Đề tài điều khiển nhiệt độ của hệ lò ấp trứng sử dụng bộ điều khiển pid và arduino

Nhiệt độ luôn thay đổi với c*c yếu tố môi trường bên ngoài, để ổn đinh được nhiệt độ ở mức đã chọn thch hợp với hệ thống ấp trứng ta c-n phải thiết kế bộ điều khiển nhằm đo và điều chỉnh

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.

HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

-⸙∆⸙ -ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI:

Điều khiển nhiệt độ của hệ lò ấp trứng sử dụng bộ điều

khiển PID và Arduino

GVHD: PGS TS NGÔ VĂN THUYÊN SVTH: Nguyễn Tiến Thành

MSSV: 19151285

Tp Hồ Chí Minh tháng 6 năm2022

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

MỤC LỤC HÌNH ẢNH 4

MỤC LỤC BẢNG BIỂU 5

Chương 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Đặt vấn đề 6

1.2 Mục tiêu đề tài 6

1.3 Giới hạn của đề tài 6

1.4 Nội dung và kế hoạch thực hiện 6

Chương 2 Cơ sở lý thuyết 7

2.1 Các phương pháp ấp trứng 7

2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật ấp trứng: 7

2.2 Cấu trúc lò ấp trứng 8

2.3 Mô hqnh toán hrc 9

2.4 Phương pháp điều khiển nhiệt độ của lò nhiệt 10

2.4.1 Phương pháp điều khiển ON/OFF 10

2.4.2 Phương pháp điều khiển liên tục (PWM) 10

2.4.3 Phương pháp điều khiển Fuzzy 10

2.4.4 Bô y điều khiển PID 11

2.4.5 Phương pháp tối ưu cho lò nhiệt 12

2.5 Cấu trúc 1 lò ấp trứng trong công nghiệp 13

Chương 3 Thiết kế phần cứng 14

3.1 Yêu cầu thiết kế 14

3.2 Đề xuất mô hqnh hệ thống 14

3.3 Lựa chrn thiết bị phần cứng 15

3.3.1 Khối diều khiển trung tâm 15

3.3.2 Khối nhiệt dộ: 16

3.3.3 Khối c~m biến 16

3.3.4 Khối nguồn 18

3.3.5 Khối công suất 18

3.3.6 Vỏ lò ấp 20

3.4 Sơ đồ nối dây 20

Chương 4 Thiết kế phần mền 21

4.1 Yêu cầu thiết kế 21

4.1 Gi~i thuật điều khiển lò nhiệt 21

4.2 Chương trqnh điều khiển 22

Chương 5 Kết qu~ 25

5.1 Kết qu~ phần cứng 25

5.1.1 Mạch phát hiện điểm 0 25

5.1.2 Mạch kích triac 26

5.1.3 Mô hqnh lò nhiệt trong thực tế 27

5.2 Kết qu~ chạy mô hqnh 27

Chương 6 Kết Luận Và Hướng Phát Triển 29

6.1 Kết luận 29

6.1.1 Các công việc đã thực hiện 29

6.1.2 Hạn chế của đề tài 29

6.2 Hướng phát triển 29

Lời c~m ơn 30

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Mô hình hàm truyền lò nhiệt cơ bản 9

Hình 2 Hình (a) đă 'c t(nh ch(nh x*c ,(b) đă 'c t(nh g-n đ.ng 9

Hình 3Cấu tr.c cơ bản bộ điều khiển mờ 10

Hình 4Cấu tr.c bộ điều khiển PID cơ bản 11

Hình 5Cấu tạo lò ấp trức trong công nghiệp 13

Hình 6Đề xuất sơ đồ khối của mô hình 14

Hình 7Arduino Uno R3 15

Hình 8Bóng đèn sợ tóc 100W 16

Hình 9Cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây 17

Hình 10Bộ transmitter 2 dây 17

Hình 11Adapter 24VDC 18

Hình 12Sơ đồ mạch k(ch triac 19

Hình 13Sơ độ mạch Zero detect 19

Hình 14 Thùng xốp 20

Hình 15Sơ đồ nối dây thực tế 20

Hình 16 Lưu đồ điều khiển của hệ thống 21

Hình 17 Mạch PCB ph*t hiện điểm 0 25

Hình 18 Mạch ph*t hiện điểm 0 thực tế 25

Hình 19 Mạch PCB K(ch Triac 26

Hình 20 Mạch k(ch Triac thực tế 26

Hình 21 Mô hình thực tế 27

Hình 22 Đo nhiệt độ phòng bằng serial monitor 27

Hình 23Vẽ đồ thị nhiệt độ phòng bằng serial Plotter 27

Hình 24Kết quả chạy mô hình l-n 1 28

Hình 25Kết quả chạy mô hình l-n 2 28

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Yêu c-u về nhiệt độ 6

Bảng 2Yêu c-u về độ ẩm 7

Bảng 3Bảng luật điều khiển thông số PID 11

Bảng 4Thông số cơ bản của Arduino Uno R3 14

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Trong thời đại 4.0 ngày nay, khoa học và kỹ thuật t*c động cực kì lớn đến đời sống cũng như sản xuất của con người Trong việc trồng trọt và chăn nuôi người ta cũng *p dụngch.ng để đạt được năng suất cao nhất Với những kiến thức em đã được học lý thuyết em mong muốn tạo ra một hệ thống *p Nhiệt độ luôn thay đổi với c*c yếu tố môi trường bên ngoài, để ổn đinh được nhiệt độ ở mức đã chọn (th(ch hợp với hệ thống ấp trứng) ta c-n phải thiết kế bộ điều khiển nhằm đo và điều chỉnh nhiệt độ theo ý mình

Với hệ thống đơn giản như ổn định và điều khiển nhiệt độ ta nên chọn bộ điều khiển PID đơn giản và dung vi điều khiển để điều khiển hệ thống vì có gi* thành rẻ dễ thiết kế và

dể sử dụng

1.2 Mục tiêu đề tài

-Thiết kế được hệ thống ổn định nhiệt độ

-Hệ thống phải đặt và điều chỉnh được nhiệt độ đ-u ra và đọc được nhiệt độ hiện tại của lò ấp trứng

-Đ*p ứng được c*c yêu c-u (về nhiệt độ) quy trình ấp trứng

1.3 Giới hạn của đề tài

Trong đề tài này chỉ thiết kế được mô hình lò *p kh* nhỏ, tạo ra được nhiệt độ để gi.p trứng nở, tuy nhiên đ*p ứng hơi chậm khi sử dụng bóng đèn sợi tóc tạo ra nhiệt độ C*c thông số thu được bằng cảm biến PT100 và bóng đèn sợi đốt

Đề tài cũng chỉ đ*p ứng được một tiêu ch( trong lò ấp trứng đó là điều khiển nhiệt độ.1.4 Nội dung và kế hoạch thực hiện

STT Nội dung công việc Sản phẩm Thời gian

1 Viết đề xuất thiết kế File word đề xuất Trước ngày

c-u thiết kế mạch lò nhiệt

File word b*o c*o 28/3-4/4/2022

(1 tu-n)

4 Chọn thiết bị và giải ph*p C*c thiết bị c-n

thiết b*o c*o file word

4-18/4/2022(2 tu-n)

5 Hoàn thiện mô hình

1 file word tổng hợp

1 video chạy thử môhình

Chương 2 Cơ sở lý thuyết 2.1 Các phương pháp ấp trứng

Có hai phương ph*p ấp trứng ch(nh là ấp trứng bằng phương ph*p thủ công và ấp trứngbằng m*y ấp công nghiệp

Phương ph*p ấp trứng thủ công:

Ấp trứng gia c-m bằng lò ấp dùng c*c nguyên vật liệu và năng lượng sẵn có ở địaphương, không phải ấp bằng m*y công nghiệp Phương ph*p ấp trứng gia c-m mà việcđiều chỉnh chế độ nhiệt độ, ẩm độ qua c*c giai đoạn ấp hoàn toàn nhờ vào kinh nghiệm,cảm gi*c của nguời chủ ấp thì gọi là ấp trứng thủ công

Ưu điểm: đơn giản, dễ lắp đặt, sử dụng những nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên để ấptrứng

Nhược điểm: Phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm và không kh( của môi trường xung quanhnên c-n người có kinh nghiệm nhiều năm trong việc ấp trứng để điều chỉnh môi trườnghợp l( cho trứng nở, tỉ lệ nở con khỏe mạnh thấp (60 – 70 %), vệ sinh lò ấp rất khó khăn, sốlượng ấp bị hạn chế, tốn nhiều công sức và công đọan

Phương ph*p ấp trứng gà bằng m*y ấp công nghiệp: là phương ph*p sử dụng m*y, lò gia nhiệt để điều chỉnh môi trường để ấp trứng

Ưu điểm: dễ dàng can thiệp vào môi trường (nhiệt độ độ ẩm không kh(), tỉ lệ nở conkh* cao (~80%), dễ vệ sinh, số lượng ấp được rất lớn chiếm (t không gian so với phươngph*p thủ công, dễ kiểm so*t sự cố khi ấp trứng

Nhược điểm: C-n kỹ năng sử dụng lò ấp công nghiệp, gi* thành cao hơn phương ph*pthủ công,

2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật ấp trứng:

Nhiệt độ

Bảng 1 Yêu c-u về nhiệt độ

Ngày ấp Nhiệt độ m*y ấp trứng

Độ ẩm th(ch hợp cho ấp trứng cụ thể như sau:

Khi trứng bắt đ-u đưa vào ấp đến ngày thứ 21 nở ra gà con Trứng to nở trễ, trứng nhỏ

nở sớm, thời gian nở chênh lệch 5 - 10 giờ

Đ~o trứng

Trứng được đảo một góc 90 và đảo 2 giờ/l-n

- Ngưng đảo trứng từ ngày thứ 18 sau khi ấp trứng

Nếu 6 ngày đ-u không đảo phôi d(nh vào vỏ không ph*t triển và chết

- Sau 13 ngày không đảo t.i niệu không khép k(n, lượng abumin không vào được bên trongt.i niệu dẫn đến tỷ lệ chết phôi cao, gà mổ vỏ sẽ không đ.ng vị tr(, phôi bị dị hình ở ph-n mắt, mỏ, đ-u

Soi trứng

Kiểm tra loại bỏ những quả trứng trắng, trứng chết phôi để tiết kiệm diện t(ch m*y, đồng thời tr*nh ô nhiễm và x*c định thời điểm phôi chết để có biện ph*p cải thiện chế độ ấp hoặc chất lượng trứng giống tr*nh thiệt hại không c-n thiết

Chỉ tiêu chất lượng trứng đ-u ra

- Tỉ lệ nở con cao

- Trứng nở đ.ng thời gian cho đừng loại kh*c nhau

- Trứng nở ra con khỏe mạnh, không bệnh

2.2 Cấu trúc lò ấp trứng

Cấu tr.c lò ấp trứng bao gồm:

Lò để sản phẩm c-n ấp: Có thể chịu được nhiệt độ từ 0°C-80°C, cao từ 30 cm trở lên để khi trứng nở gà, vịt không thể ra ngoài và để đủ dụng cụ gia nhiệt ở dưới

Cảm biến nhiệt: Đọc được nhiệt độ môi trường trong khoảng 0°C-80°Cđể đọc nhiệt độ lò và hồi tiếp về vi điều khiển bẳng t(n hiệu Analag đã được khuếch đại, dịch mức tạo ra t(n hiệu tốt nhất cho vi điều khiển có thể đọc được Mạch công suất: Tạo góc k(ch cho thiết bị tạo nhiệt, tuỳ vào nhiệt độ lớn hay nhỏ của lò nhiệt để đưa ra góc phù hợp

Thiết bị tạo ra nhiệt độ: Có khả năng đốt nóng, toả nhiệt, tạo ra được nhiệt độ cao

2.3 Mô hqnh toán hrc

Hình 1 Mô hình hàm truyền lò nhiệt cơ bản

Ta có hàm truyền của lò nhiê 't có dạng như sau:

Do t(n hiệu vào là hàm nấc đơn vị (P=100%) nên R(s) = 1s

T(n hiệu ra g-n đ.ng là hàm:

trong đó

Biến đổi Laplace ta được:

Do vậy, *p dụng định lý chậm trễ ta được:

Hàm truyền của lò nhiệt là:

C*c thông số T1, T2 được x*c định bằng phương ph*p thực nghiê'm

Hình 2 Hình (a) đă 'c t(nh ch(nh x*c ,(b) đă 'c t(nh g-n đ.ng

2.4 Phương pháp điều khiển nhiệt độ của lò nhiệt

2.4.1 Phương pháp điều khiển ON/OFF

Đây là dạng điều khiển cổ điển nhưng vẫn còn được sử dụng rộng rãi cho đến ngàynay Phương ph*p điều khiển ON-OFF còn được gọi là phương ph*p đóng ngắt hay dùngkhâu relay có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ở mức tối đacho thiết bị tiêu thụ nhiệt nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt độ đo y(k), ngược lại mạchđiều khiển sẽ ngắt mạch cung cấp năng lượng khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ đo Khi đócông suất cấp cho sợi đốt cũng chỉ có 2 gi* trị (nghĩa là 100% hoặc 0%) Cho nên bộ điềukhiển t*c động ON-OFF còn gọi là bộ điều khiển t*c động 2 vị tr(

Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế t-n số đóng ngắt như sơ đồ khối ở trên: nguồnchỉ đóng khi sai số e(k) > ∆ và ngắt khi e(k) < - ∆ Như vậy, nhiệt độ đo y(k) sẽ dao độngquanh gi* trị đặt w(k) và 2∆ còn được gọi là vùng trễ của relay

2.4.2 Phương pháp điều khiển liên tục (PWM)

Khi yêu c-u về mặt công nghệ trở nên nghiêm ngặt hơn thì hệ thống kiểm so*t nhiệt độcũng c-n đảm bảo nhiệm vụ duy trì nhiệt độ ổn định, đ*p ứng nhanh cho hệ thống gianhiệt

L.c này phương ph*p cổ điển ON/OFF lại bộc lộ nhiều khuyết điểm thuộc về bản chất

cố hữu, không thể cải tiến được Do đó yêu c-u đặt ra là xây dựng một phương thức điềukhiển tối ưu hơn tương th(ch với công nghệ hiện đại Dựa trên nguyên lý điều khiển điện

*p trung bình một c*ch tuyến t(nh và liên tục, kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) đượcđưa vào sử dụng hiệu quả với nhiều đối tượng điều khiển (tốc độ, nhiệt, chất lưu, mômen,

vị tr(…)

Ưu điểm nổi bật nhất của phương pháp PWM là: t-n số đ*p ứng nhanh, giảm sai sốx*c lập, điều chỉnh công suất liên tục và tiết kiệm năng lượng

2.4.3 Phương pháp điều khiển Fuzzy

Hoạt động của một bộ điều khiển mờ phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương ph*p r.t

ra kết luận theo tư duy của con người sau nó được cài đặt vào m*y t(nh trên cơ sở logicmờ

Một bộ điều khiển mờ bao gồm 3 khối cơ bản:

- Khối mờ ho*

- Thiết bị hợp thành

- Khối giải mờ

Ngoài ra còn có khối giao diện vào và ra như:

Hình 3Cấu tr.c cơ bản bộ điều khiển mờ

Khối mờ ho* có chức năng chuyển mỗi gi* trị rõ của biến ngôn ngữ đ-u vào thànhvéctơ µ có số ph-n tử bằng số tập mờ đ-u vào

Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó là sự triển khai luật hợp thành R được xây dựngtrên cơ sở luật điều khiển

Khối giải mờ có nhiệm vụ chuyển tập mờ ngõ ra thành gi* trị y0 (ứng với mỗi gi* trị rõx0 để điều khiển đối tượng)

Giao diện đ-u vào thực hiện công việc tổng hợp và chuyển đổi t(n hiệu vào (từ tương

tự sang số), ngoài ra còn có thể có thêm c*c khâu phụ trợ để thực hiện bài to*n động nhưt(ch phân, vi phân…

Giao diện đ-u ra thực hiện chuyển đổi t(n hiệu ra (từ số sang tương tự) để điều khiểnđối tượng

- Mang t(nh ước lượng trong điều kiện không chắc chắn Chưa có phương ph*p

cụ thể đảm bảo việc lựa chọn tập mờ và luật mờ tối ưu cho bộ điều khiển

- Chất lượng điều khiển hệ thống phụ thuộc vào số luật mờ, chất lượng luật mờ

2.4.4 Bô y điều khiển PID

Hình 4Cấu tr.c bộ điều khiển PID cơ bản

PID là bộ điều khiển vi t(ch phân tỉ lệ với ba khâu l-n lượt là: Khâu tỉ lệ Kp, khâu t(chphân Ki, khâu vi phân Kd

T là thời gian lấy mẫu

Điều khiển tỉ lệ (Kp) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm nhưngkhông loại bỏ sai số x*c lập

Điều khiển t(ch phân (Ki) sẽ loại bỏ sai số x*c lập nhưng có thể làm đ*p ứng qu* độxấu đi

Điều khiển vi phân (Kd) có t*c dụng làm tăng sự ổn định của hệ thống, giảm vọt lố vàcải thiện đ*p ứng qu* độ

Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển khi tăng Kp, Ki, Kd lên hệ thống vòng k(n được tómtắt như sau:

Bảng 3Bảng luật điều khiển thông số PID

Đ*p ứng vòng k(n Thời gian

lên Vọt lố Thời gian x*clập Sai số x*c lập

Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm

Kd Giảm nhỏ Giảm Giảm Không ảnh hưởng2.4.5 Phương pháp tối ưu cho lò nhiệt

Hàm truyền của lò nhiệt là:

Lựa chọn phương ph*p PID:

Điều chỉnh nhiệt độ đặt tối ưu, lò ấp trứng c-n lưu dữ nhiệt độ ổn định=> sử dụng lưu

đồ giải thuật PID điều chỉnh

Scale nhiệt độ tối ưu => sử dụng mạch khuếch đại công suất, dịch mức

Nhận biết nhiệt độ, đưa t(n hiệu về vi xử l( sử l( t(n hiệu =>Sử dụng mạch công suấttriac k(ch góc Anpha th(ch hợp

2.5 Cấu trúc 1 lò ấp trứng trong công nghiệp

Trong công nghiệp người ta sẽ yêu c-u khắt khe hơn về c*c tiêu chuẩn của phươngph*p ấp trứng nên lò nhiệt cũng có một số chi tiết phức tạp hơn gia tăng sản lượng cũngnhư tỉ lệ nở trứng

Hình 5Cấu tạo lò ấp trức trong công nghiệpCấu tạo chung của lò ấp trứng trong công nghiệp:

- (1)(2) dùng để chứa trứng

- (3) bộ điều khiển trung tâm (vi xử lý)

- (4)(5)(6) dung để làm m*t (giảm nhiệt độ), làm khô (giảm độ ẩm)

- (7) là bộ phận dung để gia nhiệt

- (9) là động cơ dung để đảo trứng

- (10) dung để tăng độ ẩm th(ch hợp cho từng giai đoạn

Chương 3 Thiết kế phần cứng 3.1 Yêu cầu thiết kế

- Theo yêu c-u của người dùng về ph-n cứng của hệ thống điều khiển và gi*ms*t nhà k(nh này c-n phải đặt những yêu c-u sau:

- Thiết kế được lò nhiệt ấp được số lượng trứng từ 20-25 quả trong 1 l-n ấp

- Có thể ấp được nhiều loại trứng kh*c nhau như trứng vịt, trứng c.t, trứng gà, …

- Công suất tiêu thụ của hệ thống gia nhiệt tối đa 60W

- Sai số cho phép nằm trong khoảng ±2 ℃

- Có thể thay đổi được nhiệt độ nằm trong khoảng từ 25 -80 ℃ ℃

- Hệ thống ổn định theo nhiệt độ mong muốn người dùng, sai số thấp, thời giannhiệt độ x*c lập vừa đủ để hệ thống hoạt động tốt, …

- Đọc và hiển thị được nhiệt độ của lò, lấy được thông số sau đó cài đặt cho hệthống một c*ch hợp lý

- hợp

- Khối cảm biến: bao gồm cảm biến Pt100 và bộ chuyển đổi t(n hiệu đo giảm sai số của lò nhiệt

- Khối Nguồn: Cấp nguồn cho c*c khối hoạt động

- Khối hiển thị: Hiển thị nhiệt độ đo được và nhiệt độ ch.ng ta đặt để dễ dàng kiểm so*t

1 chân anolog chuyển dổi t(n hiệu từ nhiệt dộ sang t(n hiệu số dể xử lý.

1 chân digital dể xuất t(n hiệu ra cho khối nhiệt dộ

1 chân digital dể nhận t(n hiệu k(ch xung từ bên ngoài

Nguồn ra 5V, 3.3V th(ch hợp cho c*c mạch hoạt dộng bên ngoài.C*c lựa chọn có thể: ARDUINO, PIC16F887A, PIC16F877A, ATMEL AT91, DÒNG 8051,

Dễ sử dụng và đ*p ứng được c*c nhu c-u của mô hình lò nhiê 't

Kết nối với m*y t(nh dễ dàng bằng port USB dễ dàng đổ chương trình vì có c*c thư viê 'n hỗ trợ ở ph-n mền Matlab

Có nguồn 5V để dùng cho c*c thiết bị hoă 'c module kh*c nếu c-n

Thông số ARDUINO R3

Bảng 4Thông số cơ bản của Arduino Uno R3

Vi diều khiển ATmega328 họ 8bit

Ðiện *p hoạt dộng 5V DC (chỉ duợc cấp qua cổng USB)

T-n số hoạt dộng 16 MHz

Dòng tiêu thụ khoảng 30mA

Ðiện *p vào khuyên dùng 7-12V DC

Ðiện *p vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (dộ phân giải 10bit)

Dòng tối da trên mỗichân

+ Ð*p ứng yêu c-u trong dải từ 20 °C-60°C

+ Hệ thống gia nhiệt duy trì liên tục, nhiệt dộ tự nhiên

Chất liệu cảm biến tốt sử dụng được lâu dài

C*c lựa chọn có thể: Đọc nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ LM35, PT100, DS18B20, C~m biến: Pt100

Tổng quan PT100:

RTD là một loại cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt RTD có thiết kế là một thanhkim loại hay dây kim loại mà điện trở của nó phụ thuộc theo sự thay đổi của nhiệtđộ