3.1.6. Mạch công suất. Nh ta đã biết, không khí đợc thổi bằng quạt vào buồng đốt trong buồng đốt có phần tử đốt nóng sử dụng điện. ở đây không xét đến tốc độ của quạt gió nên nhiệt độ của lò sấy sẽ thay đổi theo nhiệt lợng toả ra của phần tử đốt nghĩa là thay đổi theo dòng điện chạy qua phần tử đốt. Vì vậy muốn điều khiển nhiệt độ ta phải điều khiển đợc độ lớn dòng điện đi qua phần tử đốt nóng. Có nhiều cách để điều khiển nhng phơng pháp điều khiển bằng 2 Thyristor nối song song ngợc đợc sử dụng nhiều. Nhng nguyên tắc làm việc của 2 Thyristor nối song song ngợc tơng tự nh Triac nên ngời ta thờng thay 2 Thyristor nối song song ngợc bằng Triac. Khi có xung điều khiển tác động vào cực cổng của Triac thì Triac sẽ mở cho dòng đi qua, ta có thể điều khiển góc mở của Triac đảm bảo điện áp cung cấp cho phần tử đốt trong lò sấy thay đổi từ 0 tới giá trị lớn nhất. Và trong h thng iu khin ta phi có tín hiu ng pha v tín hiệu điều khiển. Trong sơ đồ nguyên lý từ điện áp hình sin ta tạo ra đợc một xung vuông trên chân P3.2 (INT0) đồng pha với sóng hình sin. Xung vuông ny s c a n vi iu khin x lý. Xung vuông này sẽ gây ra ngắt trong vi điều khiển. Vi ngt ny vi i u khin ó có th bit thi im bt u mt chu k sin. ta thy góc m chính l thi gian tr ca xung điều khiển so với gốc hình sin. to ra c gúc m , sau khi dùng ngt phát hin gc hình sin ta ch cn np cho Timer ca vi iu khin mt giá tr tng ng vi góc m. Việc điều khiển góc mở cho Triac sẽ đợc lập trình trong vi điều khiển. 3.2. Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch in của hệ thống. Để vẽ mạch nguyên lý và mạch in chúng tôi sử dụng phần mềm orcad 9.2. Đây là một phần mềm rất tiện dụng cho việc thiết kế mạch. Phần mềm orcad gồm 2 phần chính: Capture CIS (Thiết kế mạch nguyên lý) và Layout plus (Tạo mạch in). Víi viÖc lµm m¹ch in, v× m¹ch cã nhiÒu d©y nèi nªn chóng t«i sö dông m¹ch in 2 líp. S¬ ®å nguyªn lý vµ s¬ ®å m¹ch in cña hÖ thèng nh− sau: 3.2.1. S¬ ®å nguyªn lý. Nguon +5V +5V +5V AC2 D4 LED RW_LCD TU BIEN AP AC2 VO C16 104 R11 22K RS_LCD D3 C22 104 +5V C23 104 U6 L7805/TO220 1 2 3 VIN GND VOUT P1.5 -+ D3 BRIDGE 2 1 3 4 75 R13 3K CAM BIEN J6 CON3 1 2 3 J2 CON9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 PHAN TU DOT C15 100uF INT0 R17 Temp C18 104 P3.4 AC1 D7 R15 3K D6 J5 CON2 1 2 J7 CON2 1 2 R3 20K Dien tro keo +5V D5 P3.5 +5V R18 Enable_LCD 1uF U7 4N35 1 6 2 5 4 +5V D4 +5V +5V U8 4N35 1 6 2 5 4 J1 CON16A Female 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 J4 CON1 1 C17 1000uF Q3 TRIAC AC1 +5V D0 P3.6 D2 C21 104 INT0 D1 H×nh 3.13 - S¬ ®å nguyªn lý m¹ch nguån, LCD vµ c«ng suÊt. SW3 D7 Temp Q1 Key1 Key4 R1 630 SCL D6 SDA Key 3 INT1 Key3 +5V Y1 11.0592M P3.7 DB2 C8 1uF Q0 Key 4 P3.5 Vref Vref D2 Key 2 R5 100 RST SW4 RxD C13 104 R8 1K +5V +5V +5V D3 DB7 +5V C9 1uF SW1 C14 104 WR_ADC DB3 CS_ADC Key2 Serial Eprom C2 150p C5 33 C7 1uF P1 CONNECTOR DB9 Male 5 9 4 8 3 7 2 6 1 Key 2 RD_ADC Key 5 Key 7 TxD RS232 RST Q0 R9 4.7k WR_ADC 2.5V U2 AT89C52 9 18 19 20 29 30 31 40 1 2 3 4 5 6 7 8 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 39 38 37 36 35 34 33 32 RST XTAL2 XTAL1 GND PSEN ALE/PROG EA/VPP VCC P1.0/T2 P1.1/T2-EX P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 TxD D5 C3 10uF U3 74148 Dip 16 10 11 12 13 1 2 3 4 5 9 7 6 14 15 16 8 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 EI Q0 Q1 Q2 GS EO VCC GND DB6 P3.4 Q1 SW5 Key 1 U4 MAX232 DIP 16 1 3 4 5 1615 2 6 12 9 11 10 13 8 14 7 C1+ C1- C2+ C2- VCCGND V+ V- R1OUT R2OUT T1IN T2IN R1IN R2IN T1OUT T2OUT R2 10K J3 SIP 8 1 2 3 4 5 6 7 8 U5 24C16 4 5 6 7 8 1 2 3 GND SDA SCL PP VCC S0 S1 S2 U1 ADC0804 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 4 5 1 2 3 +IN -IN AGND VREF/2 GND DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 CLKR VCC/VREF CLKIN INTR CS RD WR +5V DB1 +5V +5V DB5 +5V Key 4 R7 10K 1 2 3 4 5 6 7 8 9 C12 104 INT0 R4 10K R10 4.7k Key 1 SW2 D0DB0 R6 4.7K SCL RD_ADC DB4 C6 104 D1 C10 1uF C11 104 +5V Key 6 INT1 CS_ADC Key 3 C4 33 Key 8 P1.5 INT0 D4 RxD D2 5.1V P3.6 C1 104 D1 1N4148 H×nh 3.14 - S¬ ®å nguyªn lý cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn sÊy n«ng s¶n d¹ng h¹t (m¹ch chÝnh). 3.2.2. Sơ đồ mạch in. Hình 3.15 - Sơ đồ mạch in. 3.3 . Một số thành phần khác 3.3.1. Nguồn nuôi. Nguồn nuôi cho hệ thống bộ xử lý là thành phần không thể thiếu đợc bởi vì không có một hệ thống điện tử hoặc thiết bị điện nào có thể hoạt động mà không có nguồn nuôi. Có nhiều cách khác nhau để thiết kế một nguồn nuôi tuỳ thuộc vào từng mạch điện cụ thể. Trớc hết là thiết bị sẽ hoạt động theo kiểu sách tay hay để bàn để quyết định dùng nguồn nuôi bằng pin hay chỉnh lu từ điện áp lới. Đối với hệ thống này chúng tôi sử dụng nguồn từ lới điện. * Nguồn nuôi từ lới điện: Sử dụng bộ nắn từ mạng lới điện cũng là một khả năng lựa chọn để có một nguồn nuôi thay thế cho pin. Những bộ phận quan trọng của nguồn nuôi lấy từ lới điện là bộ chỉnh lu và khối lọc. Bộ chỉnh lu có thể lắp ráp từ các điôt riêng lẻ (Nh loại 1N4007) hoặc sử dụng loại đã lắp sẵn thành một cầu hoàn chỉnh. Bộ ổn định điện áp. Khi có tải thì điện áp nguồn thờng tụt xuống. Các bộ ổn định điện áp đóng một vai trò quan trọng đối với hoạt động của vi mạch điều khiển vì nó cho phép tạo ra một điện áp ổn định dùng cho bộ xử lý và mạch liên quan ngay cả khi điện áp lối vào có thể thay đổi. Ngày nay các nhà sản xuất đã cung cấp nhiều loại vi mạch ổn định điện áp với giá rất rẻ. Ngời ta có xu hớng lựa chọn bộ ổn định điện áp loại 78xx với 3 chân ra. Bộ ổn định điện áp kiểu này đợc rất nhiều nhà sản xuất cung cấp và cũng có nhiều dạng đóng vỏ khác nhau. Để cấp điện áp nguồn nuôi cho bộ xử lý 8051 ta chọn bộ ổn định điện áp loại 7805 để nhận đợc điện áp +5V ở lối ra. Các vi mạch 7805 thông thờng có thể chịu đợc dòng điện lối ra đến 1A và có thể đợc nuôi bằng điện áp lối 1 chiều trong khoảng 9 đến 20V. Vì vậy trong mạch nguồn, điện áp 220V sẽ đợc chỉnh lu bằng cầu chỉnh lu và cho qua bộ ổn định điện áp 7805 và đầu ra của 7805 ta sẽ đợc điện áp 5V. 3.3.2. Bộ nhớ đặc biệt. ở một số trờng hợp bộ nhớ của vi xử lý không đủ để lu giữ chơng trình nên ta phải sử dụng thêm bộ nhớ ngoài. Chơng trình điều khiển này chỉ là một ứng dụng nhỏ nên không cần sử dụng thêm bộ nhớ ngoài này. Nhng trong mạch vẫn thiết kế thêm bộ nhớ ngoài (Serial Eprom - 24C16) để sử dụng cho phần phát triển sau này. 3.3.3. RS232 và MAX232. Để một thiết bị giao tiếp với máy tính ta cần thông qua cổng COM trên máy tính, vì vậy trên mạch cần có chân cắm RS232. Cổng COM trên máy làm việc với điện áp -12V đến +12V mà vi điều khiển lại làm việc với điện áp trong khoảng 0 - 5V. Vì vậy cần có bộ phận để t ơng thích chúng và đó là MAX 232.Trong khuôn khổ của đề tài không sử dụng đến việc giao tiếp với máy tính nên ở đây chúng tôi không giới thiệu nhiều. ChƯƠng 4 Tổng hợp hệ thống điều chỉnh nhiệt độ khí sấy Một hệ thống điều khiển tự động đều đợc xây dựng theo sơ đồ khối hình 4.1 Hình 4.1 - Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động. X: Tín hiệu vào. Y: Tín hiệu ra. U: Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tợng. E: Sai lệch điều khiển. Z: Tín hiệu phản hồi. Muốn tổng hợp bộ đợc điều khiển cho đối tợng để hệ kín có đợc chất lợng nh mong muốn thì trớc tiên phải hiểu về đối tợng, tức là phải có một mô hình toán học mô tả đối tợng. Ta không thể điều khiển đối tợng khi không hiểu biết hoặc hiểu sai lệch về nó. Kết quả tổng hợp bộ điều khiển phụ thuộc rất nhiều vào mô hình mô tả đối tợng. 4.1. Mô hình toán học mô tả đối tợng. Thông thờng để xây dựng mô hình mô tả đối tợng ngời ta sử dụng hai phơng pháp: phơng pháp lý thuyết và phơng pháp thực nghiệm. Phơng pháp lý thuyết là phơng pháp lập mô hình dựa trên các định luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp của môi trờng bên ngoài. Các quan hệ này đợc mô tả theo quy luật lý - hoá, quy luật cân bằng, dới dạng những phơng trình toán học. Ví dụ đối tợng là các loại động cơ, máy biến áp, máy phát điện, mạch khuếch đại, mạch tích phân, vi phân. Phơng pháp thực nghiệm là dựa trên cơ sở quan sát tín hiệu ra y(t) của đối tợng khi đặt vào đối tợng một tín hiệu đầu vào u(t). Phơng pháp này cần độ chính xác cao nên thờng áp dụng trong phòng thí nghiệm. U Z E X Đối tợng Y Bộ điều khiển Trong đề tài này đối tợng ở đây là nhiệt độ dòng khí. Khi có nguồn cấp cho sợi đốt, nhiệt độ của sợi đốt làm nóng nguồn không khí do quạt thổi tới. Trong khuôn khổ đề tài thực hiện trong phòng thí nghiệm nên ta thực hiện theo phơng pháp thực nghiệm bằng cách: lắp mạch điều khiển vào đối tợng, khởi động quạt gió để cho nó hoạt động ở một tốc độ ổn định. Sau đó đóng trực tiếp nguồn điện 220V lên sợi đốt. Theo nguyên tắc điều khiển Triac thì điện áp trên tải thay đổi từ 0 đến 220V tơng ứng với góc mở thay đổi từ về 0 0 nghĩa là thời gian kích xung sẽ thay đổi từ 10 - 0ms (do tần số điện áp xoay chiều đặt vào Triac là 50Hz nên chu kỳ là 1/50 = 0.02s = 20ms, suy ra nửa chu kỳ tức là từ 0 đến là 10ms). Sau đó dùng đồng hồ bấm giây để đo tín hiệu đầu ra. Nh ta đã biết, nếu tín hiệu đầu vào là hàm 1(t) thì tín hiệu đầu ra là hàm quá độ h(t). ở đây tín hiệu đầu vào là hàm 10*1(t) nên tín hiệu đầu ra là y(t). Tín hiệu ra thu đợc khi làm thực nghiệm đợc thể hiện trong bảng sau: Thời gian(s) Nhiệt độ( 0 C) Thời gian(s) Nhiệt độ( 0 C) Thời gian(s) Nhiệt độ( 0 C) 2.155 1 22.20 20 64.8 31 3.378 2 24.55 21 71.1 32 6.47 5 26.82 22 77.14 33 8 7 29.71 23 85.125 34 9.79 9 33.27 24 93.12 35 11.76 11 37.11 25 98.97 36 13.38 13 41.76 26 107.82 37 15.19 15 46.75 27 116.03 38 16.89 16 51.14 28 125.89 39 18.68 17 54.55 29 138.55 39 24.41 19 57.87 30 Hình 4.2 - Bảng giá trị đo đợc khi làm thực nghiệm. Dựa trên số liệu đo đợc bảng trên ta vẽ đợc hàm quá độ thực nghiệm nh sau: Hình 4.3 - Hàm quá độ thực nghiệm y(t). Dựa vào đồ thị trên, nếu dịch chuyển gốc toạ độ thì hàm y(t) ở đây giống hàm quá độ h(t) của khâu quán tính bậc một. Mặt khác theo kết quả nghiên cứu của một số đề tài thì nhiệt là quá trình có trễ nên hàm truyền của đối tợng sẽ là khâu quán tính bậc nhất có trễ. Với việc đo trên ta không thể biết chính xác đợc thời gian trễ là bao nhiêu nên lấy thời gian trễ bằng cách lấy nhiệt độ thay đổi từ 0 - 1 0 bằng thời gian thay đổi từ 1 - 2 0 (tức là thời gian từ 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 50 100 150 Thi gian Nhit 0 - 1 0 = 3,378 - 2,155 = 1,223s) => = 2,155 - 1,223 = 0.8(s). Nh vậy hàm truyền đạt của đối tợng có dạng: Ts k sG + = 1 )( e s = Ts k + 1 e s.8,0 Để xác định T và k ta làm nh sau: * Khi tín hiệu vào là hàm 1(t) Từ H(s) = s sG )( chuyển đổi Laplace ngợc ta có h(t) = k(1- e T t ). Và nh vậy ở thời điểm T thì h(T)= )1( 1 e k 0,632.k Nói cách khác, tại đúng thời điểm T hàm số h(t) sẽ đạt đợc 63,2% giá trị cực đại. Ta đi đến xác định T nh sau: Kẻ đờng tiệm cận với h(t) tại t = để có k = h() Xác định điểm có tung độ bằng 0,632.k của h(t). Hoành độ của điểm vừa xác định chính là tham số T cần tìm. * Khi tín hiệu vào là hàm A*1(t). Do tín tuyến tính của đối tợng, đáp ứng y(t) tại thời điểm T cũng có giá trị đúng bằng 63,2% giá trị cực đại y() của nó. Nh vậy thuật toán trên vẫn đợc áp dụng khi tín hiệu vào là hàm A*1(t) nh sau: Kẻ tiệm cận với y(t) tại t -> để có y(), sau đó suy ra: k = A y )( Xác định điểm có tung độ bằng 0,632.y() của y(t). Hành độ của điểm cần xác định chính là tham số T cần tìm. Với đồ thị trên y() = 39 => k = 39/10 = 3,9. Sau khoảng thời gian T, tín hiệu đầu ra y(t) sẽ đạt đợc giá trị xấp xỉ bằng 63,2% giá trị cực đại y() của nó, tức là khi đó nó có giá trị: 0,632.y() = 24,468. => T = 36(s) Nh vậy hàm truyền của đối tợng là: G(s) = e s s 8,0 361 9,3 + . độ( 0 C) Thời gian(s) Nhiệt độ( 0 C) Thời gian(s) Nhiệt độ( 0 C) 2.155 1 22.20 20 64.8 31 3. 378 2 24.55 21 71 .1 32 6. 47 5 26.82 22 77 .14 33 8 7 29 .71 23 85.125 34 9 .79 9 33. 27. 33. 27 24 93.12 35 11 .76 11 37. 11 25 98. 97 36 13.38 13 41 .76 26 1 07. 82 37 15.19 15 46 .75 27 116.03 38 16.89 16 51.14 28 125.89 39 18.68 17 54.55 29 138.55 39 24.41 19 57. 87 30 Hình 4.2 -. dòng điện chạy qua phần tử đốt. Vì vậy muốn điều khiển nhiệt độ ta phải điều khiển đợc độ lớn dòng điện đi qua phần tử đốt nóng. Có nhiều cách để điều khiển nhng phơng pháp điều khiển bằng 2