Nghiên cứu và chế tạo bộ đo lường và giám sát nhiệt độ lò bằng máy tính

MỞ ĐẦU Trong nhiều lĩnh vực sản xuất ngành công nghiệp luyện kim ,chế biến thực phẩm … việc đo khống chế nhiệt độ vấn đề mấu chốt việc định chất lượng đầu sản phẩm.Nắm tầm quan trọng vấn đề nên em tiến hành nghiên cứu chế tạo đo lường giám sát nhiệt độ lị máy tính với mong muốn giải yêu cầu ,em chọn đề tài làm đề tài tốt nghiệp cho Qua đề tài kiến thức học tìm hiểu thể qua đợt bảo vệ đồ án tốt nghiệp cuối khóa.Vì em cố gắng tận dụng toàn kiến thức học trường với tìm tịi nghiên cứu thân để hoàn thành tốt đồ án Do thời gian nghiên cứu làm đồ án không dài kiến thức em cịn hạn hẹp nên khơng thể tránh khỏi thiếu xót em mong quý thầy cô thông cảm Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn Cuối em xin cám ơn thầy Nguyễn Trọng Thắng nhiệt tình giúp đỡ em hồn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực Vũ Quang Hùng CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1.CÁC HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ TRONG CÔNG NGHIỆP Nhiệt độ đại lượng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng hầu hết quy trình cơng nghệ Vì thiết bị đo tồn nơi đời sống kỹ thuật Nhiệt độ đại lượng vật lý biểu thị mức độ nóng lạnh vật thể mơi trường Giá trị nhiệt độ đặc trưng cho lượng động học trung bình chuyển động phần tử vật chất Nó thơng số trạng thái nhiệt Đo phạm trù khoa học Nó trình xác định giá trị đại lượng cách so sánh giá trị với giá trị chuẩn gọi đơn vị đo, để xác định số đo theo công thức : n Q q (1.1) Trong : Q -là giá trị cần đo q -là giá trị đơn vị đo n- số đo Do số đo n không phụ thuộc vào giá trị cần đo Q mà phụ thuộc vào giá trị đơn vị đo q Trên giới đơn vị đo chuẩn sử dụng rộng rãi hệ SI Do chất trình đo xác định chất giá trị đại lượng.Tuy nhiên, kết đo tương đối Độ xác phép đo đánh giá thơng qua giá trị gọi sai số đo Nó giá trị thể sai lệch giá trị đo giá trị chuẩn đại lượng cần đo.Sai số đo thường có hai dạng :sai số tương đối sai số tuyệt đối Sai số tuyệt đối ∆n hiệu số giá trị thực N giá trị đo n đại lượng cần đo xác định theo công thức: ∆n = N- n (1.2) Sai số tương đối tỷ số giá trị sai số tuyệt đối ∆n so với giá trị thực N biểu diễn dạng : n n N (1.3) Giá trị sai số tương đối thường biểu diễn dạng tỉ số phần trăm: δ%=δn.100% (1.4) Phương pháp đo chia thành loại chính: phương pháp đo trực tiếp phương pháp đo gián tiếp Đo trực tiếp giá trị đại lượng cần đo so sánh trực tiếp với đơn vị đo để xác định số đo.Phương pháp đo có độ xác khơng cao bị giới hạn đơn vị đo nhỏ khả nhận biết người đo đồng thời khơng có khả tự động hố Trong cơng nghiệp thường sử dụng phương pháp đo gián tiếp Trong phương pháp giá trị đại lượng cần đo không so sánh trực tiếp với đơn vị đo mà chuyển sang dạng tín hiệu khác Thiết bị thực chức chuyển đổi gọi là cảm biến đo (CBĐ).Tín hiệu cảm biến đo truyền đến thiết bị thứ cấp để gia cơng so sánh với tín hiệu đơn vị xác định số đo n Thiết bị thứ cấp thứ cấp thực công đoạn gọi thiết bị thị đo (CTĐ) Như hệ thống đo công nghiệp tối thiểu gồm thành phần CBĐ CTĐ có sơ đồ mơ tả hình 1.1: Q CBD y CTD n yq Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống đo cơng nghiệp( yq – tín hiệu đơn vị đo) Như để nghiên cứu hệ thống đo công nghiệp phải tiến hành nghiên cứu thành phần Đặc trưng cảm biến đo mối liên hệ tín hiệu y tín hiệu vào Q mơ tả cơng thức y=f(Q) hay dạng bảng giá trị CBĐ đánh giá hoàn hảo mối liên hệ y=f(Q) tuyến tính dạng: y=KQ với K hệ số Đặc tính động học CBĐ đặc trưng Đặc tính biểu thị dải tần số làm việc CBĐ Nếu tần số tín hiệu đo nằm ngồi giới hạn làm việc gây sai số động Tính già hóa tuổi thọ làm việc CBĐ đặc trưng cho khả kéo dài thơìi gian làm việc tin cậy Khi thời gian làm việc vượt khỏi giới hạn tồn sai số phụ già hóa Thiết bị thị đo thực hiên chức gia công số liệu nhận từ CBĐ để xác định giá trị số đo hiển thị số đo xác định Phụ thuộc vào phương pháp gia công số liệu hiển thị kết đo mà hệ thống đo phân loại thành đo liên tục đo số Trong hệ thống đo liên tục giá trị số đo hiển thị kim thang chia độ Đặc trưng thiết bị CTĐ liên tục tốc độ dịch chuyển kim thang chia độ, giới hạn đo độ xác kết hiển thị Tốc độ dịch chuyển kim thang chia độ giá trị đặc trưng tần số giới hạn làm việc CTĐ Sai số CTĐ đặc trưng đại lượng gọi cấp xác thiết bị Cấp xác giá trị tính tỷ lệ phần trăm giá trị sai số cực đại so với giá trị thang đo theo công thức: K Trong đó: K nmax 100 0 nmax nmin (1.5) -cấp xác thiết bị ∆nmax - giá trị sai số cực đại nmax - giới hạn thang đo nmin - giới hạn thang đo Cấp xác phụ thuộc vào khả chế tạo thiết bị thiết bị có cấp xác cao đắt tiền cấp xác cao 0,001 thiết bị ctđ chế tạo với cấp xác chọn dãy sau: k = (1 ; 1,5 ; ; 2,5 ; ; ; ; 6).10n với n = ; ; -1 ; -2 ; -3 Độ xác thiết bị ctđ ∆nmax không phụ thuộc vào cấp xác k mà giới hạn thang đo độ xác cảu phép đo nâng cao chọn thang đo thích hợp Kết đo hệ thống đo số hiển thị bảng số số sợi đốt uốn thành hình số đèn chân không hay số bảy điod phát quang tinh thể lỏng đặc trưng ctđ số ( hệ thống đo số) chu kì lấy mẫu số lượng chữ số hiển thị dãy số chu kỳ lấy mẫu khoảng thời gian cần thiết để thiết bị thực thao tác: rời rạc hố tín hiệu liên tục, lượng tử hố, mã hoá hiển thị kết lên bảng số chu kỳ lấy mẫu đại lượng biểu thị giới hạn tần số tín hiệu liên tục mà thiết bị đo sử dụng để đo bảo đảm độ xác số lượng dãy số hiển thị đặc trưng độ xác kết hiển thị sai số tuyệt đối hiển thị tính nửa mức thay đổi chữ số bậc thấp dãy số Trong nhiều hệ thống đo công nghiệp ngồi cbđ ctđ cịn tồn thiết bị gọi chuyển đổi đo (cđđ) ghép nối xen cbđ ctđ sơ đồ hệ thống mơ tả hình 1.2: Q CBD y CDD y1 CDDn yn n CTD Hình 1.2: Hệ thống đo có chuyển đổi đo Vai trị chuyển đổi đo chuyển tín hiệu từ dạng sang dạng khác cần thiết để thực thao tác lấy ví dụ, chuyển đổi tín hiệu khơng điện cbđ sang tín hiệu điện, chuyển đổi tín hiệu điện áp sang dòng điện hoạc ngược lại v.v…mối liên hệ tín hiệu tín hiệu vào cđđ mơ tả hàm tuyến tính đặc trưng chuyển đổi đo độ nhạy ngưỡng độ nhạy giới hạn chuyển đổi đo phải luôn đảm bảo yêu cầu cần thiết sai số chuyển đổi đo biểu diễn dạng cấp xác tương tự thiết bị ctđ Như vậy, hệ thống đo công nghiệp thường gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp : cbđ, cđđ thiết bị ctđ tiêu quan trọng phải đánh gía sai số kết đo để xác định sai số đo hệ thống, trước hết phải xác định sai số thiết bị bao gồm sai số sai số phụ sai số hệ thống xác định theo công thức: k i n (1.6) i Trong : ∆n – sai số hệ thống ∆i – sai số thiết bị thứ i k – số lượng thiết bị hệ thống Các thiết bị đo công nghiệp thường trang bị cấu để ghi lại kết đo thiết bị đo liên tục kết thường ghi đĩa giấy băng giấy, cịn thiết bị đo số ghi lên đĩa từ băng từ 1.2.CÁC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 1.2.1 cảm biến tiếp xúc thuỷ ngân (nhiệt kế cơng tắc) - Cấu Tạo: Hình 1.3: Cấu tạo nhiệt kế cơng tắc Trong đó: - bầu thuỷ ngân - cột cho thuỷ ngân dâng lên - dây bạch kim - gối vít vơ tận cầu nối tiếp điểm động - trục vít vô tận - bảng đặt nhiệt độ - vỏ - lõi sắt non - nam châm vĩnh cửu 10 - vít định vị nhiệt độ 11 - ổ cắm nhiệt kế 12 - gá nhựa lõi nhiệt kế 13 - êcu đặt t0c có gắn tiếp điểm động 14 - bảng xem nhiệt độ - hoạt động nhiệt kế công tắc: ta xoay nam châm vĩnh cửu sắt non chuyển động theo cho êcu nhiệt độ chạy trục vít, đồng thời thay đổi khoảng cách cặp tiếp điểm mà má lên xuống thuỷ ngân, má dây bạc nhỏ chuyển động lên xuống thuỷ ngân dâng lên chạm dây bạc mạch ngồi đóng mạch cắt điện cho kháng đốt bảng thị phía để nhiệt độ thật tủ 1.2.2 Cặp nhiệt điện - Cấu Tạo: cặp nhiệt điện có cấu tạo gồm hai dây kim loại khác nối với hai mối hàn.suất điện động e phụ thuộc vào chất vật liệu làm dây dẫn Hình 1.4:Cấu tạo cặp nhiệt điện - Nguyên lí làm việc: cặp nhiệt điện cảm biến đo nhiệt độ, chuyển tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp dựa tượng nhiệt điện tượng sau: lấy hai dây dẫn có chất kim loại khác nối chặt lại với hai đầu đốt nóng đầu vòng dây xuất dòng điện dòng điện gọi dòng điện nhiệt xuất dịng nhiệt điện giải thích tượng khuếch tán điện tử tự tồn hai tượng: tượng khuếch tán điện tử tự hai dây dẫn điểm tiếp xúc tượng khuếch tán điện tử dây dẫn có chênh lệch nhiệt độ hai đầu dây Khi hai dây dẫn khác gắn tiếp xúc với nhau, hai dây có số lượng điện tử tự khác nên điểm tiếp xúc có khuếch tán điện tử tự dây có điện tử tự nhiều số lượng tử tự khuếch tán sang dây nhiều khuếch tán ngược lại, thân thiếu điện tử tự mang điện tích dương phía bên dây lại thừa điện tử tự nên mang điện tích âm điểm tiếp xúc xuất sức điện động mà điện trường chống lại khuếch tán điện tử từ dây có số lượng điện tử tự nhiều sang dây có giá trị sức điện động tiếp xúc phụ thuộc vào chất hai dây dẫn nhiệt độ điểm tiếp xúc nhiệt độ tăng hoạt tính điện tử tăng, khả khuếch tán tăng lên, giá trị sức điện động tăng lên Nếu đốt nóng đầu dây dẫn hoạt tính điện từ tự đầu đốt nóng tăng lên có dịng điện khuếch tán từ đầu nóng đến đầu lạnh làm cho đầu nóng thiếu điện tử tự nên mang điện tích dương cịn đầu lạnh thừa điện tử tự nên mang điện tích âm hai đầu dây dẫn xuất sức điện động eB(t,t0) B eAB(t0) t0 t eAB(t) A eA(t,t0) Hình 1.5: Mơ tả hình thành sức điện động vịng dây a-b Hình 1.5 mơ tả hình thành sức điện động vòng dây a-b với điều kiện số lượng điện tử tự dây a (n a) lớn số lượng điện tử tự dây b(nb), đồng thời nhiệt độ đầu tiếp xúc t đầu t t > t0 theo định luật kéc- hôp, sức điện động vòng dây xác định là: e = eab(t) – ea(t,t0) – eab(t0) + eb(t,t0) (1.7) Sức điện động sinh dòng điện chạy vòng dây thực tế giá trị ea(t,t0) eb(t,t0) nhỏ so với eab(t) eab(t0) cơng thức chuyển sang dạng: e = eab(t) – eab(t0) (1.8) 10 Chọn dòng qua transistor quang =30mA nên điện trở hạn dòng R5 =12V / 30mA = 0.4K Chọn R5= 470 Ω Điện trở R1 dùng để hạn dòng cho cực B Q1,diode D1 dùng để xả điện áp ngược cuộn dây relay 3.3 Thiết kế phần mềm 67 3.3.1 Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình máy tính Chương trình Thiết lập biến Thiết lập thông số cho port nối tiếp Đúng Sai Dữ liệu thu Tạo Frame lệnh Xử lý liệu Biên dịch liệu Phát liệu Chương trình Hình 3.7: Lưu đồ thuật tốn chương trình máy tính 3.3.2 Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình vi điều khiển 68 Chương trình Thiết lập biến Khởi động ngắt Dữ liệu thu Sai Đúng Xử lý liệu Biên dịch liệu Phát liệu Chương trình Hình 3.8: Lưu đồ thuật tốn chương trình vi điều khiển 3.3.3.Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình phát thu liệu 69 3.3.3.1.Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình phát lệnh máy tính E Gửi khung lệnh lấy nhiệt độ kit Sai Cờ trả lời ACK Đúng Time out ? Đúng Xóa time out Xóa biến số lần phát Sai Xóa time out Tăng biến số phát Sai Dữ liệu thu ? Sai Số lần phát lần 3? Đúng Đúng Trả lời ACK Lỗi đường truyền Xử lý Dữ liệu Thốt A Hình 3.9: Lưu đồ thuật tốn chương trình phát lệnh máy tính 70 A Gửi khung lệnh lấy trạng thái đèn Sai Cờ trả lời ACK Đúng Time out ? Đúng Xóa time out Xóa biến số lần phát Sai Xóa time out Tăng biến số phát Sai Dữ liệu thu ? Sai Số lần phát lần 3? Đúng Đúng Trả lời ACK Lỗi đường truyền Xử lý Dữ liệu Thốt B Hình 3.10: Lưu đồ thuật tốn chương trình phát lệnh máy tính 71 B Gửi khung lệnh lấy trạng thái đèn Sai Cờ trả lời ACK Đúng Time out ? Xóa time out Xóa biến số lần phát Sai Đúng Xóa time out Tăng biến số phát Sai Dữ liệu thu ? Sai Đúng Số lần phát lần 3? Trả lời ACK Xử lý Dữ liệu Đúng Lỗi đường truyền C Thốt Hình 3.11: Lưu đồ thuật tốn chương trình phát lệnh máy tính 72 Sai Cờ điều khiển đèn=1 ? C Đúng D Gửi khung lệnh đk bật hay tắt đèn Đúng Sai Cờ trả lời ACK Sai Xóa time out Xóa biến số lần phát Đúng Time out ? Xóa time out Tăng biếm số lần phát D Đúng Sai Số lần phát ? Lỗi đường truyền Thốt Hình 3.12: Lưu đồ thuật tốn chương trình phát lệnh máy tính điều khiển đèn 73 Sai Cờ điều khiển contactor =1? D Đúng E Gửi khung lệnh đk Contactor Đúng Sai Cờ trả lời ACK Sai Xóa time out Xóa biến số lần phát Đúng Time out ? Xóa time out Tăng biếm số lần phát D Đúng Sai Số lần phát ? Lỗi đường truyền Thốt Hình 3.13: Lưu đồ thuật tốn chương trình phát lệnh máy tính điều khiển contactor 74 3.3.3.2 Lƣu đồ thuật tốn xử lý liệu máy tính Thủ tục xử lý liệu Đúng Sai Dữ liệu nhận tốt ? A Đúng Frame ACK ? Sai Trả lời ACK Đúng B Sai Cờ nhiệt=1 ? Hiển thị nhiệt Sai Đúng Cờ đèn =1 ? Sai Đúng Hiển thị đèn Cờ cp=1? Hiển thị contactor A Thoát B Dừng timer Xóa biến số lần phát Hình 3.14: Lưu đồ thuật tốn xử lí liệu máy tính 75 3.3.3.3 Lƣu đồ thuật toán nhận liệu kit vi điều khiển Thủ tục xử lý liệu Đúng Sai Sbuf có liệu ? Sai Số byte nhận=0 ? Đúng A Sai Byte đầu khung ? B Đúng Gán địa đầu đệm Nhận vào trỏ liệu Sai Dữ liệu nhận tốt ? Đúng Lưu liệu vào nhớ Tăng trỏ liệu Tăng số byte nhận lên Xử lí liệu Sai Đúng Số byte nhận=5? Số byte nhận =0 Tính FSC Thốt Hình 3.15: Lưu đồ thuật tốn nhận liệu kit vi điều khiển 76 3.3.3.4.Lƣu đồ thuật toán xử lý liệu kit vi điều khiển Thủ tục xử lý liệu Đúng Sai Dữ liệu nhận tốt ? Sai A Đúng địa kit? Đúng Đúng A Frame ACK ? Sai B Trả lời ACK Đúng Sai Lệnh y /c gửi nhiệt độ ? Lấy mẫu nhiệt độ Truyền nhiệt độ Đúng Sai Lệnh y/c gửi trạng thái đèn? Sai Lệnh y/c gửi trạng thái ctt? Đúng Lấy mẫu tín hiệu đèn Truyền tín hiệu đèn Lấy mẫu tt contactor Truyền tt contactor C E D F Hình 3.16: Lưu đồ thuật tốn xử lí liệu kit vi điều khiển 77 C Lệnh y/c điều khiển đèn Lệnh y/c điều khiển ctt Lệnh y/c bật hay tắt đèn Bật Thực bật đèn Tắt Thực tắt đèn Lệnh y/c bật hay tắt ? Bật Thực bật ctt Tắt Thực tắt ctt B Dừng timer Xóa biến số lần phát A Hình 3.17: Lưu đồ thuật tốn xử lí liệu kit vi điều khiển 78 KẾT LUẬN Sau gần tháng thực với nhiều cố gắng nỗ lực thân với tận tình hướng dẫn thầy Nguyễn Trọng Thắng, tập đồ án hoàn thành thời gian theo yêu cầu đặt là:’’ Nghiên cứu hệ thống điều khiển giám sát nhiệt độ máy tính ’’ Nội dung đề tài bao gồm vấn đề sau: * phần kiến thức - khảo sát vi điều khiển 89c51 - khảo sát phương pháp chuyển đổi từ tương tự sang số - cảm biến đo nhiệt độ phương pháp đo nhiệt độ - giao tiếp với máy tính * phần thiết kế –thi công - xây dựng sơ đồ khối mạch đo khống chế nhiệt độ - tính tốn thiết kế khối - xây dựng lưu đồ thuật giải Theo nhận định chủ quan em tập đồ án trình bày tương đối đầy đủ nội dung, kiến thức liên quan, giải yêu cầu đặt ra.Tuy nhiên thời gian trình độ chun mơn có hạn nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Sau lần em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Trọng Thắng quý thầy khoa điện tận tình hướng dẫn dẫn dắt em suốt năm học vừa qua 79 Tài liệu tham khảo 1.Tống Văn On, Hoàng Đức Hải (2001) – Họ vi điều khiển 8051 – Nhà xuất lao động – xã hội 2.Ngô Diên Tập (2000) - Đo lường điều khiển máy tính – Nhà xuất khoa học –kĩ thuật 3.Nguyễn Hữu Phương (2003) – Giáo trình vi mạch số – Trường Đại Học khoa học tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh 4.Dương Minh Trí (1997) – Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn – Nhà xuất khoa học – kĩ thuật 5.Nguyễn Ngọc Tân (1995) – Kĩ thuật đo – Trường Đại Học kĩ thuật Thành phố Hồ Chí Minh 6.Nguyễn Đình Phú, Nguyễn Thị Quỳnh Nga (2002) – Tài liệu thực hành vi điều khiển 8951,8952 – Trường Đại Học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh 80 81