TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN VÀ KHÍ CỤ ĐIỆN
Giới thiệu chương
Chương 1 trình bày tổng quan về các loại cảm biến và các thiết bị khí cụ điện được sử dụng phổ biến hiện nay Kiến thức được cung cấp ở chương 1 bao gồm các các chức năng, vai trò và ứng dụng của cảm biến cũng như sự phân loại cảm biến theo tính chất vật lý, hóa học là nền tảng lý thuyết giúp cho việc mô phỏng, thi công một số khối mạch chức năng trong bộ điều khiển điều khiển điều hòa hoạt động luân phiên ở chương 3.
Tổng quan về cảm biến
Cảm biến là thiết bị điện tử có khả năng nhận diện các trạng thái, quá trình vật lý hoặc hóa học trong môi trường khảo sát Chúng chuyển đổi những thông tin này thành tín hiệu điện, giúp thu thập dữ liệu về các trạng thái và quá trình đang diễn ra.
Thông tin được xử lý nhằm rút ra các tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ cho nhu cầu nghiên cứu khoa học, kỹ thuật và dân sinh Quá trình này được gọi tắt là đo đạc, có vai trò quan trọng trong việc truyền và xử lý thông tin cũng như trong việc điều khiển các quá trình khác.
Các bộ cảm biến được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng các tín hiệu và kích thích
Cảm biến chính là thiết bị chuyển đổi đo lường sơ cấp, được thiết kế trong các vỏ hộp với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, đảm bảo tính chuẩn hóa để sử dụng trong thực tiễn.
Hình 1.1 Sơ đồ khối của cảm biến
Cảm biến thường được lắp đặt trong vỏ bảo vệ để tạo thành đầu thu hoặc đầu dò, có thể kèm theo các mạch điện hỗ trợ và thường được gọi chung là "cảm biến" Tuy nhiên, trong nhiều tài liệu, thuật ngữ này ít được sử dụng cho các vật có kích thước lớn và không áp dụng cho một số chi tiết như núm công tắc bật đèn tủ lạnh, mặc dù về mặt hàn lâm, núm này hoạt động như một cảm biến.
1.2.2 Vai trò của bộ cảm biến
Cảm biến có vai trò quan trọng trong các bài toán điều khiển quá trình nói riêng và trong các hệ thốngđiều khiển tự động nói chung
- Là thiết bị có khả năng cảm nhận các tín hiệu điều khiển vào, ra
- Có vai trò đo đạc các giá trị - Giới hạn cảm nhận với đại lượng vật lý cần đo.
- Đóng vai trò quan trọng trong hệ thống đo lường và điều khiển hiện tại
- Nó quyết định việc có thể điều khiển tự động hay tự động hóa các quá trình hay không
- Quyết định độ chính xác và chất lượng của hệ thống
1.2.3 Đặc trƣng của bộ cảm biến
Một bộ cảm biến phải đáp ứng được các tiêu chí kỹ thuật sau đây
- Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện
- Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định
- Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được
- Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường
- Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kết quả
- Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu
- Độ trôi: Sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hoặc thời gian tồn tại
- Độ trễ: Mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình
- Độ tin cậy: Khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môi trường như sốc các loại
- Điều kiện môi trường: Dải nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, làm việc được
Tiêu chí đánh giá cảm biến có sự khác biệt tùy thuộc vào lĩnh vực áp dụng Đối với các cảm biến trong thiết bị số, hay còn gọi là cảm biến logic, độ tuyến tính không đóng vai trò quan trọng.
Cảm biến hiện nay rất đa dạng, với nhiều hiện tượng cần cảm biến và phương pháp chế tạo khác nhau, đồng thời các loại cảm biến mới cũng đang không ngừng phát triển Việc phân loại cảm biến trở nên phức tạp do tính đa dạng của chúng, nhưng có thể áp dụng một số phương pháp phân loại nhất định.
Phân loại theo tính chất vật lý và tính chất hóa học
Cảm biến vật lý là thiết bị quan trọng trong việc đo lường và phát hiện các yếu tố như sóng điện từ, ánh sáng, tia cực tím, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ trường và trọng trường Những cảm biến này đóng vai trò thiết yếu trong nhiều ứng dụng công nghệ, giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong các hệ thống tự động hóa và giám sát.
- Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,
Phân loại chúng theo nguyên lý hoạt động
Cảm biến điện trở: Hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn
Cảm biến biến áp vi phân: Cảm biến vị trí (Linear variable differential transformer, LVDT)
Cảm biến cảm ứng điện từ: các antenna
Cảm biến dòng xoáy: Các đầu dò của máy dò khuyết tật trong kim loại, của máy dò mìn
Cảm biến cảm ứng điện động: chuyển đổi chuyển động sang điện như microphone điện động, đầu thu sóng địa chấn trên bộ (Geophone)
Cảm biến điện dung: Sự thay đổi điện dung của cảm biến khi khoảng cách hay góc đến vật thể kim loại thay đổi
Cảm biến từ trường: Cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường dùng vật liệu sắt từ, dùng trong từ kế
Cảm biến áp điện sử dụng gốm áp điện như titanat bari để chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện Chúng thường được ứng dụng trong các microphone thu âm và đầu thu sóng địa chấn trong nước, chẳng hạn như trong các thiết bị Sonar.
Cảm biến quang, bao gồm cảm biến ảnh CMOS và CCD, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ các photodiode ở các vùng phổ khác nhau cho đến đầu dò giấy trong máy in Nhóm cảm biến này nổi bật nhờ kích thước nhỏ gọn, tính năng đáng tin cậy và sự phổ biến trong ứng dụng.
Cảm biến huỳnh quang, nhấp nháy:
Sử dụng các chất phát quang thứ cấp để phát hiện các bức xạ năng lượng cao hơn
Cảm biến điện hóa: Các đầu dò ion, độ pH,
Cảm biến nhiệt độ: Cặp lưỡng kim, hoặc dạng linh kiện bán dẫn như Precision Temperatur Sensor LM35 có hệ số 10 mV/°K
Phân loại theo cảm biến chủ động và bị động
Cảm biến chủ động và cảm biến bị động phân biệt ở nguồn năng lượng dùng cho phép biến đổi lấy từ đâu
Cảm biến áp điện, được làm từ vật liệu gốm, chuyển đổi áp suất thành điện tích mà không cần nguồn điện bổ sung Ngoài ra, các antenna cũng là một dạng của cảm biến chủ động.
Cảm biến quang như photodiode sử dụng điện năng bổ sung để chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện, với sự thay đổi điện trở tại tiếp giáp bán dẫn p-n khi có ánh sáng chiếu vào Ngoài ra, các cảm biến biến trở cũng thuộc loại cảm biến bị động.
Phân loại thì như vậy nhưng một số cảm biến nhiệt độ kiểu lưỡng kim dường như không thể xếp hẳn vào nhóm nào, nó nằm vào giữa
1.2.5 Cảm biến nhiệt độ [2] Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có 2 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đó là “Nhiệt độ môi trường cần đo” và “Nhiệt độ cảm nhận của cảm biến” Điều đó nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của cảm biến nhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác Điều này phụ thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến (cảm biến nhiệt đắt hay rẻ cũng do nguyên nhân này quyết định) Đồng thời ta cũng rút ra 1 nguyên tắc khi sử dụng cảm biến nhiệt đó là: Phải luôn đảm bảo sự trao đổi nhiệt giữa môi trường cần đo với phần tử cảm biến
Cảm biến nhiệt có nhiều dạng khác nhau, nhưng loại phổ biến nhất trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp thường được thiết kế trong khung thép không gỉ Loại cảm biến này được kết nối với một bộ phận định vị và có các đầu nối để kết nối với các thiết bị đo lường.
Sau đây là một số cảm biến nhiệt thông dụng a Cặp nhiệt điện (Thermocouple - Can nhiệt)
Hình 1.2 Cấu tạo của themocouple [2]
Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu
- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV)
- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao
- Nhược điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao
- Cặp nhiệt điện được sử dụng chủ yếu trong lò nhiệt, trong các môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
- Ứng dụng: sản xuất công nghiệp, luyện kim, giáo dục hay gia công vật liệu… Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau (E, J, K, R, S,
T, B…) đó là vì mỗi loại cặp nhiệt điện đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu khác nhau, từ đó sức điện động tạo ra cũng khác nhau dẫn đến dải đo cũng khác nhau.Người sử dụng cần chú ý điều này để có thể lựa chọn loại cặp nhiệt điện phù hợp với yêu cầu của mình.Đồng thời khi lắp đặt sử dụng loại cặp nhiệt điện thì cần chú ý tới những điểm sau đây:
Để giảm thiểu sai số trong quá trình truyền tín hiệu điện áp mV, dây nối giữa đầu đo và bộ điều khiển nên được giữ càng ngắn càng tốt.
Tổng quan về khí cụ điện
1.3.1 Khái niệm về khí cụ điện
Khí cụ điện là thiết bị thiết yếu cho việc đóng cắt, bảo vệ và điều khiển các lưới điện, mạch điện, cũng như các loại máy điện trong quy trình sản xuất.
Khí cụ điện hoạt động liên tục trong các mạch dẫn điện, dẫn đến nhiệt độ tăng cao, gây tổn thất điện năng dưới dạng nhiệt và làm nóng các bộ phận dẫn điện cũng như cách điện Do đó, để đảm bảo an toàn và hiệu quả, khí cụ điện cần hoạt động trong mọi chế độ mà nhiệt độ các bộ phận không vượt quá giới hạn cho phép.
1.3.2 Phân loại, các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện[4]
Khí cụ điện được phân ra các loại sau:
Khí cụ điện được chia thành nhiều loại với các chức năng khác nhau: Để đóng cắt các mạch điện, chúng ta sử dụng cầu dao, máy cắt và aptômat Đối với việc mở máy, công tắc tơ, khởi động từ và bộ khống chế chỉ huy là những thiết bị cần thiết Để bảo vệ lưới điện khỏi hiện tượng ngắn mạch, cầu chì, aptômat, các loại máy cắt và rơle nhiệt đóng vai trò quan trọng.
Các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện bao gồm việc đảm bảo an toàn cho thiết bị điện và nâng cao độ tin cậy của chúng Để đạt được điều này, khí cụ điện cần tuân thủ một số tiêu chuẩn nhất định.
- Khí cụ điện đảm bảo làm việc lâu dài với các thông số kỹ thuật ở trạng thái làm việc định mức ,
- Ổn định nhiệt, điện động, có cường độ cơ khí cao khi quá tải, khi ngắn mạch
- Vật liệu cách điện tốt, không bị chọc thủng khi quá dòng
- Khí cụ điện làm việc chắc chắn, an toàn khi làm việc
Tính toán tổn thất điện năng trong khí cụ điện
Tổn thất điện năng trong khí cụ điện được tính theo:
Q: Điện năng tổn thất i: dòng điện trong mạch
R: Điện trở của khí cụ t: Thời gian có dòng điện chạy qua
Tuỳ theo khí cụ điện tạo nên từ các vật liệu khách quan, kích thước khác nhau, hình dạng khác nhau sẽ phát sinh tổn thất khác nhau
Các chế độ phát nóng của khí cụ điện
Sau đây là bảng nhiệt độ cho phép của một số vật liệu:
Bảng 1.1 Nhiệt độ cho phép của một số vật liệu.[3]
Vật liệu làm khí cụ điện Nhiệt độ cho phép ( 0 C) Vật liệu không bọc cách điện hoặc để xa nhất cách điện
Dây nối ở dạng tiếp xúc cố định 75
Vật liệu có tiếp xúc dạng hình ngón 75
Tiếp xúc trượt của Đồng vầ hợp kim Đồng 110
Vật không dẫn điện và không bọc cách điện 110
Sau đây là bảng nhiệt độ cho phép của một số vật liệu cách điện:
Bảng 1.2 Nhiệt độ cho phép của một số vật liệu cách điện[3]
Vật liệu cách điện Cấp cách nhiệt Nhiệt độ cho phép ( 0 C) Vải sợi, giấy không tẩm cách điện Y 90
Vải sợi, giấy có tẩm cách điện A 105
Mica, sợi thuỷ tinh có tẩm cách điện F 155
Tuỳ theo chế độ làm việc khác nhau, mỗi khí cụ điện sẽ có sự phát nóng khác nhau
Chế độ làm việc lâu dài của khí cụ điện
Khí cụ điện hoạt động trong thời gian dài sẽ dẫn đến việc nhiệt độ bên trong tăng lên Khi đạt đến nhiệt độ ổn định, nhiệt độ này sẽ không tăng thêm nữa và khí cụ sẽ bắt đầu tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh.
Hình 1.9 Chế độ làm việc lâu dài của khí cụ điện
Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện
Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện xảy ra khi thiết bị được đóng điện nhưng chưa đạt đến nhiệt độ ổn định Sau khi trải qua quá trình phát nóng ngắn hạn, khí cụ sẽ được ngắt và nhiệt độ của nó sẽ giảm xuống mức không còn so sánh được với môi trường xung quanh.
Hình 1.10 Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện
Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại của khí cụ điện
Trong quá trình hoạt động, nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên, sau đó giảm xuống khi khí cụ ngừng làm việc Nếu nhiệt độ không giảm về mức ban đầu, khí cụ sẽ tiếp tục hoạt động Cuối cùng, khi nhiệt độ đạt mức cao nhất gần bằng mức thấp nhất, khí cụ điện sẽ vào chế độ dừng.
Tiếp xúc điện là hiện tượng dòng điện truyền từ một vật dẫn sang vật dẫn khác thông qua bề mặt tiếp xúc của chúng.
Các yêu cầu cơ bản của tiếp xúc điện:
- Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo
- Mối nơi tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao
- Mối nối không được phát nóng quá gía trị cho phép
- Ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện cực đại đi qua
- Chịu được tác đông của môi trường (nhiệt độ, chất hoá học )
- Để đảm bảo các yêu cầu trên, vật liều dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu:
- Điện dẫn và nhiệt dẫn cao
- Độ bền chổng rỉ trong không khí và trong các khí khác
- Độ bền chống tạo lớp màng có điện trở suất cao
- Độ cứng bé để giảm lực nén
- Độ cứng cao để giảm hao mòn ở các bộ phận đóng ngắt
- Độ bền chịu hồ quang cao (nhiệt độ nóng chảy)
- Đơn giản gia công, giá thành hạ
Một số vật liều dùng làm tiếp điểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram
Phân loại tiếp xúc điện
Dựa vào kết cấu tiếp điểm, có các loại tiếp xúc điện sau:
Các tiếp điểm được kết nối chắc chắn với các thành phần dẫn điện như thanh cái, cáp điện và các điểm nối khí cụ trong mạch Trong quá trình sử dụng, hai tiếp điểm này được gắn chặt với nhau bằng các bu-lông hoặc phương pháp hàn nóng, hàn nguội.
Tiếp xúc điện là yếu tố quan trọng để đóng ngắt mạch điện, và trong quá trình này có thể xảy ra hiện tượng hồ quang điện Để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động, cần xác định khoảng cách giữa tiếp điểm tĩnh và động dựa trên dòng điện định mức, điện áp định mức và chế độ làm việc của thiết bị điện.
Là tiếp xúc ở cổ góp và vành trượt, tiếp xúc này cũng dễ sinh ra hồ quang điện Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc
- Vật liệu làm tiếp điểm: vật liệu mềm tiếp xúc tốt
- Kim loại làm tiếp điểm không bị ôxy hóa
- Lực ép tiếp điểm càng lớn thì sẽ tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc
- Nhiệt độ tiếp điểm càng cao thì điện trở tiếp xúc càng lớn
- Thông thường dùng hợp kim để làm tiếp điểm
Trong các thiết bị điện như cầu dao, contactor và rơle, hiện tượng phóng điện xảy ra khi chuyển mạch Nếu dòng điện ngắt dưới 0,1A và điện áp tại các tiếp điểm khoảng 250 – 300V, các tiếp điểm sẽ phóng điện âm ỉ Khi dòng điện và điện áp vượt quá giá trị quy định trong bảng, hiện tượng hồ quang điện sẽ xuất hiện.
Tính chất cơ bản của phóng điện hồ quang
- Phóng điện hồ quang chỉ xảy ra khi các dòng điện có trị số lớn
- Nhiệt độ trung tâm hồ quang rất lớn và trong các khí cụ có thể đến
- Mật độ dòng điện tại Catốt lớn ( )A/
- Sụt áp ở Catốt bằng 10 20V và thực tế không phụ thuộc vào dòng điện Quá trình phát sinh và dập hồ quang
Quá trình phát sinh hồ quang điện bắt đầu khi tiếp điểm có dòng điện nhỏ, tạo ra điện trường mạnh (3 V/cm) làm bật điện tử từ catôt, dẫn đến hiện tượng phát xạ tự động điện tử Khi số lượng điện tử tăng lên, chúng ion hóa không khí và hình thành hồ quang điện Đối với tiếp điểm có dòng điện lớn, quá trình này phức tạp hơn Khi mở tiếp điểm, lực ép nhỏ khiến số tiếp điểm tiếp xúc ít, nhưng mật độ dòng điện tăng cao (đến hàng chục nghìn A/cm2), làm tăng nhiệt độ và tạo ra cầu chất lỏng giữa hai tiếp điểm Cầu chất lỏng này tiếp tục nóng lên và bốc hơi nhanh chóng, gây ra hồ quang điện với tính chất nổ, dẫn đến sự mài mòn tiếp điểm, điều này đặc biệt quan trọng khi ngắt dòng điện lớn hoặc trong các tình huống đóng mở thường xuyên.
Quá trình dập tắt hồ quang điện Điều kiện dập tắt hồ quang là quá trình ngượi lại với quá trình phát sinh hồ quang:
- Hạ nhiệt độ hồ quang
- Chia hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ
- Dùng năng lượng bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang
- Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang
Thiết bị để dập tắt hồ quang
- Hạ nhiệt độ hồ quang bằng cách dùng hơi khí hoặc dầu làm nguội, dùng vách ngăn để hồ quang cọ xát
- Chia hồ quang thành nhiều cột nhỏ và kéo dài hồ quang bằng cách dùng vách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ và thổi khí dập tắt
- Dùng năng lương bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang, năng lượng của nó tạo áp suất để thổi tắt hồ quang
- Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang (dùng điện trở mắc song song với hai tiếp điểm sinh hồ quang).
Các khí cụ điện lựa chọn
Cầu chì là một Khí Cụ Điện bảo vệ mạch điện khi có tải và ngắn mạch
+ Dây chảy: phần quan trọng nhất ,là nơi đứt ra khi có sự cố
+ Vật liệu : đồng ,bạc,kẽm và chì Đặc tính bảo vệ:
Khi I ~ Ith : chế độ làm việc nặng nề Để loại bỏ chế độ trên: Dùng dây chảy có tiết diện thu hẹp ,dẹp ( Hạ áp)
Giọt kim loại có tonc < tonc dây chảy chảy trước
+ Hệ thống tiếp điểm: là nơi đưa điện vào,ra khỏi dây chảy
Ngăn không cho hồ quang xuất hiện khi cầu chì đứt tiếp xúc với các bộ phận lân cận hay là nơi cầm tay để thay thế cầu chì
Bảng 1.3 Vật liệu làm cầu chì
+ cầu chì kín: cầu chì không có chất nhồi và cầu chì có chất nhồi
1.4.2 Khởi động từ [3] Định nghĩa : Là TBĐ dùng để đóng cẳt và điều khiển từ xa các mạch điện động lực hoặc đảo chiều quay và bảo vệ động cơ
Khởi động từ là thiết bị điện dùng để điều khiển từ xa việc đóng, ngắt, đảo chiều và bảo vệ quá tải cho động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc, đặc biệt khi được lắp thêm rơle nhiệt.
Khởi động từ có hai loại: khởi động từ đơn với một Contactor để đóng - ngắt động cơ điện, và khởi động từ kép với hai Contactor để thay đổi chiều quay của động cơ, được gọi là khởi động từ đảo chiều Để bảo vệ chống ngắn mạch, cần lắp thêm cầu chì.
Động cơ điện không đồng bộ ba pha có khả năng hoạt động liên tục hay không phụ thuộc vào độ tin cậy của khởi động từ Vì vậy, khởi động từ cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể để đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ.
- Tiếp điểm có độ bền chịu mài mòn cao
- Khả năng đóng - cắt cao
- Thao tác đóng - cắt dứt khoát
- Tiêu thụ công suất ít nhât
- Bảo vệ động cơ không bị quá tải lâu dài (có Rơle nhiệt)
- Thoả mãn điều khởi động (dòng điện khởi động từ 5 đến 7 lần dòng điện định mức)
- Công tắc tơ (đóng cắt)
- Khởi động từ đơn : 1 Công tắc tơ và rơle nhiệt
- Khởi động từ kép : 2 Công tắc tơ và rơle nhiệt
- Điện áp định mức của cuộn hây hút: 36V, 127V, 220V, 380V, 500V
- Kết cấu bảo vệ chống các tác động bởi môi trường xung quanh: hở, bảo vệ, chống bụi, nước nổ…
- Khả năng làm biến đổi chiều quay động cơ điện: Không đảo chiều quay và đảo chiều quay
- Số lượng và loại tiếp điểm: Thường hở, thường đóng
Lựa chọn và lắp ráp khởi động từ
Hiện nay, động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc có công suất từ 0,6 đến 100KW được sử dụng phổ biến tại Việt Nam Để điều khiển và vận hành chúng, khởi động từ là thiết bị thường được sử dụng Nhà sản xuất cung cấp thông tin về cường độ dòng điện và công suất của động cơ để giúp lựa chọn khởi động từ phù hợp với các điện áp khác nhau Để đảm bảo khởi động từ hoạt động tin cậy, cần lắp đặt chắc chắn trên mặt phẳng đứng, với độ nghiêng tối đa 50 độ so với trục thẳng đứng, và không được bôi mỡ vào các tiếp điểm và bộ phận động Trước khi vận hành, cần kiểm tra kỹ lưỡng khởi động từ sau khi lắp đặt.
Cho các bộ phận chuyển động bằng tay không bị kẹt, vướng Điện áp điều khiển phải phù hợp điện áp định mức của cuộn dây
Các tiếp điểm phải tiếp xúc đều và tốt
Các dây đấu điện phải theo đúng sơ đồ điều khiển
Rơle nhiệt phải đặt khởi động từ cần đặt kẻm theo cầu chì bảo vệ
Hình 1.11 Sơ đồ chi tiết mạch điện khởi động từ
Tác dụng : để đóng cắt và bảo vệ mạch điện cũng như động cơ khi bị quá tải
Mở máy động cơ : đóng CD, ấn D K có điện tiếp điểm K1,2,3 đóng ĐC quay
Dừng động cơ : ấn N K mất điện K1,2,3 mở ĐC dừng
+ Khi quá tải RN tác động tiếp điểm RN mở K mất điện K1,2,3 mở ĐC dừng
Thay thế cầu dao ,cầu chì bằng ATM
Ngoài chức năng giống KĐT đơn còn thêm chức năng đảo chiều quay động cơ
Mạch điện khởi động từ đôi cho động cơ khởi động thuận bao gồm các bước: đóng công tắc điều khiển (CD), ấn nút điều khiển (DT), làm cho khởi động từ (KT) có điện, từ đó tác động khởi động từ đóng và động cơ bắt đầu quay theo chiều thuận.
Để quay ngược động cơ, người dùng ấn nút D, sau đó động cơ sẽ dừng lại và chuyển về trạng thái ĐN Khi có điện, tiếp điểm K~ sẽ đóng Để ngăn chặn tình trạng ba công tắc tơ hoạt động đồng thời gây ra ngắn mạch các pha, người ta sử dụng tiếp điểm phụ thường đóng của công tắc tơ này để khống chế công tắc tơ kia và ngược lại Để đảm bảo an toàn tuyệt đối, cần sử dụng khóa liên động cơ khí giữa các nút ấn.
Hình 1.13 Khởi động từ GMC 12
Số pha : 3 pha Điện áp : 380V
Dòng điên : 12A Điện áp cuôn coli : 220VAC
Dùng để bảo vệ quá tải cho thiết bị điện
Rơ le nhiệt là một loại khí cụ để bảo vệ động cơ và mạch điện khi có sự cố quá tải
Rơle nhiệt không phản ứng ngay lập tức với giá trị dòng điện do có quán tính nhiệt lớn, dẫn đến thời gian hoạt động từ vài giây đến vài phút Đặc tính bảo vệ của rơle nhiệt được biểu diễn bằng t = f(I) (A/s) Để đảm bảo bảo vệ quá tải cho động cơ, đặc tính quá tải của động cơ cần phải thấp hơn và gần sát với đặc tính bảo vệ của rơle nhiệt.
Ta có thể điều chỉnh dòng tác động của Rơle bằng các núm điều chỉnh trên Rơle Cấu tạo
Hinh 1.14 Cấu tạo Rơle nhiệt
1 Nút phục hổi 5 Đòn bẩy
2 Thanh lưỡng kim 6 vít chỉnh dòng điên tác động
3 Tiếp điểm thường hở 7 Cần gạt
4 Tiếp điểm thường đóng 8 Dây đốt nóng
Lựa chọn đúng Rơle là sao cho đường đặc tính A – s của Rơle gần sát đường đặc tính A – s của đối tượng cần bảo vệ
Nếu chọn thấp quá sẽ không tận dụng được công suất của động cơ điện, chọn cao quá sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị cần bảo vệ
Để bảo vệ động cơ điện, cần chọn rơle nhiệt có dòng điện định mức tương ứng với dòng điện định mức của động cơ Rơle sẽ kích hoạt khi giá trị đạt từ 1,2 đến 1,3 lần dòng điện định mức.
Hình 1.15 Cách chọn Role nhiệt
1 Đặc tính A-s của rơ –le nhiệt
2 Rơ – le nhiệt tác động ở giá trị
3 Đặc tính A-s của đổi tượng cần bảo vệ
Giải dòng điều chỉnh từ 16 đến 22A Điện áp định mức :230/400VAC, tần số 50/60HZ
Relay Nhiệt GTH-22 được thiết kế để bảo vệ dòng phụ thuộc của tải, khởi động thông thường dựa vào việc phát hiện nhiệt độ tăng quá mức do quá tải hoặc lỗi pha.
Rơle nhiệt được gắn vào contactor hoặc dùng độc lập có tiếp điểm phụ 1NO+1NC , RESET tự động hoặc bằng tay , có nút STOP , có chức năng TEST
Hình 1.16 Rơ le nhiệt GTH-22[4]
Rơle thời gian là thiết bị điện quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động, đóng vai trò trung gian để điều khiển các thiết bị theo thời gian đã được xác định trước.
Rơle thời gian bao gồm mạch từ của nam châm điện, bộ định thời gian sử dụng linh kiện điện tử, hệ thống tiếp điểm có khả năng chịu dòng điện nhỏ dưới 5A, và vỏ bảo vệ cho các chân ra tiếp điểm.
Khi lắp ráp hệ thống mạch điều khiển truyền động, có hai loại Rơle thời gian phổ biến là Rơle thời gian ON DELAY và Rơle thời gian OFF DELAY, tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng.
Rơle thời gian On Delay Điện áp đặt vào hai đầu cuộn dây Rơle thời gian được ghi trên nhãn, thông thường 110V, 220V
Tiếp điểm tác động không tính thời gian: Tiếp điểm này hoạt động tương tự các tiếp điểm của Rơle trung gian
* Tiếp điểm tác động có tính thời gian:
+ Tiếp điểm thường Tiếp điểm thường đóng, mở chậm, đóng nhanh
+ Tiếp điểm thường đóng, mở chậm, đóng nhanh:
Khi cấp nguồn cho cuộn dây của Rơle thời gian ON DELAY, các tiếp điểm tác động sẽ không thay đổi trạng thái ngay lập tức mà sẽ giữ nguyên trạng thái ban đầu Sau khoảng thời gian đã được định trước, các tiếp điểm này sẽ chuyển sang trạng thái mới và duy trì trạng thái đó.
Khi ngưng cấp nguồn vào cuộn dây, tất cả các tiếp điểm tức thời trở về trạng thái ban đầu
Sau đây là sơ đồ chân của Rơle thời gian ON DELAY:
Hình 1.17 Sơ đồ chân Rơle thời gian ON DELAY
Rơle thời gian OFF DELAY
Ký hiệu: Cuộn dây Điện áp đặt vào hai đầu cuộn dây Rơle thời gian được ghi trên nhãn, thông thường 110V, 220V
Tiếp điểm tác động không tính thời gian: Tiếp điểm này hoạt động tương tự các tiếp điểm của Rơle trung gian
Tiếp điểm tác động có tính thời gian:
+ Tiếp điểm thường mở, đóng chậm, mở nhanh:
Khi cấp nguồn vào cuộn dây của Rơle thời gian OFF DELAY, các tiếp điểm tác động tức thời và duy trì trạng thái này
Khi ngừng cung cấp điện cho cuộn dây, tất cả các tiếp điểm sẽ nhanh chóng trở về trạng thái ban đầu Sau một khoảng thời gian nhất định, các tiếp điểm có tính thời gian sẽ chuyển về trạng thái ban đầu của chúng.
Hình 1.18 Timer delay TDV-NM[5]
Kết luận chương
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về cảm biến và khí cụ điện, giúp ôn lại kiến thức đã học và bổ sung kiến thức mới Người đọc sẽ nhận biết được ưu điểm và nhược điểm của từng loại linh kiện, từ đó hỗ trợ việc lựa chọn linh kiện phù hợp với yêu cầu của đề tài.
VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A VÀ CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 26
Giới thiệu chương
Chương 2 trình bày tổng quan về vi điều khiển PIC 16F877A là thiết bị chính và một số linh kiện được sử dụng trong bộ điều khiển điều hòa hoạt động luân phiên trong trạm BTS PIC 16F877A là thiết bị được sử dụng trong bộ điều khiển trung tâm có chức năng điều khiển hoạt động của các thiết bị của hệ thống, bên cạnh đó còn có một thiết bị cũng hết sức quan trọng trong mạch đó là cảm biến nhiệt độ DS18B20 và một số linh kiện sẽ được sử dụng trong thiết kế, thi công mạch trong chương 3.
Giới thiệu vi điều khiển
PIC là dòng vi điều khiển RISC do công ty Microchip Technology sản xuất, với thế hệ đầu tiên là PIC1650, được phát triển bởi bộ phận Microelectronics của General-Instrument.
PIC, viết tắt của "Programmable Intelligent Computer", là sản phẩm đầu tiên của hãng General Instruments, với mẫu PIC1650 Mẫu PIC1650 được thiết kế để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi của máy chủ 16 bit CP1600, do đó, nó còn được gọi là "Peripheral Interface Controller" - bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi.
CP1600 là một CPU mạnh nhưng yếu trong các hoạt động xuất nhập, do đó, PIC 8-bit ra đời vào năm 1975 để hỗ trợ cho các hoạt động này Mặc dù khái niệm RISC chưa được phổ biến vào thời điểm đó, PIC thực chất là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, thực hiện một lệnh trong một chu kỳ máy, tương đương với 4 chu kỳ của Oscillator.
Năm 1985, General Instruments đã bán công nghệ vi điện tử của mình, dẫn đến việc chủ sở hữu mới hủy bỏ hầu hết các dự án đã lỗi thời Tuy nhiên, PIC đã được cải tiến bằng cách bổ sung EEPROM, tạo thành một bộ điều khiển vào ra lập trình.
Hiện nay, nhiều dòng PIC mới được sản xuất với hàng loạt module ngoại vi tích hợp sẵn như USART, PWM, và ADC Bộ nhớ chương trình của các dòng PIC này dao động từ 512 Word đến 32K Word.
2.1.2 Các dòng PIC và cách lựa chọn
Các kí hiệu của PIC là
- PIC12xxxxx có độ dài dòng lệnh 12 byte
- PIC16xxxxx có độ dài dòng lệnh 14 byte
- PIC18xxxxx có độ dài dòng lệnh 16 byte
C là PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 có bộ nhớ EEPROM)
F là PIC có bộ nhớ flash
LF: là PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp
LV: cũng tương tự như LF nhưng đây là kí hiệu củ
Các vi điều khiển có kí hiệu xxFxxx thường sử dụng bộ nhớ EEPROM, nhưng nếu có thêm chữ A ở cuối, chúng sẽ được trang bị bộ nhớ Flash Ví dụ, vi điều khiển 16F877 sử dụng bộ nhớ EEPROM, trong khi 16F877A được trang bị bộ nhớ Flash.
Vi điều khiển PIC 16F877A
2.3.1 Đặc tính của vi điều khiển Pic 16F877A
- Tốc độ hoạt động là: Xung đồng hồ vào DC 20MHZ
- Chu kỳ thực hiện trong 200ms
- Người sử dụng có thể lập trình với 35 câu lệnh cơ bản
- Bộ nhớ chương trình flash 8Kx 16 words
- Tất cả các lệnh đều được thực hiện trong một chu kì ngoại trừ một số lệnh rẽ nhánh được thực hiện trong hai chu kì lệnh
- Khả năng ngắt : Lên đến 15 nguồn ngắt bao gồm cả ngắt trong và ngắt ngoài
- Ngăn nhớ stack đọc phân chia làm 8 mức
- Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc địa chi gián tiếp
- Bộ tạo xung thời gian (PWRT) và bộ tạo dao động (OST)
- Bộ đếm xung thời gian với nguồn hoạt động trên chip nguồn dao động (RC) đáng tin cậy
- Có mạch chương trình bảo vệ
- Các chương trình cất giữ SLEEP
- Có bản lựa chọn dao động công nghệ
- Thiết kế hoàn toàn tĩnh
- Mạch chương trình nối tiếp có hai chân
- Xử lý đọc ghi tới bộ nhớ của chương trình
- Dải điện thế hoạt động 2V đến 5,5 V
2.3.3 Các khối trong vi điều khiển
Ta có sơ đồ khối của 16F877A như sau:
Timing genalration parallel stave port
USART synchronous serial port CCP1,2
Power-up time Oscilator Start-up time Power on reset Watch dog time
Brown-out reset In-circuit debugger Low-voltage programming
RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/VRFF- RA3/AN3/VRFF+ RA4/T0CKI RA5/AN4/SS
RB0 RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 RB6/PGC RB7/PGD
RC0/T1OSO/T13CKI RC1/T1OSI/CCP2(1) RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL
RC4/SDI/SDA RC5/SDO
RC6/TX/CK RC7/RX/DT
RE0/RD/AN5 RE1/WR/AN6 RE2/CS/AN7 MCLR V 00 ,V SS
RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 MUX
Hình 2.1 Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC 16F877A[6]
Khối ALU – Arithmetic Logic Unit
- Khối bộ nhớ chứa chương trình – Flash Program Memory
- Khối bộ nhớ chứa dữ liệu EEPROM – Data EEPROM
- Khối bộ nhớ file thanh ghi RAM – RAM file Register
- Khối thanh ghi đặt biệt
- Khối các Port xuất nhập
Cấu trúc bộ nhớ của PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương trình (Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data memory)
Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ Flash, dung lượng bộ nhớ 8K word (1 word = 14 bit)
Bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A được chia thành 4 bank, mỗi bank có thể mở rộng đến địa chỉ 7Fh Trong mỗi bank, thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR - Special Function Register) nằm ở ô nhớ có địa chỉ thấp, trong khi thanh ghi mục đích chung (GPR - General Purpose Register) nằm ở vùng địa chỉ còn lại.
Cổng xuất nhập dữ liệu
PORTA (RPA) có 6 chân I/O hai chiều, cho phép xuất và nhập dữ liệu Chức năng của các chân này được điều khiển bởi thanh ghi TRISA (địa chỉ 85h) Để thiết lập chân trong PORTA là input, cần "set" bit điều khiển tương ứng trong TRISA; ngược lại, để thiết lập chân là output, cần "clear" bit điều khiển đó Quy trình này tương tự đối với các PORT khác và các thanh ghi điều khiển tương ứng: TRISB cho PORTB, TRISC cho PORTC, TRISD cho PORTD và TRISE cho PORTF.
Ngoài ra, PORTA còn có các chức năng quan trọng sau:
- Ngõ vào Analog của bộ ADC thực hiện chức năng chuyển từ Analog sang Digital
- Ngõ vào điện thế so sánh
- Ngõ vào xung Clock của Timer0 trong kiến trúc phần cứng thực hiện các nhiệm vụ đếm xung thông qua Timer0…
- Ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port)
Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTA bao gồm:
- PORTA (địa chỉ 05h) : chứa các giá trị pin trong PORTA
- TRISA (địa chỉ 85h) : điều khiển xuất nhập
- CMCON (địa chỉ 9Ch) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh
- CVRCON (địa chỉ 9Dh) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp
- ADCON1 (địa chỉ 9Fh) : thanh ghi điều khiển bộ ADC
PORTB (RPB) bao gồm 8 chân I/O và thanh ghi điều khiển TRISB, có vai trò quan trọng trong việc nhập xuất dữ liệu Một số chân của PORTB được sử dụng trong quá trình nạp chương trình cho vi điều khiển với các chế độ nạp khác nhau Ngoài ra, PORTB còn liên quan đến ngắt ngoại vi và bộ Timer0, đồng thời tích hợp chức năng điện trở kéo lên, có thể được điều khiển qua chương trình.
Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTB bao gồm:
- PORTB (địa chỉ 06h, 106h): chứa giá trị pin trong PORTB
- TRISB (địa chỉ 86h, 186h): điều khiển xuất nhập
- OPTION_REG (địa chỉ 81h, 181h): điều khiển ngắt ngoại vi bộ Timer0
PORTC có 8 chân và cũng thực hiện được 2 chức năng input và output dưới sự điều khiển của thanh ghi TRISC tương tự như hai thanh ghi trên
Ngoài ra PORTC còn có chức năng quan trọng sau:
- Ngõ vào xung clock cho Timer1 trong kiến trúc phần cứng
- Bộ PWM thực hiện chức năng điều xung lập trình được tần số, duty cycle: sử dụng trong điều khiển tốc dộ và vị trí động cơ v.v…
- Tích hợp các bộ giao tiếp nối tiếp 12C, SPI, USART
PORTD có 8 chân và được điều khiển bởi thanh ghi TRISD, cho phép thiết lập các chức năng input và output Ngoài ra, PORTD còn đóng vai trò là cổng xuất dữ liệu cho chuẩn giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port).
Các thanh ghi liên quan đến PORTD bao gồm:
- Thanh ghi PORTD: chứa giá trị các pin trong PORTD
- Thanh ghi TRISD: điều khiển xuất nhập
- Thanh ghi TRISE: điều khiển xuất nhập PORTE và chuẩn giao tiếp PSP PORTE
PORTE có 3 chân, với thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE Các chân của PORTE hỗ trợ ngõ vào analog và đồng thời cũng là chân điều khiển cho chuẩn giao tiếp PSP.
Các thanh ghi liên quan đến PORTE bao gồm:
- PORTE: chứa giá trị các chân trong PORTE
- TRISE: điều khiển xuất nhập và xác lập các thông số cho chuẩn giao tiếp PSP
- ADCON1: thanh ghi điều khiển khối ADC.
Màn hình LCD
Text LCD là màn hình tinh thể lỏng chuyên dùng để hiển thị chữ và số theo mã ASCII Khác với các loại LCD lớn, text LCD được chia thành từng ô, mỗi ô chỉ hiển thị một ký tự ASCII Do chỉ khả năng hiển thị ký tự ASCII, loại màn hình này được gọi là Text LCD, nhằm phân biệt với Graphic LCD có khả năng hiển thị hình ảnh.
Mỗi ô của Text LCD bao gồm các chấm tinh thể lỏng, việc kết hợp “ẩn” và
Các chấm trên màn hình LCD sẽ tạo thành ký tự cần hiển thị Trong Text LCD, các mẫu ký tự đã được định nghĩa sẵn Kích thước của Text LCD được xác định bởi số ký tự hiển thị trên mỗi dòng và tổng số dòng của LCD Hệ thống cũng điều khiển xuất nhập và thiết lập các thông số cho chuẩn giao tiếp PSP.
Màn hình LCD theo chuẩn HD44780U thường có 16 chân, bao gồm 14 chân kết nối với bộ điều khiển và 2 chân cung cấp nguồn cho đèn LED nền Thứ tự các chân được sắp xếp theo hình minh họa.
+ Sơ đồ chân của LCD
Bảng 2.1 Chức năng chân của LCD [7]
Chức năng TT chân Tên Trạng thái logic Mô tả
Nguồn cho LCD 2 VDD (VCC) - +5V
Tương phản 3 Vee - 0 – Vdd Điều khiển LCD
Ghi (Từ PIC vào LCD) Đọc (từ LCD vào PIC)
Trong một số LCD 2 chân LED nền được đánh số 15 và 16 nhưng trong một số trường hợp 2 chân này đươc ghi là A(Anode) và K(Cathod)
Hình 2.3 Kết nối Text LCD với Vi điều khiển [7]
Chân 1 và 2 là các chân nguồn, được nối với GND và nguồn 5V
Chân 3 là chân chỉnh độ tương phản (contrast), chân này cần được nối với 1 biến trở để đạt được độ tương phản cần thiết, sau đó giữa mức biến trở này Các chân điều khiển RS, R/W,EN và các đường dữ liệu được nối trực tiếp với vi điều khiển Tùy theo chế độ hoạt động 4bit hay 8bit mà các chân từ D0 đến D3 có thể bỏ qua hoặc nối với vi điều khiển, chúng ta sẽ khảo sát kỹ càng hơn trong các phần sau Điều khiển hiển thị:
Các chân điều khiển việc đọc và ghi LCD bao gồm RS,R/W và EN
Chân RS là chân số 3, có chức năng lựa chọn giữa hai thanh ghi IR và DR để tương tác với LCD Chân này yêu cầu 1 bit để xác định thanh ghi nào được sử dụng: nếu RS=0, thanh ghi IR được chọn để gửi mã lệnh, trong khi nếu RS=1, thanh ghi DR được chọn để ghi mã ASCII của ký tự hiển thị Việc hiểu rõ hoạt động của chân RS rất quan trọng trong việc điều khiển LCD.
Chân R/W (chân số 4) trên LCD được sử dụng để lựa chọn giữa chế độ đọc và ghi Khi R/W=0, dữ liệu sẽ được ghi từ bộ điều khiển ngoài vào LCD, trong khi R/W=1 cho phép đọc dữ liệu từ LCD Tuy nhiên, việc đọc dữ liệu từ LCD chỉ có thể thực hiện khi kiểm tra trạng thái bận của LCD thông qua cờ Busy Flag (BF) Do LCD hoạt động chậm hơn vi điều khiển, cờ BF được sử dụng để thông báo trạng thái bận; nếu BF=1, cần chờ cho đến khi BF=0 mới có thể thực hiện thao tác tiếp theo Do đó, khi làm việc với Text LCD, cần có một chương trình con gọi là wait_LCD để đảm bảo LCD đã sẵn sàng.
Chân EN (chân số 5) là chân cho phép LCD hoạt động và cần được kết nối với bộ điều khiển Để thực hiện việc đọc và ghi dữ liệu từ LCD, cần tạo một "xung cạnh xuống" trên chân EN Cụ thể, trước tiên, chân EN phải ở mức 0, sau đó dữ liệu được xuất đến các chân D0:7, tiếp theo là thiết lập chân EN lên 1, và cuối cùng là đưa chân EN về 0 để tạo xung cạnh xuống.
Cảm biến nhiệt độ DS18B20
DS1820 là sản phẩm của công ty Dallas, Hoa Kỳ, nổi bật với những đóng góp quan trọng trong việc phát triển công nghệ bus một dây và các cảm biến một dây.
Hình 2.4 Cảm biến nhiệt độ DS18B20
2.5.2 Chức năng cảm biến DS18B20
- Sử dụng giao diện một dây nên chỉ cần có một chân ra để truyền thông
Độ phân giải khi đo nhiệt độ là 9, 10, 11 bit, với dải đo từ -55 đến 125 độ C và từng bậc 0,5 độ Đặc biệt, độ chính xác có thể đạt đến 0,0625 độ thông qua việc hiệu chỉnh bằng phần mềm.
Các ứng dụng đo lường đa điểm rất phù hợp với việc sử dụng nhiều đầu đo nối trên một bus, được gọi là bus một dây (1-wire bus).
- Không cần thêm linh kiện bên ngoài
- Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi trong khoảng rộng, từ 3,0 V đến 5,5 V một chiều và có thể được cấp thông qua đường dẫn dữ liệu
- Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ cực nhỏ
- Thời gian lấy mẫu và biến đổi thành số tương đối nhanh, không quá 200 ms
- Mỗi cảm biến có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROM trên chip (on chip), giá trị nhị phân được khắc bằng tia laze
Đầu đo nhiệt độ số DS1820 cung cấp dữ liệu nhiệt độ dưới dạng mã nhị phân 9 bit Thông tin được truyền và nhận qua giao diện 1-wire, chỉ cần hai dây kết nối: một cho tín hiệu và một cho đất, giúp dễ dàng kết nối vi điều khiển với điểm đo.
Nguồn nuôi cho các thao tác ghi, đọc và chuyển đổi có thể được lấy từ đường tín hiệu mà không cần thêm đường dây riêng để cung cấp điện áp nguồn.
Vi mạch đo nhiệt độ DS1820 có mã số định danh duy nhất được khắc bằng laser, cho phép nhiều vi mạch cùng kết nối vào một bus 1-wire mà không bị nhầm lẫn Điều này giúp lắp đặt nhiều cảm biến nhiệt độ tại nhiều vị trí khác nhau trở nên dễ dàng và tiết kiệm chi phí Theo tiêu chuẩn 1-wire, độ dài tối đa của bus là 300 m và số lượng cảm biến kết nối vào bus là không hạn chế.
- COUNT PER C trong nhóm các thanh ghi nháp (scratchpad) việc tính toán dựa theo phương trình sau:
- Khi sử dụng phương trình này cảm biến một dây DS1820 được nâng cấp trở thành một cảm biến nhiệt độ có độ phân giải cao
Hình 2.5 Kết nối DS18B20 với vi xử lý[6]
Để cải thiện độ phân giải lên trên 9 bit, cần thực hiện các phép tính bổ sung bằng phần mềm, dựa trên dữ liệu được lưu trữ trong các thanh ghi nhiệt độ và COUNT REMAIN.
Cảm biến nhiệt độ DS1820 sở hữu một mã 64 bit duy nhất được lưu trữ trong bộ nhớ ROM từ khi sản xuất nhờ kỹ thuật laze Mã 64 bit này có ý nghĩa cụ thể, được minh họa trong hình 2.5.
HÌNH 2.6 Nội dung mã 64 bit trên bộ nhớ Rom [2]
- Như vậy dãy mã được chia ra thành 3 nhóm, trong đó:
+ Tám bit đầu tiên là mã định danh họ một dây, mã của DS1820 là 10h
+ 48 bit tiếp theo là mã số xuất xưởng duy nhất, nghĩa là mỗi cảm biến DS1820 chỉ có một số mã
+ Tám bit có ý nghĩa nhất là byte mã kiểm tra CRC (cyclic redundancy check), byte này được tính toán từ 56 bit đầu tiên của dãy mã trên ROM
2.5.3 Cách truy xuất DS18b20 Để truy cập lên cảm biến một dây DS1820 ta phải sử dụng hai nhóm lệnh: các lệnh ROM và các lệnh chức năng (function commands) bộ nhớ, các lệnh này có thể được mô tả ngắn gọn như sau:
Sau khi vi điều khiển phát hiện xung presence pulse, nó có khả năng xuất ra lệnh ROM Có tổng cộng 5 loại lệnh ROM, mỗi loại lệnh đều có độ dài riêng biệt.
Thiết bị chủ phải đưa ra lệnh ROM thích hợp trước khi đưa ra một lệnh chức năng để giao tiếp với cảm biến DS18S20
Lệnh cho phép đọc 8 byte mã laser khắc trên ROM, bao gồm 8 bit mã định danh linh kiện (10h), 48 bit số xuất xưởng và 8 bit kiểm tra CRC Lệnh này chỉ hoạt động khi có một cảm biến DS1820 trên bus; nếu không, sẽ xảy ra xung đột do tất cả các thiết bị cùng phản hồi.
Lệnh được gửi cùng với 64 bit ROM cho phép bộ điều khiển bus chọn ra một cảm biến DS1820 cụ thể khi có nhiều cảm biến kết nối Chỉ cảm biến DS1820 có 64 bit ROM trùng khớp với chuỗi 64 bit vừa gửi mới phản hồi các lệnh tiếp theo, trong khi các cảm biến không trùng khớp sẽ chờ xung reset Lệnh này có thể được sử dụng cho cả trường hợp có một hoặc nhiều cảm biến một dây.
Lệnh này cho phép thiết bị điều khiển truy cập trực tiếp vào các lệnh bộ nhớ của DS1820 mà không cần gửi chuỗi mã 64 bit ROM, giúp tiết kiệm thời gian chờ đợi Tuy nhiên, phương pháp này chỉ hiệu quả khi trên bus chỉ có một cảm biến.
Lệnh này cho phép bộ điều khiển bus xác định số lượng thành viên kết nối vào bus và các giá trị cụ thể trong ROM 64 bit của chúng thông qua một chu trình dò tìm hiệu quả.
Tiến trình thực hiện lệnh này tương tự như lệnh Search ROM, tuy nhiên, cảm biến DS1820 chỉ phản hồi khi có điều kiện cảnh báo trong phép đo nhiệt độ cuối cùng Điều kiện cảnh báo được xác định khi giá trị nhiệt độ đo được lớn hơn giá trị TH (nhiệt độ cao nhất) và nhỏ hơn giá trị TL (nhiệt độ thấp nhất) đã được thiết lập trong bộ nhớ của cảm biến.
Lệnh chức năng bộ nhớ
Transistor C1815
C1815 là Transistor BJT gồm ba miền tạo bởi hai tiếp giáp p-n, trong đó miền giữa là bán dẫn loại p.
Trong cấu trúc của transistor, miền có mật độ tạp chất cao nhất được gọi là miền phát (emitter) và được ký hiệu là n+ Miền có mật độ tạp chất thấp hơn, ký hiệu n, được gọi là miền thu (collector) Ở giữa là miền gốc (base) với mật độ tạp chất rất thấp, ký hiệu p Transistor có ba chân kim loại tương ứng với ba miền này: chân emitter (E), chân base (B) và chân collector (C).
Chức năng của transistor chủ yếu là khuyếch đại tín hiệu
Khi có dòng điện qua transisor sẽ sinh ra 1 công suất nhiệt làm nóng transistor, công suất sinh ra được tính theo công thức : PT = IC VCE
IC ổn áp
Trong các mạch điện không yêu cầu độ ổn định điện áp cao, việc sử dụng IC ổn áp là lựa chọn phổ biến cho các nhà thiết kế nhờ vào sự đơn giản của mạch Các loại IC ổn áp thường được sử dụng bao gồm IC 78xx và 79xx, trong đó "xx" đại diện cho điện áp cần được ổn định.
Ví dụ 7805 ổn áp 5V, 7808 ổn áp 8V, 7812 ổn áp 12V hay ổn áp điện áp âm có
7905 ổn áp điện áp -5V, 7912 ổn áp -12V
+ Họ 78xx là họ cho ổn định điện áp đầu ra là dương Còn xx là giá trị điện áp đầu ra như 5V,6V
Hình 2.8 Mạch nguồn ổn áp 5 VDC
+ Họ 79xx là họ cho ổn định điện áp đầu ra là âm Còn xx là điện áp đầu ra như: -5V, -6V
Sự kết hợp của hai con này sẽ tạo ra được bộ nguồn đối xứng.
Kết luận chương
Sau khi hoàn thành chương 2, chúng ta đã hiểu rõ cấu trúc, chức năng và cách đấu nối của PIC 16F877A và cảm biến DS18B20, cùng với một số linh kiện khác Những đặc điểm và ưu điểm của các linh kiện này cho thấy sự lựa chọn chúng để thiết kế và chế tạo mạch theo yêu cầu đề tài là hoàn toàn phù hợp.