Đồ án đo lường và điều khiển: PID điều khiển nhiệt độ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.66 MB, 32 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA: CƠ KHÍ
---------------------------------------
BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU:
ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ PID
GVHD: Ths.Lê Ngọc Duy
Thành viên nhóm:
• Nguyễn Đức Nghĩa
• Nguyễn Xn Tuấn Anh
• Nguyễn Văn Tú
Hà Nội–Năm 2022
2020607229
2020606573
2020606051
MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................................2
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................3
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .......................................................................4
1.1
Giới thiệu chung .................................................................................................4
1.2
Các yêu cầu cơ bản ............................................................................................ 4
1.3
Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................5
1.4
Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................ 5
CHƯƠNG 2:
XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ..............................................6
2.1
Sơ đồ khối chức năng.........................................................................................6
2.2
Phân tích lựa chọn cảm biến ..............................................................................7
2.2.1
Các loại cảm biến ........................................................................................7
2.2.2
Lựa chọn cảm biến LM35 ...........................................................................9
2.3
Phân tích bộ điều khiển ....................................................................................10
2.3.1
Một số loại bộ điều khiển ..........................................................................10
2.3.2
Lựa chọn bộ điều khiển PID .....................................................................12
2.3.3
Tính chọn tham số cho bộ điều khiển PID ................................................13
2.4
Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu ..................................................................19
CHƯƠNG 3:
CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ................................ 20
3.1
Chế tạo các bộ phận cơ khí ..............................................................................20
3.2
Các bộ phận điện điện tử .................................................................................21
3.3
Xây dựng chương trình điều khiển ..................................................................26
3.4
Thử nghiệm và đánh giá hệ thống....................................................................28
CHƯƠNG 4:
TỔNG KẾT .......................................................................................29
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 30
PHỤ LỤC .....................................................................................................................31
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Lồng ấp trẻ sơ sinh và máy ấp trứng ............................................................... 4
Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng ......................................................................................6
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .......................................................................6
Hình 2.3: Cảm biến DHT11 ............................................................................................ 7
Hình 2.4: Cảm biến DS18B20 .........................................................................................8
Hình 2.5: Cảm biến LM35............................................................................................... 9
Hình 2.6: Bộ điều khiển PID .........................................................................................10
Hình 2.7: Hệ thống các hàm thuộc về trong Fuzzy Logic .............................................11
Hình 2.8: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID .......................................................................12
Hình 2.9: Đặc tính lị nhiệt ............................................................................................ 13
Hình 2.10: Biểu đồ đặc tính nhiệt độ .............................................................................15
Hình 2.11: Biểu đồ đặc tính nhiệt độ .............................................................................15
Hình 2.12: Đáp ứng hệ thống mơ phỏng trên Matlab ...................................................16
Hình 2.13: Hệ thống có điều khiển trên matlab ............................................................ 17
Hình 2.14: Hàm truyền PID........................................................................................... 17
Hình 2.15: Đáp ứng hệ thống ........................................................................................17
Hình 2.16: Đáp ứng hệ thống sau khi hiệu chỉnh .......................................................... 18
Hình 2.17: Sơ đồ mạch trên proteus ..............................................................................19
Hình 3.1: Bản vẽ khung hệ thống ..................................................................................20
Hình 3.2: Cảm biến LM35............................................................................................. 21
Hình 3.3:Arduino uno ....................................................................................................22
Hình 3.4: Module L298N .............................................................................................. 23
Hình 3.5: Dạng sóng PWM ........................................................................................... 24
Hình 3.6: Bóng đèn sợi đốt 12v/5w ...............................................................................24
Hình 3.7: Nguồn 12V/2A và quạt tản nhiệt...................................................................25
Hình 3.8: Lắp ráp khung và thiết bị điện điện tử........................................................... 25
Hình 3.9: Lưu đồ thuật tốn .......................................................................................... 26
Hình 3.10: Đáp ứng nhiệt độ đầu ra thực tế ..................................................................28
Hình 3.11: Đáp ứng nhiệt độ trên matlab ......................................................................28
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Tham số PID .................................................................................................14
Bảng 3.1: Sơ đồ chân LM35 .......................................................................................... 21
Bảng 3.2: Thông số kĩ thuật của Arduino......................................................................22
3
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu chung
Nhiệt độ là một trong những thành phần vật lý rất quan trọng. Việc thay đổi
nhiệt độ của một vật chất ảnh hưởng rất nhiều đến cấu tạo, tính chất, và các đại lượng
vật lý khác của vật chất.
Nhiệt độ là một trong những thơng số quan trọng nhất trong kiểm sốt quy trình
cơng nghiệp, đặc biệt là trong các nhà máy kỹ thuật hóa học, nhiệt độ cũng đóng vai trị
rất quan trọng trong q trình sản xuất nơng nghiệp hay trong cuộc sống hàng ngày của
mỗi người.
Trong nhiều năm qua, xuất phát từ nhu cầu cuộc sống việc kiểm soát nhiệt độ đã
trở thành một chủ đề quan trọng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực . Trong máy điều
hòa, lò nhiệt, lị vi sóng việc điều khiển nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến chất lượng
sản phẩm. Trong y học điều khiển nhiệt độ ứng dụng để sản xuất lồng ấp trẻ sơ sinh,
trong nông nghiệp ứng dụng trong máy ấp trứng, ngành thực phẩm ứng dụng để bảo
quản thức ăn,....
Hình 1.1: Lồng ấp trẻ sơ sinh và máy ấp trứng
Chính tầm quan trọng của điều khiển nhiệt độ là nguồn cảm hứng để chúng em
lựa chọn và thực hiện đề tài nghiên cứu này.
1.2 Các yêu cầu cơ bản
Mơ hình đo lường và điều khiển nhiệt độ PID hiển thị nhiệt độ đo được của cảm
biến lên máy tính, điều khiển nhiệt độ của một khoảng khơng gian nhỏ xung quanh cảm
biến theo một giá trị đặt nhất định nằm trong khoảng nhiệt độ có thể điều khiển được.
4
Nhiệt độ đo được của cảm biến không chênh lệch so với giá trị nhiệt độ đặt quá 1 độ C.
Nhiệt độ không vọt lố quá 20% và thời gian để nhiệt độ đặt giá trị đặt dưới 4p.
1.3 Phương pháp nghiên cứu
•
Tìm hiểu tổng quan về đề tài.
•
Mơ phỏng trên proteus.
•
Thiết kế phần cứng, phần mềm.
•
Nghiên cứu lý thuyết.
•
Thực nghiệm và kiểm chứng sản phẩm.
1.4 Ý nghĩa thực tiễn
•
Biết và hiểu các kiến thức chuyên ngành.
•
Sử dụng được các phần mềm cần thiết trong cơ khí và điện tử như Proteus,
Arduino, solidwork …
•
Hồn thành sản phẩm và báo cáo mơn học đúng u cầu.
•
Đưa sản phẩm áp dụng thực tế.
5
CHƯƠNG 2:
XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG
2.1 Sơ đồ khối chức năng
Qua tìm hiểu và từ những yêu cầu thiết kế đề tài, ta đưa ra được sơ đồ chức năng
của hệ thống điều khiển như hình dưới đây:
Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng
Thiết bị gia
nhiệt
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
-
Nguồn: Cấp điện áp cho hệ thống hoạt động.
-
Module điều khiển L298N: Nhận tín hiệu PWM từ Arduino từ đó tính ra Vtb điều
khiển tín hiệu quạt và đèn.
-
Cảm biến nhiệt độ: Đo nhiệt độ bóng đèn, gửi tín hiệu analog từ chân Vout đến
Arduino.
-
Arduino: Nhận tín hiệu tương đương từ cảm biến chuyển sang tín hiệu số hiển
thị giá trị trên máy tính.
-
Máy tính: Hiển thị giá trị gửi từ Arduino.
6
2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến
2.2.1 Các loại cảm biến
❖ Cảm biến DHT11
Ra đời sau và được sử dụng thay thế cho dịng SHT1x ở những nơi khơng cần độ
chính xác cao về nhiệt độ và độ ẩm. Cảm biến sử dụng giao tiếp số theo chuẩn 1 dây.
Hình 2.3: Cảm biến DHT11
Thơng số kỹ thuật:
•
Điện áp hoạt động: 3V - 5V DC
•
Dịng điện tiêu thụ: 2.5mA
•
Phạm vi cảm biến độ ẩm: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH
•
Phạm vi cảm biến nhiệt độ: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C
•
Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây 1 lần)
❖ Cảm biến DS18B20
Thuộc loại cảm biến (loại digital) đo nhiệt độ mới của hãng MAXIM với độ phân
giải cao (12bit).
7
Hình 2.4: Cảm biến DS18B20
Cảm biến nhiệt độ này có thể hoạt động ở 125 độ C nhưng cáp bọc PVC => nên
giữ nó dưới 100 độ C. Đây là cảm biến kỹ thuật số, nên không bị suy hao tín hiệu
đường dây dài.
Thơng số kỹ thuật:
•
Nguồn: 3 – 5.5V
•
Dải đo nhiệt độ: -55 đến 125 độ C ( -67 đến 257 độ F)
•
Sai số: ± 0.5 độ C khi đo ở dải -10 – 85 độ C
•
Độ phân giải: Từ 9 – 12 bits
•
Có cảnh báo nhiệt khi vượt ngưỡng cho phép và cấp nguồn từ chân data.
•
Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa : 750ms (khi chọn độ phân giải 12bit).
•
Mỗi IC có một mã riêng (lưu trên EEPROM của IC) nên có thể giao tiếp nhiều
DS18B20 trên cùng 1 dây
•
Ống thép khơng gỉ (chống ẩm , nước) đường kính 6mm, dài 50mm
•
Đường kính đầu dị: 6mm
❖ Cảm biến nhiệt độ LM35
Điện áp Analog đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ thường được sử dụng để đo nhiệt
độ của môi trường hoặc theo dõi nhiệt độ của thiết bị,..., Cảm biến có kiểu chân TO-92
với chỉ 3 chân rất dễ giao tiếp và sử dụng.
8
Hình 2.5: Cảm biến LM35
Thơng số kỹ thuật:
•
Điện áp hoạt động: 4~20VDC
•
Cơng suất tiêu thụ: khoảng 60uA
•
Khoảng đo: -55°C đến 150°C
•
Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C
•
Sai số: 0.25°C
•
Kiểu chõn: TO92
ã
Kớch thc: 4.3 ì 4.3mm
2.2.2 La chn cm bin LM35
Trong bản thiết kế này sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35, có hai lý do để lựa chọn
cảm biến này: thứ nhất, dải nhiệt độ mà cảm biến hoạt động rộng (-55oC đến 150oC),
thứ hai đầu ra của cảm biến là một điện áp tương tự dễ đọc thông qua một kênh ADC
của vi điều khiển, điện áp của đầu ra tuyến tính với nhiệt độ đo được.
Sẽ có sự gia tăng 0,01V (10mV) cho mỗi độ tăng nhiệt độ C. Điện áp có thể được
chuyển đổi thành nhiệt độ bằng cách sử dụng công thức dưới đây:
T = Vout / 10mv
-
T: nhiệt độ đo được (oC )
-
Vout: điện áp đầu ra của cảm biến (mV )
9
(1)
ADC dùng điện áp tham chiếu là +5V và rộng 10bit. Điện áp đọc từ cảm biến
được chuyển thành dạng kỹ thuật số theo công thức sau [3]:
Vout =TD * 5000/1024
(2)
Trong đó TD là đầu ra kỹ thuật số tương đương với điện áp cảm biến ( tính bằng
mV), kết hợp (1) và (2) nhiệt độ thực tính bằng oC được cho bởi:
T = TD * 500/1024
(3)
2.3 Phân tích bộ điều khiển
2.3.1 Một số loại bộ điều khiển
❖ Bộ điều khiển PID
PID là sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, có khả năng
điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế sự dao
động.
Hình 2.6: Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID hay chỉ đơn giản là PID là một kỹ thuật điều khiển quá trình
tham gia vào các hành động xử lý về “tỉ lệ, tích phân và vi phân“.
Bộ điều khiển PID bao gồm:
•
Bộ điều khiển tỉ lệ – P (Proportional Controller).
•
PI ( Proportinal and Integral Controller) gọi là bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân.
•
PD (Proportional and Derivative (PD) Controller ) gọi là bộ điều khiển đạo hàm.
•
PID (Proportional, Integral, and Derivative (PID) Controller) là bộ điều khiển tỉ
lệ – tích phân- đạo hàm (vi phân).
10
❖ Bộ điều khiển Fuzzy Logic
Hình 2.7: Hệ thống các hàm thuộc về trong Fuzzy Logic
Fuzzy Logic được hiểu đơn giản là một phương pháp lập luận, nó khá giống với
khả năng lý luận của con người. Bên cạnh đó, hệ thống này có một cách tiếp cận để ra
quyết định tương tự như con người, dựa vào tất cả các khả năng trung gian giữa các giá
trị kỹ thuật số Có và Khơng.Có thể sử dụng hệ thống logic mờ cho mục đích thực tế
cũng như thương mại:
- Sử dụng nó cho các sản phẩm tiêu dùng và máy điều khiển.
- Mặc dù hệ thống này không đưa ra lý luận chính xác 100%, nhưng lý luận chúng
đưa ra sẽ nằm ở mức chấp nhận được.
- Logic mờ sẽ giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến sự không chắc chắn trong kỹ
thuật.
11
2.3.2 Lựa chọn bộ điều khiển PID
Hình 2.8: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Dựa vào độ chính xác cao, đáp ứng đầu ra tốt, trong đề tài đồ án này bọn em lựa chọn
sử dụng PID là bộ điều khiển cho hệ thống.
❖ Các khâu hiệu chỉnh
Khâu tỷ lệ: Hệ số Kp càng lớn sai số xác lập càng nhỏ, hệ thống càng giao động, độ vọt
lố càng cao. Nếu Kp quá lớn sẽ làm hệ thống mất ổn định.
-
P là thừa số tỉ lệ của đầu ra.
-
Kp là hệ số tỉ lệ hay thông số điều chỉnh.
-
e là sai số và được tính bằng SP - PV.
-
t là thời gian hay chính là khoảng thời gian tức thời.
Khâu tích phân: Thành phần I có thể làm tăng độ vọt lố, chậm đáp ứng quá độ và giảm
sai số xác lập.
-
I là thừa số tích phân đầu ra.
-
Ki là độ lợi tích phân, nó chính là một thơng số điều chỉnh.
-
e là sai số.
-
t là thời gian hoặc thời gian tức thời.
12
Khâu vi phân: Mắc nối tiếp khâu hiệu chỉnh PD với hàm truyền hệ thống sẽ làm giảm
độ vọ lố, giảm thời gian quá độ. Tuy nhiên nếu nếu thời gian lên quá nhanh thì sẽ dẫn
đến vọt lố mặc dù đáp ứng khơng có giao động, thành phần D cũng làm hệ thống nhay
với tần số nhiễu cao.
-
D(out) là thừa số vi phân của đầu ra.
-
Kd là độ lợi vi phân, nó chính là một thơng số điều chỉnh.
-
e(t) là sai số tức thời.
2.3.3 Tính chọn tham số cho bộ điều khiển PID
❖ Mơ hình lị điện trở nhiệt
R(t)
C(t)
Lị nhiệt
Nhiệt độ
Cơng suất 100%
Hình 2.9: Đặc tính lị nhiệt
Hàm truyền của lò nhiệt được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. Cấp
nhiệt tối đa cho lị ( cơng suất 100%), nhiệt độ lò tăng dần đến giá trị bão hòa. Đặc tính
nhiệt độ theo thời gian có dạng như hình dưới đây.
Theo thực nghiệm Ziegler-Nichols đề xuất thì hệ thống lị điện trở là khâu dao
động bậc cao do tính chất có trễ của lị nhiệt và được xấp xỉ về khâu qn tính bậc nhất
có trễ ta được: 𝐻 (𝑠)
=
𝑘.ⅇ −𝑇1.𝑆
𝑇2.𝑆+1
. Khai triển Taylor gần đúng.
13
Ta được hàm truyền là hàm tuyến tính bậc 2 [2]:
𝑘
𝐻 (𝑠) = (𝑇1𝑆+1).(𝑇2𝑆+1)
Ziegler-Nichols đã đưa ra phương pháp chọn thông số bộ điều khiển PID. Thông
số bộ điều khiển PID được chọn như sau:
Bảng 2.1: Tham số PID
Với T = T2, L= T1.
Hàm truyền PID có dạng:
𝐻(𝑆) = 𝑘𝑝 (1 +
1
𝑘𝑖
+ 𝑇𝑑𝑆 ) ℎ𝑎𝑦 𝐻 (𝑠) = 𝑘𝑝 +
+ 𝑘𝑑𝑠
𝑇𝑖 𝑆
𝑠
❖ Thử nghiệm trên hệ thống
14
Hình 2.10: Biểu đồ đặc tính nhiệt độ
❖ Nhận xét: Cấp 100% cơng suất cho bóng đèn ta được biểu đồ nhiệt độ được hiển
thị trên serial plotter sau đây được đo trong khoảng thời gian 23 phút ở nhiệt độ ban
đầu là 26 độ:
Hình 2.11: Biểu đồ đặc tính nhiệt độ
❖ Nhận xét: Ta đo được T1=33s, T2=163s và K= 55
Vậy hàm truyền lò nhiệt theo Ziegler-Nichols:
55
𝐻 (𝑠) = (33𝑠+1).(163𝑠+1) =
55
5379𝑠2 +196𝑠+1
15
Các thông số PID:
-
Kp = 1.2 *T2/T1 = 6
-
Ti = 2*T1 = 66 => Ki = 6/66 = 0.091
-
Td = 0.5*T1 =1.5 => Kd = 6*16.5= 99
Vậy ta được hàm truyền PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 1:
𝐻(𝑆) = 6 +
0.091
+ 99𝑆
𝑠
❖ Mơ phỏng trên matlab:
-
Hàm truyền lị nhiệt:
-
ts = [55];
ms = [5379 196 1];
nhiet = tf (ts,ms);
step(nhiet);
Hình 2.12: Đáp ứng hệ thống mô phỏng trên Matlab
Từ biểu đồ trên ta thấy hệ thống ổn định ở 1200s ( 20 phút ) đã gần đúng với thực tế như
hình 2.12
Mơ phỏng trên matlab simulink:
16
Hình 2.13: Hệ thống có điều khiển trên matlab
Hình 2.14: Hàm truyền PID
Hình 2.15: Đáp ứng hệ thống
17
Ta có thể thấy đáp ứng của hệ thống vọt lố rất cao, thời gian xác lập lớn, khơng
có sai số xác lập. Vậy ta có thể cho thành phần tích phân của PID rất bé để giảm độ
vọt lố và thời gian xác lập. Với Ki =0.001 ta được đáp ứng:
Hình 2.16: Đáp ứng hệ thống sau khi hiệu chỉnh
Đáp ứng hệ thống có vọt lố rất thấp và thời gian đáp ứng tốt (khoảng 130s). Đảm
bảo được yêu cầu thiết kế đặt ra.
18
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
Từ sơ đồ khối chức năng, ta có thể thiết kế được mạch điện đo và xử lý tín hiệu:
Hình 2.17: Sơ đồ mạch trên proteus
-
Cảm biến LM35 sau khi đo nhiệt độ bóng đèn gửi tín hiệu từ chân 2 Vout đến
chân Analog bất kì của Arduino (ở đây nối với A0) để đọc tín hiệu, tín hiệu nhận
được từ LM35 được chuyển từ Analog sang dạng tín hiệu số Digital, chân 1 nối
với chân nguồn 5V, chân 3 nối với chân đất GND (Ground).
-
Mạch cầu L298N có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp cấp vào quạt và đèn, các chân
ENA, ENB nối với các chân xung PWM của Arduino (ở đây nối với chân số 9
và 10), các chân IN1 - IN4 nối với chân Digital bất kì của Arduino có nhiệm vụ
định nghĩa chiều dịng điện ở các chân ra OUT1 - OUT4 nối với quạt và đèn (ở
đây nối với chân 4 – 7).
19
CHƯƠNG 3:
CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG
3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí
❖ Q trình thiết kế và gia cơng tủ điện được thực hiện theo các bước
Hình 3.1: Bản vẽ khung hệ thống
1. Nhận các chỉ tiết tiêu chuẩn, thép đúc và lên kế hoạch, lập sơ đồ sản xuất.
2. Tạo mẫu và kiểm tra.
3. Thiết kế và tạo dữ liệu gia công trên CAD/CAM/CNC.
4. Gia công các bề mặt, chi tiết có hình dáng đơn giản bằng các phương pháp gia
cơng tạo hình 2D.
5. Lắp ráp tấm khuôn lại với nhau thành khối.
6. Gia công các bề mặt phức tạp bằng phương pháp gia công tạo hình 3D.
7. Đánh bóng chi tiết khn.
8. Kiểm tra và thử nghiệm khuôn.
20
3.2 Các bộ phận điện điện tử
❖ Cảm biến LM35
Hình 3.2: Cảm biến LM35
Là IC cảm biến nhiệt độ có điện áp đầu ra thay đổi, dựa trên nhiệt độ xung quanh
nó. Nó là một vi mạch nhỏ và rẻ, có thể được sử dụng để đo nhiệt độ ở bất kỳ đâu trong
khoảng từ -55 °C đến 150 °C.
Dễ dàng được giao tiếp với bất kỳ vi điều khiển nào có chức năng ADC hoặc bất
kỳ nền tảng phát triển nào như Arduino.
Bảng 3.1: Sơ đồ chân LM35
Số chân
Tên chân
1
VCC
2
3
Chức năng
Cấp nguồn điện từ 4v đến 30v
ANALOG
Chân lấy điện áp ra, điện áp ở chân này thay đổi
OUTPUT
10mV/oC
GND
Chân nối đất
21
❖ Arduino Uno:
Hình 3.3:Arduino uno
Bảng 3.2: Thơng số kĩ thuật của Arduino
Điện áp hoạt động
5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động
16 MHz
Dòng tiêu thụ
khoảng 30mA
Điện áp vào khuyên dùng
7-12V DC
Điện áp vào giới hạn
6-20V DC
Số chân Digital I/O
14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog
6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
30 mA
Dòng ra tối đa (5V)
500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V)
50 mA
22
Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO
vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu khơng dùng để truyền nhận dữ
liệu, phải mắc một điện trở hạn dòng.
❖ Module L298N:
Hình 3.4: Module L298N
Thơng số kỹ thuật:
•
Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H.
•
Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V
•
Dịng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor)
•
Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V
•
Dịng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA (Arduino có thể chịu đến 40mA)
•
Cơng suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)
Mơ-đun điều khiển L298N là một thiết bị điện tử điều khiển điện áp cung cấp
cho các thiết bị điện (trong trường hợp này là bóng đèn). Đầu vào trình điều khiển nhiệt
độ là đầu ra của bộ điều khiển PID và đầu ra của nó điều khiển trực tiếp nhiệt độ.
23
Trong hệ thống, trình điều khiển nhiệt độ về cơ bản là tín hiệu loại Bộ điều chế
độ rộng xung (PWM) được thiết kế bằng cách sử dụng bóng bán dẫn MOSFET. PWM
thường được sử dụng làm bộ truyền động trong hầu hết các ứng dụng điều khiển cơng
suất.
Hình dưới cho thấy dạng sóng cơ bản của tín hiệu PWM. Chu kỳ nhiệm vụ D
được định nghĩa là [3]:
𝐷=
𝑇𝑜𝑛
𝑇𝑂𝑛 +𝑇𝑂𝐹𝐹
Với TON và TOFF lần lượt là thời gian bật tắt của dạng sóng.
Hình 3.5: Dạng sóng PWM
Nhiệt lượng của bóng đèn tỏa ra tỉ lệ thuận với giá trị trung bình của điện áp. Đối
với dạng sóng PWM như hình, điện áp trung bình được cho bởi:
Vtb = Vp * D
❖ Bóng đèn sợi đốt:
Hình 3.6: Bóng đèn sợi đốt 12v/5w
Một trong những mục tiêu của thiết kế là sử dụng các thành phần tiêu chuẩn chi
phí rất thấp. Để đáp ứng tiêu chí này, một bóng đèn sợi đốt nhỏ 12V/5W (bóng đèn
24
được sử dụng trong đèn đuôi của hầu hết các loại xe máy) được sử dụng trong hệ thống
làm máy phát nhiệt. Nó đã được tìm thấy với thử nghiệm rằng nhiệt ở bề mặt của một
bóng đèn như vậy có thể vượt quá +100ºC [3].
❖ Nguồn và Quạt tản nhiệt:
Hình 3.7: Nguồn 12V/2A và quạt tản nhiệt
Lắp đặt các thiết bị điện tử và khung tạo thành sản phẩm hồn chỉnh:
Hình 3.8: Lắp ráp khung và thiết bị điện điện tử
25
