CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.4. Thành phần hệ thống điều khiển
Arduino một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm. Phần cứng Arduino (các board mạch vi xử lý) được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn.
Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động.
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 38 Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.
Arduino Mega 2560
Board mạch arduino mega 2560 là một mạch vi xử lý điều khiển bằng chip ATmega2560, một board như thế bao gồm:
54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM)
4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng),
1 thạch anh 16 MHz,
1 cổng kết nối USB,
1 jack cắm điện,
1 đầu ICSP,
1 nút reset.
Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì không sử dụng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý. Thay vào đó, nó sử dụng ATmega16U2 lập trình như là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB. Ngoài ra, Arduino Mega2560 cơ bản vẫn giốngArduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, nên các bạn vẫn có thể lập trình cho con vi điều khiển này bằng chương trình lập trình cho Arduino Uno R3.
Hình 2.19: Arduino Mega 2560 Một số thành phần của arduino mega2560:
5 Chân GND.
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 39
3 chân 5V.
1 chân 3.3v.
16 chân analog.
6 Chân lập trình ISP.
Và một số thành phần khác.
Hình 2.20: Sơ đồ chân của Arduino Mega 2560 2.4.2. NODE MCU ESP8266
ESP8266 là một mạch vi điều khiển có thể giúp chúng ta điều khiển các thiết bị điện tử. Điều đặc biệt của nó, đó là sự kết hợp của module Wifi tích hợp sẵn bên trong con vi điều khiển chính. Hiện nay, ESP8266 rất được giới nghiên cứu tự động hóa Việt Nam ưa chuộng vì giá thành cực kỳ rẻ, nhưng lại được tích hợp sẵn Wifi, bộ nhớ flash 8Mb.
Hình 2. 21: Node MCU 0.9 (ESP-12 Module)
ESP8266 có nhiều phiên bản và được đóng gói theo nhiều cách khác nhau, tuy nhiên nó lại khá giống nhau về chức năng và khả năng lập trình. Trên thị trường
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 40 phổ biến nhất hiện nay là ESP8266v1, ESP8266v7 và ESP8266v12. Các mạch này được đóng gói theo nhiều cách khác nhau dưới các tên gọi như hình 2.23.
Hình 2.22: Một số Module ESP8266 Thông số kỹ thuật:
WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
Điện áp hoạt động: 3.3V.
Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB.
Số chân I/O: 11 (tất cả các I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0).
Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V).
Bộ nhớ Flash: 4MB.
Giao tiếp: Cable Micro USB ( tương đương cáp sạc điện thoại ).
Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2.
Tích hợp giao thức TCP/IP.
Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython,…
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 41 Hình 2.23: Sơ đồ chân của Node MCU ESP-12 V1.0
2.4.3. Cảm biến DHT21
DHT21 là module tích hợp cảm biến độ ẩm điện dung và cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, đầu ra tín hiệu số có thể kết nối với một Vi điều khiển 8-bit, Sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhanh, khả năng chống nhiễu mạnh, giao tiếp duy nhất 1 dây. Kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, khoảng cách truyền dẫn tín hiệu lên đến 20m.
Điện năng tiêu thụ cực thấp, khoảng cách truyền dẫn, hiệu chuẩn hoàn toàn tự động, sử dụng các cảm biến độ ẩm điện dung, hoàn toàn hoán đổi cho nhau, tiêu chuẩn kỹ thuật số đầu ra duy nhất - một bus, ổn định lâu dài, thiết bị đo nhiệt độ chính xác cao.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp sử dụng: 3.3~5VDC.
Dòng tiêu thụ: 300 uA.
Kích thước: 58.8 x 26.7 x 13.8 (mm).
Model: AM2301.
Độ phân giải chính xác: 0.1.
Khoảng đo độ ẩm: 0~100% RH.
Khoảng đo nhiệt độ: -40 ℃ ~ 80 ℃.
Đo lường chính xác độ ẩm: ± 3% RH.
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 42
Đo lường chính xác nhiệt độ: ± 0.5 ℃.
Hình 2. 24: Sơ đồ chân DHT21
Hình 2.25: Sơ đồ kết nối vi xử lý 2.4.4. Cảm biến ánh sáng BH1750
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 Digital Light Sensor được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux, cảm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng lux mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào thông qua giao tiếp I2C.
Hình 2.26: Cảm biến ánh sáng BH1750
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 43 Thông số:
Nguồn: 3~5VDC.
Điện áp giao tiếp: TTL 3.3~5VDC.
Chuẩn giao tiếp: I2C.
Khoảng đo: 1 -> 65535 lux.
Kích cỡ: 21*16*3.3mm.
Một số ví dụ về độ rọi của ánh sáng:
Vào buổi tối : 0.001 - 0.02 Lux.
Ánh trăng : 0.02 - 0.3 lux.
Trời nhiều mây trong nhà : 5 - 50 lux.
Trời nhiều mây ngoài trời : 50 - 500 lux.
Trời nắng trong nhà : 100 - 1000 lux.
Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 - 60 lux.
2.4.5. Cảm biến nồng độ hòa tan chất rắn TDS
TDS là viết tắt của “Total Dissolved Solids”, có thể gọi nôm na là Tổng chất rắn hòa tan. TDS là một trong những chỉ số dùng để kiểm tra chất lượng của nước, hàm lượng tất cả các chất hữu cơ, vô cơ chứa trong chất lỏng (cụ thể là nước).
Đơn vị TDS: mg/l (minigrams/liter) hoặc ppm (part/million).
Chỉ số TDS càng nhỏ thì nước càng sạch, nhưng nếu nhỏ quá mức thì nước gần như không có khoáng chất, tuy nhiên không phải chỉ số TDS cao là nước bẩn.
TDS không được coi là chỉ số gây ô nhiễm, nó là chỉ số tổng hợp về sự hiện diện của các hợp chất hóa học. Cảm biến TDS giúp đo được chỉ số TDS của nước.
Ứng dụng:
Kiểm tra chất lượng nước ở sông ngòi, nước sinh hoạt, quá trình xử lý nước thải hay bất kỳ ứng dụng nào cần đo chỉ số TDS.
Trong đề tài này là để kiểm tra nồng độ hòa tan chất rắn của dung dịch dinh dưỡng.
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 44 Hình 2.27: Chỉ số TDS của nước
Thông số kỹ thuật
Với mạch chuyển đổi phát tín hiệu
Điện áp hoạt động: 3.3V -> 5V.
Tín hiệu đầu ra : Analog 0V -> 2.3V tương ứng dải đo TDS: 0 -> 1000ppm.
Dòng điện làm việc: 3mA -> 6mA.
Độ chính xác: 10% FS (25*C).
Kích thước: 42mm * 32mm.
Kết nối với đầu đo TDS qua Jack kết nối.
Với đầu đo TDS
Kết nối với mạch chuyển đổi phát tín hiệu qua Jac kết nối.
Độ dài: 83cm.
Đầu đo chống nước.
Hình 2.28: Sơ đồ mạch chuyển tín hiệu
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 45 Hình 2.29: Sơ đồ kết nối mẫu
2.4.6. Cảm biến nhiệt độ môi trường nước DS18B20
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm, là phiên bản chống nước, chống ẩm của Cảm biến nhiệt độ DS18B20. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là cảm biến ( loại digital ) đo nhiệt độ mới của hãng MAXIM với độ phân giải cao ( 12bit ). IC sử dụng giao tiếp 1 dây rất gọn gàng, dễ lập trình. IC còn có chức năng cảnh báo nhiệt độ khi vượt ngưỡng và đặc biệt hơn là có thể cấp nguồn từ chân data ( parasite power ).
Cảm biến nhiệt độ này có thể hoạt động ở 125 độ C nhưng cáp bọc nhựa PVC nên giữ nó dưới 100 độ C. Đây là cảm biến kỹ thuật số, nên không bị suy hao tín hiệu đường dây dài.
Hình 2. 30: Cảm biến DS18B20 và sơ đồ đấu nối Thông số của Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm:
Nguồn: 3 – 5.5V.
Dải đo nhiệt độ: -55 đến 125 độ C ( -67 đến 257 độ F).
Sai số: +- 0.5 độ C khi đo ở dải -10 – 85 độ C.
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 46
Độ phân giải: người dùng có thể chọn từ 9 – 12 bits.
Chuẩn giao tiếp: 1-Wire ( 1 dây ).
Có cảnh báo nhiệt khi vượt ngưỡng cho phép và cấp nguồn từ chân data.
Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa : 750ms ( khi chọn độ phân giải 12bit ).
Mỗi IC có một mã riêng (lưu trên EEPROM của IC) nên có thể giao tiếp nhiều DS18B20 trên cùng 1 dây.
Ống thép không gỉ (chống ẩm , nước) đường kính 6mm, dài 50mm.
Đường kính đầu dò: 6mm.
Chiều dài dây: 1m.
2.4.7. Module 4 relay với Opto cách ly
Mạch 4 Relay Opto cách ly (có hai loại 5VDC và 12VDC) thích hợp với các ứng dụng đóng ngắt tải AC hoặc DC, mạch có thiết kế nhỏ gọn, tích hợp opto và transistor cách ly, kích đóng bằng mức thấp (0VDC) phù hợp với mọi loại MCU và thiết kế có thể sử dụng nguồn ngoài giúp cho việc sử dụng trở nên thật linh động và dễ dàng.
Hình 2.31: Module 4 relay opto cách ly 5VDC
Thông số kỹ thuật:
Điện áp sử dụng: Có hai loại 5VDC và 12VDC.
Tín hiệu kích: mức thấp Low (GND 0VDC) Relay đóng, mức cao High (VCC 5 hoặc 12VDC tùy loại) Relay ngắt.
Mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA.
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 47
Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A (Để an toàn nên dùng cho tải có công suất <100W).
Tích hợp Opto cách ly, Diod chống nhiễu và đèn báo tín hiệu kích.
Kích thước: 75 x 55 x 20mm.
2.4.8. Công tắc tơ
Công tắc tơ (Contactor) hay còn gọi là Khởi động từ là khi điện hạ áp thực hiện việc đóng cắt thường xuyên các mạch điện động lực. Công tắc tơ là thiết bị điện đặc biệt quan trọng trong hệ thống điện. Nhờ có công tắc tơ ta có thể điều khiển các thiết bị như động cơ, tụ bù, hệ thống chiếu sáng,... thông qua nút nhấn, chế độ tự động hoặc điều khiển từ xa.
Hình 2.32: Công tắc tơ A. Cấu tạo công tắc tơ bao gồm 3 bộ phận chính:
1. Nam châm điện: gồm có các chi tiết: Cuộn dây dùng tạo ra lực hút nam châm; Lõi sắt; Lò xo tác dụng đẩy phần nắp trở về vị trí ban đầu.
2. Hệ thống dập hồ quang: Khi chuyển mạch, hồ quang điện sẽ xuất hiện làm các tiếp điểm bị cháy và mòn dần, vì vậy cần hệ thống dập hồ quang.
3. Hệ thống tiếp điểm công tắc tơ: gồm có tiếp điểm chính và tiếp điểm phụ
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 48 Hình 2.33: Cấu tạo công tắc tơ
- Tiếp điểm chính: Có khả năng cho dòng điện lớn đi qua. Tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của công tắc tơ trong tủ điện làm mạch từ hút lại.
- Tiếp điểm phụ: Có khả năng cho dòng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A. Tiếp điểm phụ có hai trạng thái: Thường đóng và thường mở.
- Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm ở trạng thái đóng (có liên lạc với nhau giữa hai tiếp điểm) khi cuộn dây nam châm trong công tắc tơ ở trạng thái nghỉ (không được cung cấp điện). Tiếp điểm này mở ra khi công tắc tơ ở trạng thái hoạt động. Ngược lại là tiếp điểm thường mở.
Như vậy, hệ thống tiếp điểm chính thường được lắp trong mạch điện động lực, còn các tiếp điểm phụ sẽ lắp trong hệ thống mạch điều khiển của công tắc tơ.
B. Nguyên lý hoạt động công tắc tơ
Hình 2. 34: Nguyên lý hoạt đông của công tắc tơ
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 49 Khi cấp nguồn trong mạch điện điều khiển bằng với giá trị điện áp định mức của công tắc tơ vào hai đầu cuộn dây quấn trên phần lõi từ đã được cố định trước đó thì lực từ sinh ra sẽ hút phần lõi từ di động và hình thành mạch từ kín (lúc này lực từ sẽ lớn hơn phản lực của lò xo). công tắc tơ bắt đầu trạng thái hoạt động.
Nhờ bộ phận liên động về cơ giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điểm sẽ làm cho tiếp điểm chính đóng lại và tiếp điểm phụ chuyển đổi trạng thái (khi thường đóng sẽ mở ra và khi thường hở sẽ đóng lại), trạng thái này sẽ được duy trì. Khi nguồn điện ngưng cấp cho cuộn dây thì công tắc tơ ở trạng thái nghỉ và các tiếp điểm lại trở về trạng thái ban đầu.
C. Phân loại công tắc tơ
Có nhiều cách phân loại công tắc tơ:
Theo nguyên lý truyền động: Ta có công tắc tơ kiểu điện từ, kiểu hơi ép, kiểu thủy lực,… Thường thì ta gặp contactor kiểu điện từ.
Theo dạng dòng điện: Công tắc tơ điện một chiều và công tắc tơ điện xoay chiều.
Theo kết cấu: Người ta phân công tắc tơ dùng ở nơi hạn chế chiều cao (như bảng điện ở gầm xe) và ở nơi hạn chế chiều rộng (ví dụ buồng tàu điện).
Theo dòng điện định mức: Công tắc tơ 9A, 12A, 18A,.... 800A hoặc lớn hơn.
Theo số cực: Công tắc tơ 1 pha, công tắc tơ 2 pha, công tắc tơ 3 pha, công tắc tơ 4 pha.
Theo cấp điện áp: Công tắc tơ trung thế, công tắc tơ hạ thế.
Theo điện áp cuộn hút: Cuộn hút xoay chiều 220VAC, 380VAC,... cuộn hút 1 chiều 24VDC, 48VDC,…
2.4.9. Công tắc hành trình
Công tắc hành trình hay còn gọi công tắc giới hạn hành trìnhlà dạng công tắc dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động. Nó có cấu tạo như công tắc điện bình thường nhưng có thêm cần tác động để cho các bộ phận chuyển động tác động vào làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bên trong nó. Công tắc
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 50 hành trình là loại không duy trì trạng thái, khi không còn tác động sẽ trở về vị trí ban đầu.
Công tắc giới hạn hành trình này có nguyên lý hoạt động vô cùng đơn giản.
Nó hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi cơ năng thành điện năng. Có nghĩa là dựa vào sự di chuyển của một vật để điều khiển đóng ngắt tín hiệu điện. Như tên gọi của nó, chức năng chính là để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động.
Hình 2.35: Công tắc hành trình
Như hình 2.37 trên, chúng ta có thể thấy cấu tạo vô cùng đơn giản của công tắc hành trình. Bao gồm có: cần tác động, chân COM, chân thường đóng (NC), chân thường hở (NO). Ở điều kiện bình thường, tiếp điểm giữa chân COM và chân NC sẽ được đấu với nhau. Khi có lực tác động lên cần tác động thì tiếp điểm giữa chân COM và chân NC sẽ hở và chuyển qua chân COM và chân NO. Do đó, khi đấu điện chúng ta cần xác định chính xác 3 chân này, chúng ta cũng có thể kiểm tra bằng cách sử dụng VOM đo ngắn mạch để xác định.
2.4.10. Bàn phím mềm 1x4
Bàn phím mềm 1x4 keypad có thiết kế nhỏ gọn, dễ kết nối và sử dụng, bàn phím có 1 chân chung để nối VCC hoặc GND, các chân còn lại sẽ xuất tín hiệu tương ứng với chân chung này khi có thao tác nhấn phím, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển bằng phím bấm.
Thông số kỹ thuật:
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 51
Số phím: 4 phím.
Kích thước: 20 x 70mm
Chiều dài cáp: 87mm
Cách sử dụng bàn phím với chân VCC chung, các chân tín hiệu được kéo trở chống nhiễu xuống GND:
Hình 2. 36: Sơ đồ kết nối bàn phím mềm 1x4 keypad 2.4.11. Màn hình Grove -16x2 LCD
Grove - 16x2 LCD (White on Blue) là dạng màn hình LCD Text với 32 ký tự (16 x 2 dòng) trên màn hình giúp hiển thị các thông tin điều khiển, giá trị cảm biến, thông báo... trực quan.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp sử dụng: 3.3~5VDC.
Số lượng ký tự: 32 (16 ký tự x 2 dòng).
Màu sắc: Chữ trắng – nền xanh.
Phù hợp với board MCU.
Tích hợp I2C.
Hỗ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật.
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 52 Hình 2.37: Mặt trước và sau của Grove-16x2 LCD (White on Blue)
2.4.12. Đèn báo hiển thị điện áp
Đèn báo hiển thị điện áp được sử dụng nhiều tại các tủ điện công nghiệp, nông nghiệp. Được dùng để báo có nguồn và hiển thị mức điện áp.
Thông số kỹ thuật:
Dòng tiêu thụ: Nhỏ hơn 18mA.
Tuổi thọ: Trên 100.000 giờ sáng liên tục.
Nhiệt độ hoạt động: -25~70 độ C.
Tiêu chuẩn kín nước: IP65 chống nước và chống bụi.