Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 21 trình khép kín và liên tục trong một thời gian dài mà vẫn đảm bảo đợc sự ổn định nhiệt độ. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ: đợc thể hiện nh hình 2.2 dới đây: Hình 2.2. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ Trong đó: U đặt : tín hiệu điện áp đặt t x : nhiệt độ thực trong tủ t: nhiệt độ do dây đốt tạo ra U đk : tín hiệu điện áp điều khiển Nh vậy, hệ thống điều khiển nhiệt độ ở đây là hệ thống kín và có sự hồi tiếp tín hiệu. Sự hồi tiếp ở đây có nhiệm vụ làm giảm sai lệch (e) giữa tín hiệu đặt (U đặt ) với tín hiệu ra của hệ thống. Nhiệt độ thực trong tủ ấm đợc cảm biến nhiệt độ nhận biết, qua hệ thống chuyển đổi để chuyển từ nhiệt độ thành tín điện áp (U đo ), sau đó so sánh với tín hiệu đặt. Nếu có sai lệch qua bộ so sánh đa tín hiệu sai lệch vào bộ điều khiển cho ra điện áp điều khiển để điều khiển kháng đốt. Nhiệt độ trong tủ luôn đợc cảm biến cảm nhận, nếu nhiệt độ trong tủ cha đạt đến nhiệt độ yêu cầu thì bộ điều khiển sẽ tự động điều chỉnh để đa nhiệt độ trong tủ bằng nhiệt độ đặt. Quá trình điều khiển nhiệt độ luôn Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 22 đợc ổn định do sai lệch giữa nhiệt độ thực và nhiệt độ đặt luôn luôn đợc hiệu chỉnh với tốc độ nhanh nhờ bộ điều khiển. Ưu điểm của việc điều khiển này là có khả năng cung cấp nhiệt cho tủ một cách ổn định, liên tục và hao tổn ít năng lợng nên nó đợc ứng dụng rất nhiều trong đời sống. 2.2.1. Buồng tạo nhiệt Do luôn phải chịu nhiệt độ cao do kháng đốt toả ra nên yêu cầu đối với buồng tạo nhiệt là phải chịu đợc nhiệt độ cao, có độ bền cơ học lớn, đặc tính cách nhiệt với môi trờng bên ngoài và tính ổn định nhiệt độ cao. Đặc điểm quan trọng nữa của buồng tạo nhiệt là không bị ăn mòn nhiều bởi môi trờng làm việc. 2.2.2. Khối tạo nhiệt Là điện trở dây quấn hình lò xo thờng làm bằng Ferô-Niken, là bộ phận quan trọng của khối tạo nhiệt, nó cung cấp nhiệt cho quá trình nuôi cấy mỗi khi có dòng điện chạy qua nó. Nhiệt lợng toả ra trên dây đốt khi có dòng điện chạy qua đợc xác định theo biểu thức sau: Q = RI 2 t (J) Trong đó: Q- nhiệt lợng toả ra từ dây đốt (J) R- điện trở của dây đốt ( ) I- dòng điện chạy qua dây đốt (A) t- thời gian dòng điện chạy qua dây đốt (s) Giá trị dòng điện chạy qua dây đốt luôn đợc quyết định bởi điện áp đặt lên dây đốt hay là phụ thuộc vào thời gian dẫn điện của phần phía điều khiển cung cấp. 2.2.3. Mạch điều khiển Mạch điều khiển có thể điều khiển bằng các thiết bị cơ khí, có thể điều khiển bằng các thiết bị bán dẫn. 2.2.3.1. Mạch điều khiển bằng các thiết bị cơ khí Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 23 Những tủ sử dụng mạch điều khiển loại này tiện dụng cho ngời sử dụng, tiết kiệm năng lợng nhng chúng sử dụng các bộ đóng cắt trên cơ sở các tiếp điểm cơ khí nên tủ hay bị trục trặc do bị bẩn tiếp điểm. Mặt khác độ chính xác không cao, nên loại này hiện nay hầu nh không sản xuất mà chỉ tồn tại trong các thiết bị cũ mà hiện tại đang đợc sử dụng ở một số cơ sở Y tế, trạm Thú y, trạm bảo vệ thực vật. Trong trờng hợp này các tủ thờng đợc điều khiển bằng nhiệt kế công tắc hoặc là thanh dãn nở. 2.2.3.2. Mạch điều khiển bằng các thiết bị bán dẫn Công nghệ bán dẫn đang là một trong những ngành mũi nhọn và đợc ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điều khiển. Với những u điểm vợt trội nh là thiết bị gọn nhẹ dễ sử dụng, do đó hầu hết các tủ nuôi cấy vi khuẩn hiện nay đều đợc điều khiển bằng các thiết bị bán dẫn. Hình2.3 dới đây là sơ đồ khối của khối mạch điều khiển: Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor hay Triac (1) Khối nguồn: có nhiệm vụ cung cấp nguồn năng lợng thích hợp cho khối cách ly ngõ vào. Khối này thông thờng là nguồn cung cấp từ lới điện xoay chiều 220V, tần số 50Hz. (2) Khối cách ly: khối này bao gồm khối cách ly ngõ vào và khối cách ly ngõ ra. Có nhiệm vụ cách ly phần điện áp nguồn với phần công suất của mạch chỉnh lu hay mạch điều khiển công suất và không cho dòng điện chạy ngợc lại. Đối với khối cách ly ngõ vào thông thờng là biến áp hạ áp nhằm Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 24 tạo ra điện áp tơng ứng với điện áp điều khiển, còn đối với khối cách ly ngõ ra thờng là biến áp xung. (3) Khối đồng bộ: có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu đồng bộ với tín hiệu điều khiển nhằm tạo ra dạng xung thích hợp điều khiển khối công suất ở đây có thể là Triac hay Thyristor, khối này có thể tạo đợc bằng cách đồng bộ Arccos hoặc đồng bộ xung răng ca. * Đồng bộ Arccos: điện áp đồng bộ tAU s cos = , vợt trớc điện áp tAU AK sin= của Thyristor (hay Triac) một góc 90 0 . Nên điện áp đa vào sẽ cho qua bộ tích phân để đợc điện áp đồng bộ U s . Sau đó lấy điện áp U s so sánh với điện áp điều khiển. Điện áp điều khiển (U đk ) là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh biên độ điện áp theo hai chiều (dơng và âm). Do đó nếu đặt U s vào cổng đảo và U đk vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi U s =U đk , ta sẽ nhận đợc một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh, khi khâu này lật trạng thái: dk UtA = cos . Do đó )arccos( A U t dk = . Khi U đk = A thì 0 = t . Khi U đk = 0 thì 2/ = t . Khi U đk = -A thì = t . Nh vậy, khi điều chỉnh U đk từ trị U đk = +A, đến trị U đk = -A, ta có thể điều chỉnh đợc góc từ 0 đến . Nguyên tắc điều khiển trong trờng hợp này thể hiện trên hình 2.4 sau: Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý tạo tín hiệu đồng bộ Hình 2.5 dới đây là đồ thị dạng sóng điện áp. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 25 Hình 2.5. Đồ thị dạng sóng đồng bộ Cosin Trong đó: U ss là điện áp điều khiển đóng mở Thyristor (hay Triac). Phơng pháp này đợc sử dụng trong các thiết bị chỉnh lu đòi hỏi chất lợng cao. * Đồng bộ xung răng ca: phơng pháp đồng bộ xung răng ca là dùng các mạch chức năng tạo ra tín hiệu điện áp có dạng sóng răng ca để so sánh với điện áp điều khiển. Tín hiệu điện áp đồng bộ, ký hiệu U s , đồng bộ với điện áp đặt trên anôt-catôt của Thyristor (Triac), thờng đặt vào đầu đảo của khâu so sánh. Điện áp điều khiển, ký hiệu U c là điện áp một chiều (có thể điều chỉnh đợc biên độ), thờng đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh. Khi đó, hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là điện áp điều khiển Thyristor (Triac): U đk = U c - U s. Mỗi khi U s = U c thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận đợc sờn xuống của điện áp đầu ra khâu so sánh, sờn xuống này thông qua đa hài một trạng thái ổn định, tạo ra một xung điều khiển. Nh vậy, bằng cách làm biến đổi U c thì có thể điều chỉnh đợc thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh đợc góc . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 26 Giữa và U c có mối quan hệ sau: sm c U U = , với U sm = U cmax . Hình 2.6.dới đây biểu diễn dạng sóng điều khiển Hình2.6. Sơ đồ dạng sóng điều khiển (4) Khối so sánh: làm nhiệm vụ so sánh giữa điện áp đồng bộ với điện áp điều khiển. Để so sánh khối này dùng mạch thuật toán. (5) Khối tạo dạng xung: khối này có nhiệm vụ sửa dạng xung đầu ra của bộ so sánh sao cho có độ rộng và biên độ thích hợp với Triac cần kích, có thể chọn dòng kích lớn, điện áp kích nhỏ hoặc ngợc lại nhng phải đảm bảo công suất tiêu tán nhỏ hơn công suất cho phép. Độ rộng xung đợc quyết định bởi thời gian dòng qua Triac đạt giá trị dòng mở (tra trong sách tra cứu bán dẫn ứng với loại Triac tơng ứng mà ta sử dụng). (6) Khối công suất: khối công suất ở đây thờng sử dụng Triac hay Thyristor để điều khiển cho dòng điện xoay chiều đi qua để cấp nguồn cho điện trở dây đốt ở một số tủ nuôi cấy vi khuẩn. 2.2.4. Mạch đo lờng Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 27 Để thực hiện việc đo một đại lợng nào đó tuỳ thuộc vào những đại lợng cần đo, điều kiện đo cũng nh độ chính xác theo yêu cầu của một phép đo mà có thể thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của các hệ thống đo lờng khác nhau. Dới đây là sơ đồ khối của hệ thống đo lờng tổng quát: Hình 2.7. Sơ đồ khối của hệ thống đo lờng Hoạt động của hệ thống đo lờng: tín hiệu cần đo là các đại lợng vật lý (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất ) qua cảm biến, cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi các đại lợng này thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện. Sau đó điện áp hoặc dòng điện đợc đa vào mạch chỉ thị số chuyển thành tín hiệu số, qua bộ giải mã đến bộ hiển thị. 2.2.4.1. Khâu chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu * Chuyển đổi tín hiệu: làm nhiệm vụ tiếp nhận trực tiếp các đại lợng vật lý, đặc trng cho đối tợng cần đo và biến đổi các đại lợng đo thành tín hiệu điện. Đây là khâu quan trọng nhất của một thiết bị đo lờng, có nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau tuỳ thuộc vào đại lợng đo và đại lợng biến thiên ở đầu ra của chuyển đổi thuận lợi cho việc tính toán. * Khuếch đại tín hiệu đo nhiệt độ: trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu thực tế ở một số tủ nuôi cấy vi khuẩn tại bệnh viện Bạch Mai chúng tôi thấy thờng sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu đo bằng khuếch đại thuật toán. 2.2.4.2. Mạch chỉ thị số Là khâu thu thập, gia công tín hiệu đo từ khâu chuyển đổi đa tới, nó có nhiệm vụ tính toán, biến đổi tín hiệu nhận đợc từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thị số. Mạch đo ở đây có thể là mạch đo lờng số sử dụng vi điều khiển, cũng có thể là mạch đo sử dụng các IC số. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 28 + Đối với mạch đo sử dụng vi điều khiển: có sơ đồ khối nh hình 2.8 dới đây: Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ thống đo lờng số dùng vi điều khiển Hoạt động của sơ đồ này nh sau: đối tợng cần đo là đại lợng vật lý, dựa vào đặc tính của đối tợng cần đo mà chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại lợng vật lý cần đo thành đại lợng điện, sau đó đa vào mạch chế biến chuyển đổi tín hiệu (bao gồm bộ cảm biến, hệ thống khuếch đại, xử lý tín hiệu). Bộ chuyển đổi tín hiệu sang tín hiệu số ADC (Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tơng tự sang tín hiệu số để kết nối với vi điều khiển. Bộ vi điều khiển có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh trên cơ sở trình tự những lệnh chấp hành đã đợc thực hiện trớc đó, rồi đa ra bộ hiển thị. + Đối với mạch đo sử dụng IC số: đợc thể hiện trên sơ đồ khối nh hình 2.9 sau đây: Hình 2.9. Sơ đồ khối của mạch đo sử dụng IC số Hoạt động của khối này là: phơng pháp đo bằng IC số này cũng gần giống với phơng pháp đo sử dụng vi điều khiển chỉ khác nhau ở chỗ là thay vì phải lập trình và mua bộ nạp cho con vi điều khiển thì có thể sử dụng ngay các con IC giải mã. * Bộ chuyển đổi tơng tự - số: trong sinh hoạt và sản xuất ngày nay thì công việc truyền tin cũng nh là trong điều khiển và hiển thị phần lớn đều đợc thực hiện theo phơng pháp số. Trong khi đó các đối tợng mà ta nghiên cứu đều có dạng tín hiệu tơng tự (nh nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, tốc độ quay, tín hiệu âm thanh). Vì vậy để kết nối giữa nguồn tín hiệu tơng tự với các hệ thống xử lý số thì phải dùng các mạch chuyển đổi tơng tự sang số Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 29 nhằm chuyển đổi tín hiệu tơng tự sang tín hiệu số hoặc ngợc lại khi cần biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tơng tự thì phải dùng mạch chuyển đổi DAC (Digital Analog converter). Nguyên tắc thực hiện chuyển đổi ADC là chuyển đổi tín hiệu ngõ vào tơng tự (nh dòng điện hay điện áp) thành mã số nhị phân có các giá trị tơng ứng. Bộ chuyển đổi ADC có rất nhiều phơng pháp khác nhau, mỗi phơng pháp đều có những thông số cơ bản khác nhau nh: độ chính xác, tốc độ chuyển đổi, giải biến đổi của hiệu ứng tơng tự ngõ vào. Nhng chúng đều xuất phát từ một nguyên lý chung và đợc thể hiện trên sơ đồ tổng quát hình 2.10 dới đây: Hình 2.10. Sơ đồ khối tổng quát của mạch ADC Hoạt động: đầu tiên kích xung điều khiển (Startcommand) để bộ ADC hoạt động. Tại một tần số đợc xác định bằng xung đồng hồ (clock) bộ điều khiển làm thay đổi thành số nhị phân đợc lu trữ trong thanh ghi (Register). Số nhị phân trong thanh ghi đợc chuyển thành điện áp U B bằng bộ chuyển đổi DAC. Bộ so sánh sẽ so sánh điện áp U B với điện áp ngõ vào U A . Nếu U A >U B thì ngõ ra của bộ so sánh vẫn giữ ở mức cao. Khi U A <U B ngõ ra của bộ so sánh Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 30 xuống mức thấp và quá trình thay đổi số của thanh ghi ngng, lúc này U B gần bằng U A , và những số trong thanh ghi là những số chuyển đổi. * Bộ hiển thị số: là khâu cuối cùng của hệ thống đo lờng, nó có nhiệm vụ thể hiện kết quả đo lờng dới dạng những con số tơng ứng với đơn vị cần đo sau khi qua mạch đo. Thiết bị hiển thị số thờng là hiển thị bằng tinh thể lỏng hoặc là hiển thị bằng LED 7 thanh. Đối với thiết bị hiển thị bằng tinh thể lỏng LCD (Liquid Crystal Display) loại phản xạ gồm có hai tấm thuỷ tinh xếp song song với nhau, ở giữa là lớp tinh thể lỏng. Một điện thế xoay chiều đợc áp ngang qua chất lỏng này, cụ thể là giữa đoạn (đã phủ kim loại) cần hiển thị và mặt sau (Back plane-BP) phủ kim loại. Khi không có hiệu điện thế thì đoạn phủ kim loại phản xạ ánh sáng (ánh sáng đến từ xung quanh), lớp tinh thể lỏng trong suốt nên ánh sáng cũng phản xạ ở mặt sau BP nên ta không thấy đợc đoạn mà chỉ thấy toàn mặt của hiển thị màu sáng bạc yếu. Khi có hiệu thế, đoạn và mặt sau BP tác động nh một tụ điện, tiêu thụ một dòng điện nhỏ. Tần số của điện thế phải thấp và dòng điện này nhỏ tuy nhiên không đợc thấp dới 25Hz vì sẽ tạo sự nhấp nháy khó chịu cho mắt. Điện trờng bên trong tụ phá vỡ sự sắp xếp trật tự của các phân tử của chất tinh thể lỏng làm chất lỏng giữa đoạn và mặt sau BP không còn trong suốt nên ánh sáng không phản xạ đợc từ mặt sau ở vùng tơng ứng với đoạn trở nên đen, xuất hiện rõ ràng trên nền sáng bạc còn lại của màn hiển thị. Nếu nhiều đoạn cùng tối ta sẽ có các số, các ký tự, Màn hình tinh thể lỏng đợc bố trí các điểm ảnh thành một ma trận và mỗi điểm ảnh của nó có một địa chỉ. ở một số loại màn hình LCD loại dẫn xạ, tấm điện phát quang đợc đặt mặt sau để rọi sáng nó thay vì chỉ dùng ánh sáng của môi trờng xung quanh đến từ phía trớc. Thiết bị hiển thị này tốn rất ít năng lợng nên hiện nay đợc dùng rất phổ biến. Làm sáng một đoạn của LCD 7 thanh, hay một hình dạng nào khác của một LCD nói chung, thật ra là làm tối đoạn hay hình dạng đó. Nó khác với LED 7 thanh ở chỗ là khi sử dụng LCD cần phải có tín hiệu mặt sau dạng sóng vuông với tần số từ 30Hz đến 200Hz. Để . của chuyển đổi thuận lợi cho vi c tính toán. * Khuếch đại tín hiệu đo nhiệt độ: trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu thực tế ở một số tủ nuôi cấy vi khuẩn tại bệnh vi n Bạch Mai chúng tôi thấy. đó hầu hết các tủ nuôi cấy vi khuẩn hiện nay đều đợc điều khiển bằng các thiết bị bán dẫn. Hình2 .3 dới đây là sơ đồ khối của khối mạch điều khiển: Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor. khiển cho dòng điện xoay chiều đi qua để cấp nguồn cho điện trở dây đốt ở một số tủ nuôi cấy vi khuẩn. 2.2.4. Mạch đo lờng Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng