Thiết kế hệ thống tự động đo điều khiển và hiển thị nhiệt độ khí sấy nông sản dạng hạt sử dụng vi điều khiển họ 805

Chuyên đề tốt nghiệp Bùi Văn Nghiêm Mở đầu Nước ta thuộc nhóm nước phát triển với kinh tế nông nghiệp truyền thống Qua nhiều thập niên trở lại nông nghiệp Việt Nam ngày phát triển vững mạnh Hiện nay, kinh tế giới chuyển mạnh sang ngành cơng nghiệp, dịch vụ Việt Nam nơng nghiệp ngành có đóng góp đáng kể vào tổng thu nhập quốc dân Chính mà Đảng Nhà nước coi trọng công công nghiệp hố, đại hố sản xuất nơng nghiệp nơng thơn, nhờ mà ngành nơng nghiệp có bước phát triển vượt bậc, sản lượng thu hoạch từ loại nông sản qua mùa vụ ngày nâng cao Sản xuất nơng nghiệp tăng, địi hỏi cơng nghệ sau thu hoạch phải phát triển mạnh để bảo quản tốt sản phẩm làm Hầu hết sản phẩm nông nghiệp dạng hạt lúa, ngô, đậu, vừng sau thu hoạch cần sấy khô kịp thời tránh hư hỏng nấm mốc, mối, mọt đồng thời đáp ứng yêu cầu cho trình chế biến Trước sản phẩm nông nghiệp dạng hạt sau thu hoạch làm khô phương pháp phơi nắng Nhưng phương pháp hiệu mùa thu hoạch mùa khơ, cịn thu hoạch mà thời tiết mưa liên tục kéo dài sản phẩm khơng phơi khô dẫn đến nảy mầm ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm Vì có phương pháp khác đời để làm khô sản phẩm kịp thời tình hình thời tiết phương pháp sấy Hiện giới có nhiều loại thiết bị sấy đại, có cơng suất lớn giá thành lại q cao đòi hỏi kỹ thuật vận hành phức tạp nên khơng thể đưa loại máy vào cho sản xuất nông nghiệp nước ta Trên thị trường nước ta xuất thiết bị sấy, thiết bị cồng kềnh, nhiệt độ sấy không ổn định đồng thời tự động thay đổi nhiệt độ sấy cần thiết loại hạt ta cần chọn nhiệt độ sấy thích hợp nhằm đạt suất cao, chất lượng tốt tiết kiệm lượng Đặc biệt nông sản dạng hạt mà làm hạt giống yêu cầu độ ổn định nhiệt độ cao suốt trình sấy Mặt khác để dễ dàng cho người sử dụng việc theo dõi nhiệt độ Chuyên đề tốt nghiệp Bùi Văn Nghiêm sấy thay đổi nhiệt độ sấy nhiệt độ sấy nhiệt độ đặt cần phải hiển thị Ngoài hệ thống sấy cịn phải có giá thành rẻ phù hợp với kinh tế nông nghiệp nước ta Nắm bắt u cầu chúng tơi tiến hành nghiên cứu phát triển đề tài: “Thiết kế hệ thống tự động đo, điều khiển hiển thị nhiệt độ khí sấy nơng sản dạng hạt sử dụng vi điều khiển họ 8051” Đề tài gồm năm chương: Chương 1: Tổng quan chung sấy nông sản dạng hạt Chương 2: Họ vi điều khiển 8051 Chương 3: Thiết kế hệ thống tự động điều khiển nhiệt độ khí sấy, đo hiển thị LCD sử dụng vi điều khiển AT89C52 Chương 4: Phần lập trình Chương 5: Kết luận đề nghị Chuyên đề tốt nghiệp Bùi Văn Nghiêm Chương Tổng quan chung sấy nông sản dạng hạt 1.1 Công nghệ sấy nông sản dạng hạt 1.1.1 Cơ sở vật lý trình sấy Sấy trình nước từ vật liệu ẩm khuếch tán, bốc khơng khí xung quanh Q trình thực chênh lệch áp suất nước bề mặt vật liệu môi trường xung quanh Để làm cho lượng ẩm bề mặt sản phẩm bốc cần có điều kiện: Pm >Pk Pm - Pk = ΔP P Pm : áp suất nớc bề mặt vật liệu Pk : áp suất riêng phần nước không khí ΔP P: Động lực q trình sấy Trị số ΔP P lớn lượng ẩm chuyển sang mơi trường xung quanh mạch q trình sấy thực nhanh Như vậy, trình bốc nước khơng khí xung quanh phụ thuộc vào P m Pk, Pm phụ thuộc vào nhiệt độ sấy, độ ẩm ban đầu vật liệu tính chất liên kết nước vật liệu, P k phụ thuộc chủ yếu vào lượng nước có mặt khơng khí Trong vật liệu ẩm nước tồn hai trạng thái: liên kết tự hai dạng ẩm đó, nước khuếch tán bốc khơng khí Nước liên kết giữ lực liên kết hố học lớn nên khó bay Nước bay vật liệu đốt nóng nhiệt độ cao q trình bay thường gây nên biến đổi cấu trúc phân tử vật liệu Do tính chất hút, nhả ẩm vật liệu khơng khí nên độ ẩm khơng khí vật liệu ln có q trình cân động: Nếu Pm >Pk lượng ẩm bề mặt sản phẩm bốc vào không khí Chuyên đề tốt nghiệp Bùi Văn Nghiêm làm cho áp suất bề mặt vật liệu P m giảm xuống Từ vật liệu nước khuếch tán bề mặt bốc thiết lập cân áp suất bề mặt độ ẩm Độ ẩm vật liệu giảm dần theo q trình sấy Theo mức độ khơ vật liệu, bốc chậm dần tới độ ẩm lại vật liệu đạt tới một giá trị đó, cịn gọi độ ẩm cân Wcb, ΔP P = 0, nghĩa P m = Pk trình sấy dừng lại NếuPm < Pk ngược lại vật liệu hút ẩm trình gọi trình hấp thụ nước, diễn độ ẩm vật liệu đạt tới trị số độ ẩm cân dừng lại Quá trình nước từ vật liệu ẩm bay hơi, kèm theo thu nhiệt Vì khơng có đốt nóng, cung cấp nhiệt từ ngồi vào nhiệt độ vật liệu giảm xuống Khi nhiệt độ giảm làm giảm áp suất bề mặt, dẫn đến làm chậm tốc độ bốc nước Do đó, muốn sấy nhanh, phải cung cấp lượng nhiệt từ vào để làm tăng nhiệt độ vật liệu sấy Quy luật thay đổi độ ẩm đánh giá tốc độ sấy, tốc độ khuếch tán nước từ vật liệu khơng khí Tốc độ sấy xác định lượng nước bốc từ 1m bề mặt hay từ 1kg vật liệu ẩm đơn vị thời gian: Us = W Ft hay Us = W Gt Us - Tốc độ sấy, kg/m2.h hay (kg/kg.h) W - Lượng nước bốc từ bề mặt vật liệu có diện tích F(m 2) hay từ G(kg) vật liệu thời gian t(h) Khi tốc độ sấy cao, nghĩa thời gian làm khô vật liệu ngắn, suất thiết bị sấy cao Cho tới chưa có phương pháp hồn chỉnh để tính tốn lựa chọn tốc độ sấy, chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố biến đổi trình sấy Người ta tính tốn tương đối xác sở đường cong Chuyên đề tốt nghiệp Bùi Văn Nghiêm sấy vẽ theo kết thực nghiệm cho loại vật liệu điều kiện định như: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ chuyển động tác nhân sấy, bề dày vật liệu sấy … Mặc dù quy luật thay đổi nhiệt , ẩm phần lớn loại nơng sản có dạng chung đồ thị hình I.1.1 Hình1.1 - Đồ thị trình sấy Căn vào biến thiên tốc độ sấy, chia q trình sấy thành giai đoạn chủ yếu: Giai đoạn (tốc độ sấy không đổi) giai đoạn (tốc độ sấy giảm) Nếu theo trình tự thời gian trình sấy chia theo giai đoạn: Giai đoạn đầu làm nóng vật liệu, ứng với thời gian ngắn t nhằm đưa vật Chuyên đề tốt nghiệp Bùi Văn Nghiêm liệu sấy từ nhiệt độ thấp lên nhiệt độ cao bay giai đoạn nhiệt độ vật liệu tvl tăng nhanh đồng thời tốc độ sấy U s tăng nhanh đồng thời tốc độ sấy Us tăng nhanh độ ẩm vật liệu wvl giảm không đáng kể (đoạn AB) Giai đoạn thứ hai ứng với thời gian t giai đoạn tốc độ sấy khơng đổi Tồn nhiệt từ khơng khí truyền vào cho vật liệu dùng để bốc nước Nhiệt độ vật liệu không đổi nhiệt độ nước bốc ra, độ ẩm vật liệu giảm xuống nhanh (đoạn BC) Tốc độ sấy không đổi vật liệu nhiều nước, lượng ẩm rời đến bề mặt vật liệu để bốc tương ứng với lượng ẩm bốc bề mặt Giai đoạn chủ yếu làm tách lượng nước tự vật liệu, nước bay khỏi bề mặt tương tự bay từ mặt nước tự Giai đoạn cuối ứng với thời gian t2 giai đoạn tốc độ sấy giảm, độ ẩm vật liệu giảm dần (đoạn CD), nhiệt độ vật liệu tăng dần Giai đoạn diễn vật liệu có độ ẩm cân (ứng với điểm D) tốc độ sấy 0, trình sấy dừng lại Nguyên nhân làm cho vận tốc sấy giảm vật liệu khô hơn, tốc độ khuếch tán ẩm vật liệu nhỏ tốc độ bay nước bề mặt phải khắc phục trở lực khuếch tán, đồng thời bề mặt vật liệu phủ lớp màng cứng làm cản trở việc thoát ẩm Cuối giai đoạn này, lượng ẩm liên kết bền bắt đầu tách Nhiệt cung cấp phần để nước tiếp tục bốc hơi, phần để vật liệu tiếp tục nóng lên Nhiệt độ vật liệu sấy tăng lên vật liệu đạt độ ẩm cân nhiệt độ vật liệu nhiệt độ tác nhân sấy (tương ứng với điểm E) Vì vậy, giai đoạn cần giữ nhiệt độ tác nhân sấy không vượt nhiệt độ cho phép vật liệu Trong q trình sấy khơ sản phẩm, tính chất sinh học, lý hoá, cấu trúc học tính chất khác sản phẩm cần phải giữ ngun thay đổi ít, tính chất có ý nghĩa quan trọng, xác định tiêu phẩm chất Để đạt yêu cầu cần phải thực chế độ sấy, nghĩa Chuyên đề tốt nghiệp Bùi Văn Nghiêm phải đảm bảo giá trị thích hợp nhiệt độ, thời gian tốc độ giảm ẩm loại vật liệu không giới hạn cho phép Vì trình sấy cần ý số đặc điểm sau: Nhiệt độ sấy cho phép nhiệt độ tối đa chưa làm ảnh hưởng tới chất lượng Nếu nhiệt độ cao thành phần dinh dưỡng có hạt bị biến đổi Protein hạt bị ngưng tụ, chất bột bị hồ hoá, dầu bị oxy hoá …, dẫn đến giảm giá trị dinh dưỡng sản phẩm, giảm sức nảy mầm hạt giống,… Yêu cầu kỹ thuật sấy nhiệt độ hạt sấy không 60 0C hạt lương thực 50 0C hạt giống Khi độ ẩm đạt tới 25%, nhiệt độ chất mang nhiệt cho phép tới 70 0C, độ ẩm hạt cao 25%, nhiệt độ chất mang nhiệt không 800C Tốc độ giảm ẩm cho phép giới hạn tối đa tốc độ giảm ẩm trung bình chưa gây hư hỏng chất lượng sản phẩm trình sấy Quá trình giảm ẩm sấy kèm theo biến đổi tính chất vật lý, hố học cấu trúc sản phẩm Ví dụ như: trọng lượng riêng, độ bền học tăng, kích thước hình dáng biến đổi gây co kéo, dịch chuyển phận cấu trúc bên trong, biến dạng cấu trúc tế bào, phá vỡ mô,…Nếu sấy với tốc độ nhanh, biến đổi nói xảy mãnh liệt gây rạn nứt sản phẩm dạng hạt Từ làm giảm chất lượng sản phẩm, giảm độ an toàn bảo quản giảm giá trị cảm quan ,… Thời gian sấy cho phép thời gian phép thực trình sấy nằm giới hạn không dài tới mức làm giảm chất lượng hạt nhiệt không ngắn mức làm giảm chất lượng hạt tốc độ giảm ẩm nhanh 1.1.2 Các phương pháp sấy Để tách ẩm khỏi sản phẩm, người ta dùng nhiều phương pháp khác như: phương pháp học (ép máy ép hay máy ly tâm, hút ẩm máy bơm), phương pháp hoá lý (dùng chất hút ẩm canxi clorua, axit sunfuric, silicagen, ) phương pháp nhiệt (tách ẩm vật liệu sang dạng nhờ có tác dụng nhiệt) Phương pháp tách ẩm học đơn giản rẻ tiền khó tách hết lượng ẩm đạt yêu cầu bảo quản thường làm biến dạng sản Chuyên đề tốt nghiệp Bùi Văn Nghiêm phẩm Sấy hoá lý phương pháp phức tạp, tốn phải dùng chất hấp thụ tương đối đắt tiền Vì thực tế sản xuất phương pháp sấy nhiệt áp dụng có hiệu Sấy nhiệt chia làm phương pháp : sấy tự nhiên sấy nhân tạo 1.1.2.1 Sấy tự nhiên Là phương pháp làm khô đơn giản nhất, bao gồm hong gió tự nhiên phơi nắng * Hong gió tự nhiên thường áp dụng cho trường hợp sản phẩm thu hoạch có độ ẩm cao với khối lượng khơng lớn Do có độ ẩm cao nên áp suất nước bề mặt sản phẩm lớn so với áp suất nước riêng phần khơng khí làm cho nước sản phẩm bốc bên ngồi Thời tiết khơ (áp suất nước khơng khí thấp) tốc độ bay nước mạnh ngược lại Vì độ ẩm tương đối khơng khí q lớn đặc biệt sương mù việc hong gió khơng có hiệu Phương pháp có ưu điểm đơn giản tốc độ bay chậm, thời gian kéo dài khó giảm độ ẩm tới mức cần thiết để bảo quản Do phương pháp áp dụng để làm giảm ẩm sơ cho sản phẩm thu hoạch chưa kịp phơi sấy để tránh sẩy thối mốc hay mọc mầm * Phơi nắng phương pháp sấy tự nhiên lợi dụng nhiệt xạ mặt trời để làm khô sản phẩm Nguyên lý phương pháp sấy ánh nắng mặt trời sản phẩm hấp thụ lượng xạ tia mặt trời làm tăng nhiệt độ áp suất bề mặt sảy q trình bốc nước từ hạt vào khơng khí làm hạt khơ dần Phương pháp có ưu điểm đơn giản, tận dụng nguồn lượng thiên nhiên có nhược điểm ln phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, sản phẩm khô hông đồng đều, tốn nhiều công sức không khí hố 1.1.2.2 Sấy nhân tạo Sấy nhân tạo thực nhờ có tác nhân sấy đốt nóng (khói lị khơng khí…), chúng tiếp xúc trực tiếp gián tiếp với vật liệu, đốt nóng hút nước Chuyên đề tốt nghiệp Bùi Văn Nghiêm Q trình tốn nhiều lượng Tuy phương pháp phương pháp làm khô khối lượng sản phẩm lớn thời gian ngắn với điều kiện thời tiết tách hết độ ẩm liên kết bền vững khỏi sản phẩm cần thiết 1.1.3 Hệ thống sấy nông sản dạng hạt 1.1.3.1 Đặc điểm chung hệ thống sấy nông sản dạng hạt Hệ thống sấy nông sản dạng hạt giống hệ thống sấy nông sản khác, gồm phận chính: phận tạo áp cấp nhiệt cho trình sấy, phận lọc làm hồ trộn hỗn hợp khí nóng trước khí nóng đưa vào buồng sấy qua sản phẩm sấy, buồng sấy Hình 1.2 sau sơ đồ cấu trúc hệ thống sấy nông sản dạng hạt: Khâu cấp nhiệt Bộ phận làm hòa trộn hỗn hợp Khâu tạo áp quạt gió Buồng sấy Hình 1.2 - Sơ đồ cấu trúc hệ thống sấy nông sản dạng hạt * Bộ phận cấp nhiệt Đây khâu cấp nhiệt cho hệ thống sấy, nguồn lượng cung cấp cho khâu nhiều đa dạng tuỳ thuộc vào mạnh vùng mà chọn dạng lượng phù hợp Việc tận dụng, sử dụng phế thải sản xuất nông nghiệp, công nghiệp vỏ trấu, bã mía, gỗ vụn, mùn cưa, than làm nguồn cung cấp lượng thuận lợi sẵn có hay mua với giá rẻ, phế thải sản xuất giúp đẩy nhanh trình sản xuất hạ giá hành sản phẩm nông sản sấy Với yếu tố thuận lợi chọn làm nguồn lượng sấy đem áp dụng mà phải xét đến tính kỹ thuật, xa tác động tới môi trường, có nhược điểm khơng thể đảm bảo khói bụi Chuyên đề tốt nghiệp Bùi Văn Nghiêm tác nhân sấy, hiệu suất nhiệt khơng cao, khó khăn việc điều chỉnh nhiệt độ sấy, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nơng sản Ta sử dụng than bùn Angtraxit làm nguồn lượng Nó có ưu điểm bật so với sử dụng phế thải nơng cơng nghiệp bụi hơn, dễ dàng cho việc lọc bụi hoà trộn với khơng khí vào buồng sấy Mặt khác việc sử dụng nguồn lượng kinh tế có sẵn, giá thành hợp lý chấp nhận được, song độ đồng q trình sấy khơng cao Ngồi có nhiều thiết bị sấy sử dụng nguồn lượng gas, điện… hệ thống không cần phận làm khí sấy nên hệ thống sấy đơn giản bất lợi thiết bị sấy yêu cầu vận hành cao, đầu tư lớn, phù hợp với sản suất công nghiệp hay thử nghiệm phịng thí nghiệm chưa thể áp dụng rộng rãi vào sản xuất Tóm lại thiết bị sấy nằm đơn lẻ , không sử dụng thường xuyên, suất khơng lớn dùng điện, gas làm nguồn lượng Nếu thiết bị sấy nằm vùng nông thôn, vùng xa xôi hẻo lánh, công suất điện hạn chế nên dùng than đá hay phế liệu nông nghiệp làm nguồn lượng * Bộ phận làm hoà trộn khí sấy Bộ phận làm cho hỗn hợp khí sấy đảm bảo tiêu chuẩn nhiệt độ nồng độ bụi Đây phận cần thiết với thiết bị sấy sử dụng lượng từ than đá hay phế liệu nơng nghiệp phận cịn thiết bị sử dụng lượng điện gas phận không cần * Bộ phận tạo áp Để đẩy khí nóng từ phận tạo nhiệt vào buồng sấy cần phải có phận tạo áp áp suất tạo từ phận tạo áp phải đủ lớn để đẩy dịng khí qua kênh dẫn đồng thời phải thắng trở lực khối hạt sấy Giải pháp hữu hiệu cho vấn đề sử dụng quạt gió để làm phận tạo áp Có hai quạt thường dùng để tạo áp: • Quạt ly tâm 10