CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHÚNG
4.1 Thiết kế phần cứng
4.1.3 Lựa chọn thiết bị
a) Mạch giao tiếp với Pt100
Pt100 là một loại nhiệt điện trở - có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Để đo được giá trị điện trở thông thường người ta đo dán tiếp qua giá trị điện áp.
Về cơ bản, khi giá trị điện trở thay đổi thì dẫn đến giá trị điện áp thay đổi. Ta sẽ đo giá trị điện áp này từ đó tính ngược lại được giá trị điện trở. ADC là thiết bị thông dụng để đo điện áp. Với yêu cầu bài toán ở đây, module AD7705 hoàn toàn đáp ứng yêu cầu với những thông số cơ bản sau:
o Độ phân giải: 16 bit o Giao tiếp số: SPI o Điện áp hoạt động: 5V o Có khả năng khuếch đại
Phần mạch đo, có 2 phương áp có thể lựa chọn:
Phương án 1: Sử dụng dạng phân áp với 1 điện trở cố định
23 Hình 4. 2 - Mạch đo RTD dạng phân áp
Phương án 2: Sử dụng mạch cầu Wheastone
Hình 4. 3 - Mạch đo RTD dạng mạch cầu Wheatstone
Qua thử nghiệm cho thấy, phương án 1 tuy có thể đơn giản hóa quá trình tính toán nhưng do điện áp tham chiếu của ADC thay đổi nên dễ bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ. Phương án 2 tuy tính toán phức tạp hơn đôi chút nhưng quá trình đo tỏ ra ổn định hơn. Do vậy ta chọn phương án 2, sử dụng mạch cầu Wheatstone cho mạch giao tiếp với Pt100.
Với phương án đã lựa chọn là phương án 2, ta có công thức biến đổi như sau:
24 o Với ADC :
65536 *
in ref
V ADC V (4.1)
o Với mạch cầu Wheatstone:
3 nhánh cầu lắp điện trở hằng R như nhau,nhánh còn lại lắp RTD như hình dưới
Hình 4. 4 - Mạch cầu đo điện trở Như vậy:
1 2
RTD V cc V in RTD R
1 1
/ 1/ 2
Vin Vcc
RTD R
(4.2)
b) Mạch giao tiếp với cảm biến áp suất (đo mức nước)
Tương tự như nhiệt điện trở thì cảm biến áp suất có đầu ra là tín hiệu dòng 4-20 mA không thể đo trực tiếp được mà phải đo gián tiếp thông qua giá trị điện áp.
Sơ đồ thiết kế mạch giao tiếp với cảm biến áp suất như sau:
Hình 4. 5 - Mạch nguyên lý giao tiếp với cảm biến áp suất Nguyên lý hoạt động:
25 Cảm biến áp suất sẽ sử dụng nguồn 24V, đầu ra là dòng điện 4-20 mA tùy theo mức nước trong bình. Nối tiếp với cảm biến áp suất là điện trở 220 ôm để chuyển đổi giá trị dòng 4-20 mA sang dạng áp từ 0.88 – 4.4 V.
Giá trị điện áp này được nối qua một mạch phối hợp trở kháng sử dụng Opamp LM358 để tăng trở kháng vào cho ADC
ADC được chọn ở đây vẫn là module AD7705, đầu ra của ADC được truyền thông đến vi điều khiển thông qua giao tiếp SPI.
c) Mạch tín hiệu dòng ra cho valve khí nén
Dựa theo nhiệm vụ của mạch tín hiệu dòng chính là bộ biến đổi tín hiệu dạng áp sang tín hiệu dạng dòng. Ta có thiết kế cho mạch tín hiệu dòng như sau:
Hình 4. 6 - Mạch chuyển đổi tín hiệu áp sang dòng Nguyên lý hoạt động:
Ở tầng thứ nhất,tín hiệu điều khiển áp sẽ được đưa vào chân (+) của opamp thứ nhất. Opamp này sẽ điều khiển mosfet Q1 sao cho điện áp trên điện trởRset bằng điện áp điều khiển:
Rset dk
U U
Khi đó dòng đi qua Rset cũng chính là dòng đi qua Rmirror :
set mirror
R R
I I
Ở tầng thứ hai, opamp thứ hai và mosfet thứ hai được nối như Hình 4. 6 - Mạch chuyển đổi tín hiệu áp sang dòng. Opamp thứ hai sẽ điều khiển mosfet Q2 sao cho điện áp giữa Rmirrorvà Rout là như nhau:
mirror Rout
UR U
Khi output được nối với tải, dòng qua tải cũng chính là dòng qua Rout:
26 out Rout
I I
Kết hợp các công thức trên ta có công thức chuyển đổi:
. .
. .
.
out mirror mirror set
out
set dk
set
R R R mirror R mirror
R
out out out out
R mirror R mirror
R out out out
U U I R I R
I R R R R
U R U R
I R R R
(4.3)
Do Udk biến đổi trong dải 0 – 5V và dòng ra biến đổi trong dải 0-20 mA nên ta chọn Rset 3 ,k Rmirror 12 ,k Rout 1k
Còn về mosfet, mosfet Q1 là mosfet kênh N, lựa chọn IC IRF7311. Mosfet Q2 là mosfet kênh P, lựa chọn IC IRF4435. Opamp sử dụng ở đây là IC LM358
Hình 4. 7 - Mạch nguyên lý của mạch tín hiệu dòng ra
d) Mạch điều khiển
Mạch điều khiển gồm 3 thành phần chính o Vi xử lý
o Module giao tiếp SPI o Module DAC
Lựa chọn vi xử lý và module giao tiếp SPI
Hiện nay đa phần các dòng vi điều khiển của các hãng như STM, TI, AVR, PIC,… ngoài vi xử lý là thành phần chính thì đều tích hợp sẵn thiết bị ngoại vi giao tiếp SPI
Với mục tiêu đơn giản hóa trong quá trình sử dụng cũng như được cộng đồng người sử dụng hỗ trợ mạnh mẽ thì kit Arduino mà cụ thể là Arduino UNO R3 là một sự lựa chọn không thể hợp lý hơn nhờ các yếu tố sau:
27 o Thiết kế nhỏ gọn
o Dễ dàng mua trên thị trường o IDE đơn giản dễ sử dụng o Tích hợp sẵn mạch nạp trên kit
o Hệ thống thư viện open source lớn thuận tiện việc điều khiển
Với kit Arduino UNO R3 đáp ứng tốt với những yêu cầu sau của mạch phần cứng:
o Hỗ trợ giao tiếp SPI
o Vi xử lý ATmega328 tần số hoạt động 16 MHz o Số lượng GPIO cần thiết: 5
Lựa chọn module DAC:
Tiêu chí để lựa chọn module DAC là o Độ phân giải đủ lớn
o Điện áp ra 0-5V
o Sử dụng các giao tiếp cơ bản như UART, SPI, I2C,…
Với các tiêu chí như trên thì IC DAC MCP4922 hoàn toàn đáp ứng yêu cầu.
Các thông số kĩ thuật cơ bản của MCP4922 như sau:
o Độ phân giải 12 bit
o Có 2 kênh hoạt động độc lập
o Điện áp hoạt động trong dải từ 2.7- 5.5 V o Rail-to-rail output
o Giao tiếp SPI với vi xử lý
o Thời gian xỏc lập trung bỡnh 4.5às e) Mạch nguồn
Mạch nguồn là nơi cung cấp nguồn điện áp hoạt động cho các thiết bị trong mạch.
Có thể thấy mạch nguồn sẽ phải cấp ra 2 mức điện áp khác nhau:
Điện áp 24V cung cấp cho mạch tín hiệu dòng
Điện áp 5V cung cấp cho mạch điều khiển và mạch giao tiếp với các cảm biến
Nguồn 24V sẽ lấy từ adapter 24V có bán trên thị trường
Để tạo ra nguồn 5V ta sẽ sử dụng module nguồn LM2596 với các thông số kĩ thuật cụ thể như sau:
o Đầu vào 4-35V o Đầu ra: 1-30V o Dòng ra max: 3A
28 Hình 4. 8 - Mạch nguồn