Bảng điều khiển là bộ phận điều khiển cốt lõi của tủ khử trùng, tích hợp nguồn điện, thu tín hiệu, vận hành logic, truyền động tải và mạch bảo vệ an toàn. Nó thực hiện điều khiển tự động khử trùng bằng tia cực tím, khử trùng bằng ozone, sấy khô ở nhiệt độ cao, vận hành định thời gian và bảo vệ khóa liên động cửa. Làm việc trong môi trường khép kín có độ ẩm, ozon và nhiệt độ cao, thiết kế mạch đòi hỏi khả năng cách ly tin cậy, chống nhiễu mạnh và cơ chế an toàn hoàn hảo. Bài viết này giới thiệu một cách có hệ thống về kiến ​​trúc phần cứng tổng thể, từng thành phần mô-đun chức năng, nguyên lý làm việc của mạch và logic truyền tín hiệu của bảng điều khiển tủ khử trùng.

Nhìn chung, bảng điều khiển áp dụng thiết kế mạch mô-đun, được chia thành bảy đơn vị chức năng cốt lõi: mô-đun cấp nguồn, hệ thống tối thiểu MCU điều khiển chính, mô-đun tương tác giữa người và máy tính, mô-đun phát hiện tín hiệu, mô-đun truyền động tải, mô-đun bảo vệ khóa liên động an toàn và mạch phụ. Tất cả các mô-đun hoạt động cộng tác theo lịch trình của chip điều khiển chính. Mạch dòng điện yếu hoàn thành việc thu thập tín hiệu và phán đoán logic, đồng thời mạch điều khiển điều khiển bật tắt các tải công suất cao, thực hiện phân tách dòng điện mạnh và yếu để đảm bảo an toàn điện và ổn định vận hành.

Mô-đun cấp nguồn cung cấp điện áp DC ổn định cho toàn bộ bảng điều khiển và là cơ sở cho hoạt động bình thường của tất cả các mạch. Nguồn điện xoay chiều 220V trước tiên đi qua cầu chì và một điện trở. Cầu chì cung cấp bảo vệ quá dòng và ngắn mạch. Varistor hấp thụ điện áp tăng để ngăn điện áp cao tức thời làm hỏng mạch phía sau. Sau đó, dòng điện đi vào mạch lọc EMI bao gồm cuộn cảm chế độ chung và tụ điện an toàn để triệt tiêu nhiễu điện từ từ lưới điện và ngăn chính thiết bị tạo ra ô nhiễm sóng hài. Sau khi lọc, nguồn điện xoay chiều được chia làm 2 đường: một đường cấp trực tiếp cho các phụ tải có công suất lớn như đèn cực tím, máy tạo ozone, ống sưởi; cái còn lại được chuyển đổi thành nguồn DC điện áp thấp thông qua mạch giảm áp.

Hầu hết các tủ khử trùng trong gia đình đều áp dụng sơ đồ giảm dần điện trở-điện dung để kiểm soát chi phí, trong khi các mẫu tủ thương mại và trung cấp sử dụng nguồn điện chuyển mạch cách ly để có độ an toàn cao hơn. Mô-đun nguồn xuất ra hai nhóm điện áp chung: +12V cấp nguồn cho rơle, còi và quạt làm mát; +5V được sử dụng cho MCU điều khiển chính, cảm biến, mạch chính và bộ hiển thị. Nhiều tụ điện và tụ gốm được mắc song song ở đầu ra để lọc các gợn sóng tần số cao và thấp, đảm bảo điện áp đầu ra ổn định và tránh hoạt động bất thường của chip do dao động điện áp.

Hệ thống tối thiểu MCU điều khiển chính là trung tâm vận hành logic của bảng điều khiển, chủ yếu bao gồm một máy vi tính đơn chip dành riêng cho thiết bị gia dụng 8 bit, mạch dao động tinh thể và mạch đặt lại. Bộ dao động tinh thể cung cấp xung nhịp hoạt động ổn định cho MCU để xác định tốc độ chạy chương trình. Mạch đặt lại hoàn tất quá trình khởi tạo hệ thống khi bật nguồn và có thể tự động đặt lại khi chương trình chạy mất hoặc gặp sự cố. Các cổng I/O tích hợp, giao diện chuyển đổi AD, bộ định thời và cổng ngắt của MCU được kết nối tương ứng với từng mô-đun chức năng. Logic làm việc của nó như sau: quét và nhận hướng dẫn vận hành của người dùng trong thời gian thực, thu thập tín hiệu nhiệt độ và trạng thái cửa, thực hiện phán đoán và vận hành logic theo các chương trình cài sẵn và gửi tín hiệu mức điều khiển đến mô-đun truyền động để bật hoặc tắt tải tương ứng, để thực hiện khử trùng, sấy khô, định thời gian và các chức năng khác. Một mạch giám sát thường được tích hợp để theo dõi trạng thái hoạt động của chương trình mọi lúc và cải thiện khả năng chống nhiễu tổng thể.

Mô-đun tương tác giữa người và máy tính thực hiện hiển thị trạng thái và tương tác lệnh giữa người và máy, bao gồm mạch phím, mạch hiển thị và mạch nhắc âm thanh-quang. Mạch phím được chia thành phím cơ truyền thống và phím cảm ứng điện dung. Chế độ quét ma trận hoặc I/O độc lập được áp dụng. Khi nhấn một phím, mức của chân tương ứng sẽ thay đổi và MCU xác định hướng dẫn chức năng. Đối với các phím cảm ứng, một chip phát hiện cảm ứng đặc biệt được kết hợp, với các điện trở và tụ điện lọc ngoại vi để ngăn chặn việc kích hoạt sai do độ ẩm và tĩnh điện. Mạch hiển thị sử dụng đèn LED báo hiệu, ống kỹ thuật số hoặc màn hình LCD mã phân đoạn, được điều khiển trực tiếp bởi MCU hoặc chip điều khiển màn hình chuyên dụng để hiển thị các chế độ làm việc, thời gian còn lại, cấp số và mã lỗi. Mạch nhắc nhở quang âm bao gồm các triode và còi. MCU xuất ra các tín hiệu mức để điều khiển còi phát ra âm thanh nhắc nhở xác nhận bật nguồn, phản hồi phím, hoàn thành công việc và báo lỗi.

Mô-đun phát hiện tín hiệu chủ yếu bao gồm mạch lấy mẫu nhiệt độ và mạch phát hiện công tắc cửa. Mạch lấy mẫu nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở NTC làm phần tử cảm biến nhiệt độ. Điện trở nhiệt tạo thành một vòng phân chia điện áp với một điện trở cố định chính xác được cấp nguồn +5V. Điện trở của nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt độ bên trong tủ, dẫn đến điện áp phân chia liên tục thay đổi. Tín hiệu điện áp tương tự được truyền đến cổng AD của MCU và chip chuyển đổi nó thành đại lượng kỹ thuật số để thu được nhiệt độ theo thời gian thực. Mạch này được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ sấy ở nhiệt độ cao và cảnh báo sớm nhiệt độ quá cao. Một tụ lọc được mắc song song tại đầu cuối lấy mẫu để loại bỏ hiện tượng nhiễu tín hiệu do nhiễu.

Mạch phát hiện khóa liên động cửa là một thiết kế độc đáo của tủ khử trùng. Nó sử dụng các công tắc cửa cơ học được kết nối với các cổng I/O của MCU. Khi cửa tủ đóng bình thường, bật công tắc và tiến hành mạch điện; khi cửa vô tình mở trong quá trình vận hành, công tắc sẽ bị ngắt kết nối và MCU ngay lập tức ghi lại sự thay đổi mức độ. Kết hợp với logic chương trình, nó buộc phải cắt tải khử trùng để ngăn chặn tia cực tím và ozone rò rỉ ra ngoài và làm tổn thương cơ thể con người.

Mô-đun truyền động tải là bộ phận thực thi dòng điện yếu để điều khiển dòng điện mạnh, chịu trách nhiệm điều khiển đèn cực tím, máy tạo ozone, ống sưởi và quạt. Nó sử dụng mạch kết hợp cổ điển của khuếch đại triode, cách ly bộ ghép quang và công tắc rơle. Tín hiệu điều khiển yếu đầu ra của MCU được khuếch đại bằng triode và sau đó được truyền đến bộ ghép quang. Bộ ghép quang thực hiện cách ly điện hoàn toàn giữa các mạch dòng điện mạnh và yếu, cách ly hiệu quả nhiễu dòng điện mạnh và cải thiện độ an toàn. Giai đoạn phía sau của bộ ghép quang điều khiển cuộn dây rơle kéo vào và các tiếp điểm rơle kết nối nguồn điện xoay chiều 220V với tải tương ứng. Các tải khác nhau được trang bị các vòng truyền động độc lập: đèn cực tím và máy tạo ozone sử dụng rơle công suất nhỏ; ống sưởi nhiệt độ cao sử dụng rơle dòng điện cao. Một số kiểu máy sử dụng thyristor hai chiều để điều chỉnh công suất vô cấp của các bộ phận làm nóng nhằm đạt được nhiệt độ sấy không đổi.

Mô-đun bảo vệ khóa liên động an toàn là sự đảm bảo chính cho hoạt động an toàn của tủ khử trùng, kết hợp bảo vệ cưỡng bức phần cứng và bảo vệ logic phần mềm. Về mặt bảo vệ phần cứng, cầu chì nhiệt và bộ điều khiển nhiệt độ cơ học được kết nối nối tiếp trong mạch gia nhiệt ở nhiệt độ cao. Khi nhiệt độ bên trong quá nóng bất thường, các tiếp điểm sẽ tự động ngắt để cắt nguồn điện, vẫn có thể hoạt động bình thường ngay cả khi MCU bị lỗi. Công tắc khóa cửa nêu trên tạo thành một khóa liên động vật lý. Khi cửa được mở, tất cả các tải khử trùng và sưởi ấm sẽ bị khóa ngay lập tức. Về mặt bảo vệ phần mềm, MCU đánh giá lỗi dựa trên tín hiệu nhiệt độ và trạng thái cảm biến. Khi nhiệt độ vượt quá giới hạn hoặc cảm biến bị hở/ngắn mạch, chương trình sẽ dừng tất cả đầu ra và kích hoạt cảnh báo. Cầu chì nguồn ở đầu vào có tác dụng bảo vệ quá dòng và ngắn mạch cho toàn bộ máy.

Các mạch phụ bao gồm mạch chống tĩnh điện, các đầu nối dây và các bộ phận bảo vệ bo mạch. Điốt bảo vệ ESD được kết nối với các chân tín hiệu chính để giải phóng tĩnh điện và ngăn chặn chip bị hỏng. Do môi trường bên trong tủ khử trùng ẩm ướt nên toàn bộ bảng mạch được phủ một lớp sơn chống thấm để ngăn chặn sự ngưng tụ gây rò rỉ và đoản mạch. Các thiết bị đầu cuối dây sử dụng các thiết bị đầu cuối chịu nhiệt độ cao và chống ăn mòn để thích ứng với môi trường ozone và ẩm ướt lâu dài.

Quy trình làm việc tổng thể của mạch như sau: Sau khi bật nguồn, mô-đun nguồn tạo ra điện áp ổn định, MCU hoàn tất quá trình khởi tạo và tự kiểm tra từng mô-đun và thiết bị sẽ chuyển sang trạng thái chờ. Người dùng chọn chế độ làm việc và đặt thời gian thông qua các phím. MCU nhận được hướng dẫn và đầu tiên phát hiện trạng thái của cửa tủ. Chỉ khi cửa được đóng chặt thì quy trình tiếp theo mới có thể bắt đầu. Hệ thống bật các tải tương ứng như đèn cực tím, máy tạo ozone hoặc ống sưởi thông qua mạch truyền động theo chế độ đã chọn. Trong quá trình vận hành, nhiệt độ và trạng thái cửa được theo dõi theo thời gian thực. Nếu phát hiện trạng thái bất thường, mạch bảo vệ sẽ hoạt động ngay lập tức. Khi thời gian đã đặt kết thúc, MCU sẽ tự động cắt tất cả các tải và bộ rung sẽ gửi lời nhắc hoàn thành. Toàn bộ mạch hoạt động theo vòng khép kín để hoàn thành toàn bộ quá trình khử trùng và sấy khô.

Tóm lại, bảng điều khiển tủ khử trùng lấy nguồn điện và MCU làm cốt lõi, đồng thời phối hợp với các mạch phát hiện, tương tác, truyền động và bảo vệ để tạo thành một hệ thống điều khiển dòng điện mạnh và yếu hoàn chỉnh. Hướng tới môi trường đặc biệt có bức xạ cực tím, ozon, nhiệt độ và độ ẩm cao, mạch áp dụng các thiết kế có mục tiêu như cách ly điện, chống nhiễu, chống ẩm và bảo vệ an toàn nhiều lớp. Hiểu thành phần phần cứng và nguyên lý mạch là cơ sở để gỡ lỗi thiết bị, bảo trì lỗi và nâng cấp chức năng sản phẩm.