CHƯƠNG 3 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
3.2 Tính tốn và thiết kế hệ thống
3.2.2 Tính tốn và thiết kế mạch
a. Khối cảm biến
Yêu cầu:
Giám sát các thông số của hồ nuôi tôm như: độ pH, nhiệt độ và trạng thái hoạt động của động cơ (không hoạt động, quá tải, mất nguồn) thông qua các cảm biến pH, cảm biến nhiệt độ và cảm biến dòng điện.
Cảm biến pH
Cảm biến pH được dùng trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến đo và điều chỉnh độ pH. Nó có thể được sử dụng trong các quy trình xử lý nước thơng
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 44
thường hoặc các dây chuyền phức tạp có sự ảnh hưởng của các yếu tố khác như nhiệt độ, áp suất, mức chống chịu hóa chất….
Trên thị trường có nhiều loại cảm biến đo nồng độ pH, dưới đây là 2 loại cảm biến pH phổ biến và thường được sử dụng trong các quy trình xử lý nước thông thường.
Bảng 3.1. So sánh giữa cảm biến pH loại E-201-C và pH Meter Pro
Cảm biến pH E-201-C pH Meter Pro
Hình ảnh thực tế
Xuất xứ China China
Nhà sản xuất Shanghai Kingdak DFR Prenium
Điện áp hoạt động 5V 5V Dải đo 0 - 14 0 - 14 Nhiệt độ hoạt động 5 – 60 độ C 0 – 60 độ C Độ chính xác ± 0.01 pH 25℃ ± 0.1 pH 25℃ Giá thành 950 000 VND 2700000
Với yêu cầu là độ chính xác cao và giá thành rẻ, dễ sử dụng, kết nối dễ dàng nên nhóm sử dụng cảm biến pH E201-C.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 45 Hình 3.2. Sơ đồ kết nối module cảm biến pH
Cảm biến pH E201-C là cảm biến làm bằng thủy tinh, gồm có 1 bầu thủy tinh và bên trong chứa 1 bầu khác. Trong đó có 1 điện cực chuẩn ví dụ điện cực Hydro và điện thế cực này là không đổi và được chọn như là mốc không. Điện cực thứ 2 là điện cực so sánh, điện cực này sẽ có điện thế cực thay đổi theo nồng độ dung dịch. Như vậy điện thế giửa 2 điện cực chúng ta đo được chính bằng tổng 2 điện thế cực của 2 điện cực.
Trong đó điện thế cực của Hydro là khơng đổi vì vậy:
U= Vdtcsosanh+Vchuan(const) (3.1) Vậy đo được điện áp 2 đầu điện cực sẽ xác định được nồng độ. Từ bài toán này chúng ta quy về đo pH liên quan đến độ hoạt độ aH+ và PH=-lgaH+.
Cơng thức tính độ pH:
pH = 14 – 2.8 * ( Ura / 1023) * 5 (3.2) Với Ura là tín hiệu analog đo được từ cảm biến pH E201-C.
Cảm biến nhiệt độ DS18B20
Cảm biến nhiệt độ được dùng trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến đo và điều chỉnh nhiệt độ. Trên thị trường hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 46
với giá thành và ưu nhược điểm khác nhau. Dưới đây là 2 loại cảm biến nhiệt độ thông dụng và thường được sử dụng vào các ứng dụng thực tiễn trong cuộc sống.
Bảng 3.2. So sánh giữa cảm biến nhiệt độ DS18B20 và LM35
Cảm biến DS18B20 LM35 Hình ảnh thực tế Điện áp hoạt động 3 – 5.5 V DC 4 – 30 V DC
Dải đo nhiệt -55 -125 độ C -55 -150 độ C
Loại cảm biến Kỹ thuật số Tương tự
Độ chính xác 0.0625 độ C (12 bit) 0.5 độ C ở 25 độ C
Đo dưới nước Có Khơng
Giá thành 50 000 VND 18 000 VND
Với yêu cầu độ chính xác cao, dễ sử dụng, kích thước nhỏ gọn, dễ lập trình và đặc biệt là đo ở khoảng cách xa và trong môi trường nước. Nên nhóm sử dụng cảm biến nhiệt độ dây DS18B20.
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là loại cảm biến đo nhiệt độ mới của hãng MAXIM với độ phân giải cao lên đến 12 bit tùy theo sử dụng. Trong trường hợp khơng cấu hình thì nó tự động ở chế độ 12 bit. Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa là 750ms cho mã hóa 12 bit.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 47
IC sử dụng giao tiếp 1 dây rất gọn gàng, dễ lập trình và giao tiếp nhiều cảm biến DS18B20 trên cùng 1 dây. IC cịn có chức năng cảnh báo nhiệt độ khi vượt ngưỡng và đặc biệt hơn là có thể cấp nguồn từ chân data.
Hình 3.3. Sơ đồ kết nối module cảm biến nhiệt độ DS18B20
Độ sai số của cảm biến: 0.5 độ C nếu đo ở chế độ 9 bit. 0.25 độ C nếu đo ở chế độ 10 bit. 0.125 độ C nếu đo ở chế độ 11 bit. 0.0625 độ C nếu đo ở chế độ 12 bit.
Cảm biến có thể hoạt động ở 125 độ C nhưng do cáp bọc bằng nhựa PVC nên được dùng để đo dung dịch có nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng 100 độ C. Đây là cảm biến kỹ thuật số nên khơng bị suy hao tín hiệu khi đường dây dài. Do đó phù hợp sử dụng đo nhiệt độ nước trong hồ nuôi tôm và có thể sử dụng ở các hồ ni tơm quy mô lớn.
Khi cấp điện cảm biến ở trạng thái nghỉ để giảm cơng suất tiêu thụ. Dịng tiêu thụ ở trạng thái nghỉ rất nhỏ. Để bắt đầu quá trình chuyển đổi từ tương tự sang số thì máy chủ phải cấp lệnh chuyển đổi.Sau khi chuyển đổi xong, dữ liệu nhiệt độlưu trong 2 thanh ghi nhiệt độ và cảm biến lại vào trạng thái nghỉ.
Byte 0 và Byte 1 là hai Byte chứa giá trị nhiệt độ theo thứ tự Byte thấp và Byte cao, hai byte này chỉ cho phép đọc. Khi đọc giá trị nhiệt độ ta phải chuyển các số HEX thành số thập phân:
nd = (data[1] << 8) | data[0] (3.3) celsius = (float) nd / 16.0 (3.4)
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 48
Kết quả Celsius là một phân số dạng q4, tức là 12 bit đầu là tử số, 4 bít sau là phân số. Khi chia cho 16 là tương đương với việc dịch xuống 4 bit.
Cảm biến dòng điện
Cảm biến nhiệt độ được dùng trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến đo và điều chỉnh dòng điện. Trên thị trường hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến dòng điện với giá thành và ưu nhược điểm khác nhau. Dưới đây là 2 loại cảm biến dịng điện thơng dụng và thường được sử dụng vào các ứng dụng thực tiễn trong cuộc sống.
Bảng 3.3. So sánh giữa cảm biến dòng ACS712 và HALL YHDC
Cảm biến ACS712 HALL YHDC
Hình ảnh Thực tế Dải đo 100, 200, 300 A 5 ,20, 30 A Nhiệt độ Làm việc --25 -70 độ C -40 -85 độ C Điện áp cách ly Tối đa 6000 V 2100 V Giá thành 75 000 VND 165 000 VND
Với yêu cầu đo dịng điện chay qua động cơ với độ chính xác cao, dễ sử dụng, kích thước nhỏ gọn, dễ lập trình và đặc biệt là giá thành rẻ. Nên nhóm sử dụng cảm biến dịng điện ACS712 loại 30A.
ACS712 là linh kiện điện tử thuộc loại IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall. Từ chân Out của modul ACS712 xuất ra một tín hiệu analog. Điện áp ra được thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện Ip lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC). Tại 2,5V thì dịng điện bằng 0. Từ 0 -> 2,5 V dòng âm, 2,5V -> 5V là dịng
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 49
dương. Để đo dòng điện ACS712 ta sử dung ADC để đọc tín hiệu analog từ chân Vout của ACS712.
Hình 3.4. Sơ đồ kết nối module cảm biến dịng ACS712
Cảm biến dịng ACS712 có đường tín hiệu analog có độ nhiễu thâp. Thời gianthay đổi điện áp đầu ra tương ứng với dòng điện đầu vào là 5 (us). Ngồi ra, ACS712 có độ nhạy cao từ 66 đến 185mV/A với sai số thấp chỉ 1.5% ở 25 0C.
Cơng thức tính dịng điện:
Voltage0 = (data_adc0 / 1023.0) * 5 (3.5) Quy đổi điện áp đọc được từ ADC.
I =((Voltage0 – 2.5)*1000)/a; (3.6) Với a là độ nhạy điện áp đối với từng loại cảm biến 5A, 20A, 30A.
Cụ thể: ACS712 - 5A: a = 185 mV/A ACS712 - 20A: a = 100 mV/A ACS712 - 30A: a = 66 mV/A
b. Khối giao tiếp điều khiển quạt nước
Quạt nước được điều khiển theo thời gian thực, khi tơm càng lớn thì thời gian chạy càng nhiều, trong mơ hình thiết kế 4 khối giao tiếp động cơ thơng qua Relay, vì trong thực tế, động cơ thường là động cơ AC, và việc điều khiển động cơ không cần điều khiển tốc độ mà chỉ cần điều khiển theo thời gian thực.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 50
Mơ hình sử dụng động cơ 12V DC, dịng < 2A, Relay 5V (7A) nên khơng bị quá dòng, dòng làm việc của Relay 100 mA, Vậy lựa chọn transistor có > 100 mA. Với Transistor C1815 dịng có tối đa là 400 mA nên chọn C1815 phù hợp. Opto PC817 cách ly ngõ ra của vi điều khiển với mạch Relay, diode 1N4007 chống dòng ngược nên có thể chọn nhiều loại diode khác.
Với Transistor C1815 có thể chọn nhiều dịng khác miễn sao đảm bảo > 100 mA là được. Ở đồ án chọn transistor C1815 vì giá thành rẻ và sự phổ biến.
Hình 3.5. Khối điều khiển động cơ c. Khối nguồn c. Khối nguồn
Bảng 3.4. Dòng tiêu thụ lớn nhất dùng nguồn 5V
Module Dòng tiêu thụ Đơn vị
Board Arduino Mega 2560 315 mA
Shield Arduino Internet 500-1000 (hoạt động) mA
Module SIM 800L 500(hoạt động) mA
Module Realtime DS1307 1.5 mA
Module Cảm biến dòng Hall 10 mA
IC Atmega328P 315 mA
Module cảm biến pH + nhiệt độ
10 mA
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 51
Relay x4 100x4 mA
Tổng >2054,5 mA
Với khối nguồn sử dụng dòng điện trên 1.5A nên thiết kế khối nguồn 3A thông qua IC LM2576 5V và LM2576 ADJ trong đó khối nguồn LM2576 ADJ cung cấp điện áp cho module sim 800L , cũng có thể sử dụng IC tinh chỉnh LM317 song IC nguồn LM317 là IC tuyến tính nên độ bền khơng cao bằng IC phi tuyến LM2576 ADJ
Hình 3.6.Khối nguồn LM2576-5V, LM2576 ADJ
Trong đó khối IC LM2576 5V và LM2576 ADJ có dịng chịu tải tối đa là 3A, phù hợp cho yêu cầu thiết kế khối nguồn ở trên.