Bên mình chuyên nhận thiết kế các đồ án, dự án cơ điện tử, tự động hóa Luôn đảm bảo thời gian hoàn thành, chất lượng sản phẩm và giá cả Các bạn có nhu cầu hỗ trợ đồ án ,đặt đồ án, liên hệ
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Cấu tạo của acquy
Acquy là thiết bị điện hóa bao gồm hai điện cực khác nhau đặt trong dung dịch điện phân và có màng ngăn cách Sự khác biệt về điện thế giữa hai điện cực tạo ra hiệu điện thế, cho phép khi kết nối với mạch ngoài, acquy có thể sinh ra dòng điện.
Acquy đóng vai trò quan trọng trong cả công nghiệp và đời sống, cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị khác nhau Hai loại acquy chính hiện nay là acquy chì-axit và acquy kiềm.
Hình 1 1 Cấu tạo của acquy(1)
Hình 1 2 Cấu trúc bình acquy(2)
Acquy kiềm, chẳng hạn như loại nikel-cadmium, sử dụng dung dịch hyđrôxit kali (KOH) với điện cực dương là hyđrôxit nickel (NiO(OH)) và cực âm là cadmium (Cd) Trong quá trình phóng điện, hyđrôxit nickel chuyển thành Ni(OH)2 và cadmium chuyển thành Cd(OH)2, với mật độ chất điện ly không thay đổi, dẫn đến điểm hoá rắn rất thấp Tuy nhiên, giá thành của acquy này cao hơn so với các loại acquy khác.
Bình ắc quy được cấu tạo từ các bản cực dương làm bằng oxy hydrat-kiềm và bản cực âm bằng sắt thuần, ngâm trong dung dịch hydroxit kali Các bản cực có cấu trúc phẳng, dẹp, được chế tạo từ hợp kim thép mạ kiềm và có quai để liên kết bằng bu lông Số lượng và kích thước của các bản cực ảnh hưởng đến dung lượng của bình, với điện thế danh định là 1,2 V Điện thế thực tế thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố như trạng thái hở mạch, phóng điện hay nạp điện, thường dao động từ 1,25 đến 1,35 V Chất lỏng trong bình là dung dịch hydroxit kali, có thể được pha thêm chất xúc tác như điôxit liti tùy theo nhà sản xuất.
Các phản ứng hóa học diễn ra tại các điện cực trong quá trình phóng điện theo chiều từ trái sang phải, trong khi đó, trong quá trình nạp điện, các phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại, từ phải sang trái.
2Ni(OH) + 2H2O + 2e- = 2Ni(OH)2 + 2OH-
Phản ứng hóa học giữa Cd và NiO(OH) trong môi trường nước tạo ra Cd(OH)2 và Ni(OH)2 Điện áp định mức của một ngăn acquy kiềm là 1,2 V, do đó để tạo ra acquy có điện áp 12 V, cần kết nối 10 ngăn nối tiếp Điện áp của các ngăn acquy kiềm giữ ổn định cho đến khi gần hết điện, sau đó sẽ giảm đột ngột Acquy nickel-cadmium có khả năng chấp nhận dòng nạp lớn lên đến C/1 và có thể được nạp liên tục với dòng nạp C/15, trong đó C là dung lượng của acquy.
Hình 1 4 Đặc tính điện thế - thời gian của acquy kiềm Ưu điểm của acquy kiểm:
Một trong những lợi thế của việc mua ắc quy kiềm là chi phí, ắc quy kiềm ít tốn kém hơn so với các loại ắc quy khác.
Ắc quy kiềm mang lại lợi ích quan trọng khi không chứa chì, thủy ngân và cadimi, những hợp chất có thể gây hại nghiêm trọng cho môi trường.
Ắc quy kiềm có mật độ năng lượng cao hơn và tuổi thọ ắc quy kiềm khá cao.
Nạp điện cho ắc quy kiềm không yêu cầu một trị số dòng điện nhất định; thực tế, trị số này có thể cao gấp ba lần mức ghi trên bình ắc quy.
Nhược điểm của acquy kiềm:
Cồng kềnh, khó bảo quản ắc quy kiềm trong không gian nhỏ.
Ắc quy kiềm có giá thành cao hơn ắc quy axit, điện trở cũng cao hơn
Bình ắc quy bao gồm các bản cực bằng chì và oxit chì được ngâm trong dung dịch axit sulfuric Những bản cực này có cấu trúc phẳng, dạng khung lưới, làm từ hợp kim chì antimon và được nhồi các hạt hóa chất tích cực Khi được nạp đầy, cực dương chứa dioxit chì, trong khi cực âm chứa chì nguyên chất Các bản cực được kết nối với nhau bằng các thanh chì, với cực dương nối với cực dương và cực âm nối với cực âm Kích thước và số lượng các bản cực quyết định dung lượng của bình ắc quy, trong đó các bản cực âm thường được đặt ở bên ngoài và nhiều hơn so với các bản cực dương Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn do diện tích tiếp xúc ít hơn.
Chất lỏng trong bình ắc quy là dung dịch axit sulfuric, với nồng độ được biểu thị qua tỷ trọng đo được Tỷ trọng này thay đổi tùy thuộc vào loại ắc quy và tình trạng phóng nạp của bình.
Acquy chì là một loại pin với điện cực dương là điôxit chì (PbO2) và điện cực âm là chì xốp (Pb), sử dụng dung dịch axit sulfuric (H2SO4) Khi acquy được kết nối với mạch tải, dung dịch sẽ chuyển hóa thành sulfat chì (PbSO4).
Các phản ứng hóa học diễn ra tại các điện cực trong quá trình phóng điện và nạp điện Trong quá trình phóng điện, các phản ứng xảy ra từ trái sang phải, trong khi trong quá trình nạp điện, các phản ứng diễn ra theo chiều ngược lại, tức là từ phải sang trái.
PbO2 + 4H+ + 2e- = Pb2+ + 2H2O Pb+2 + SO42- = PbSO4
Pb = Pb2+ + 2ePb2+ + SO22- = PbSO4
Khi acquy phóng hết điện, các chất tích cực trên điện cực dương PbO2 và trên điện cực âm Pb sẽ chuyển hóa thành PbSO4, trong khi axit sulfuric sẽ biến thành nước Điện áp định mức của mỗi ngăn acquy chì là khoảng 2,1 V, do đó để tạo thành bình acquy 12 V, cần mắc nối tiếp 6 ngăn.
Trong quá trình sản xuất acquy, các điện cực ban đầu được tạo thành từ ôxit chì (PbO) Sau lần nạp định dạng đầu tiên do nhà sản xuất thực hiện, ôxit chì chuyển hóa thành điôxit chì (PbO2) ở cực dương và chì (Pb) ở cực âm, đánh dấu sự khởi đầu của quá trình nạp để acquy đạt được dung lượng cần thiết.
Trong acquy đầy dung lượng, dung dịch thường chứa 36% axit theo tỷ trọng và 25% theo thể tích, phần còn lại là nước Tỷ trọng đặc trưng, tỷ lệ giữa mật độ axit và mật độ nước, là thông số quan trọng xác định điểm nhiệt độ hóa rắn của dung dịch khi acquy phóng điện Nhiệt độ hóa rắn ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của acquy trong các môi trường nhiệt độ khác nhau, yêu cầu tỷ trọng đặc trưng cao hơn khi nhiệt độ giảm Tỷ trọng đặc trưng của acquy đầy thường dao động từ 1,250 đến 1,280 tại 27°C, cho thấy mật độ dung dịch lớn hơn nước sạch từ 1,25 đến 1,28 lần Khi acquy phóng điện, tỷ trọng đặc trưng sẽ giảm dần về 1.
Hình 1 6 Đặc tính điện thế thời gian acquy chì axit Ưu điểm của acquy chì axit:
Ắc quy axit chì có giá thành thấp và đơn giản để sản xuất
Khi được sử dụng đúng cách, axit-chì có độ bền cao
Số lần sạc lại ắc quy khá hạn chế, khả năng dự trữ năng lượng pin cao.
Nhược điểm của acquy chì axit:
Không thể lưu trữ trong điều kiện môi trường phóng điện
Các đặc tính cơ bản của acquy
Sức điện động của accquy
Sức điện động của ắc quy chì axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân:
E0 = 0,85 +γ (V) Trong đó: E0 là sức điện động tĩnh của ắc quy đơn, tính bằng V γ là nồng độ dung dịch điện phân ở nhiệt độ 150C tính bằng g/cm 3
Trong quá trình phóng điện, sức điện động của ắc quy được tính bằng công thức:
Trong đó : EP : là sức điện động của ắc quy phóng điện
UP : là điện áp đo trên các cực của ắc quy khi phóng điện
IP : là dòng điện phóng raq : là điện trở trong của ắc quy khi phóng điện.
Sức điện động En của ắc quy được tính như sau:
En = Un – In raq (1.3) Trong đó : En : sức điện động của ắc quy nạp điện
Un : điện áp đo trên các cực của ắc quy khi nạp điện raq : điện trở trong của ắc quy khi nạp điện.
Dung lượng ắc quy là thông số quan trọng nhất, thể hiện khả năng lưu trữ điện năng Đơn vị tính dung lượng thường sử dụng là Ah (Ampe giờ), trong khi các ắc quy nhỏ hơn, như pin, thường được tính theo mAh (mili-ampe giờ).
Tham số dung lượng ắc quy, được biểu thị bằng Ah, thể hiện khả năng cung cấp dòng điện trong một khoảng thời gian nhất định Cụ thể, một ắc quy có dung lượng 10 Ah có thể phát ra dòng điện 10A trong 1 giờ, 5A trong 2 giờ, hoặc 1A trong 10 giờ.
Trong thực tế, có nhiều phương pháp để đánh giá tình trạng của ắc quy, bao gồm đo nội trở, kiểm tra điện áp cọc và tỷ trọng dung dịch Tuy nhiên, tiêu chí chính xác nhất để đánh giá tình trạng ắc quy là kiểm tra % dung lượng tối đa so với dung lượng định mức thiết kế, phản ánh khả năng lưu điện thực tế sau thời gian sử dụng Hiện nay, có hai phương pháp được coi là chính xác nhất để đánh giá dung lượng ắc quy.
Để kiểm tra dung lượng của bình ắc quy axit-chì có dung lượng dưới 200Ah, bạn có thể sử dụng máy kiểm tra dung lượng ắc quy cầm tay Máy này áp dụng phương pháp gián tiếp thông qua thử nghiệm tải xung để đánh giá chính xác dung lượng của bình ắc quy.
Đối với các bình ắc quy kiềm và ắc quy axit-chì có dung lượng lớn hơn 200Ah, phương pháp đánh giá dung lượng hiệu quả là nạp đầy ắc quy và sau đó xả qua bộ tải giả để xác định dung lượng thực tế của chúng.
Ảnh hưởng của cường độ dòng điện phóng đến dung lượng thực tế của Ắc quy
Dung lượng của ắc quy thay đổi tùy thuộc vào cường độ dòng điện phóng ra Khi dòng điện phóng lớn, dung lượng thực của ắc quy sẽ giảm, trong khi nếu dòng điện phóng nhỏ, dung lượng được duy trì ở mức cao hơn.
Hình 1 7 Dung lượng bình accquy
Dung lượng của ắc quy tương ứng với thời gian phóng t được ký hiệu là
Ắc quy US 2200XC2 có dung lượng ký hiệu C10 6Ah, tương đương với dung lượng thực tế 206Ah, với thời gian phóng 10 giờ và dòng điện phóng 0.1C10 6A Tương tự, với ký hiệu C20 2Ah, dung lượng thực tế là 232Ah, thời gian phóng 20 giờ và dòng điện phóng 0.05C20 6A Điều này cho thấy rằng, cùng một loại ắc quy, khi phóng với dòng điện nhỏ, dung lượng thực tế sẽ lớn hơn so với khi phóng với dòng điện lớn.
Dung lượng của ắc quy US 2200XC2 được xác định bởi cường độ dòng phóng, như thể hiện trong bảng dưới đây (dữ liệu từ Tờ dữ liệu US 2200XC2).
Ta thấy được dung lượng của nó sẽ là: C13Ah, C22Ah, C57Ah,
C10 6A, C20#2Ah, C48$6Ah, C72%2Ah và C100%8Ah
Khi phóng dòng điện lớn, dung lượng của ắc quy sẽ giảm Để đạt được dung lượng ắc quy như công bố từ các nhà sản xuất, cần phóng với dòng điện nhỏ, điều này có thể thực hiện bằng cách sử dụng điện tiết kiệm hoặc trang bị hệ thống nhiều ắc quy.
Khi thay thế bình ắc quy, cần chú ý đến dung lượng bình theo thông số của nhà sản xuất Ví dụ, nếu bình cũ có dung lượng C10 0Ah, việc chọn bình mới có dung lượng C20 0Ah sẽ không hợp lý, vì dung lượng thực tế của bình mới ở C10 sẽ thấp hơn 200Ah.
Điện áp ngưỡng thấp nhất
Giá trị điện áp thấp nhất cho phép trong quá trình vận hành acquy, được xác định khi dung lượng bằng không (acquy đã phóng hết điện), phụ thuộc vào giá trị dòng phóng cụ thể Nếu dòng phóng vượt quá mức này, điện áp của acquy sẽ giảm xuống dưới giá trị cho phép Thông tin này thường được cung cấp bởi nhà sản xuất.
Acquy PowerSonic có điện áp ngưỡng thấp nhất là 1,75 V/ngăn khi phóng với dòng 0,2C, và giảm xuống còn 1,5 V/ngăn khi dòng phóng đạt 1C.
Điện áp hở mạch là điện áp giữa hai cực của acquy khi không đang trong quá trình phóng hoặc nạp Đối với acquy chì – axit, điện áp hở mạch thường rơi vào khoảng 2,1 V và phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như tỷ trọng đặc trưng Tỷ trọng đặc trưng của acquy thay đổi theo dung lượng hiện có; khi acquy phóng điện, dung lượng giảm, dẫn đến sự giảm điện áp hở mạch.
Ví dụ: acquy PowerSonic có điện áp hở mạch 2,15 V/ngăn khi nạp đầy và còn 1,94 V/ngăn khi dung lượng bằng không.
Độ sâu phóng điện của acquy được xác định bằng tỷ lệ phần trăm năng lượng điện cung cấp cho tải bên ngoài so với dung lượng tổng của acquy Giá trị này, ở một dòng phóng nhất định, bị giới hạn bởi điện áp ngưỡng thấp nhất, thường chỉ cho phép sử dụng từ 15 đến 25% dung lượng của acquy.
Mức độ tự phóng điện của acquy ảnh hưởng đến dung lượng của nó khi ở chế độ hở mạch, với sự suy giảm chậm do dòng rò hoặc cấu tạo bên trong Nhiệt độ cao có thể làm tăng mức độ phóng điện, có thể đạt tới 10-15%.
Đặc tính phóng của accquy
Mục tiêu của đề tài
Tìm hiểu tổng quan về accquy và các chế độ sạc của accquy
Thiết kế mạch nạp accquy tự ngắt khi sạc đầy
CÁC PHƯƠNG PHÁP NẠP ACCQUY
Các phương pháp nạp accquy
Dựa trên phân tích về cấu tạo và đặc tính của acquy, có thể xác định các yêu cầu cho thiết bị nạp acquy tự động, được ứng dụng rộng rãi trong các bộ nguồn một chiều dự phòng và hệ thống cấp điện liên tục (UPS) Các ứng dụng này yêu cầu acquy có khả năng phóng điện ra tải bất cứ lúc nào, trong khi phần lớn thời gian, acquy chỉ ở chế độ dự phòng Do đó, khi có điện lưới, mạch nạp sẽ hoạt động để duy trì acquy ở trạng thái đầy dung lượng.
Như vậy mạch nạp tự động có các chức năng sau:
Để tối ưu hóa hiệu suất của acquy, việc phát hiện các tình huống phù hợp để áp dụng chế độ nạp là rất quan trọng Có ba chế độ nạp cơ bản cần chú ý: chế độ nạp bình thường, chế độ nạp hoàn thiện và chế độ nạp cân bằng.
Đảm bảo các chế độ nạp như trên theo đúng yêu cầu.
Thiết bị nạp tự động cần ngắt tải khỏi acquy để ngăn chặn phóng điện sâu, bảo vệ khả năng phục hồi của acquy Ngoài ra, việc thực hiện chế độ nạp cân bằng định kỳ là cần thiết để làm tươi acquy và đảm bảo các ngăn có tính chất đồng đều.
Việc theo dõi điện áp và dòng điện trên acquy là cách hiệu quả để phát hiện các tình huống và từ đó đưa ra chế độ nạp phù hợp.
Hình 2 1 Các chế độ nạp của accquy
2.1.3 Nạp với dòng điện không đổi
Phương pháp nạp điện với dòng nạp không đổi là lựa chọn tối ưu cho việc nạp ắc quy, giúp đảm bảo ắc quy được nạp đầy và phù hợp với từng loại ắc quy Phương pháp này thường được áp dụng trong các xưởng bảo dưỡng và sửa chữa, đặc biệt là để nạp cho ắc quy mới hoặc khắc phục ắc quy bị sunfat hoá Trong quá trình nạp, các ắc quy sẽ được mắc nối tiếp và cần đáp ứng các điều kiện nhất định để đạt hiệu quả tối ưu.
Naq : số ngăn ắc quy đơn mắc trong mạch nạp
Hình 2 2 Đặc tính nạp với dòng điện không đổi
Trong quá trình nạp ắc quy, sức điện động sẽ tăng dần Để duy trì dòng điện nạp ổn định, cần thiết phải sử dụng một biến trở R trong mạch nạp nhằm điều chỉnh dòng nạp.
Phương pháp nạp với dòng không đổi kéo dài thời gian nạp và yêu cầu các ắc quy có cùng dung lượng định mức Để khắc phục nhược điểm này, người ta áp dụng phương pháp nạp với dòng điện thay đổi theo nhiều nấc khác nhau.
Khi nạp ắc quy theo hai nấc, dòng điện ở nấc thứ nhất được chọn trong khoảng (0,3 ÷ 0,5) C20 và quá trình nạp sẽ kết thúc khi ắc quy bắt đầu sôi Dòng điện ở nấc thứ hai sẽ là 0,05 C20.
2.1.4 Nạp với điện áp không đổi
Phương pháp nạp với điện áp không đổi yêu cầu ắc quy được kết nối song song với nguồn nạp, với hiệu điện thế của nguồn nạp từ 2,3 đến 2,5V cho mỗi ngăn ắc quy đơn Đây là phương pháp thường được sử dụng để nạp điện cho ắc quy ôtô Ưu điểm của phương pháp này là thời gian nạp ngắn và dòng điện nạp tự động giảm theo thời gian.
Nhược điểm của phương pháp nạp ắc quy là không đảm bảo nạp đầy, vì vậy việc nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp bổ sung trong quá trình sử dụng Để đánh giá khả năng cung cấp điện của ắc quy, người ta sử dụng vôn kế phụ tải hoặc đánh giá gián tiếp qua nồng độ dung dịch điện phân Mối quan hệ giữa nồng độ dung dịch điện phân và trạng thái điện của ắc quy được thể hiện trên đồ thị.
Hình 2 3 Đặc tính nạp với điện áp không đổi
2.1.5 Nạp dòng áp Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên Nó tận dụng được những ưu điểm của môĩ phương pháp. Đối với yêu cầu của đề tài là nạp ắc qui tự động tức là trong quá trình nạp mọi quá trình biến đổi và chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn phương pháp nạp ắc qui là phương pháp dòng áp. Đối với ắc qui axit : Để đảm bảo cho thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoảng thời gian tn =8 giờ tương ứng với ( 75 ÷ 80 )% dung lượng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1 C10 Vì theo đặc tính nạp của ắc qui trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp ,sức điện động tải ít thay đổi ,do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp.Sau thời gian 8 giờ ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp Khi thời gian nạp được
Để nạp ắc quy, sau 10 giờ, ắc quy sẽ bắt đầu no và cần thêm 2-3 giờ nạp bổ sung Đối với ắc quy kiềm, quy trình nạp tương tự như ắc quy axit, nhưng do khả năng quá tải lớn hơn, chúng ta có thể nạp với dòng nạp In 0,2 C10 khi ổn định dòng Ngoài ra, để tiết kiệm thời gian, có thể sử dụng phương pháp nạp cưỡng bức với dòng nạp In = 0,5 C10.
Quá trình nạp ắc quy tự động sẽ kết thúc khi nguồn nạp bị cắt hoặc khi điện áp nạp ổn định bằng điện áp trên hai cực của ắc quy, dẫn đến dòng nạp giảm dần về mức không.
Khi ắc quy đói, việc nạp theo phương pháp điện áp có thể gây ra dòng điện tăng cao không kiểm soát, dẫn đến hiện tượng sôi ắc quy và hư hỏng nhanh chóng Do đó, trong quá trình nạp, cần phải ổn định dòng nạp để bảo vệ ắc quy khỏi những tổn hại nghiêm trọng.
Khi ắc quy đạt 80% dung lượng, việc duy trì dòng nạp ổn định sẽ khiến ắc quy sôi và cạn nước Do đó, cần chuyển sang chế độ nạp ổn áp cho đến khi ắc quy hoàn toàn no Khi điện áp trên các bản cực của ắc quy bằng với điện áp nạp, dòng nạp sẽ tự động giảm về không, đánh dấu sự kết thúc của quá trình nạp.
Tuỳ theo loại ắc quy mà ta nạp với dòng điện nạp khác nhau:
* Ắc quy axit: dòng nạp In= 0,1 C10
Nạp cưỡng bức với dòng điện nạp In= 0,2 C10
* Ắc quy kiềm dòng nạp In= 0,2 C10
Relay
Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống hoạt động dựa trên việc đọc điện áp của ắc quy qua bộ ADC của vi điều khiển Sau khi thu thập dữ liệu, khối xử lý trung tâm sẽ tính toán và so sánh điện áp với ngưỡng để điều khiển relay, từ đó quyết định cấp nguồn sạc cho ắc quy hoặc ngắt sạc Đồng thời, khối xử lý trung tâm cũng hiển thị mức pin còn lại của ắc quy thông qua các đèn LED Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho toàn bộ mạch, đảm bảo các linh kiện hoạt động ổn định.
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, cung cấp năng lượng cần thiết cho hoạt động của toàn bộ thiết bị Để hệ thống hoạt động một cách trơn tru và ổn định, khối nguồn phải đảm bảo cung cấp đúng các mức điện áp theo yêu cầu.
Nguồn điện tiêu thụ của các linh kiện được sử dụng
Arduino: điện áp hoạt động 5V
Relay : điện áp hoạt động 5V Để nạp điện cho một accquy 12V có 6 ngăn là Un = (2,3 -2,5).N
THIẾT KẾ BỘ NẠP ACCQUY TỰ ĐỘNG
Sơ đồ khối
Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý đọc điện áp của ắc quy qua bộ ADC của vi điều khiển Sau khi thu thập dữ liệu, khối xử lý trung tâm sẽ so sánh điện áp với ngưỡng để điều khiển relay, quyết định việc cấp nguồn sạc cho ắc quy hoặc ngắt sạc Đồng thời, khối này cũng phân tích và hiển thị mức điện áp của ắc quy thông qua đèn LED Ngoài ra, khối nguồn đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định cho toàn bộ mạch, giúp các linh kiện hoạt động hiệu quả.
Khối nguồn đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống, cung cấp năng lượng cần thiết cho toàn bộ hoạt động Việc cung cấp đúng các mức điện áp theo yêu cầu là điều kiện tiên quyết để đảm bảo hệ thống hoạt động một cách trơn tru và ổn định.
Nguồn điện tiêu thụ của các linh kiện được sử dụng
Arduino: điện áp hoạt động 5V
Relay : điện áp hoạt động 5V Để nạp điện cho một accquy 12V có 6 ngăn là Un = (2,3 -2,5).N
Dựa trên các số liệu đã phân tích, chúng tôi quyết định sử dụng Adapter 15VDC để cung cấp nguồn điện từ lưới vào mạch và sạc cho acquy Sau đó, chúng tôi sẽ sử dụng module hạ áp LM2596 để giảm điện áp xuống 5VDC, nhằm cung cấp nguồn cho các linh kiện trong mạch.
Mạch giảm áp DC LM2596 3A nhỏ gọn có khả năng giảm điện áp từ 30V xuống 1.5V với hiệu suất cao đạt 92% Sản phẩm này rất phù hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ áp và cung cấp năng lượng cho các thiết bị như camera, motor và robot.
Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V.
Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V.
Dòng đáp ứng tối đa là 3A.
Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm
Hình 3 3 Kích thước mạch LM2596
Khối điện áp acquy cho phép khối xử lý trung tâm đọc và sử dụng dữ liệu điện áp acquy cho các quy trình khác Thông số điện áp được đọc thông qua bộ chuyển đổi ADC tích hợp sẵn trên vi điều khiển.
Bảng Arduino NANO được trang bị một bộ ADC 10-bit đa kênh, cho phép chuyển đổi điện áp đầu vào từ 0-3.3V hoặc 0-5V thành các giá trị kỹ thuật số trong khoảng từ 0 đến 1023, tương ứng với khả năng phân giải 10-bit (2^10 = 1024).
Mối quan hệ giữa giá trị ADC và điện áp:
Với giá trị ADC lớn nhất là 2^n - 1 ↔ giá trị điện áp lớn nhất Vref
Với giá trị ADC bất kỳ (Gia_tri_ADC) ↔ giá trị điện áp Vđo bất kỳ
→ Giá trị điện áp ra Vđo tại một giá trị ADC đo được là (n là độ phân giải của bộ ADC): ref do
Với Vdo: giá trị điện áp đo nADC: giá trị mà bộ ADC đọc được
Vref: điện áp tham chiếu
Điện áp vào chân ADC của Arduino chỉ dao động từ 0-5V, trong khi điện áp acquy là 12V, vượt quá giới hạn này Do đó, cần sử dụng mạch chia áp để hạ mức điện áp acquy xuống dưới 5V, giúp vi điều khiển có thể đọc giá trị điện áp một cách chính xác.
Một bộ phân áp bao gồm việc đặt một nguồn điện áp qua một loạt hai điện trở.
Hình 3 4 Mạch chia áp Điện áp qua mạch chia áp được tính theo công thức:
3.1.3 Khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm đóng vai trò đầu não trong việc xử lý các nhiệm cụ của hệ thống.
Để đọc giá trị điện áp của ắc quy, điện áp này được chia áp và được đọc thông qua bộ ADC từ một chân của vi điều khiển Sau đó, dữ liệu này được xử lý và tính toán theo công thức để xác định điện áp chính xác của ắc quy.
Hiển thị mức pin của ắc quy lên đèn LED: Sau khi đo điện áp của ắc quy, khối xử lý trung tâm sẽ tiến hành phân tích và đánh giá mức pin còn lại Kết quả sẽ được hiển thị trên đèn LED để người dùng dễ dàng theo dõi.
Đong ngắt relay dựa vào giá trị điện áp của ắc quy để xác định xem ắc quy có cần sạc hay không Nếu mức pin thấp và cần sạc, relay sẽ được đóng để cho phép dòng điện nạp vào ắc quy; ngược lại, nếu không cần sạc, relay sẽ ngắt.
Khối relay có vai trò đóng cắt dòng điện nạp cho accquy.
Mạch relay sử dụng opto với tín hiệu kích mức thấp (hoặc mức cao) mang lại lợi ích lớn nhờ vào khả năng cách ly hoàn toàn về điện giữa vi điều khiển, relay và tải Điều này giúp vi điều khiển loại bỏ các nhiễu không mong muốn, từ đó nâng cao độ ổn định trong hoạt động của mạch Sơ đồ nguyên lý mạch được thể hiện trong hình minh họa phía trên.
Khi tín hiệu điều khiển VIN ở mức thấp, đèn LED đỏ và LED opto sẽ sáng, kích hoạt transistor bên kia của opto dẫn điện và kéo điện áp cực B xuống 0V Điều này khiến transistor Q3 được phân cực và dẫn điện, cho phép dòng điện chạy qua cuộn dây của relay, làm relay đóng lại.
Khi tín hiệu điều khiển VIN ở mức cao, LED đỏ sẽ tắt và LED bên trong opto không sáng, dẫn đến transistor phía bên kia của opto không dẫn điện Do đó, chân B của transistor Q3 được kéo lên nguồn, khiến Q3 không dẫn Hệ quả là cuộn dây relay không được cấp điện, làm cho relay mở.
+) Diot D1 trong mạch có tác dụng chống lại dòng điện cảm ứng do cuộn đây sinh ra làm hỏng transistor.
Khối led có vai trò nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển và phản ánh mức pin của accquy mà vi điều khiển đo được.
Thiết kế phần cứng
Giới thiệu về phần mềm Altium Designer
Altium Designer, trước đây được biết đến với tên gọi Protel DXP, là một trong những công cụ thiết kế mạch điện tử hàng đầu hiện nay, do Altium Limited phát triển Phần mềm này cung cấp nhiều tính năng mạnh mẽ và thú vị cho việc thiết kế mạch điện tử, nhưng vẫn chưa được nhiều người biết đến so với các phần mềm thiết kế khác như Orcad hay Proteus.
Altium Designer có một số đặc trưng sau:
- Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế.
Hệ thống cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho thiết kế tự động, bao gồm đi dây theo thuật toán tối ưu và phân tích lắp ráp linh kiện Nó giúp tìm kiếm các giải pháp thiết kế mới hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện và netlist hiện có dựa trên các tham số mới.
- Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…
- Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…
Đặt và điều chỉnh các đối tượng trên các lớp cơ khí là bước quan trọng trong thiết kế PCB Các luật thiết kế cần được định nghĩa rõ ràng để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả Tùy chỉnh các lớp mạch in giúp tối ưu hóa bố trí linh kiện Quá trình chuyển đổi từ sơ đồ nguyên lý (schematic) sang PCB yêu cầu sự chú ý đến chi tiết Cuối cùng, việc đặt vị trí linh kiện trên PCB phải được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo hoạt động tối ưu của mạch.
Mô phỏng mạch PCB 3D cung cấp hình ảnh chân thực của mạch điện trong không gian ba chiều, hỗ trợ tích hợp MCAD-ECAD Công nghệ này cho phép liên kết trực tiếp với mô hình STEP, giúp kiểm tra khoảng cách cách điện và cấu hình cho cả hai định dạng 2D và 3D.
- Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA và ngược lại. Ưu điểm:
Altium là phần mềm chuyên dụng cho việc thiết kế Schematic và PCB, với bộ công cụ mạnh mẽ và thông minh, đáp ứng hầu hết các nhu cầu của thị trường.
- Mô phỏng 3D, Altium hỗ trợ việc sử dụng file 3D của các phần mềm khác để mô phỏng 3D, khiến việc thiết kế trở nên trực quan hơn rất nhiều
Altium là phần mềm hàng đầu trong thiết kế mạch in PCB, thu hút một cộng đồng lớn và đông đảo Nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ này, bộ thư viện của Altium cũng rất phong phú và đầy đủ, đáp ứng nhu cầu của người dùng.
Mạch lực cho accquy Để nạp điện cho một accquy 12V có 6 ngăn theo phương pháp nạp với dòng điện không đổi là Un = (2,3 -2,5).N
Sử dụng adapter có tác dụng chuyển đổi điện áp xoay chiều sang điện áp một chiều có điện áp 15V
Mạch lực cho vi điều khiển
Để điều chỉnh nguồn điện cho vi điều khiển hoạt động ở mức 5V trong khi nguồn cấp vào mạch là 15V, cần sử dụng mạch buck converter để hạ áp xuống mức phù hợp.
Mạch Buck, hay còn gọi là mạch Buck hạ áp (Buck Converter), là một trong những bộ chuyển đổi DC-DC phổ biến nhất hiện nay Mạch này thực hiện việc chuyển đổi điện áp cao thành điện áp thấp một cách hiệu quả, giúp kéo dài tuổi thọ của pin, giảm nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động và cho phép thiết kế các thiết bị nhỏ gọn hơn.
Hình 3 7 Sơ đồ nguyên lý buck converter
LM2596 là một IC chuyển đổi buck nổi bật với định mức dòng điện cao lên đến 3A, có nhiều phiên bản với điện áp đầu ra cố định như 3.3V, 5V và 12V, nhưng phiên bản nổi bật nhất là LM2596-ADJ với điện áp đầu ra thay đổi Hoạt động trên tần số chuyển mạch 150KHz, LM2596 nhận điện áp đầu vào và điều chỉnh điện áp đầu ra mong muốn thông qua mạch chuyển mạch tích hợp Với hiệu suất cao cùng tính năng ngắt nhiệt và giới hạn dòng điện, LM2596 là sự lựa chọn lý tưởng cho những ai cần một IC chuyển đổi dòng điện cao nhỏ gọn và dễ sử dụng.
LM2596 là một IC điều chỉnh điện áp dễ sử dụng với yêu cầu linh kiện tối thiểu Điện áp không điều chỉnh được cấp vào chân 1 (Vin) qua tụ lọc để giảm nhiễu Chân ON/OFF (chân 5) cần được nối đất để kích hoạt IC, trong khi nếu ở mức cao, IC sẽ tắt để tiết kiệm năng lượng, đặc biệt khi sử dụng pin Chân feedback đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập điện áp đầu ra, cảm nhận điện áp này và điều chỉnh tần số chuyển mạch của công tắc bên trong để đạt được điện áp đầu ra mong muốn Cuối cùng, điện áp đầu ra được lấy từ chân 2 qua bộ lọc LC.
Hình 3 8 Mạch nguyên lý LM2596
Hình 3 9 Mạch nguyên lý trong mạch
Mạch điều khiển dùng arduino để điều khiển các hoạt động xảy ra trong mạch.
Các điện trở và led được mắc nối tiếp với nhau nên giá trị điện trở sẽ được tính theo công thức sau
Mà Ung = 5V ( điện áp xuất mức high của chân vi điều khiển)
Uled =1.8-2.2V(điện áp led đỏ - 5mm)
I < 40 ma(dòng điện xuất ra của chân vi điều khiển)
Điện áp đọc ADC của Arduino Nano nhỏ hơn 5V, trong khi điện áp acquy lớn hơn 12V Do đó, cần sử dụng mạch phân áp để hạ mức điện áp của acquy xuống dưới 5V, giúp Arduino Nano có thể thực hiện việc đọc điện áp một cách chính xác.
Vout =Vin(R15/(R14+R15))=1.3-1.6(V) < 5V( thoả mãn điều kiện) Điều khiển relay kích mức thấp đã trình bày như phần khối relay ở trên ta có mạch điều khiển của hệ thống.
Thiết kế mạch bằng phần mềm Altium Designer
Hình 3 11 Sơ đồ mạch nguyên lý
Hình 3 12 Sơ đồ mạch in PCB
Hình 3 13 Hình minh hoạ 3d mặt trước
Hình 3 14 Hình minh hoạ 3d mặt sau
Lưu đồ thuật toán
Hình 3 15 Lưu đồ thuật toán
Kết luận
Sơ đồ khối của hệ thống thể hiện nguyên lý hoạt động tổng quát, giúp dễ dàng xây dựng lưu đồ thuật toán và thiết kế mạch Việc tạo ra lưu đồ thuật toán chính xác là bước quan trọng trong quá trình lập trình và sửa lỗi chương trình.