Thiết kế và thi công máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm cho hộ gia đình

MỤC LỤC PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP iiv LỜI CAM ĐOAN vii LỜI CẢM ƠN vii MỤC LỤC viii LIỆT KÊ HÌNH VẼ xi LIỆT KÊ BẢNG xiv TĨM TẮT xv CHƢƠNG 1: TỐNG QUAN 1 Đặt vấn đề 1 Mục tiêu 1 Nội dung nghiên cứu 1 Giới hạn Bố cục CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tính chất sóng 2.1.1 Tần số 2.1.2 Bước sóng 2.1.3 Vận tốc sóng 2.1.4 Cơ chế truyền sóng 2.1.5 Đặc điểm sóng siêu âm BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP viii 2.1.6 Phân loại sóng siêu âm 2.1.7 Sự hấp thụ sóng siêu âm mơi trường truyền sóng 2.2 Biến tử siêu âm 2.2.1 Vai trò phân loại biến tử 2.2.2 Biến tử áp điện 2.2.3 Biến tử từ giảo 2.3 Nguyên lý rửa sóng siêu âm 2.4 Vi điều khiển PIC 16F877A 11 2.5 Biến áp xung 14 2.6 Một số loại máy rửa sóng siêu âm có thị trường 15 2.7 Kết luận chương 16 Chƣơng TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 17 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 17 Thiết kế khối công suất 18 3 Thiết kế mạch kích 22 Thiết kế khối điều khiển 29 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 31 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 31 Chƣơng THI CÔNG HỆ THỐNG 33 4.1 Yêu cầu điều khiển 33 4.2 Thi công hệ thống 33 4.3 Lập trình hệ thống 39 4.3.1 Lưu đồ giải thuật 39 4.3.2 Chương trình điều khiển Error! Bookmark not defined BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ix Chương 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 45 5.1 Mạch điều khiển 45 5.2 Mạch công suất 47 Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 51 6.1 Kết luận 51 6.2 Hướng phát triển đề tài 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 54 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP x LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Cơ chế truyền sóng [1] Hình 2.2: Biến tử siêu âm [4] Hình 2.3: Hiệu ứng áp điện .7 Hình 2.4: Cấu tạo biến tử áp điện .8 Hình 2.5: Đường cong từ hóa [3] .9 Hình 2.6: Hiện tượng xâm thực khí xảy chất lỏng .10 Hình 2.7: Các trường hợp tẩy rửa chất ô nhiễm 10 Hình 2.8: Sơ đồ chân PIC 16F877 [6] 11 Hình 2.9: Các chức PIC 16F877 [6] 11 Hình 2.10: Sơ đồ khối PWM 12 Hình 2.11: Dạng sóng điều chế PWM 13 Hình 2.12: Biến áp xung 14 Hình 2.13: Máy rửa siêu âm lít DR-MH20 15 Hình 2.14: Máy rửa siêu âm ozon hoa .16 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống 17 Hình 3.2: Các dạng mạch nghịch lưu sử dụng khối cơng suất 19 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch deadtime .23 Hình 3.4: Mạch lái IBGT 24 Hình 3.5: Phần mạch lái cho IGBT nhánh .25 Hình 3.6: Chiều dòng điện ghép nối quang OK1 dẫn 25 Hình 3.7: Phần mạch lái cho IGBT nhánh 27 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP xi Hình 3.8: Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất 27 Hình 3.9: Dạng sóng xung kích điện áp cuộn sơ cấp máy biến áp xung 28 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 29 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý máy rửa sóng siêu âm .31 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 29 Hình 4.1: Mạch cơng suất layout 33 Hình 4.2: Mạch công suất thi công 33 Hình 4.3: Mạch nguồn layout 33 Hình 4.4: Mạch nguồn thi cơng 33 Hình 4.5: Mạch nguồn cấp điện .33 Hình 4.6: Mạch điều khiển thi công 33 Hình 4.7: Mạch điều khiển cấp điện 33 Hình 4.8: Mạch hồn chỉnh hệ thống .33 Hình 4.9: Mạch hệ thống cấp điện 33 Hình 4.10: Lưu đồ chương trình 33 Hình 4.11: Lưu đồ chương trình cài đặt thời gian 40 Hình 4.12: Lưu đồ chương trình cài đặt giá trị .40 Hình 4.13: Lưu đồ chương trình tạo xung 41 Hình 5.1: Cài đặt tần số 45 Hình 5.2 Cài đặt thời gian .46 Hình 5.3 Dạng sóng kích cực G IGBT .47 Hình 5.4 Thi cơng mạch công suất 48 Hình 5.5 Dạng sóng ngõ mạch deadtime .48 BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP xii Hình 5.6 Dạng sóng ngõ mạch cơng suất để kích biến tử siêu âm .49 Hình 5.7 Mơ hình máy rửa siêu âm .50 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP xiii LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 3.1 Trạng thái kích mạch nghịch lưu hình 3.2 c 19 Bảng 3.2 thông số kỹ thuật IGBT FGA25N120AN .22 Bảng 3.3: Trạng thái điện áp mạch công suất 28 Bảng 4.1 Danh sách linh kiện mạch công suất 34 Bảng 4.2 Danh sách linh kiện mạch nguồn 34 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP xiv TÓM TẮT Hiện việc đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm vấn đề cấp thiết với sức khỏe Thực phẩm bẩn, vệ sinh vấn nạn đáng báo động Thế tẩy rửa sức người vừa tốn thời gian vừa tốn sức, mà lại khó rửa xó xỉnh, có số bụi bẩn, vi khuẩn, vi rút ẩn nấp lỗ nhỏ, khe hẹp khiến ta khơng làm chúng Vì vậy, cần phải có phương pháp làm nhanh, đảm bảo vệ sinh, đồng thời phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật có chi phí phù hợp để áp dụng rộng rãi đời sống Từ trạng trên, đề tài thiết kế thi cơng máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm cho hộ gia đình với mục tiêu dùng sóng siêu âm tẩy rửa chất nguy hại cho sức khỏe người Mơ hình máy rửa siêu âm sử dụng vi điều khiển PIC 16F877 để phát tín hiệu điều khiển cơng suất, hệ thống có chế độ điều chỉnh thời gian tần số tay để đáp ứng nhu cầu tẩy rửa khác người tiêu dùng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP xv CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CHƢƠNG 1: TỐNG QUAN 1 Đặt vấn đề Vấn đề thực phẩm bẩn tượng phổ biến, diễn ngày: thịt có chất tạo nạc, rau có thuốc trừ sâu; làm đổ ruốc hóa chất…Tuy vấn đề khơng cịn mẻ, lạ lẫm với người ngày mức báo động cao gây ảnh hưởng xấu sức khỏe người Các phương pháp truyền thống kết hợp thao tác tay với loại dung dịch rửa thơng thường khơng cịn đảm bảo loại bỏ hết chất nguy hại có thực phẩm Phương pháp dùng sóng siêu âm tẩy rửa chất nguy hại cho sức khỏe người đời đạt số ưu điểm so với phương pháp truyền thống Hiện phương pháp sử dụng sóng siêu âm để làm thực phẩm có Việt Nam Tuy nhiên với giá thành cao khả ứng dụng rộng rãi chưa khả thi Do đó, nhóm định thực đề tài “Thiết kế thi công máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm cho hộ gia đình” Với xu hướng sử dụng công nghệ không gây ô nhiễm môi trường, không gây tác động độc hại đến sức khỏe người, thiết bị tẩy rửa sử dụng sóng siêu âm lựa chọn hàng đầu lĩnh vực làm ngành công nghiệp Việc sử dụng lượng sóng siêu âm mang lại hiệu tẩy rửa vượt trội so với dung dịch tẩy rửa trước Mục tiêu Ngày vấn đề an toàn thực phẩm trở thành chủ đề nóng đời sống, phương pháp làm thực phẩm trở thành chủ đề nghiên cứu nhiều Mong muốn nhóm nghiên cứu ứng dụng kiến thức học để thiết kế máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đồng thời có chi phí phù hợp để áp dụng rộng rãi đời sống Nội dung nghiên cứu  Tìm hiểu máy rửa thực phẩm có thị trường BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN  Căn ưu khuyết điểm máy rửa thực phẩm có thị trường đề xuất thơng số kỹ thuật, tiêu chí kinh tế cho máy rửa cần thiết kế  Thiết kế máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm Việc thiết kế tập trung nội dung: thiết kế mạch công suất, mạch lái, mạch xử lý trung tâm phần mềm phát xung điều khiển Giới hạn  Dung tích máy rửa 5-10 lít, sử dụng biến tử phát sóng siêu âm với tần số (20 – 60) kHz, công suất 100 Watt  Điều khiển khối dùng vi điều khiển pic 16f877  Hệ thống điều khiển linh hoạt, cho phép người sử dụng cài đặt thông số số chương trình cố định Bố cục  Chƣơng 1: Tổng Quan  Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết  Chƣơng 3: Tính Tốn Và Thiết Kế  Chƣơng 4: Thi công hệ thống  Chƣơng 5: Kết Quả, Nhận Xét Đánh Giá  Chƣơng 6: Kết Luận Hướng Phát Triển Nội dung chương sau:  Chƣơng 1: Tổng quan Chương trình bày tổng quan đề tài nghiên cứu, nhiệm vụ, giới hạn hướng đề tài phải thực  Chƣơng 2: Cơ sở thu ết Chương trình bày sở lý thuyết sóng siêu âm, biến tử siêu âm, loại máy rửa có thị trường, giới thiệu vi mạch PIC 16F877 biến áp xung  Chƣơng 3: T nh to n v thiết kế BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Dạng sóng xung kích cực G IGBT: Hình 5.3 Dạng sóng kích cực G IGBT Từ hình đo ta thấy dạng sóng STA STB gần giống u cầu hình 3.9 sóng khơng có độ lệch pha 5.2 Mạch cơng suất Mạch cơng suất gồm có mạch deadtime mạch lái IBGT Tín hiệu điều khiển mạch cơng suất tạo cách sử dụng vi điều khiển PIC 16F877 từ mạch điều khiển Kết mạch công suất đảm bảo nguồn điện áp với công suất tần số phù hợp cung cấp cho biến tử siêu âm hoạt động BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 47 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Hình 5.4 Thi cơng mạch cơng suất Kết dạng sóng mạch deadtime: Hình 5.5 Dạng sóng ngõ mạch mạch deadtime Khi tín hiệu điều khiển phát xung kích Xung kích đưa qua mạch dead time để tạo thời gian trể khoảng thời gian trể IGBT chuyển từ trạng thái dẫn sang ngắt ngược lại, thể hình 5.5 BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 48 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Kết thử nghiệm dạng sóng ngõ để kích biến tử siêu âm Hình 5.6 Dạng sóng ngõ mạch cơng suất để kích biến tử siêu âm Kết dạng sóng thu thể hệ thống phát sóng siêu âm với tần số hàng chục KHz Tuy nhiên dùng mạch điều khiển để phát tần số 27,5KHz, kết thu máy OSC có dạng hình 5.5 có tần số 27,7KHz Ta thấy tần số tính tốn đo chênh lệch khoảng 0,7% Hình 5.5 thể dạng sóng ngõ ra(màu xanh) lớn dạng sóng ngõ(màu vàng) vào với tỷ lệ : 2,5 Trên lý thuyết, tỷ lệ khuếch đại dạng sóng qua biến áp xung 1:3 Như lý thuyết thực nghiệm hệ số khuếch đại chênh lệch 16,6% Kết luận: Kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm chưa xác cơng thức tính tốn biến áp xung tính tốn gần Để có kết tốt cần thực quấn nhiều biến áp đo thực nghiệm để lấy kết gần với lý thuyết BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 49 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Sau thiết kế mạch điều khiển mạch cơng suất, ta có mơ hình máy rửa siêu âm hình 5.6 Hình 5.7 Mơ hình máy rửa siêu âm BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 50 Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Kết uận Sau trình thực đề tài tốt nghiệp, nhóm hồn thành u cầu đặt việc thiết kế, thi công, điều khiển hệ thống rửa thực phẩm sóng siêu âm Kết thực nghiệm đạt sau:  Thiết kế thi công mạch điều khiển, mạch phát xung hiển thị thông số LCD vi điều khiển 16f877  Thiết kế tính tốn mạch deadtime  Thiết kế thi công biến áp xung  Thiết kế mạch lái chống trùng dẫn cho mạch công suất  Chi phí cho hệ thống cao ( khoảng triệu VND)  Nhóm sử dụng điện áp chiều 24V để cấp cho mạch công suất  Hệ thống phát cơng suất tẩy rửa khoảng 20 Watt  Dạng sóng tẩy rửa hệ thống khơng dạng sóng mong muốn ban đầu Kết đề tài chưa đạt được:  Khả tẩy rửa hệ thống thấp  Chưa điều chỉnh công suất  Hệ thống chưa đáp ứng công suất mục tiêu đề tài 100 Watt 6.1 Hƣớng ph t triển đề t i Việc thực mơ hình thực nghiệm giúp nhóm hiểu sâu cơng nghệ dùng sóng siêu âm để tẩy rửa chất bẩn Để vào hoạt động thực tế, đề tài cần có thêm hướng phát triển sau:  Hệ thống cần lập trình nhiều chế độ tẩy rửa đa dạng  Hệ thống cần có thêm thiết bị kiểm tra nồng độ hóa chất thực phẩm sau rửa  Thiết kế tối ưu hiệu suất làm việc máy  Nâng cao công suất để rửa với quy mô công nghiệp BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ giáo dục đào tạo, “Vật Lý 12”, NXB Giáo Dục Việt Nam [2] http://documents.tips/documents/hieu-ung-ap-dien.html, 12/08/2015 [3] www.voer.edu.vn, Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên (https://voer.edu.vn/c/cam-bien-ap-dien/d9323f75/2b14fb1b, https://voer.edu.vn/c/cam-bien-tu-giao/d9323f75/e930b9d0 ) [4] www.morganelectroceramics.com, Morgan Electro Ceramics, Bursledon Road, Thornhill, Southampton SO19 7TG [5] http://butkythuatso.com/tin-tuc/chi-tiet/nguyen-ly-hoat-dong-cua-be-rua-bang- song-sieu-am, 01/02/2016 [6] Nguyễn Đình Phú – Trương Ngọc Anh, “Giáo trình VI XỬ LÝ ”, NXB ĐH Quốc Gia Tp.HCM [7] http://www.suachuathietbidientu.com/2015/07/bien-ap-xung-la-gi.html, thứ tư, 29/07/2015 [8] http://vimega.vn/san-pham/may-rua-sieu-am-gia-dinh-loai-nho-2-lit/, Công ty cổ phần đầu tư sản xuất xuất nhập Nam Anh [9] http://gtsonic.vn/San-pham/rua-ve-sinh-sieu-am-dan-dung/be-rua-sieu-am-ozon- hoa-qua.html, 2010 by gtsonic.vn [10] Lê Văn Kiên, “Luận văn xây dựng hệ thống biến đổi DC/AC đốt đèn trường hợp điện lưới”, Hải Phòng, 12/07/2010 [11] http://lqv77.com/2009/02/15/co-ban-mach-dao-dong/, 15/02/2009 [12] http://myprojectaboutsmps.blogspot.com/2015/03/tinh-toan-bien-ap-xung-cho- inverter.html, 15/03/2015 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [13] Jun Liu, Licheng Sheng, Jianjiang Shi, “Design of High Voltage, High Power and High Frequency Transformer in LCC Resonant Converter”, Hangzhou, 310027 China, trang 1034-1038 [14] Markus Hermwille, www.Semikron.com/Application/DriverCalculation, 31/10/2007 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 53 PHỤ LỤC PHỤ LỤC Datasheet IBGT: Datasheet biến áp xung: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 54 PHỤ LỤC Datasheet IC 74HC14: Thư viện chương trình #include #include #FUSES NOWDT, HS, NOPUT, NOPROTECT, NODEBUG, NOBROWNOUT, NOLVP, NOCPD, NOWRT #use delay(clock=20000000) #include // khai bao ngo vao cac nut nhan, cong tac hanh trinh #define start RA0 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 55 PHỤ LỤC #define mode RA1 #define up RA2 #define down RA3 // bo cong suat #define dc RC0 unsigned int8 thoigian=1, xung=0,giay=0,phut=0,T=19; unsigned int16 dem_timer0; int1 tt=0; unsigned int8 chon_mode; //unsigned int8 ngh1=0,tr1=0,ch1=0,dv1=0,ngh2=0,tr2=0,ch2=0,dv2=0; #INT_TIMER0 void timer0_isr() // Tao ngat timer 2ms voi bo chia thoi gian DIV=64 { dem_timer0++; // Tang gia tri bo dem timer sau moi lan ngat if(dem_timer0>=150) { dem_timer0=0; giay++; if(giay>=60){ giay=0;phut++; if(phut>=59)phut=0; } }set_timer0(100); BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 56 PHỤ LỤC } //xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx void menu_mode() { if(mode==0) { delay_ms(10); //chong doi phim bam if(mode==0)//kiem tra lai { chon_mode++; if(chon_mode>2)chon_mode=0; while(mode==0) {;}//cho nha phim delay_ms(10); //chong doi phim nha }} } void cai_dat_gia_tri() { if(up==0){delay_ms(10); if(up==0){ switch ( chon_mode) { case 1:{thoigian++; if(thoigian>5) thoigian=1;break;} case 2:{xung=xung + 5; if(xung >90) xung=70;break;} }} while(up==0){;}delay_ms(10); //chong doi phim nha BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 57 PHỤ LỤC } else if(down==0){delay_ms(10); if(down==0){ switch (chon_mode) { case 1:{thoigian ; if(thoigian