BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC PHƯƠNG ĐÔNG KHOA CNTT&TT BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG NHÚNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MÁY ẤP TRỨNG TỰ ĐỘNG, ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ - ĐỘ ẨM Giảng viên : Trần Thị Lụa L
LÝ THUYẾT
Câu 1 Nêu quá trình hình thành nhóm và nhiệm vụ của từng thành viên trong nhóm.
Quá trình hình thành nhóm bắt đầu khi cô giáo phân chia học sinh thành các nhóm đồng đều theo danh sách Sau đó, các thành viên trong mỗi nhóm đã tạo một nhóm Zalo để cùng nhau thảo luận về đề tài đã được giao.
- Nhiệm vụ của từng thành viên trong nhóm:
+ Nguyễn Văn Ninh: Nghiên cứu code, mô phỏng mạch điện và nguyên lý hoạt động của các cảm biến.
+ Trần Việt Hưng: Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các cảm biến. + Dương Mạnh Hùng: tìm kiếm tài liệu và chỉnh sửa văn bản thuyết trình.
Câu 2 Nêu một số vấn đề khi lựa chọn đề tài và cách giải quyết vấn đề của nhóm.
- Khi đã vào chung một nhóm và các thành viên bắt đầu đưa ra các ý tưởng của mình thì gồm có 3 giai đoạn:
Giai đoạn đầu tiên của quá trình làm việc nhóm là thời điểm các thành viên gặp khó khăn trong việc phát triển ý tưởng, chưa xác định được mục tiêu rõ ràng cũng như phương pháp thực hiện bài tập lớn Sau một thời gian tìm hiểu, giai đoạn thứ hai bắt đầu diễn ra khi các thành viên bắt đầu chia sẻ ý tưởng của mình, dẫn đến sự xuất hiện của những ý kiến trái chiều.
Câu 3 Kế hoạch thực hiện bài tập lớn của nhóm.
Sau khi nhận được sự phê duyệt từ thầy về đề tài nhóm, các thành viên sẽ bắt đầu nghiên cứu và thực hiện bài tập lớn theo kế hoạch đã đề ra.
Nhóm dự định sẽ dành ra 3 – 4 ngày để nghiên cứu và tìm hiểu về các tài liệu liên quan đến ý tưởng của cả nhóm.
Sau khi tìm được tài liệu phù hợp, nhóm sẽ thảo luận về các ý tưởng thu thập được, đánh giá các mặt tích cực, tiêu cực và những hạn chế gặp phải Nhóm sẽ chọn lọc các ý kiến được đánh giá cao nhất để tiến hành làm bài, giai đoạn này kéo dài khoảng 5 – 7 ngày.
Sau khi thống nhất các ý tưởng, công việc sẽ được phân công cho từng thành viên Mỗi thành viên sẽ nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn về những ý tưởng được giao Giai đoạn này thường kéo dài từ 2 đến 3 ngày.
Sau 2 – 3 ngày, các thành viên sẽ nộp tài liệu để cùng nhau tổng hợp thành một bản báo cáo tạm thời Giai đoạn này nhằm phát hiện những khuyết điểm và thiếu sót còn tồn tại trong bài viết, và sẽ diễn ra trong khoảng 1 – 2 ngày.
Sau khi hoàn thiện các ý tưởng chính, nhóm sẽ tập trung vào các chi tiết quan trọng như thiết kế mạch điện và viết mã Giai đoạn này thường kéo dài từ 3 đến 4 ngày.
Cuối cùng, sau khi hoàn tất tất cả các bước, nhóm sẽ tổng hợp lại để đảm bảo bài báo cáo đã hoàn chỉnh Người phụ trách sẽ nhập dữ liệu vào Word và PowerPoint để hoàn thành báo cáo, quá trình này mất khoảng 1 đến 2 ngày.
Câu 4 Sử dụng sơ đồ tư duy để tóm tắt nội dung các phần trong đề tài.
Hình 1.1: Sử dụng sơ đồ tư duy để tóm tắt nội dung
NỘI DUNG DỀ TÀI
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU MÁY ÁP TRỨNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ - ĐỘ ẨM BẰNG ARDUINO
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Điều khiển tự động đã trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống hiện đại, đặc biệt trong việc kiểm soát nhiệt độ Để thực hiện điều này, chúng ta cần sử dụng các thiết bị như cảm biến, rơle và ADC Một trong những ứng dụng quan trọng của điều khiển tự động nhiệt độ là trong lò ấp trứng công nghiệp, nơi mang lại tỉ lệ ấp thành công cao và hiệu quả kinh tế lớn.
Vì vậy hệ thống lò ấp trứng công nghiệp ứng dụng rộng rãi trong phát triển kinh tế địa phương.
Mục tiêu
- Hiểu được cấu tạo và nguyên lí hoạt động của máy ấp trứng tự động đang có trên thị trường hiện nay.
- Hiểu và nắm bắt được các thiết bị cảm biến thông dụng hiện nay và cách sử dụng của chúng.
- Mở rộng nguồn kiến thức về code khi làm việc với các thiết bị cảm biến.
- Áp dụng được thuần thục những kiến thức có được để đưa vào bài đồ án để có được hiệu quả tốt nhất.
Nội dung nghiên cứu
Để giải quyết vấn đề trên ta sử dụng phương pháp hiện đại dùng cảm biến và vi xử lý.
+ Dùng dây meso hoặc bóng đèn cung cấp nhiệt Điều khiển và ổn định nhiệt độ bằng vi xử lý.
Nguyên lý làm việc của hệ thống lò ấp trứng dựa vào cảm biến nhiệt độ và độ ẩm Cảm biến nhiệt độ sẽ đo nhiệt độ trong lò ấp và gửi tín hiệu đến khối điều khiển thông qua rơle, từ đó điều chỉnh hệ thống nhiệt Đồng thời, cảm biến độ ẩm sẽ theo dõi độ ẩm trong lò ấp, giúp khối điều khiển bật tắt relay thiết bị phun sương để duy trì môi trường ấp trứng ổn định.
Phương pháp này có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng đo và điều khiển nhiệt độ chính xác, tỷ lệ nở cao và hiệu quả kinh tế vượt trội Nó đặc biệt phù hợp cho sản xuất quy mô lớn và thường được áp dụng trong các lò ấp công nghiệp.
+ Nhược điểm: cần phải có kiến thức sâu rộng điện tử, cảm biến, vi xử lý, lập trình.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về máy ấp trứng tự động
2.1.1 Lịch sử phát triển của máy ấp trứng:
Phương pháp ấp trứng nhân tạo cổ xưa nhất được cho là xuất phát từ Ai Cập, theo ghi chép của sử gia Hy Lạp Diodorus Siculus từ năm 80 đến 20 trước công nguyên Các tác giả như Aristotle và Pliny cũng đề cập đến việc người Ai Cập đã sử dụng một loại "lò" đặc biệt để ấp trứng gia cầm, mặc dù quy trình cụ thể vẫn chưa được rõ ràng Điều đáng chú ý là phân lạc đà đã được sử dụng để cung cấp nhiệt cần thiết cho quá trình ấp trứng.
Vào thế kỷ 16, nhiều nhà phát minh đã nỗ lực chế tạo máy ấp trứng theo phương pháp của người Ai Cập, trong đó Jean Baptiste Della Porta là người đầu tiên thực hiện vào năm 1588 tại Ý, nhưng đã bị Tòa án Dị giáo Tây Ban Nha ngăn cản Tại Mỹ, Lyman Byce, một thanh niên 26 tuổi người Canada, đã phát minh ra lò ấp điều khiển nhiệt độ khi đến Petaluma để chữa bệnh.
Năm 1879, cùng với nha sĩ địa phương Isaac Dias, một lò ấp đã được phát minh, đánh dấu bước tiến đột phá trong ngành công nghiệp gia cầm Mỹ Sự phát triển này nhanh chóng đưa Petaluma trở thành "Rổ trứng của thế giới".
Trong bối cảnh nền công nghiệp không ngừng phát triển, lò ấp trứng đã được cải tiến mạnh mẽ, mang lại hiệu quả và năng suất cao hơn nhiều so với các phiên bản ban đầu Sự tiến bộ này là kết quả của nhiều năm nghiên cứu và phát triển.
Hình 2 2 Máy ấp trứng hiện đại
Kỹ thuật ấp trứng đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được tỷ lệ nở cao Để đảm bảo kết quả ấp nở tốt, cần thực hiện cẩn thận từng bước trong quy trình ấp trứng.
2.1.2.1 Thu trứng, bảo quản trứng
Thu trứng 3-5 lần/ngày để tránh trứng bị bẩn, bị dập, vỡ do bị gà dẫm
Bảo quản trứng là một quá trình quan trọng để đảm bảo sự phát triển của phôi Sau khi đẻ, phôi trong trứng bắt đầu phát triển sau 24 giờ, nhưng sẽ ngừng phát triển nếu nhiệt độ dưới 24°C Trong 6 giờ đầu sau khi đẻ, trứng cần được đưa vào phòng bảo quản với nhiệt độ thấp hơn 24°C Đối với việc bảo quản trong một tuần, nhiệt độ nên duy trì ở mức 15-16°C, và nếu bảo quản lâu hơn, nhiệt độ cần giảm xuống 12-13°C Việc kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong phòng bảo quản là rất quan trọng, với độ ẩm nên giữ ở mức 80-85% Trước khi đưa trứng vào máy ấp, trứng cần được làm ấm lại trong 4-8 giờ bằng cách xếp lên giá đế trong phòng ấp.
Thời gian ấp nở của trứng gia cầm biến đổi tùy theo giống loài Cụ thể, trứng gà thường nở sau 21 ngày, trong khi trứng vịt mất khoảng 28 ngày để nở Đối với trứng ngan, thời gian ấp nở là 35 ngày, và trứng đà điểu cần từ 42 đến 45 ngày để hoàn tất quá trình nở.
Trong quá trình ấp nở trứng, việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, thông thoáng và lưu thông không khí là rất quan trọng Đối với máy ấp điện quy mô nhỏ tại gia đình, cần tuân thủ quy trình vận hành để đảm bảo hiệu quả ấp nở.
Mặc dù máy ấp có nhiệt kế và hệ thống điều khiển tự động, việc theo dõi nhiệt độ vẫn rất quan trọng Chúng ta cần thường xuyên quan sát và điều chỉnh nhiệt độ bằng rơle điện để đảm bảo quy trình ấp diễn ra đúng cách, từ đó nâng cao tỷ lệ thành công trong việc ấp trứng.
Máy ấp hiện đại được trang bị hệ thống điều hòa ẩm độ tự động thông qua việc phun sương, trong khi máy bán tự động do người dùng tự thiết kế và lắp ráp sử dụng khay nước để điều chỉnh độ ẩm Trong khoang máy, khay nước thường được đặt ở phía dưới với kích cỡ khác nhau; khay lớn được sử dụng khi cần độ ẩm cao và khay nhỏ cho độ ẩm thấp Quạt trong máy sẽ thổi không khí lên bề mặt nước trong khay, giúp nước bốc hơi và tạo ra độ ẩm cần thiết cho quá trình ấp trứng.
- Thông thoáng và lưu thông không khí: Hệ thống quạt và cửa sổ hoa thị sẽ
Hình 2.3 Quy trình ấp trứng của một số gia cầm thông dụng
Tìm hiểu các thiết bị có thể sử dụng trong hệ thống
2.2.1.1 Cảm biến nhiệt độ a) Cặp nhiệt điện (Thermocouples)
- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV).
- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao.
- Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
Hình 2 4 Cấu tạo của Thermocouples
Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng (hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn) Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu đo và bộ điều khiển cho thích hợp.
Dây của cặp nhiệt điện thường không đủ dài để kết nối với bộ điều khiển, điều này có thể dẫn đến sự không chính xác trong việc đo lường Để khắc phục vấn đề này, chúng ta cần thực hiện các biện pháp bù trừ phù hợp.
Khi sử dụng loại cảm biến này, cần lưu ý không nối thêm dây, vì tín hiệu đầu ra là mV và việc nối dây sẽ tiêu hao nhiều năng lượng Dây cảm biến nên được để thông thoáng, tránh tiếp xúc với môi trường đo Cuối cùng, việc kiểm tra cẩn thận Offset của thiết bị là rất quan trọng.
- Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là điện áp (có cực âm và dương) do vậy cần chú ý kí hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng.
Hình 2 5 Hình cặp nhiệt điện b) Nhiệt điện trở
Nhiệt điện trở RTD độ nhạy cao có cấu tạo đặc biệt, cho phép đo dải nhiệt rộng Các loại phổ biến bao gồm 100, 200, 500 và 1000 ohm tại 0 oC Điện trở càng cao thì độ nhạy với nhiệt độ càng lớn.
- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây.
- Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số
Cảm biến RTD mang lại trải nghiệm sử dụng dễ chịu hơn so với Thermocouple Người dùng có thể dễ dàng nối thêm dây cho RTD, miễn là dây được hàn kỹ, chất lượng tốt và có khả năng chống nhiễu Bên cạnh đó, RTD cũng cho phép thực hiện đo kiểm bằng VOM một cách thuận tiện.
- Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây. c) Thermistor
- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxit kim loại: mangan, nikel, cobalt,…
- Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
- Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo.
- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.
- Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.
Thermistor là một loại cảm biến nhiệt độ được chế tạo từ hỗn hợp các bột oxit Các bột này được trộn theo tỷ lệ và khối lượng cụ thể, sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao Đặc biệt, mức độ dẫn điện của hỗn hợp này sẽ biến đổi khi nhiệt độ thay đổi.
- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ;
Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng nhất là loại NTC.
Thermistor chỉ hoạt động tuyến tính trong khoảng nhiệt độ từ 50-150 độ C, vì vậy chúng ít được sử dụng làm cảm biến đo nhiệt Thay vào đó, thermistor thường được áp dụng trong các mục đích bảo vệ và ngắt nhiệt.
Khi chọn Thermistor, cần lưu ý đến nhiệt độ môi trường, đặc biệt là hai loại PTC và NTC (thường được gọi là thường đóng và thường hở) Việc kiểm tra Thermistor có thể thực hiện dễ dàng bằng đồng hồ VOM.
- Nên ép chặt vào bề mặt cần đo.
- Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ.
Cảm biến bán dẫn hiện nay đã được cải tiến nhờ sự phát triển của công nghệ bán dẫn, mang lại nhiều ưu điểm như độ chính xác cao, khả năng chống nhiễu tốt và hoạt động ổn định Bên cạnh đó, mạch điện xử lý của cảm biến này cũng đơn giản và chi phí thấp, giúp người dùng dễ dàng ứng dụng trong các hệ thống đo nhiệt độ.
Các cảm biến nhiệt độ thường gặp bao gồm diode và các loại IC như LM35, LM335, LM45 Nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên sự thay đổi của nhiệt độ, dẫn đến sự thay đổi của điện áp Điện áp này được tạo ra từ việc phân áp một điện áp chuẩn có sẵn trong mạch.
Hình 2 9 IC cảm biến nhiệt LM3
Hình 2 10 Cảm biến nhiệt dạng Diode
Cảm biến nhiệt Bán Dẫn được làm từ các thành phần bán dẫn, do đó chúng có độ bền kém và không chịu được nhiệt độ cao Việc vượt quá ngưỡng bảo vệ có thể dẫn đến hư hỏng cảm biến.
Cảm biến bán dẫn chỉ hoạt động tuyến tính trong một khoảng giới hạn nhất định; ngoài dải này, cảm biến sẽ không còn hiệu quả Do đó, việc chú ý đến tầm đo của loại cảm biến này là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác.
- Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh.
Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
- Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.
- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
- Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.
- Các loại cảm biến phổ biến:
- Ngõ ra là dòng điện
- Nguồn cung cấp Vcc: 4ơơ đến 30 VDC
- Phạm vi hoạt đông: -55 0C đến 1500C
- Phạm vi hoạt động: -550C đến 1500C
- Loại này ít dùng vì độ chính xác thấp
- Ngõ ra là điện áp
- Dòng làm việc 400uA đến 5mA
- Phạm vi hoạt động: -550C đến 1500C
- Ở nhiệt độ 250C sai số không quá 1%.
- Dũng làm việc 400àA đến 5mA
2.2.1.2 Cảm biến dộ ẩm Độ ẩm có mặt khắp mọi nơi trong khí quyển Độ ẩm đóng vai trò quan trọng đối với cơ thể sống Việc đo độ ẩm khó khăn hơn việc đo các đại lượng khác như lưu lượng, nhiệt độ, mức và áp suất Lý do chủ yếu là giới hạn độ ẩm rất rộng từ vài phần triệu đến hơi nước ở 100oC Do vậy cần có nhiều kỹ thuật và dụng cụ đo độ ẩm khác nhau, vấn đề là cần chọn kiểu cảm biến và phương pháp đo thích hợp đối với từng hoàn cảnh cụ thể Các thông số đặc trưng cho độ ẩm: Áp suất hơi bão hòa Ps(T) là áp suất hơi nước ở trạng thái cân bằng với nước ở nhiệt độ T đõy là giỏ trị lớn nhất mà ỏp suất riờng phần Pơv cú thể đạt tới ở nhiệt độ T, trên áp suất này sẽ xảy rag hiện tượng ngưng tụ. Độ ẩm tương đối RH% là tỉ số giữa áp suất riêng của hơi nước và áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ T.
Nhiệt độ tạo sương Td (oC) là nhiệt độ cần phải làm lạnh không khí ẩm xuống tới đó để đạt được trạng thái bão hòa
Áp suất hơi bão hòa Pv bằng áp suất hơi Ps tại nhiệt độ cân bằng Td Nhiệt độ ẩm Th (độ C) đại diện cho nhiệt độ cân bằng giữa nước hóa hơi và không khí, trong đó nhiệt lượng cần thiết để quá trình hóa hơi xảy ra được duy trì.
2.2.2.1 Cảm biến DHT11 – cảm biến dộ ẩm và nhiệt độ
Cảm biến có điện áp hoạt động từ 3V đến 5V (DC) và dải độ ẩm hoạt động từ 20% đến 90% RH với sai số ±5% RH Nhiệt độ hoạt động của cảm biến nằm trong khoảng từ 0°C đến 50°C với sai số ±2°C Tần số lấy mẫu tối đa đạt 1 Hz và khoảng cách truyền tối đa là 20m.
Hình 2 11 Cảm biến độ ẩm-nhiệt độ DHT11
Cấu tạo của máy ấp trứng
3.1.1 Thùng máy và giàn khay trứng
Thùng máy thường có hình hộp bằng gỗ, được bọc tôn hoặc nhôm ở mặt đáy để tăng độ cứng vững Thiết kế bao gồm cửa lớn phía trước để dễ dàng đưa trứng vào và ra, cùng với cửa thoát gió và khí thải để đảm bảo thông thoáng trong quá trình hoạt động.
Giàn là một bộ khung, thường bằng kim loại, để đặt các khay trứng Giàn thường có 2 kiểu: giàn trống và giàn tầng.
Khay xếp trứng ấp, thường có hình chữ nhật và được làm từ gỗ, kim loại hoặc nhựa, có chức năng giữ trứng an toàn Các thanh ngăn trên khay có thể điều chỉnh khoảng cách giữa chúng, giúp phù hợp với kích thước khác nhau của các loại trứng.
3.1.2 Bộ tạo nhiệt và bộ điều nhiệt.
Bộ tạo nhiệt làm việc theo các nguyên lý sau:
- Bằng nước nóng: nước đun ngoài đổ vào bình tạo nhiệt đặt trong máy, phía trên của máy.
- Nước nóng đun bằng đèn dầu: nước nóng lưu thông theo ống dẫn trong máy bằng cách đối lưu để cấp nhiệt cho trứng.
- Bằng dây điện trở: dùng các dây điện trở đốt nóng, khi có dòng điện qua sẽ toả nhiệt cho máy.
Bằng đèn cung cấp điện cho bóng đèn sợi đốt, tạo ra nhiệt cho máy ấp khi có dòng điện chạy qua Trong máy ấp trứng sử dụng nước nóng và đèn dầu, bộ cảm biến nhiệt kiểu bầu ête được sử dụng để điều chỉnh bộ phận đóng mở ống khói nóng của đèn dầu, giúp tự động điều chỉnh nhiệt độ hiệu quả.
Làm việc theo nguyên lý sau:
Máy phun sương sử dụng relay mudol 5V 1 kênh để điều khiển qua board mạch Arduino Khi độ ẩm thấp hơn mức tiêu chuẩn, máy sẽ tự động kích hoạt để phun sương, tạo độ ẩm cần thiết Ngay khi đạt đủ độ ẩm, máy sẽ tự động ngắt điện.
3.1.4 Bộ thông gió và bộ điều gió.
Bộ thông gió trong máy ấp trứng sử dụng quạt hướng trục, được lắp đặt ở giữa thành sau của máy Cửa hút gió gần trục quạt có nắp điều gió có thể điều chỉnh độ mở bằng tay, trong khi cửa thoát gió thường nằm trên nóc hoặc ở thành trước máy, cũng được trang bị nắp điều gió và điều chỉnh bằng tay.
Thường bao gồm: những bộ khởi động từ, những cụm tiếp điểm tổng,những rơle điện từ, cầu chì, nút bấm, cụm đầu nối điện…