BÁO CÁO BÀI TẬP DÀI (kèm code) Môn học Vi điều khiển và ứng dụng Đề tài Bộ điều khiển nhiệt độ PID với nguồn AC220V Vi điều khiển STM32Đại học bách khoa hà nộiTrường điện điện tửkhoa kĩ thuật điều khiển Tự động hóa
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ************ BÁO CÁO BÀI TẬP DÀI Môn học: Vi điều khiển ứng dụng Đề tài: Bộ điều khiển nhiệt độ PID với nguồn AC220V NGUYỄN ANH THƯ thu.na181775@sis.hust.edu.vn Ngành KT điều khiển & tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: Khoa: Trường: PGS.TS Nguyễn Hồng Quang Tự động hóa Điện – Điện tử Hà Nội, tháng 7/2022 MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 1.1 Tổng quan điều khiển nhiệt độ CHƯƠNG CÁC THÀNH PHẦN BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 2.1 Tổng quan module kit STM32F103C8T6 Các thông số kĩ thuật Các cổng vào 2.2 Cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ Cặp nhiệt loại K Đặc điểm Thermocouple loại K Bộ chuyển đổi Max6675 Cách sử dụng Max6675 K-type TC 2.3 Màn hình LCD 16x2 10 2.4 Một số thiết bị khác 11 Mạch MOC3021 11 Cách ly quang EL817 12 2.4.3 Triac BT134 13 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 14 3.1 PID 14 Tổng quan PID 14 Biến đổi rời rạc hóa để lập trình cho vi điều khiển 15 3.2 Tìm tham số PID 17 Đối tượng điều khiển 17 3.2.2 Xác định hàm truyền đối tượng 18 3.3 Nguyên lí hoạt động 19 3.4 Sơ đồ tổng thể 22 3.5 Thực phần mềm STM32 CubeMx: 23 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 26 4.1 Kết đặt giá trị 40 độ C 26 4.2 Kết đặt giá trị 50 độ C 27 CHƯƠNG KẾT LUẬN 28 5.1 Kết thu 28 5.2 Hướng phát triển 28 PHỤ LỤC 29 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nhu cầu sử dụng lượng nhiệt công nghiệp đời sống lớn Năng lượng nhiệt dùng để sấy khơ, nung cháy, hay nhiệt luyện để tạo sản phẩm với chất lượng cao Vì điều khiển nhiệt độ trở thành ứng dụng vô phổ biến ngành tự động hóa Với mong muốn tìm hiểu sâu điều khiển nhiệt độ kĩ thuật áp dụng vào đó, em lựa chọn đề tài “Bộ điều khiển nhiệt độ PID với nguồn AC220V” Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hồng Quang tồn thể thầy mơn Tự động hố cơng nghiệp thầy trường Điện – Điện tử giúp đỡ em hoàn thành báo cáo Mặc dù suốt trình thực tập, em cố gắng, nỗ lực với tinh thần tâm cao trình độ hiểu biết lý thuyết thực tiễn nhiều hạn chế, nên báo cáo em không tránh khỏi thiếu sót Em kính mong nhận góp ý, bảo giúp đỡ thầy cô giáo để đồ án em hoàn thiện CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Tổng quan điều khiển nhiệt độ Bộ điều khiển nhiệt độ sử dụng rộng rãi công nghiệp, kể đến số ứng dụng cụ thể như: lò sấy, lò ấp trứng, lò nướng, nồi hơi, hệ thống tạo độ ẩm, hệ thống khí nén Các chế độ điều khiển mà điều khiển sử dụng kể đến như: điều khiển van on off, điều khiển van tuyến tính, điều khiển PID, điều khiển ON OFF 1.1 Hình 1.1 Bộ điều khiển nhiệt độ thương mại Ngoài với chế độ điều khiển PID Bộ điều khiển nhiệt độ điều khiển cho nhiệt độ hệ thống với nhiệt độ cài đặt cách nhanh xác Bộ điều khiển cịn điều khiển độ ẩm, áp suất, lưu lượng thơng qua ngõ vào tín hiệu 4-20mA 0-10 VDC, 0-5 VDC Tích hợp thêm chức cảnh báo nhiệt độ, đặt giá trị trực tiếp thơng qua hình hiển thị, chế độ tự chỉnh, chế độ thích nghi Hình 1.2 Sơ đồ điều khiển vịng kín PID Với ứng dụng điều khiển nhiệt độ, ta có tín hiệu đặt tín hiệu phản hồi nhiệt độ mong muốn nhiệt độ thực tế Tín hiệu điều khiển đối tượng giá trị góc mở cho triac Vì đối tượng tốn khó mơ hình hóa nên sử dụng phương pháp nhận dạng để xác định hàm truyền đối tượng khâu qn tính bậc Từ thiết kế thông số PID CHƯƠNG CÁC THÀNH PHẦN BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 2.1 Tổng quan module kit STM32F103C8T6 STM32 dòng chip phổ biến ST với nhiều họ thông dụng F0, F1, F2, F3, F4… Stm32F103 thuộc họ F1 với lõi ARM COTEX M3 STM32F103 vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa 72Mhz Giá thành rẻ so với loại vi điều khiển có chức tương tự Mạch nạp cơng cụ lập trình đa dạng dễ sử dụng Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thơng thường, thiết bị cầm tay thuốc, máy tính thiết bị ngoại vi chơi game, GPS bản, ứng dụng cơng nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ… Mạch nạp: có nhiều loại mạch nạp như: ULINK, J-LINK, CMSIS-DAP, STLINK… em sử dụng Stlink giá thành rẻ debug lỗi tốt Hình 2.1 STM32F103C8T6 Hình 2.2 Mạch nạp ST-link v2 Các thông số kĩ thuật • ARM 32-bit Cortex M3 với clock max 72Mhz • Bộ nhớ: o 64 kbytes nhớ Flash (bộ nhớ lập trình) 20kbytes SRAM Clock, reset quản lý nguồn o • • o Điện áp hoạt động 2,0V -> 3,6V o Power on reset (POR), Power down reset (PDR) programmable voltage detector (PVD) o Sử dụng thạch anh từ 4Mhz -> 20Mhz o Thạch anh nội dùng dao động RC mode 8Mhz 40khz o Sử dụng thạch anh 32.768khz sử dụng cho RTC Trong trường hợp điện áp thấp: o Có mode: ngủ, ngừng hoạt động hoạt động chế độ chờ Cấp nguồn chân Vbat pin để hoạt động RTC sử dụng lưu trữ data nguồn cấp ADC 12bit với kênh cho o • • • o Khoảng giá trị chuyển đổi từ – 3,6V o Lấy mẫu nhiều kênh kênh o Có cảm biến nhiệt độ nội DMA: chuyển đổi giúp tăng tốc độ xử lý khơng có can thiệp sâu CPU o kênh DMA o Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART 7timer o timer 16 bit hỗ trợ mode IC/OC/PWM o timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động với mode bảo vệ ngắt input, dead-time… o watdog timer dùng để bảo vệ kiểm tra lỗi o sysTick timer 24bit đếm xuống dùng cho ứng dụng hàm Delay… • • Hỗ trợ kênh giao tiếp bao gồm: o I2C(SMBus/PMBus) o USART (ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control) o SPIs (18 Mbit/s) o CAN interface (2.0B Active) o USB 2.0 full-speed interface Kiểm tra lỗi CRC 96-bit ID Các cổng vào Hình 2.3 Sơ đồ cổng vào STM32F103C8T6 • Vi điều khiển: STM32F103C8T6 • Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB chuyển đổi thành 3.3VDC qua IC nguồn cấp cho Vi điều khiển Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz Tích hợp sẵn thạnh anh 32Khz cho ứng dụng RTC Ra chân đầy đủ tất GPIO giao tiếp: CAN, I2C, SPI, UART, USB, … • • • • Tích hợp Led trạng thái nguồn, Led PC13, Nút Reset • • Kích thước: 53.34 x 15.24mm Sử dụng với mạch nạp: o ST-Link Mini J-link o USB TO COM o • • Kết nối chân nạp ST-Link Mini Nạp theo chuẩn SWD o TCK — SWCLK TMS — SWDIO o GND — GND o 3.3V — 3.3V o 2.2 Cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ Cặp nhiệt loại K Cảm biến nhiệt độ thermocouple loại K (cặp nhiệt điện loại K) loại thermocouple sử dụng phổ biến ngành công nghiệp Cặp nhiệt điện thiết bị cảm biến nhiệt điện mạch kín bao gồm hai dây kim loại khác nối lại hai đầu Một dòng điện tạo nhiệt độ đầu khác với nhiệt độ đầu lại Đây sở để đo nhiệt độ cặp nhiệt điện Có nhiều loại thermocouple, loại ký hiệu chữ (K, J, E, T, N, R, S, B…) Hình 2.4 Thermocouple loại K ... độ thương mại Ngoài với chế độ điều khiển PID Bộ điều khiển nhiệt độ điều khiển cho nhiệt độ hệ thống với nhiệt độ cài đặt cách nhanh xác Bộ điều khiển cịn điều khiển độ ẩm, áp suất, lưu lượng... chế độ điều khiển mà điều khiển sử dụng kể đến như: điều khiển van on off, điều khiển van tuyến tính, điều khiển PID, điều khiển ON OFF 1.1 Hình 1.1 Bộ điều khiển nhiệt độ thương mại Ngoài với. .. LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 1.1 Tổng quan điều khiển nhiệt độ CHƯƠNG CÁC THÀNH PHẦN BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 2.1 Tổng quan module kit STM32F103C8T6 Các thông