Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hệ thống khả trình trên chip (PSoC) điều khiển tự động nhiệt độ, độ ẩm trong chế biến bảo quản các loại rau quả, thực phẩm

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI  NGUYỄN THANH NINH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP (PSoC) ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG NHIỆT ðỘ, ðỘ ẨM TRONG CHẾ BIẾN BẢO QUẢN CÁC LOẠI RAU QUẢ, THỰC PHẨM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2013 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI  NGUYỄN THANH NINH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP (PSoC) ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG NHIỆT ðỘ, ðỘ ẨM TRONG CHẾ BIẾN BẢO QUẢN CÁC LOẠI RAU QUẢ, THỰC PHẨM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : Kỹ thuật ñiện Mã số : 60.52.02.02 Người hướng dẫn : PGS. TRẦN MẠNH HÙNG HÀ NỘI, 2013 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan, Luận văn này ñã ñược thực hiện và hoàn thành trongquá trình khóa học tập, nghiên cứu của tôi tại Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội và công tác tại Phòng thí nghiệm Cơ ñiện VILAS019dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Trần mạnh Hùng- Trưởng Phòng Thí nghiệm Cơ ñiện VILAS019 thuộc Viện Cơ ñiện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch. Tôi xin cam ñoan: Luận văn này ñã ñược thực hiện trong thời gian từ 2012 ñến 2013 là ñúng sự thực, không sao chép, công trình chưa ñược công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Nguyễn Thanh Ninh Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến PGS. TS Trần Mạnh Hùng về sự hướng dẫn tận tình, truyền ñạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm chuyên ngành quý báu giúp tôi hoàn thành Luận văn. Tôi ñồng thời xin cảm ơn sự chỉ bảo ân cần, ñóng góp ý kiến nhiệt tình của các Thầy Cô giáo Bộ môn Tự ñộng hóa, Khoa Cơ ñiện trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và thực hiện, hoàn thiện Luận văn cao học này. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộphòng thí nghiệm Cơ ñiện VILAS019 - Viện Cơ ðiện và Công Nghệ Sau Thu Hoạch, ñã giúp ñỡ tạo ñiều kiện thuận lợi ñể tôi có thểsử dụng trang thiết bị thí nghiệm trong quá trình thực hiện luận văn thuộc lĩnh vực khá mới mẻ và phức tạp ñược giao. Do trình ñộ, các yếu tố khách quan và thời gian có hạn, Bản luận văn không tránh khỏi có những thiếu sót và khiếm khuyết. Tôi rất mong nhận ñược nhiều ý kiến ñóng góp của các thầy cô giáo và các bạn ñồng nghiệp ñể có thể hoàn thiện và nâng cao hơn nữa chất lượng của Luận văn và hướng nghiên cứu sau này. Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Học viên Nguyễn Thanh Ninh Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật iii MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xii PHẦN MỞ ðẦU 43 1. Tính cấp thiết của luận văn 43 2. Mục tiêu nghiên cứu 44 3. Nhiệm vụ và Nội dung nghiên cứu 44 Chương I - TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP (PSoC) ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG CÁC THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH BẢO QUẢN 46 1.1. Khái quát chung 46 1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước 46 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ PSoC 46 1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước 54 1.4. Kết luận 59 Chương II - PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 61 2.1 Phương pháp nghiên cứu và tiếp cận 61 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật iv 2.1.1 Xác ñịnh ñối tượng cần thử nghiệm và trang thiết bị hiện có, thông số kỹ thuật phần cứng tích hợp và tích hợp hệ thống ño lường 61 2.1.2 ðo lường thử nghiệm/hiệu chuẩn các trang thiết bị ño lường có liên quan 63 2.1.3 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hệ thống khả trình trên Chip (PSoC) tích hợp hệ thống ño lường ñiều khiển tự ñộng nhiệt ñộ, ñộ ẩm, các thành phần khí O 2 ; CO 2 trong chế biến bảo quản các loại rau quả, thực phẩm 63 2.2 ðánh giá chất lượng 64 2.3 Phương tiện nghiên cứu 64 Chương III - CƠ SỞ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHẦN CỨNG, PHẦN MỀM XÂY DỰNG HỆ THỐNG ðO LƯỜNG/ðIỀU KHIỂN TRÊN PSoC 67 3.1. Hệ thống lập trình trên chip PSoC (Programable System on Chip) 67 3.2 Phần mềm PSoC designer và ứng dụng 71 3.3 Phần mềm nạp chương trình cho chip PSoC Progammer 12.2.3 73 3.4 Phần mềm thiết kế mạch cứng Altium designer 6.9 73 3.5 Phần mềm lập trình giao diện Visual Basic 6.0 75 CHƯƠNG IV - THIẾT KẾ TÍCH HỢP CẤU TRÚC HỆ THỐNG ðO LƯỜNG/ ðIỀU KHIỂN TRÊN PSOC 76 4.1 Cấu trúc và ñặc tính kỹ thuật chính của thiết bị 76 4.1.1 ðặc tính kỹ thuật chính 76 4.1.2 Cấu trúc của hệ thống thiết bị 77 4.2 Thiết kế hệ thống thiết bị ño lường giám sát/ñiều khiển ña kênh 78 4.2.1 Khái quát chung 78 4.2.2 Lựa chọn cấu hình hệ thống thiết bị ño ñiều khiển ña kênh PSoC 79 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật v 4.2.2.1 Khối ñiều khiển trung tâm 79 4.2.2.2 Khối hiển thị LCD 80 4.2.2.3 Khối khuếch ñại 47 4.2.2.4 Mạch truyền thông nối tiếp UART của hệ thống ño ña kênh 81 4.2.2.5 Mạch ñếm/thanh ghi 8 bit 81 4.2.2.6 Khối cửa vào nối với các ñầu ño/cảm biến 83 4.2.2.7 Khối cửa ra analog 83 4.2.2.8 Khối chuyển ñổi cửa ra ñiện áp-dòng ñiện 84 4.2.2.9 Mạch in và mạch giao diện 84 4.2.2.10 Sơ ñồ mạch in và hướng dẫn ñấu nối bo mạch thiết bị với các thiết bị ngoai vi 90 4.3 Thiết kế giao diện và hiển thị dữ liệu ño và ñiều khiển trên PC 92 4.4 Kết quả thử nghiệm hệ thống thiết bị ño và ñiều khiển 92 4.4.1 Hệ thống thiết bị ño và ñiều khiển sau lắp ráp 92 4.4.2 ðo lường thử nghiệm/Hiệu chuẩn hệ thống thiết bị ño lường/ñiều khiển. 92 4.4.2.1 Các thiết bị sử dụng trong quá trình ðo lường thử nghiệm/Hiệu chuẩn 93 4.4.2.2 Kết quả thực hiện 94 4.5 Khả năng ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận văn vào thực tiễn 100 KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 PHỤ LỤC 1:Minh họa chương trình ñiều khiển ño thu gom dữ liệu trên hệ thống chip PSoC 105 PHỤ LỤC 2:Chứng chỉ hiệu chuẩn Hệ thống PSoC của luận văn 94 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật vi Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 - Sơ ñồ khối của Sypress PSoC ñiển hình 49 Hình 1.2 - Hệ thống thiết bị CA, quy mô phòng thí nghiệm và Pilot 50 Hình 1.3 - Hệ thống ñiều khiển và giám sát trung tâm 51 Hình 1.4 - Hệ thống ñường ống và cơ cấu chấp hành ñiều khiển khí 51 Hình 1.5 - Mô hình thiết bị thí nghiệm CA ñiều chỉnh khí gián ñoạn thủ công 56 Hình 1.6 – Mô hình thiết bị thí nghiệm CA ña chức năng sử dụng sensor ño nồng ñộ khí 56 Hình 1.7 - Sơ ñồ nguyên lý của thiết bị thí nghiệm CA ña chức năng 59 Hình 2.1 – Sơ ñồ khối của ñầu ño O2 62 Hình 2.2 - Cảm biến nhiệt ẩm SHT7x 62 Hình 2.3 - ðầu ño khí CO2 IR-700-CO2 và khí O2 DM-700-O2 của Detcon/USA 62 Hình 2.4 - Một số loại dụng cụ ño và sensor dạng số hóa với tín hiệu cửa ra: (4÷20)mA: 63 Hình 2.5 - Bộ Kit phát triển CY8C Kit 001A 65 Hình 2.6 - Minh họa kết nối bộ nạp MiniProgr3 với Kit phát triển CY8C Kit 001A66 Hình 3.1 - Sơ ñồ cấu trúc chung của PSoC 68 Hình 3.2 - Các chíp PSoC với số chân khác nhau 69 Hình 3.3 - Các khối chức năng tương tự 69 Hình 3.4 - Các khối chức năng số 70 Hình 3.5 - Giao diện phần mềm PSoC designer 71 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật viii Hình 3.6 - Giao diện chương trình PSoC designer 71 Hình 3.7 - Giao diện tạo một chương trình mới 71 Hình 3.8 - Giao diện lựa chọn chíp cho bài toán lập trình 72 Hình 3.9 - Các khối giao ñiện lập trình với PSoC Designer 5.0 pack 6 72 Hình 3.10 - Giao diện thiết lập các thuộc tính cho mỗi modun chức năng 72 Hình 3.11 - Giao diện thiết lập cổng và modun chức năng 72 Hình 3.12 - Giao diện dịch và build chương trình 73 Hình 3.13 - Giao diện chương trình PSoC Progammer 12.2.3 73 Hình 3.14 - Giao diện chương trình Altium designer 6.9 73 Hình 3.15 - Giao diện thiết kế mạch nguyên lý 74 Hình 3.16 - Giao diện thiết kế mạch in 74 Hình 3.17 - Giao diện tạo thư viện chân linh kiện schematic và PCB 74 Hình 3.18 - Giao diện phần mềm lập trình giao diện Visual Basic 6.0 75 Hình 4.1 - Sơ ñồ khối của thiết bị ño và ñiều khiển ña kênh 79 Hình 4.2 - Khối ñiều khiển trung tâm PSoC CY8C29566 79 Hình 4.3 - Sơ ñồ khối IC LCD bên ngoài HD44/780A của hãng Hitachi 80 Hình 4.4 - Sơ ñồ khối bộ khuếch ñại khả trình PGA (Programable Gate Array)80 Hình 4.5 - Sơ ñồ nguyên lý bộ truyền thông (UART) 81 Hình 4.6 - Mạch chuyển ñổi UART-USB 81 Hình 4.7 - Sơ ñồ khối của vi xử lý trung tâm PSoC CY8C29566 82 Hình 4.8 - Sơ ñồ sensor ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm SHT75 83 Hình 4.9 - Sơ ñồ của mạch thu thập 6 tín hiệu analog 83 [...]... TH NG KH TRÌNH TRÊN CHIP (PSoC) ðI U KHI N T ð NG CÁC THÔNG S QUÁ TRÌNHB O QU N 1.1 Khái quát chung Trong s n xu t gia công ch bi n và b o qu n các s n ph m nông nghi p, ñòi h i ph i ki m soát các thông s nhi t ñ , ñ m v.v và thành ph n không khí b o qu n c a quá trình/ h th ng trong gi i h n và ñ chính xác xác ñ nh… Trong các quá trình b o qu n, ch bi n và s y các lo i h t gi ng, s n ph m rau qu ,... tìm ki m các gi i pháp, trong ñó Nghiên c u ng d ng công ngh h th ng kh trình trên chip (PSoC) ñi u khi n t ñ ng nhi t ñ , ñ m v.v trong ch bi n b o qu n các lo i rau qu , th c ph m”là hư ng ñi ñúng, góp ph n nâng cao hi u qu khai thác s d ng các trang thi t b và tăng cư ng năng l c nghiên c u tri n khai trong nư c là vi c làm b c thi t, có ý nghĩa khoa h c và th c ti n hi n nay 2 M c tiêu nghiên c... TI N NGHIÊN C U 2.1 Phương pháp nghiên c u và ti p c n Lu n văn k t h p nghiên c u lý thuy t và th c nghi m, th a k các k t qu nghiên c u tri n khai và các thành t u khoa h c công ngh /kinh nghi m ng d ng công ngh PSoC trong lĩnh v c ño lư ng, giám sát và ñi u khi n t ñ ng trong và ngoài nư c Tìm ki m các gi i pháp phát tri n, ng d ng h th ng kh trình trên Chip PSoC, tích h p ph n c ng thích h p (các. .. trên quan sát tr c quan các thông s hi n th trên thi t b /sensor ño như nhi t ñ , ñ m, khí O2, CO2 trong môi trư ng b o qu n… 1.4 K t lu n T các phân tích thông tin t ng quan trong và ngoài nư c, có th k t lu n: 1 .Trong nư c, h u như chưa có các công b v k t qu nghiên c u tri n khai ng d ng công ngh Chíp PSoC trong các lĩnh v c ño lư ng giám sát, t ñ ng hóa thi t b , quá trình công ngh /dây chuy n s... hóa, trong các ngành công nghi p, trang thi t b , ánh sáng, y t và công ngh thông tin… Hi n hãng ñang s h u trên 750 phát minh v các lĩnh v c liên quan và các nhà máy s n xu t thi t k các s n ph m c a hãng có m t nhi u nư c trên th gi i[ HYPERLINK \l "ARo05" 2 ] PSoC gi i thi u m t khái ni m m i m cho các ng d ng vi ñi u khi n So v i các vi ñi u khi n 8- bít tiêu chu n, các chip PSoC có thêm các kh... 3 Các y u t nh hư ng chính và quy lu t ñ nh tính v s bi n ñ i c a m i thành ph ntrong môi trư ng CA ñã ñư c xác ñ nh ngoài hai thành ph n khí (CO2 và O2) là nhi t ñ , ñ m tương ñ i và n ng ñ Ethylene n i sinh … ðây là cơ s ñ nghiên c u và th c nghi m nh m xác ñ nh gi i pháp công ngh ñi u ch nh các thành ph n khí theo yêu c u công ngh trong quá trình b o qu n 4 Công ngh h th ng kh trình trên Chip (PSoC). .. p các h th ng thi t b ño linh ho t, giám sát, ñi u khi n t ñ ng ñã ñư c quan tâm nghiên c u, phát tri n và ng d ng ñã ñ t ñ n trình ñ r t cao các nư c tiên ti n trong các lĩnh v c âm thanh, hàng không vũ tr và qu c phòng, ô tô, ñi n dân d ng, t ñ ng hóa trong các ngành công nghi p, trang thi t b , ánh sáng, y t và công ngh thông tin… 5 Tìm ki m gi i pháp phát tri n công ngh m i PSoC, ng d ng trong các. .. (ch có các thi t b ch báo và ñi u khi n b ng tay) Các tham s , c u hình v.v thư ng ñư c ñ nh s n và l p ñ t trong h th ng ño lư ng th nghi m không th ho c khó thay ñ i c i ti n khi c n nâng c p s a ch a, ch nh s a các thông s công ngh … 1.2 Tình hình nghiên c u ng d ng ngoài nư c 1.2.1 Tình hình nghiên c u ng d ng công ngh PSoC T nh ng năn 1980, h th ng l p trình trên Chip (PSoC) ñã ñư c quan tâm nghiên. .. ñư c các hãng có tên tu i s d ng khá hi u qu , các ng d ng ña d ng ngày càng nhi u và là công c m nh trong nghiên c u tri n khai và ño lư ng ñi u khi n, giám sát các h th ng thi t b dây chuy n s n xu t, b o qu n ch bi n T nh ng năm 1982, hãng “Cypress Semiconductor” là m t trong các công ty ñi ñ u trong lĩnh v c công ngh ñi n t , bán d n T nh ng năm 1986, “Cypress Semiconductor” ñã thương m i hóa các. .. ng công ngh b o qu n b ng CA luôn gia tăng trong nh ng năm g n ñây, năm 2007 ư c tính có kho ng g n 40% s n lư ng rau hoa qu tươi trên th gi i ñã ñư c b o qu n b ng CA 1.3 Tình hình nghiên c u ng d ng trong nư c Trong nh ng năm g n ñây, Trư ng ðHBK Hà N i, Vi n Công ngh thông tin, m t s doanh nghi p ho t ñông trong lĩnh v c ñi n t , công ngh thông tin, ño lư ng - t ñ ng hóa ñã và ñang ti p c n nghiên . THANH NINH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP (PSoC) ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG NHIỆT ðỘ, ðỘ ẨM TRONG CHẾ BIẾN BẢO QUẢN CÁC LOẠI RAU QUẢ, THỰC PHẨM LUẬN. THANH NINH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP (PSoC) ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG NHIỆT ðỘ, ðỘ ẨM TRONG CHẾ BIẾN BẢO QUẢN CÁC LOẠI RAU QUẢ, THỰC PHẨM LUẬN. pháp, trong ñó Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hệ thống khả trình trên chip (PSoC) ñiều khiển tự ñộng nhiệt ñộ, ñộ ẩm v.v. trong chế biến bảo quản các loại rau quả, thực phẩm là hướng ñi ñúng,