Mạch điện tử điều khiển là gì? Chức năng, phân loại, ví dụ?

1. Mạch điện tử điều khiển là gì? 

Mạch điện tử điều khiển là những mạch điện tử có chức năng điều khiển những thiết bị được lắp đặt với mạch điều khiển. Mạch điện tử điều khiển có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, như công suất, chức năng, mức tự động hóa, v.v. Một số ứng dụng của mạch điện tử điều khiển là: điều khiển đèn giao thông, máy bơm nước, máy nóng lạnh, máy điều hòa, nồi cơm điện, đồ chơi điện tử, v.v. Mạch điện tử điều khiển thường được cấu tạo từ các linh kiện điện tử như vi mạch, vi xử lý, bộ nhớ, cảm biến, bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi tín hiệu, v.v. Mạch điện tử điều khiển có thể có hoặc không có hồi tiếp, tùy thuộc vào mục đích và đối tượng điều khiển. Hồi tiếp là quá trình truyền lại thông tin về trạng thái của đối tượng điều khiển cho mạch điện tử để điều chỉnh lại các tham số hoặc hành động của mạch. Mạch điện tử điều khiển có thể được lập trình sẵn hoặc được điều khiển bằng phần mềm máy vi tính tùy theo yêu cầu của người dùng.

2. Chức năng của mạch điện tử điều khiển:

Chức năng Mạch điện tử điều khiển là một loại mạch điện tử có khả năng nhận, xử lý và phản hồi các tín hiệu điện từ các thiết bị ngoại vi. Mạch điện tử điều khiển có chức năng quan trọng trong các ứng dụng tự động hóa, điều khiển thông minh và hệ thống nhúng. Bên cạnh đó, mạch điện tử điều khiển có thể được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ như: điều khiển động cơ, đèn LED, cảm biến, bàn phím, màn hình LCD, bộ nhớ, giao tiếp không dây và nhiều ứng dụng khác. Mạch điện tử điều khiển thường bao gồm một vi xử lý hoặc vi điều khiển làm trung tâm xử lý, cùng với các thành phần khác như: nguồn cấp, biến trở, tụ điện, diode, transistor, IC và các linh kiện hỗ trợ khác. Mạch điện tử điều khiển có thể được lập trình bằng các ngôn ngữ lập trình như: C, C++, Python, Arduino, BASIC và nhiều ngôn ngữ khác. Có thể nói, mạch điện tử điều khiển là một trong những công cụ quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử và tự động hóa.

3. Phân loại mạch điện tử điều khiển:

Mạch điện tử điều khiển có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, chẳng hạn như:

– Theo cấp độ tích hợp: Mạch điện tử điều khiển có thể được chia thành mạch tích hợp (IC), mạch in (PCB) và mạch rời.

– Theo cách xử lý tín hiệu: Mạch điện tử điều khiển có thể được chia thành mạch số, mạch tương tự và mạch lai.

– Theo cách lập trình: Mạch điện tử điều khiển có thể được chia thành mạch cố định (không thay đổi chương trình), mạch có thể lập trình lại (có thể thay đổi chương trình một số lần) và mạch có thể lập trình lại liên tục (có thể thay đổi chương trình bất kỳ lúc nào).

– Theo ứng dụng: Mạch điện tử điều khiển có thể được chia thành mạch dùng cho công nghiệp, dân dụng, quân sự, y tế, giáo dục và nghiên cứu.

4. Một số ví dụ về các loại mạch điện tử điều khiển:

Mạch điện tử điều khiển thường được sử dụng trong máy bơm nước, máy nóng lạnh, máy điều hòa, nồi cơm điện…

Một số ví dụ về các loại mạch điện tử điều khiển là:

– Mạch điều khiển xung nhịp đồng hồ hệ thống: Là các vi xử lý có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lý, được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống. Mạch xung nhịp đồng hồ hệ thống dùng để đồng bộ các thao tác xử lý trong và ngoài CPU theo các khoảng thời gian không đổi. Khoảng thời gian chờ giữa hai xung gọi là chu kỳ xung nhịp. Tốc độ theo đó xung nhịp hệ thống tạo ra các xung tín hiệu chuẩn thời gian gọi là tốc độ xung nhịp – tốc độ đồng hồ tính bằng triệu đơn vị mỗi giây-Mhz.

– Mạch điều khiển thanh ghi: Thanh ghi là phần tử nhớ tạm trong bộ vi xử lý dùng lưu dữ liệu và địa chỉ nhớ trong máy khi đang thực hiện tác vụ với chúng. Mạch điều khiển thanh ghi có nhiệm vụ chuyển dữ liệu và địa chỉ từ thanh ghi này sang thanh ghi khác, hoặc từ thanh ghi ra bên ngoài, hoặc từ bên ngoài vào thanh ghi.

– Mạch điều khiển cảm biến: Cảm biến là thiết bị dùng để phát hiện hoặc đo các thông số vật lý như áp suất, nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh… và chuyển thành tín hiệu điện tử. Mạch điều khiển cảm biến có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến và xử lý để ra lệnh cho các thiết bị khác hoạt động theo ý muốn.

– Mạch điện tử điều khiển tương tự: Là loại mạch sử dụng các linh kiện tương tự như bóng bán dẫn, tụ điện, cuộn cảm,… để xử lý các tín hiệu liên tục và thay đổi liên tục. Mạch này thường được dùng trong các ứng dụng cần độ chính xác cao và tốc độ nhanh, như âm thanh, hình ảnh, viễn thông,…

– Mạch điện tử điều khiển số: Là loại mạch sử dụng các linh kiện số như vi xử lý, vi điều khiển, bộ nhớ,… để xử lý các tín hiệu rời rạc và có giá trị cố định. Mạch này thường được dùng trong các ứng dụng cần tính toán phức tạp và linh hoạt, như máy tính, điện thoại thông minh, robot,…

– Mạch điện tử điều khiển hỗn hợp: Là loại mạch kết hợp giữa mạch tương tự và mạch số để xử lý cả hai loại tín hiệu liên tục và rời rạc. Mạch này thường được dùng trong các ứng dụng cần vừa độ chính xác cao vừa tính toán phức tạp, như máy quét mã vạch, máy quay video,…

Một ví dụ khác về mạch điện tử điều khiển là mạch điều khiển nhiệt độ của nồi cơm điện. Mạch này sử dụng cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ của cơm và gửi tín hiệu cho bộ xử lý. Bộ xử lý sẽ so sánh nhiệt độ thực tế với nhiệt độ mong muốn và ra lệnh cho bộ chuyển đổi tín hiệu để bật hoặc tắt nguồn cấp cho thanh gia nhiệt. Như vậy, mạch điện tử điều khiển giúp duy trì nhiệt độ cơm ở mức phù hợp.

Các thiết bị sử dụng mạch điện tử điều khiển là máy tính, điện thoại di động, máy bay không người lái, robot, xe tự lái, máy giặt, máy bay phản lực và tàu vũ trụ.

5. Thí nghiệm mạch điện tử điều khiển:

Thí nghiệm mạch điện tử điều khiển là một hoạt động thực hành quan trọng trong việc học tập và nghiên cứu về các ứng dụng của điện tử trong các hệ thống tự động hóa, điều khiển và điều chỉnh. Thí nghiệm mạch điện tử điều khiển giúp sinh viên và nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, thiết kế, lắp ráp, kiểm tra và đánh giá các mạch điện tử có chức năng điều khiển các thiết bị khác như động cơ, van, bơm, cảm biến, bộ chuyển đổi, vv. Ngoài ra, thí nghiệm mạch điện tử điều khiển cũng giúp phát triển kỹ năng thực hành, sáng tạo và giải quyết vấn đề của người học và nghiên cứu. Một số ví dụ về các thí nghiệm mạch điện tử điều khiển có thể kể đến như: thí nghiệm mạch vi xử lý, thí nghiệm mạch vi điều khiển, thí nghiệm mạch logic, thí nghiệm mạch tương tự, vv.

5.1. Thí nghiệm mạch vi xử lý:

Thí nghiệm mạch vi xử lý là một hoạt động thực hành nhằm giúp người học nắm được các kiến thức cơ bản và ứng dụng của mạch vi xử lý. Mạch vi xử lý là một linh kiện điện tử được chế tạo từ các transistor thu nhỏ tích hợp lên trên một vi mạch tích hợp đơn, có khả năng thực hiện các chức năng xử lý số. Một số ví dụ về mạch vi xử lý là Intel 4004, TMS 1000, Central Air Data Computer.

Thí nghiệm mạch vi xử lý thường bao gồm các bước sau:

– Thiết kế phần cứng: Xác định các thành phần và sơ đồ của mạch vi xử lý, kết nối với các thiết bị ngoại vi như LED, LCD, bàn phím, cảm biến, DAC, ADC, v.v.

– Lập trình phần mềm: Viết chương trình cho mạch vi xử lý bằng ngôn ngữ assembly hoặc C, sử dụng các công cụ như trình biên dịch, trình gỡ lỗi, trình giả lập, v.v.

– Thực hiện thí nghiệm: Nạp chương trình vào mạch vi xử lý, quan sát kết quả và kiểm tra độ chính xác của chương trình.

5.2. Thí nghiệm mạch vi điều khiển:

Để thực hiện thí nghiệm mạch vi điều khiển, bạn cần chuẩn bị những vật dụng sau: một bảng mạch điện, một vi điều khiển (ví dụ Arduino), một máy tính có cài đặt phần mềm lập trình cho vi điều khiển, một cáp USB để kết nối vi điều khiển với máy tính, và các linh kiện điện tử cần thiết cho mạch (ví dụ LED, điện trở, công tắc, cảm biến,…). Sau khi có đủ vật dụng, bạn thực hiện các bước sau:

– Bước 1: Lắp ráp các linh kiện điện tử trên bảng mạch theo sơ đồ mạch đã được thiết kế trước. Bạn cần chú ý đến cực dương và cực âm của các linh kiện, và đảm bảo các dây dẫn không bị đứt hoặc chạm nhau.

– Bước 2: Kết nối vi điều khiển với máy tính bằng cáp USB. Mở phần mềm lập trình và chọn loại vi điều khiển, cổng kết nối, và tốc độ truyền dữ liệu phù hợp.

– Bước 3: Viết chương trình cho vi điều khiển bằng ngôn ngữ lập trình đã được hỗ trợ bởi phần mềm. Chương trình cần có hai phần chính: phần khai báo (setup) và phần vòng lặp (loop). Phần khai báo dùng để thiết lập các thông số ban đầu cho vi điều khiển, ví dụ định nghĩa các chân ra vào, thiết lập tốc độ truyền nhận dữ liệu,… Phần vòng lặp dùng để thực hiện các hành động liên tục của vi điều khiển, ví dụ đọc giá trị từ cảm biến, gửi tín hiệu ra LED, nhận lệnh từ máy tính,…

– Bước 4: Kiểm tra và sửa lỗi chương trình nếu có. Bạn có thể sử dụng chức năng biên dịch (compile) để kiểm tra cú pháp của chương trình, và chức năng gỡ lỗi (debug) để theo dõi giá trị của các biến và chức năng trong quá trình chạy chương trình.

– Bước 5: Tải chương trình lên vi điều khiển bằng chức năng nạp mã (upload). Sau khi nạp xong, bạn có thể quan sát kết quả của thí nghiệm trên bảng mạch hoặc trên máy tính. Bạn có thể sử dụng chức năng giám sát cổng nối tiếp (serial monitor) để xem dữ liệu được gửi từ vi điều khiển ra máy tính.

5.3. Thí nghiệm mạch tương tự:

Mạch tương tự là mạch điện có chức năng xử lý các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện có biến thiên liên tục. Để thực hiện thí nghiệm mạch tương tự, ta cần có các thiết bị cơ bản như nguồn điện, máy phát tín hiệu, đồng hồ vạn năng, dao động ký, bo mạch và các linh kiện điện tử như điện trở, tụ điện, transistor, op-amp, v.v.

Các bước thí nghiệm mạch tương tự có thể được thực hiện như sau:

– Bước 1: Lựa chọn loại mạch tương tự cần thí nghiệm, ví dụ như mạch khuếch đại, mạch lọc, mạch dao động, v.v. và xác định các thông số cần đo đạc, ví dụ như độ lợi, tần số cắt, trở kháng vào/ra, v.v.

– Bước 2: Lắp ráp bo mạch theo sơ đồ nguyên lý của mạch tương tự đã chọn, sử dụng các linh kiện điện tử phù hợp với giá trị và loại đã tính toán trước. Kiểm tra lại sự kết nối chính xác của các linh kiện và các dây dẫn.

– Bước 3: Kết nối nguồn điện và máy phát tín hiệu vào ngõ vào của mạch tương tự. Chỉnh nguồn điện và máy phát tín hiệu để có giá trị điện áp và tần số mong muốn. Kết nối đồng hồ vạn năng và dao động ký vào ngõ ra của mạch tương tự để quan sát và đo đạc các thông số của tín hiệu ra.

– Bước 4: Thay đổi giá trị điện áp hoặc tần số của tín hiệu vào và quan sát ảnh hưởng của nó lên các thông số của tín hiệu ra. Ghi nhận kết quả đo đạc vào bảng hoặc biểu đồ. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết hoặc mô phỏng.

– Bước 5: Rút ra nhận xét và kết luận về hoạt động của mạch tương tự đã thí nghiệm. Đánh giá ưu nhược điểm của mạch và đề xuất cách cải tiến hoặc ứng dụng của mạch.