Lý thuyết điều khiển cho ta hai phương pháp điều khiển là điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín. Điều khiển vòng hở là dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ cần đạt được ở đầu ra và các thông số điều khiển lối vào như hiệu điện thế hay dòng điện. Tuy nhiên, việc thiết lập một biểu thức quan hệ là rất khó và không chính xác do có sự tổn hao nhiệt ra môi trường xung quanh mà môi trường này ta chưa biết trước. Vì vậy, ta sẽ sử dụng phương pháp điều khiển vòng kín các thiết bị nhiệt điện TE (thermoelectric) sử dụng vòng phản hồi là cảm biến nhiệt độ.
Có hai cách cơ bản để điều khiển nhiệt độ theo vòng kín đó là: điều khiển nhiệt tĩnh (thermostatic control) và điều khiển trạng thái ổn định (steady-state control). Chúng ta sẽ tìm hiểu hai cách điều khiển này một cách cụ thể.
Điều khiển nhiệt tĩnh – Thermostatic control (hay điều khiển tắt mở - On- Off control)
Đối với điều khiển nhiệt tĩnh, nhiệt độ của tải sẽ được duy trì giữa hai mức giới hạn. Khi nhiệt độ cao hơn mức nhiệt độ giới hạn trên bộ điều khiển ngừng cung cấp năng lượng, còn khi nhiệt độ thấp hơn giới hạn dưới bộ điều khiển tiếp tục cấp năng lượng để làm nóng tải. Nhiệt độ chênh lệch giữa hai mức giới hạn được gọi là độ trễ của hệ thống (system’s ‘hysteresis’). Dưới đây là đáp ứng nhiệt tĩnh của tải với giới hạn trên là 30oC và giới hạn dưới là 27oC, độ trễ của hệ thống trong trường hợp này là 3oC.
Hình 2.13. Đáp ứng nhiệt tĩnh
Giả sử ta cần duy trì nhiệt độ của tải xung quanh một giá trị T, do quán tính nhiệt (được hiểu tương tự như khái niệm quán tính trong chuyển động cơ học) nên nhiệt độ của tải sẽ không dừng lại ngay khi chúng ta ngừng (hoặc tiếp tục) cấp năng lượng mà sẽ tăng lên (hoặc giảm đi) một chút rồi sau đó mới thay đổi theo sự điều chỉnh của bộ điều khiển, do đó nhiệt độ của tải sẽ duy trì giữa hai mức T + ∆t1, và T - ∆t2. Khi đó, độ trễ của hệ thống sẽ là (∆t1 + ∆t2).
Trên thực tế, việc cung cấp hay ngừng cung cấp năng lượng cho thiết bị TE có thể thực hiện bằng các công tắc cơ học như relay, SSR (solid state relay) hoặc công tắc điện như các transistor, MOSFET. Thông thường các công tắc điện được sử dụng nhiều hơn bởi các lý do sau:
- Các thiết bị điều khiển thường đóng ngắt trực tiếp chứ không phải điều chỉnh dòng qua tải mà công tắc cơ thường xảy ra hiện tượng phóng điện, nên không bền khi đóng ngắt nhiều lần liên tục.
- Sử dụng công tắc điện, thì có thể đóng ngắt với tần số cao và có thể đạt được độ trễ dưới 1oC, điều này rất khó đạt được ở công tắc cơ.
- Các công tắc điện như MOSFET tiêu thụ ít năng lượng hơn, độ sụt thế nhỏ hơn, và nhỏ gọn hơn.
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, có thể thiết kế bằng một vài linh kiện cơ bản, mạch không phức tạp. Đối với những ứng dụng không cần độ chính xác cao thì phương pháp này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu. Phương pháp này được áp dụng trong hầu hết các thiết bị gia đình.
Điều khiển trạng thái ổn định – Steady state control (PID – proportional- integral-derivative control)
Bộ điều khiển trạng trái ổn định được thiết kế để liên tục duy trì tải ở nhiệt độ yêu cầu với mức chênh lệch rất nhỏ xung quanh nhiệt độ đặt trước. Khi trạng thái ổn
định bị phá vỡ bởi những thay đổi đột ngột ở môi trường xung quanh thì bộ điều khiển sẽ nhanh chóng đưa tải trở lại với trạng thái ổn định nếu ta cung cấp đầy đủ khả năng làm nóng hay làm lạnh tải của hệ thống. Để đạt được hiệu quả trong điều khiển trạng thái ổn định thì năng lượng cung cấp cho tải phải phụ thuộc vào các yếu tố tồn tại tức thời là điều môi trường xung quanh và nhiệt độ của tải.
Trên đây là những nghiên cứu về cơ chế gia nhiệt và các phương pháp điều khiển nhiệt độ, là cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo buồng phản ứng PCR. Hiện nay, nhóm nghiên cứu vẫn đang từng bước triển khai việc chế tạo mâm nhiệt, hy vọng trong thời gian tới có thể đưa mâm nhiệt vào thực nghiệm phản ứng PCR.
Chƣơng 3. THỰC NGHIỆM 3. 1. Thiết kế hệ thống
3.1.1. Sơ đồ khối của hệ thống
Sau khi tiến hành nghiên cứu nguyên lí hoạt động và các yêu cầu kĩ thuật của một số hệ thống PCR trên thế giới, tôi tiến hành xây dựng một hệ thống PCR cơ bản theo sơ đồ khối như sau:
Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống PCR
Xem sơ đồ khối ta có thể thấy, một hệ thống PCR cơ bản gồm có 4 thành phần chính đó là:
- Khối điều khiển trung tâm - Khối đo đạc
- Khối điều khiển công suất - Khối giao diện người sử dụng
3.1.2. Khối điều khiển trung tâm
Khối điều khiển trung tâm là thành phần quan trọng nhất của hệ thống, khối điều khiển trung tâm chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu từ sensor, qua quá trình tính toán sử
ADC
DATA Process PID Control LCD 16x2 TECx2 LM35 Sensor Measurement circuit OSC–39.4912MHz MOSFET H-Bridge Keypad GPIO dsPIC30F4013
lí tín hiệu đầu vào để đưa tín hiệu điều khiển ra tương ứng cho khối công suất nhằm ổn định giá trị nhiệt độ do người sử dụng đưa vào.
Xem sơ đồ khối của hệ thống có thể thấy, khối điều khiển trung tâm cần có 4 chức năng chính đó là:
- Biến đổi dữ liệu tương tự của khối đo đạc thành dữ liệu số ADC - Tính toán xử lí tín hiệu số bằng thuật toán PID
- Đưa tín hiệu điều khiển đến các bộ điều khiển công suất
- Cung cấp cho người sử dụng giao diện để nhập dữ liệu cũng như giám sát quá trình hoạt động của hệ thống.
Do hệ thống đòi hỏi sự chính xác cao về nhiệt độ nên khối biến đổi dữ liệu tương tự ADC cần có độ phân giải 12bits. Trong trường hợp này, vi điều khiển dsPIC30F4013 được lựa chọn sử dụng bởi tốc độ sử lí cao có thể lên tới 30 MIPS (30 triệu lệnh mỗi giây), tích hợp bộ biến đổi ADC 12bits với tốc độ lấy mẫu có thể lên tới 200ksps (200 mẫu mỗi giây), tích hợp bộ tính toán số liệu số DSP và bộ điều khiển xung PWM với độ tin cậy và độ chính xác cao.
Với bộ xử lí tín hiệu số DSP tích hợp sẵn, thuật toán PID dùng để điều khiển mạch công suất sẽ được tín toán nhanh chóng, dẫn tới hệ thống sẽ phản ứng nhanh hơn với các thay đổi đột ngột về nhiệt độ và nhanh chóng đưa hệ thống về trạng thái ổn định.
3.1.3. Khối đo đạc nhiệt độ
Do các yêu cầu kĩ thuật trong khống chế nhiệt độ của hệ thống PCR là rất nghiêm ngặt nên khối đo đạc nhiệt độ cần đảm bảo các thông số như sau: Phản hồi đúng giá trị nhiệt độ tại điểm đo với độ chính xác 0.1oC, độ trôi nhiệt thấp, nguồn nuôi thấp, hiệu suất cao và tiêu thị năng lượng ít.
Sau khi tìm hiểu các loại sensor nhiệt độ thông dụng như đầu đo nhiệt PT100, PT1000, LM35, tôi nhận thấy nếu sử dụng các loại đầu đo nhiệt như PT100 hay PT1000 thì thiết bị sẽ khá cồng kềnh bởi kích thước các loại đầu đo này khá lớn và diện tích tiếp xúc với nơi cần đo cũng cần tương đối nhiều. Bên cạnh đó, mạch biến đổi tín hiệu từ dạng điện trở sang điện áp đi kèm theo các đầu đo này khá phức tạp, gồm nhiều linh kiện sẽ ẩn chứa nhiều sai số khách quan ảnh hưởng đến kết quả đo như: độ chính xác của dòng điện nuôi đầu đo, sai số do các linh kiện thụ động điện trở, tụ điện, nhiễu do các đường mạch in…
Để hướng đến một thiết bị nhỏ gọn, tiện dụng và độ chính xác cao, tôi quyết định sử dụng sensor LM35 được chế tạo từ công nghệ bán dẫn hiện đại. Sensor LM35 được thiết kế ở nhiều dạng đóng gói nhưng dạng SMD SOIC là dạng phù hợp nhất để tích hợp vào các vị trí có không gian trật hẹp.
Hình 3.2. Sơ đồ chân của sensor nhiệt độ LM35
Do sensor LM35 được chế tạo bằng công nghệ bán dẫn nên các thông số kĩ thuật của nó đều đảm bảo được các yêu cầu đặt ra của hệ thống. Mạch điện tử đi kèm theo sensor LM35 gần như không có bởi tín hiệu ra của sensor đã là tín hiệu điện áp và tín hiệu này khá lớn rất thuận lợi để đưa vào các đầu đọc ADC của các loại vi điều khiển.
Sau đây là một số đặc điểm nổi trội của sensor LM35:
+ Điện áp ra thay đổi 10mV tương ứng với mỗi 1oC thay đổi. + Dải nhiệt độ biến đổi: 0oC đến 100oC.
+ Nhiệt độ ra thẳng thang đo Celcius nghĩa là ở 25oC điện áp ra là 0.25V. + Đảm bảo độ chính xác 0.1oC tại nhiệt độ 25oC
+ Làm việc với nguồn nuôi 4VDC đến 30VDC + Trở kháng ra thấp 0.1 ohm với tải 1mA
3.1.4. Khối điều khiển công suất
Do yêu cầu cần thay đổi nhiệt độ gần như tức thời của hệ thống PCR nên việc sử dụng pin Peltier làm thành phần gia nhiệt là rất cần thiết.
Các phương pháp gia nhiệt khác như sợi đốt, hồng ngoại, vi sóng… rất khó có thể thỏa mãn được yêu cầu này hoặc cần các điều kiện làm việc yêu cầu cao hơn như: điện áp nuôi cao có thể lên tới hàng trăm vôn, dòng điện chạy qua lớn có thể lên đến hàng chục thậm trí hàng trăm ampe gây nguy hiểm cho người sử dụng đặc biệt là các thiết bị liên quan đến y sinh…
Thiết bị gia nhiệt đang được áp dụng là TEC1-12706 Thermoelectric Cooler Peltier, sử dụng điện áp tối đa 15V, dòng tối đa 6A để đốt nóng hoặc làm lạnh.
Sau đây là các đặc tính kĩ thuật quan trọng của thiết bị gia nhiệt được sử dụng trong hệ thống này:
Dựa trên đặc tính kí thuật của TE, chúng ta có thể thấy một đặc điểm đó là Delta nhiệt độ giữa mặt nóng và mặt lạnh của tấm TE tương đối nhỏ nên để đẩy nhanh tốc độ gia tăng nhiệt độ cần làm giảm nhanh nhiệt độ của mặt lạnh hơn tốc độ tăng vốn có của mặt nóng. Để làm được điều này, ta lắp thêm cho mặt lạnh một tấm nhôm tản nhiệt với nhiều cánh, đồng thời bố trí thêm quạt tản nhiệt để giảm nhiệt cho mặt lạnh nhanh hơn nữa. Hình ảnh dưới đây là bố trí của tấm tản nhiệt và quạt tản nhiệt cho bộ phận gia nhiệt của hệ thống:
Hình 3.4. Bộ phận gia nhiệt của hệ thống PCR
Buồng gia nhiệt được tạo bởi khe hẹp khi đặt hai bộ phận gia nhiệt song song nhau. Mỗi bộ phận gia nhiệt đều được điều khiển độc lập nhằm đảm bảo nhiệt độ của riêng từng bộ gia nhiệt ổn định và tương đương nhau.
Do hệ thống điều khiển nhiệt độ cần tăng giảm nhiệt độ tức thời và công suất của các tấm gia nhiệt tương đối lớn nên mạch điều khiển công suất cho hệ thống PCR này cần sử dụng cầu H nhằm thay đổi chiều dòng điện một cách thuận tiện và nhanh chóng.
Thông thường các cầu H được cấu thành từ các transistor bán dẫn loại N và P, nhưng trong ứng dụng điều khiển các tấm TE với công suất khá lớn như trên thì các transistor này phải chịu công suất lớn do trở kháng tương đối lớn, điều này làm cho chúng nóng lên nhanh nếu không tản nhiệt kịp có thể gây đánh thủng.
Để đáp ứng được cả hai yêu cầu là chuyển mạch nhanh và công suất chịu đựng lớn, cầu H trong ứng dụng này cần được cấu thành từ các transistor trường MOSFET, chúng có đặc điểm là chuyển mạch rất nhanh và trở kháng rất nhỏ nên không bị đốt nóng, dẫn đến hiệu suất làm việc cao hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.
MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn. Cấu tạo của MOSFET kênh n và ký hiệu của 2 loại MOSFET kênh n và kênh p như sau:
Hình 3.5. Cấu tạo và kí hiệu của MOSFET kênh N và P
MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với B, E và C của BJT.
Cơ bản, đối với MOSFET kênh N, nếu điện áp chân G lớn hơn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn. Khi đó điện trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ (gọi là điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng.
Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện trở dẫn cũng rất nhỏ.
Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1).
MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn. Do cách thức hoạt động, có thể hình dung MOSFET kênh N tương đương một BJT loại npn và MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp.
Thông thường các nhà sản xuất MOSFET thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm 1 linh kiện kênh N và 1 linh kiện kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và thường được dùng cùng nhau. Một ví dụ dùng 2 MOSFET tương đồng là các mạch số CMOS (Complemetary MOS). Cũng giống như BJT, khi dùng MOSFET cho mạch cầu H, mỗi loại MOSFET chỉ thích hợp với 1 vị trí nhất định, MOSFET kênh N được dùng cho các khóa phía dưới và MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía trên.
Hình 3.6. Cầu H sử dụng MOSFET kênh N và P
Trong quá trình thực hiện luận án này, tôi đã và đang nghiên cứu thêm một loại cầu H sử dụng MOSFET chuyên dụng được đóng gói thành IC tích hợp của hãng TI. Nguyên lí làm việc của IC này được thể hiện trong hình vẽ sau:
3.1.5. Khối truyền thông, phụ trợ khác
Ngoài các khối điều khiển và đo đạc, hệ thống cũng cần có khối nguồn cung cấp, khối truyền thông với máy tính và các thiết bị khác, khối hiển thị và khối nhập dữ liệu bằng tay từ người sử dụng.
Do hệ thống được xây dựng từ hai tấm pin peltier (TE) có công suất mỗi tấm khoảng 72W, tức công suất tổng cộng của hệ thống cỡ 150W nên bộ nguồn cung cấp cũng cần đáp ứng được yêu cầu về nguồn. Khối nguồn được sử dụng là bộ nguồn chuyên dụng đổi từ điện 100V-240VAC sang 12V với công suất 200W.
Hình 3.8. Nguồn chuyên dụng nuôi cho tất cả hệ thống PCR
Hệ thống còn được tích hợp các cổng giao tiếp cơ bản như I2C, SPI, RS232... nhằm kết nối đồng bộ dữ liệu, đồng bộ hoạt động với các thiết bị ngoại vi khác như máy tính, thiết bị làm mát, các bơm, van chất lỏng…
Chu trình nhiệt độ được người sử dụng cài đặt thông qua phím bấm và giao diện màn hình LCD. Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ người dùng cài đặt chu trình làm việc bằng máy tính thông qua giao tiếp RS232.
3.2. Xây dựng hệ thống
3.2.1. Xây dựng mạch điều khiển trung tâm
Sau khi tiến hành phân tích hệ thống, tôi tiến hành thiết kế mạch điều khiển trung tâm bằng phần mềm PROTEL99SE. Sau đây là sơ đồ nguyên lí của mạch điều khiển trung tâm:
Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lí của mạch điều khiển trung tâm
Mạch gồm có các linh kiện chính:
- Vi điều khiển dsPIC30F4013 của hãng Microchip - IC đo nhiệt độ LM35
- IC giao tiếp MAX232 chuyển đổi tín hiệu TTL-RS232
- IC thời gian thực DS1307 để đo thời gian chính xác và ghi nhật kí hoạt động của hệ thống.
- Màn hình hiển thị LCD 16x2 và các phím giao tiếp