor hoạt động.
27
Hình 2.6: Diode [23]
Transistor
Tìm hiểu Transistor.
Transistor (bóng bán dẫn) là loại linh kiện bán dẫn chủ động thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử. Chúng nằm trong khối đơn vị cơ bản xây dựng nên cấu trúc mạch máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác. Bởi tính nhanh và chính xác của mình nên chúng được ứng dụng nhiều trong các ứng dụng tương tự và số. Từ những sản phẩm quen thuộc như điện thoại, TV, hay các sản phẩm có sử dụng bộ khuếch đại âm thanh, hình ảnh ta đều thấy được vai trị khơng thể thiếu của transistor.
28 Ngun lí hoạt động
Hình 2.8: Mơ phỏng ngun lí hoạt động [25]
Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E.
Cấp nguồn một chiều UBE đi qua cơng tắc và trở hạn dịng vào hai cực B và E, trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E.
Khi công tắc mở, ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn khơng có dịng điện chạy qua mối C E (lúc này dòng IC = 0).
Khi cơng tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dịng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua cơng tắc => qua R hạn dịng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB.
Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dịng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB.
Như vậy rõ ràng dịng IC hồn tồn phụ thuộc vào dịng IB và phụ thuộc theo một công thức.
IC = β.IB.
29 IB là dòng chạy qua mối BE.
β là hệ số khuyếch đại của Transistor.
Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor.
Công dụng Transistor :
Khuếch đại điện áp một chiều
Tranzito được dùng trong các mạch khuếch đại một chiều (dc), khuếch đại tín hiệu (ac), mạch khuếch đại vi sai, các mạch khuếch đại đặc biệt, mạch ổn áp…
Khuếch đại điện áp xoay chiều
Tín hiệu sử dụng trong mạch là tín hiệu xoay chiều Khuếch đại cơng suất
Ứng dụng trong khuếch đại công suất cho hệ thống âm thanh, hệ thống điều khiển.
Mạch này thường làm việc với hiệu điện thế cao và dịng lớn.
Relay
Tìm hiểu Relay.
Rơ-le là một loại linh kiện điện tử thụ động rất hay gặp trong các ứng dụng thực tế. Khi chúng ta gặp các vấn đề liên quan đến cơng suất và cần sự ổn định cao, ngồi ra có thể dễ dàng bảo trì.
30
Từ rơ-le là từ vay mượn từ tiếng nước ngồi (cụ thể là tiếng Pháp) nên trong từ đó khơng bao hàm ý nghĩa gì nhiều. Vì vậy, ta sẽ khơng phân tích rơ-le là gì thơng qua tên gọi của nó. Rơ-le là một cơng tắc (khóa K). Nhưng khác với cơng tắc ở một chỗ cơ bản, rơ-le được kích hoạt bằng điện thay người.
Một module rơ-le được tạo nên bởi 2 linh kiện thụ động cơ bản là rơ-le và transistor, nên module rơ-le có những thơng số của chúng.
Hiệu điện thế kích tối ưu: một module relay sẽ làm nhiệm vụ bật tắt một bóng đèn (220V) khi trời tối từ cảm biến ánh sáng hoạt động ở mức 5-12V thì chúng ta cần loại module relay 5V (5 volt) hoặc module relay 12V (12 volt) kích ở mức cao.
Chức năng của rơ le:
Chuyển mạch nhiều dòng điện hoặc điện áp sang các tải khác nhau sử dụng một tín hiệu điều khiển.
Cách ly các mạch điều khiển khỏi mạch tải hoặc mạch được cấp điện AC khỏi mạch được cấp điện DC.
Giám sát các hệ thống an tồn cơng nghiệp và ngắt điện cho máy móc nếu đảm bảo độ an tồn. Sử dụng một vài rơ-le để cung cấp các chức
năng logic đơn giản như ‘AND,’ ‘NOT,’ hoặc ‘OR’ cho điều khiển tuần tự hoặc khóa liên động an tồn.
Hình 2. 9 Relay [26]
ESP32
31
ESP32-WROOM-32 là một mô-đun Wi-Fi + BT + BLE MCU mạnh mẽ, nhắm mục tiêu đến nhiều ứng dụng khác nhau, từ mạng cảm biến năng lượng thấp đến các tác vụ đòi hỏi khắt khe nhất, chẳng hạn như mã hóa giọng nói, phát trực tuyến nhạc và giải mã MP3 .
Cốt lõi của mô-đun này là chip ESP32-D0WDQ6 *. Con chip được nhúng được thiết kế để có thể mở rộng và thích ứng. Có hai lõi CPU có thể được điều khiển riêng và tần số xung nhịp CPU có thể điều chỉnh từ 80 MHz đến 240 MHz. Con chip này cũng có một bộ đồng xử lý năng lượng thấp có thể được sử dụng thay cho CPU để tiết kiệm điện năng trong khi thực hiện các tác vụ khơng địi hỏi nhiều sức mạnh tính tốn, chẳng hạn như giám sát các thiết bị ngoại vi. ESP32 tích hợp một loạt thiết bị ngoại vi phong phú, từ cảm biến cảm ứng điện dung, cảm biến Hall, giao diện thẻ SD, Ethernet, SPI tốc độ cao, UART, I²S và I²C.
Sự tích hợp của Bluetooth®, Bluetooth LE và Wi-Fi đảm bảo rằng một loạt các ứng dụng có thể được nhắm mục tiêu và mơ-đun là toàn diện: sử dụng Wi-Fi cho phép phạm vi vật lý lớn và kết nối trực tiếp với Internet thông qua bộ định tuyến Wi-Fi, trong khi sử dụng Bluetooth cho phép người dùng kết nối thuận tiện với điện thoại hoặc phát các đèn hiệu năng lượng thấp để phát hiện. Dòng điện ngủ của chip ESP32 nhỏ hơn 5µA, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng điện tử đeo và chạy bằng pin. Mô-đun hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 150 Mbps và công suất đầu ra 20 dBm tại ăng-ten để đảm bảo phạm vi vật lý rộng nhất. Như vậy, mô-đun cung cấp các thông số kỹ thuật hàng đầu trong ngành và hiệu suất tốt nhất cho tích hợp điện tử, phạm vi, mức tiêu thụ điện năng và kết nối.
Hệ điều hành được chọn cho ESP32 là freeRTOS với LwIP; TLS 1.2 với khả năng tăng tốc phần cứng cũng được tích hợp sẵn. Nâng cấp bảo mật (được mã hóa) qua mạng (OTA) cũng được hỗ trợ để người dùng có thể nâng cấp sản phẩm của họ ngay cả sau khi phát hành, với chi phí và nỗ lực tối thiểu.
32
Hình 2.10: chip ESP 32 [27] Thông số kỹ thuật:
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật Chip ESP 32 [Nguồn Internet: esp32-wroom-32_datasheet_en.pdf] 32_datasheet_en.pdf]
Thể loại Vật phẩm Thông số kỹ thuật
Chứng nhận RF Liên minh Wi-Fi FCC / CE-RED / IC / TELEC / KCC /
Chứng
nhận Chứng nhận Wi-Fi SRRC / NCC
Bluetooth BQB
Chứng nhận xanh RoHS / REACH
Thử
nghiệm Độ tin cậy HTOL / HTSL / uHAST / TCT / ESD
Wifi Các giao thức
802.11 b / g / n (802.11n lên đến 150 Mbps) A-MPDU và A-MSDU
33
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật Chip ESP 32 [Nguồn Internet: esp32-wroom-32_datasheet_en.pdf] 32_datasheet_en.pdf]
Dải tần số 2,4 GHz ~ 2,5 GHz
Wifi Các giao thức Bộ thu NZIF thông số kỹ thuật Bluetooth v4.2
BR / EDR và
Bluetooth Đài phát Class-1, class-2 và class-3
Âm thanh CVSD và SBC
Thể loại Vật phẩm Thông số kỹ thuật
Phần cứng
Thẻ SD, UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM, PWM động cơ, I2S, IR
Giao diện mô-đun bộ đếm xung, GPIO, cảm biến cảm ứng điện dung, ADC, DAC
Giao diện ơ tơ hai dây (TWAI®), tương thích với ISO11898-1 (CAN
Specification 2.0) Cảm biến trên chip Cảm biến Hall
Tinh thể tích hợp Tinh thể 40 MHz Tích hợp đèn flash SPI 4 MB
34 Bố cục ghim:
Hình 2.11: sơ đồ chân ESP32 [28] Điện áp hoạt động /
Nguồn cung cấp 3.0 V ~ 3.6 V Dòng điện hoạt động Trung bình: 80 mA Dịng điện tối thiểu được
cung cấp bởi nguồn điện 500 mA Phạm vi nhiệt độ hoạt động được để xuất - 40 ° C ~ +85 ° C Kích cỡ gói (18,00 ± 0,10) mm × (25,50 ± 0,10) mm × (3,10 ± 0,10) mm Mức độ nhạy cảm với độ ẩm (MSL) Cấp 3
35
Bảng 2.3: Các nhiệm vụ của từng chân ESP WROOM 32 [Nguồn Internet: esp32-wroom-32_datasheet_en.pdf] wroom-32_datasheet_en.pdf]
Tên Không. Thể loại Hàm số
GND 1 P Đất
3V3 2 P Nguồn cấp
EN 3 tôi Tín hiệu cho phép mơ-đun. Hoạt động
SENSOR_VP 4 tôi cao. GPIO36, ADC1_CH0, RTC_GPIO0 SENSOR_VN 5 tôi GPIO39, ADC1_CH3, RTC_GPIO3
IO34 6 tôi GPIO34, ADC1_CH6, RTC_GPIO4 IO35 7 tôi GPIO35, ADC1_CH7, RTC_GPIO5
IO32 số 8 I / O
GPIO32, XTAL_32K_P (đầu vào bộ dao động tinh thể 32,768 kHz), ADC1_CH4,TOUCH9, RTC_GPIO9
IO33 9 I / O
GPIO33, XTAL_32K_N (đầu ra bộ dao động tinh thể 32,768 kHz), ADC1_CH5,TOUCH8,
RTC_GPIO8
IO25 10 I / O
GPIO25, DAC_1, ADC2_CH8, RTC_GPIO6, EMAC_RXD0 GPIO26,
IO26 11 I / O
DAC_2, ADC2_CH9, RTC_GPIO7, EMAC_RXD1 GPIO27, ADC2_CH7,
36
IO27 12 I / O TOUCH7, RTC_GPIO17, EMAC_RX_DV
IO14 13 I / O
GPIO14, ADC2_CH6, TOUCH6, RTC_GPIO16, MTMS, HSPICLK, HS2_CLK, SD_CLK,
EMAC_TXD2
IO12 14 I / O
GPIO12, ADC2_CH5, TOUCH5, RTC_GPIO15, MTDI, HSPIQ, HS2_DATA2,
SD_DATA2, EMAC_TXD3
GND 15 P Đất
IO13 16 I / O
GPIO13, ADC2_CH4, TOUCH4, RTC_GPIO14, MTCK, HSPID, HS2_DATA3, SD_DATA3,
EMAC_RX_ER
SHD / SD2 * 17 I / O
GPIO9, SD_DATA2, SPIHD, HS1_DATA2, U1RXD GPIO10,
SWP / SD3 * 18 I / O
SD_DATA3, SPIWP, HS1_DATA3, U1TXD GPIO11, SD_CMD, SPICS0,
SCS / CMD * 19 I / O
HS1_CMD, U1RTS GPIO6, SD_CLK, SPICLK, SPIWP, HS1_DATA3,
37 SCK / CLK * 20 I / O
U1TXD GPIO11, SD_CMD, SPICS0, HS1_CMD, U1RTS GPIO6, SDO / SD0 * 21 I / O SD_CLK, SPICLK1_DATA1_DATA, HS1_CLKRTS, GP0Q, U1_DATA, SDI / SD1 * 22 I / O GPIO_DATA, GPIO_DATA, HS1_CLKRTS , HS1_DATA1, U2CTS IO15 23 I / O
GPIO15, ADC2_CH3, TOUCH3, MTDO,
HSPICS0, RTC_GPIO13, HS2_CMD, SD_CMD, EMAC_RXD3
IO2 24 I / O
GPIO2, ADC2_CH2, TOUCH2, RTC_GPIO12, HSPIWP, HS2_DATA0,
SD_DATA0
IO0 25 I / O
GPIO0, ADC2_CH1, TOUCH1, RTC_GPIO11, CLK_OUT1, EMAC_TX_CLK GPIO4,
IO4 26 I / O
ADC2_CH0, TOUCH0, RTC_GPIO10, HSPIHD, HS2_DATA1, SD_DATA1, EMAC_TX_ER
IO16 27 I / O
GPIO16, HS1_DATA4, U2RXD, EMAC_CLK_OUT GPIO17,
38 IO17 28 I / O
HS1_DATA5, U2TXD, EMAC_CLK_OUT_180 GPIO5, VSPICS0,
IO5 29 I / O
HS1_DATA6, EMAC_RX_CLK GPIO18, VSPICLK, HS1_DATA7
IO18 30 I / O
IO19 31 I / O GPIO19, VSPIQ, U0CTS, EMAC_TXD0
NC 32 - -
IO21 33 I / O GPIO21, VSPIHD, EMAC_TX_EN
RXD0 34 I / O GPIO3, U0RXD, CLK_OUT2
TXD0 35 I / O GPIO1, U0TXD, CLK_OUT3, EMAC_RXD2 IO22 36 I / O GPIO22, VSPIWP, U0RTS, EMAC_TXD1
IO23 37 I / O GPIO23, VSPID, HS1_STROBE
GND 38 P Đất
Ứng dụng
Module được dùng nhiều trong các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị qua WiFi, Bluetooth.
Sử dụng cho các ứng dụng tiết kiệm năng lượng, điều khiển mạng lưới cảm biến, mã hóa hoặc xử lí tiếng nói, xử lí Analog-Digital trong các ứng dụng phát nhạc, hoặc vói các file MP3…
Module cũng có thể dùng cho các thiết bị điện tử đeo tay như đồng hồ