TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG LÒ NUNG NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI Giáo viên hướng dẫn ThS Nhữ Quý Thơ Nhóm sinh viên thực hiện Đỗ Công.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG LÒ NUNG NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI Giáo viên hướng dẫn: ThS Nhữ Quý Thơ Nhóm sinh viên thực hiện: Đỗ Cơng Duy 2019600451 Vi Văn Giang 2019600321 Đặng Hoàng Hà 2020608585 Hà Nội - Năm 2021 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: LT CĐ-ĐH CĐT ĐH CĐT Tên nhóm: Nhóm Họ tên thành viên: Đỗ Công Duy 2019600451 Vi Văn Giang 2019600321 Đặng Hồng Hà 2020608585 Khóa: 15-14 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống lò nung nhiệt điện trở kim loại Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Mơ hình hóa mơ hệ thống (L2.1) - Nội dung 4: Viết báo cáo Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch mơ hình sản phẩm (Nếu có) III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành đồ án theo thời gian quy định (từ ngày 13/09/2021 đến ngày 24/12/2021) Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến hệ thống đo, vi điều khiển Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ts Nguyễn Anh Tú ThS Nhữ Quý Thơ MÔ TẢ KỸ THUẬT Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ Hệ thống có khả năng: - Giả lập tín hiệu điều khiển nhiệt độ bật /tắt lị, hiển thị trạng thái tín hiệu điều khiển đèn LED - Đo nhiệt độ lò - Hiển thị nhiệt độ lò liên tục theo thời gian thực hình LCD - Có chức lựa chọn giới hạn nhiệt độ để đưa cảnh báo giá trị vượt khoảng cho phép Cấu trúc thiết bị Thiết bị Loại sử dụng Cảm biến Cảm biến nhiệt điện trở Bộ điều khiển Vi điều khiển Hiện thị nhiệt độ lị LCD Phím chức nhập liệu Nút bấm số Tín hiệu cảnh báo Đèn Đặc tính kỹ thuật Thông số Giới hạn khoảng nhiệt độ Sai số đo Giá trị 0-1200 độ C 5% Nội dung báo cáo - Bản vẽ TT Tên vẽ Khổ giấy Số lượng Bản vẽ sơ đồ hệ thống A3 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống A3 - Báo cáo Chương Tổng quan hệ thống 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Chương Xây dựng mơ hình hệ thống 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu Chương 3: Mơ hình hóa mơ hệ thống 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ khí 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều khiển 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển Kết Luận MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các vấn đề đặt 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 1.3.2 Phương pháp mơ hình hóa mơ 1.3.3 Phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.1.1 Mơ hình hóa 3D hệ thống 2.1.2 Nguyên lí làm việc 2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 11 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu 15 2.4.1 Thiết kế mạch đo 15 2.4.2 Xử lý tín hiệu 16 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 17 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ khí 17 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều khiển 20 3.3 Phương trình điều khiển 23 KẾT LUẬN 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 PHỤ LỤC 28 Code: 28 Datasheet: 30 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Mơ hình 3D hệ thống Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.3 Cấu tạo cặp nhiệt điện Hình 2.4 Ngun lí cặp nhiệt điện Hình 2.5 Can nhiệt loại K 10 Hình 2.6 Hình ảnh board mạch Arduino UNO R3 11 Bảng 2.1 Bảng thông số Arduino UNO R3 12 Hình 2.7 Hình ảnh vi điều khiển 13 Hình 2.8 Hình ảnh cổng Arduino 14 Hình 2.9 Hình ảnh mạch đo Proteus 16 Hình 3.1 Thân lị nung 17 Hình 3.2 Các phận lị nung 18 Hình 3.3 Màn LCD lị nung 19 Hình 3.4 Đèn báo hiệu lò nung 19 Hình 3.5 Mơ hình lị nung hồn thiện 20 Hình 3.6 Hệ thống bắt đầu khởi động 21 Hình 3.7 Cảnh báo LCD đèn cảnh báo sáng 22 Hình 3.8 Lị tắt, hiển thị cảnh báo đèn sáng 22 Hình 3.9 Lưu đồ thuật tốn 24 Hình 3.10 Sơ đồ cài đặt nhiệt độ giới hạn 25 LỜI NÓI ĐẦU Lò nung nhiệt thiết bị điện biến điện thành nhiệt dùng q trình cơng nghệ khác nung nấu luyện vật liệu, kim loại hợp kim khác v.v Lò nung nhiệt sử dụng rộng rãi lĩnh vực kỹ thuật: Sản xuất thép chất lượng cao, nhiệt luyện hoá nhiệt luyện, nung vật phẩm trước cán, rèn dập, kéo sợi Sản xuất đúc kim loại bột lĩnh vực công nghiệp khác: Trong cơng nghiệp nhẹ thực phẩm, lị nung nhiệt dùng để sấy, mạ vật phẩm chuẩn bị thực phẩm Trong lĩnh vực khác, lò nung nhiệt dùng để sản xuất vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, loại vật liệu chịu lửa v.v Lị nung nhiệt có mặt ngành công nghiệp mà ngày dùng phổ biến Cảm biến nhiệt điện trở tiết xúc với nhiệt độ chúng thay đổi trạng thái, cảm biến sử dụng nhiệt độ phát từ lò để phát điều chỉnh Để góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật nay, nhóm chúng em định chọn cảm biến nhiệt điện trở Nhóm đưa ý tưởng “Xây dựng hệ thống lò nung nhiệt điện trở kim loại” Cảm biến nhiệt điện trở đặt lị nung, để đo nhiệt độ lị nung Mơ hình sử dụng cảm biến nhiệt điện trở điều kiển ardunio mô phần mềm protues hiển thị nhiệt độ hình LCD, giúp đo kiểm sốt nhiệt độ lị nung Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến thầy, cô môn Cơ Điện Tử Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu để hoàn thành đề tài nghiên cứu Đồng thời, nhóm em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn thầy Nhữ Quý Thơ, thầy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ nhóm suốt q trình thực đồ án mơn Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè hỗ trợ chia kinh nghiệm cho nhóm thời gian qua Cuối nhóm em xin chúc thầy tồn thể bạn lớp nhiều sức khỏe thành công công việc Xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung Lò nung trình trao đổi nhiệt khơng gian lị xảy biến đổi nhiệt Ta cần khống chế trình: Thứ trình truyền nhiệt từ nguồn nhiệt đến bề mặt vật nung Thứ trình truyền nhiệt từ mặt vào tâm mặt nung từ xuống Tuy nhiên trình nung ta phụ thuộc vào thời gian vật liệu nung Cảm biến nhiệt điện trở thiết bị đóng vai trị quan trọng ngành cơng nghiệp tự động hóa ngày Nếu khơng có cảm biến nhiệt điện trở khó đo xác nhiệt độ dải nhiệt độ cao, điều chỉnh nhiệt độ mà ta muốn Ngày cảm biến nhiệt điện trở ứng dụng nhiều ngành công nghiệp sống hàng ngày lò nung sản xuất sắt thép công nghiệp hay bếp từ gian bếp chúng ta,…Việc sử dụng cảm biến giúp ta điều khiển lượng nhiệt tỏa tránh việc cháy nổ gây nguy hiểm cho người sử dụng Trong đề tài nhóm sử dụng cảm biến nhiệt điện trở, cảm biến phù hợp với giới hạn nhiệt độ hệ thống lị nung ta biết nhiệt độ lị qua hình LCD Khi đạt đến nhiệt độ giới hạn, lò nung tự động tắt đưa tín hiệu cảnh báo cho người sử dụng 1.2 Các vấn đề đặt Để giải đề tài nhóm nghiên cứu cần giải số vấn đề sau: - Về phần đo lường: Hệ thống đo nhiệt độ hiển thị hình LCD xác hạn chế sai số Hệ thống đảm bảo kết cấu hợp lí, vững đạt hiệu kinh tế Thiết kế lắp đặt hệ thống có vật liệu đủ bền, dễ dàng kiểm tra bảo dưỡng thay thiết bị hỏng hóc, đặc biệt có tính an tồn cao, dễ dàng sử dụng - Về phần điều khiển: Hệ thống có tín hiệu cảnh báo giá trị nhiệt độ vượt khoảng cho phép tự động tắt lị nung Khi nhiệt độ an tồn, hệ thống đưa tín hiệu bật lị nung Người sử dụng điều khiển nút bấm bên ngồi Hệ thống đảm bảo có thiết kế nhỏ gọn, linh kiện dễ dàng tìm thấy thị trường có vật liệu đủ bền, chịu nhiệt độ cao, dễ dàng bảo dưỡng, thay giá thành phù hợp - Về phần mềm lập trình: Phần mềm lập trình Arduino ide lập trình máy tính Phần mềm lập trình xác, phổ biến, dễ dàng cho người tiếp cận, tích hợp với nhiều thiết bị, nhiều chương trình, có cấu trúc code dễ dàng có thư viện đầy đủ - Mơ hình hóa mơ phỏng: Mơ hình hóa hệ thống khí sử dụng phần mềm Solidwork hay Inventor để thiết để thiết kế tồn hệ thống Mơ chạy thử nghiệm Proteus 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu qua kênh thông tin, internet, qua viết nước quốc tế ứng dụng hệ thống lò nung nhiệt điện trở kim loại để áp dụng vào thiết kế - Áp dụng phương pháp thiết kế, tính tốn, phân tích, xử lý số liệu xây dựng mơ hình phù hợp với đề tài - Tìm hiểu sở lý thuyết, ứng dụng, viết chương trình điều khiển cho Arduino - Tìm hiểu sở lý thuyết cảm biến nhiệt điện trở kim loại, đặt vấn đề cần giải từ xây dựng hệ thống - Dựa vào kiến thức học môn: Cơ sở hệ thống tự động, Cảm biến hệ thống đo, … Hình 2.9 Hình ảnh mạch đo Proteus 2.4.2 Xử lý tín hiệu - Tín hiệu thu xử lý Arduino UNO R3 thơng qua việc lập trình trước cho vi điều khiển phầm mềm arduino IDE - Các tín hiệu cần xử lý: tín hiệu đưa từ cảm biến cặp nhiệt nút bấm điều chỉnh nhiệt độ giới hạn từ đưa tín hiệu điều khiển tới LCD 16 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ khí Mơ 3D thực tế hệ thống Các phận lò nung nhiệt: - Vật liệu vỏ cấu tạo thép cán nguội - Vật liệu buồng sợi đa tinh thể chịu nhiệt chất lượng cao - Kích thước buồng làm việc (WxDxH) mm: 250 x 350 x 160 - Kích thước ngồi (WxDxH) mm: 530 x 590 x 640 Hình 3.1 Thân lị nung - Bản lề thép khơng gỉ kích thức 30x30x2 mm - Cửa lò nung vật liệu vỏ cấu tạo thép cán nguội, vật liệu buồng sợi đa tinh thể chịu nhiệt chất lượng cao - Nút nhấn làm nhựa kích thức Ø22mm 17 Hình 3.2 Các phận lị nung - Màn hình hiển thị nhiệt độ LCD 2004: Kích thước 98 x 60 x 13.5mm, chữ trắng xanh 18 Hình 3.3 Màn LCD lò nung - Đèn báo nhựa, phát tín hiệu màu đỏ Hình 3.4 Đèn báo hiệu lò nung Lò nung lắp ráp hồn chỉnh: 19 Hình 3.5 Mơ hình lị nung hồn thiện Nhắc lại ngun lí hoạt động: Lị bật bắt đầu nung kim loại, cảm biến nhiệt đặt vào lò qua lỗ hở thiết kế sẵn Cảm biến nhiệt độ nhận tín hiệu nhiệt truyền đến vi xử lý để xử lý thơng tin thực thuật tốn hiển thị lên LCD Khi nhiệt độ lò vượt mức cho phép hệ thống tự động ngắt nguồn điện cấp cho lò, ngược lại nhiệt độ giảm tới mức cần thiết hệ thống tự động cấp điện lại cho lò để tiếp tục hoạt động Video mơ hoạt động lị nung nhiệt: https://www.youtube.com/watch?v=Rfou8o1Mr-Q 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều khiển Mơ hình hóa hệ điều khiển mạch điện phần mềm Proteus Các linh kiện mạch gồm: Arduino uno r3, LCD 20x4, nút ấn, led, module I2C, relay chân, cặp nhiệt, module Max31855, bóng đèn, dòng xoay chiều, diot chỉnh lưu, điện trở 20 Khi khởi động hệ thống, nhiệt độ lò với nhiệt độ môi trường hiển thị hình LCD Hình 3.6 Hệ thống bắt đầu khởi động Sau đợi khoảng thời gian để lò gia nhiệt, cảm biến nhận tín hiệu thay đổi nhiệt độ gửi xử lý sau hiển thị lên LCD Khi nhiệt độ lị gần chạm mức giới hạn Max đèn cảnh báo sáng lên hình hiển thị dịng thơng báo “cảnh báo” cho người sử dụng 21 Hình 3.7 Cảnh báo LCD đèn cảnh báo sáng Khi nhiệt độ vướt mức giới hạn Max lị tự động tắt hình cảnh báo trạng thái lị OFF Hình 3.8 Lò tắt, hiển thị cảnh báo đèn sáng 22 Khi nhiệt độ giảm xuống mức định trước hệ thống tự tắt nhiệt tự động bật lại lị lên mà khơng cần thao tác vật lý Có thể tăng, giảm giới hạn nhiệt (Max) thông qua nút ấn “TANG” “GIAM” theo yêu cầu Cuối nút ON /OFF tắt hệ thống lị lúc mà ta muốn Video mơ phỏng: https://youtu.be/PlDr_HW1kVw 3.3 Phương trình điều khiển 23 Hình 3.9 Lưu đồ thuật tốn 24 Hình 3.10 Sơ đồ cài đặt nhiệt độ giới hạn 25 KẾT LUẬN Mơ hình lị nung đáp ứng yêu cầu mà đề tài đưa Trong q trình làm đồ án, cịn thiếu sót nhiều kiến thức chuyên môn, đặc biệt tình hình dịch bệnh nên khơng làm mơ hình thực tế Tuy nhiên, nhóm hồn thiện đồ án giao Qua đó, nhóm học thêm nhiều kiến thức như: - Sử dụng thành thạo phần mềm Arduino, Soliworks, Proteus, … mô mạch mơ mơ hình 3D - Nâng cao khả tư duy, sáng tạo, tìm tịi tự nghiên cứu tài liệu - Cải thiện kĩ làm việc nhóm cách trình bày báo cáo đồ án Đó hành trang vững bước cho nhóm nhằm phục vụ cho học phần liên quan, cho đồ án tốt nghiệp công việc sau trường Trong q trình làm đồ án nhóm cịn nhiều thiếu sót, vậy, mong nhận lời đóng góp thầy bạn để nhóm khắc phục hạn chế Một lần nữa, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nhữ Quý Thơ chúc thầy cô có thật nhiều sức khỏe Chúng em chân thành cảm ơn! 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Ngọc Duy, Nhữ Quý Thơ, Bùi Thanh Lâm Giáo trình Cảm biến hệ thống đo, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Vũ Trung Kiên Giáo trình vi điều khiển [3] Phạm Công Ngô Lý thuyết điều khiển tự động Hà Nội [4] Lê Văn Doanh Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển Hà Nội [5] Phạm Quang Huy, Lê Cảnh Trung Lập trình điều khiển với Arduino 27 PHỤ LỤC Code: 28 29 Datasheet: Arduino uno R3: http://www.linhkientot.vn/ebook/arduino-uno-r3-datasheet.pdf Max31855: https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX31855.pdf LCD 20x4: http://www.systronix.com/access/Systronix_20x4_lcd_brief_data.pdf IC2: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCF8584.pdf Relay:https://www.datasheets.com/en/part-details/relay-l30-leviton-manufacturingco -inc-51255379#datasheet 30 ... chỉnh Hệ thống lò nung nhiệt điện trở kim loại internet - Xây dựng thành cơng phần mềm lập trình Arduino ide máy tính mơ Protues - Đối với đề tài ? ?Xây dựng hệ thống lò nung nhiệt điện trở kim loại? ??,... tính nhiệt độ điểm nóng Các loại cặp nhiệt điện dùng phổ biến nay: Cặp nhiệt điện trở loại K, loại J, loại T, loại E, loại N, loại S, loại R loại B Trong đó, cặp nhiệt điện loại K loại cặp nhiệt. .. dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống lò nung nhiệt điện trở kim loại Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội