nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển và máy tính trong điều khiển và giám sát nhiệt độ sấy

mở đầu 1. Đặt vấn đề: Trong những năm gần đây, thực hiện chính sách đổi mới của đảng, nên kinh tế đất nớc có nhiều chuyển biến quan trọng, nghành nông nghiệp đã có những bớc tăng trởng khá nhanh, đặc biệt là sản lợng của các loại nông sản nh: lúa, ngô, đỗ Chính vì vậy bảo quản và chế biến cần phải đ ợc đặc biệt quan tâm nhằm hạn chế quá trình hao hụt về chất lợng sản phẩm trong bảo quản, nâng cao chất lợng sản phẩm. Những yêu cầu này là mục tiêu lớn để chúng ta hớng tới một nền nông nghiệp tiên tiến có sự quản lý trên quy mô lớn. Mặt khác khối lợng sản phẩm làm ra trong một thời vụ là rất lớn và không thể tiêu thụ ngay tại thời điểm đó, vì vậy công việc bảo quản sau thu hoạch đóng một vai trò hết sức quan trọng. Đây là vấn đề bức xúc đợc nhiều ngời đầu t quan tâm nghiên cứu nhằm tìm ra một biện pháp bảo quản tốt nhất, giảm thiểu những mất mát sau thu hoạch cho ngời nông dân, đồng thời đảm bảo chất lợng cho sản phẩm phục vụ chế biến sau này. Với đặc điểm địa lí nằm trên vùng nhiệt đới nóng ẩm, ma nhiều, có khi vào mùa thu hoạc ma kéo dài hàng tuần với độ ẩm không khí nên tới 90- 100% nên không thể áp dụng các phơng pháp bảo quản truyền thống nh phơi nắng, hong gió. Vì thế sấy là một biện pháp bảo quản hiệu quả mà còn làm tăng chất lợng sản phẩm. Đặc biệt kỹ thuật sấy cò đợc áp dụng để chế biến rất nhiều sản phẩm quý của việt nam nh mít, vải, nhã, chuối Công nghệ sấy có đạt đợc hiệu quả hay không phụ thuộc dất lớn vào quy trình, thời gian và nhiệt độ sấy. Sản phẩm nông nghiệp thì rất đa dạng, mỗi loại lại có quy trình riêng. nhng một hệ thống sấy tốt lại là hệ thống có khả năng sấy đợc nhiều lại nông sản và đáp ứng các quy trình thích hợp cho từng loại sản phẩm chính vì thế chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: 2. Mục đích của đề tài -1- - Nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy nông sản - Nghiên cứu cấu trúc và lập trình cho vi điều khiển, ứng dụng vi điều khiển trong hệ thống sấy nông sản. - Nghiên cứu hoạt động truyền nhận dữ liệu nối tiếp và sây dựng giao diện điều khiển giám sát nhiệt độ của hệ thống sấy nông sản trên máy tính 3. Nội dung đề tài - Tổng quan về sấy nông sản. - Tổng quan về các họ vi điều khiển và lập trình ứng dụng điều khiển hệ thống sấy. - Tổng quan máy tính về truyền nhận dữ liệu nối tiếp. Thiết kết giao diện điều khiển và giam sát nhiệt độ trên máy tính. 4. Phơng pháp nghiên cứu Để thực hiện đợc nội dung đề tài nghiên cứu, chúng tôi tiến hành phơng pháp nghiên cứu sau: * Các kết quả nghiên cứu kế thừa: - Kế thừa các công trình nghiên cứu của thế hệ trớc về cơ sở lý thuyết của các phần mềm lập trình. Nh Assembly, CodevisionAVR, Orcad, Visual Basic, phần mềm mô phỏng Matlab 7.0, ISIS 6 Professional. - Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn. * Định hớng nghiên cứu. - Nghiên cứu phần mềm lập trình trên máy tính. - Thay đổi phơng pháp lập trình để tìm ra phơng pháp đơn giản, dễ sử dụng và hiệu quả kinh tế nhất. - Xây dựng chơng trình điều khiển. * Phơng pháp mô phỏng kiểm chứng: - Chạy thử mô hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi của mô hình và lỗi của chơng trình điều khiển, rồi từ đó hoàn thiện hệ thống. -2- Nội dung ! Tổng quan chung về sấy nông sản 1.1. công nghệ sấy Sấy là quá trình dùng nhiệt năng tách hơi nớc ra khỏi vật liệu. Quá trình này có thể tiến hành làm bay hơi nớc tự nhiên bằng năng lợng mặt trời hay năng lợng gió (còn gọi là quá trình phơi sấy tự nhiên) dùng phơng pháp này thì đỡ tốn nhiệt năng nhng không chủ động và không thể điều khiển đợc nhiệt năng theo yêu cầu kỹ thuật, năng suất thấp. Vì vậy trong kỹ thuật bảo quản và chế biến nông sản mới ngời ta thờng áp dụng phơng pháp sấy nhân tạo, tùy theo phơng pháp truyền nhiệt, trong kỹ thuật sấy cũng chia ra các kỹ thuật nh: - sấy đối lu: là phơng pháp sấy cho tiếp xúc chực tiếp vật liệu sấy với khí nóng hay khói lò. - Sấy tiếp xúc: là phơng pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc chực tiếp với vật liệu sấy mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một vách ngăn. - Sấy bằng tia hồng ngoại: là phơng pháp sấy dùng năng lợng của tia hồng ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vạt liệu sấy. - Sấy bằng dòng điện cao tần: là phơng pháp xấy dùng dòng điện cao tần để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu sấy. - Sấy thăng hoa: là phơng pháp sấy trong môi trờng có độ chân không rất cao, nhiệt độ rất thấp nên ẩp tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ trạng thái rắn thành hơi không qua trạng thái lỏng. Ba phơng pháp sấy cuối ít đợc dùng trong công nghiệp nên gọi chung là phơng pháp sấy đặc biệt. Quá trình sấy là một quá trình có sự tham gia của pha rắn đồng thời với quá trình nhiệt. đây là qúa trình nối tiếp, vận tốc của toàn bộ quá trình đợc quy định bởi giai đoạn nào chậm nhất, -3- Ngoài ra tuỳ theo phơng pháp sấy mà nhiệt độ là yếu tố thúc đẩy hay cản trở quá trình di truyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt vật liệu sấy. Trong quá trình sấy thì môi trờng trong không khí ẩm xung quanh có ảnh hởng rất lớn và trực tiếp đến vận tốc của quá trình sấy. Bởi vậy khi nghiên cứu tính toán hệ thống sấy cần quan tâm tới các thông số sau: - Độ ẩm tuyệt đối: Là tỷ số giữa lợng hơi nớc chứa trong hạt chia cho khối lợng phần khô của hạt theo công thức: 100(%) k G n G 0 W = Trong đó: G n - Lợng nớc chứa trong vật (kg) chứa trong G k (kg) vật khô tuyệt đối. - Độ ẩm tơng đối: Là tỷ số khối lợng nớc chứa trong vật chia cho khối lợng của vật: 100(%) k G n G n G G n G W + == Trong đó: G = G k + G n Khối lợng của vật (kg) 100(%) 100 0 W 0 W W + = - Độ chứa ẩm: Là khối lợng nớc tính bằng kg chứa trong 1kg vật khô tuyệt đối. Độ chứa ẩm u đợc xác định theo công thức: (kg/kg) k G n G u = Nh vậy: W 0 = 100u(%). Một đặc trng cơ bản nữa của nông sản dạng hạt là tính chất nhiệt vật lý của nó. Tính chất này ảnh hởng trực tiếp lên quá trình sấy và tiêu hao nhiệt l- ợng trong quá trình sấy. Tính chất nhiệt vật lý đợc biểu hiện thông qua giá trị nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt. Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm đợc xác định theo công thức: n G k G n G n CG k C C + + = (J/Kg. 0 C) -4- 100 W ). k C n (C k CC += Trong đó: C k , C n - nhiệt dung riêng của vật khô và nớc (J/Kg. 0 C) G k , G n - khối lợng của vật khô và khối lợng nớc. 1.2. thiết bị sấy Trên thực tế có rất nhiều thiết bị sấy hoạt động theo các nguyên tắc tách ẩm khác nhau, nhng trên thực tế sản suất thì phơng pháp sấy đối lu đã đ- ợc áp dụng có hiệu quả nhất cho các máy sấy nông sản. chính vì thế chúng tôi tiến hành nghiên cứu các thiết bị sấy theo phơng pháp sấy đối lu. Sơ đồ nguyên lý quá trình sấy đối lu: t 0 ,d 0 , 0 t 1 ,d 1 , 1 t 2 ,d 2 , 2 Hình 1: Sơ đồ mô tả quá trình sấy đối lu Trong đó: t x ,d x , x lần lợt là nhiệt độ, lợng ẩm, thuỷ phần của dòng khí. Phơng pháp sấy đối lu đợc phân thành hai nhóm phụ thuộc vào trạng thái của hạt ẩm trong quá trình sấy. Nếu khối hạt sấy bất động còn quá trình sấy đợc hình thành do dòng khí nóng chuyển động luồn lách giữa lớp hạt thì quá trình này đợc gọi là sấy tĩnh. Ngợc lại, trờng hợp hạt sấy chuyển động ng- ợc chiều với dòng khí sấy thì quá trình sấy đợc gọi là sấy động. - Thiết bị sấy tĩnh thờng đợc thiết kế theo hai dạng là dạng hầm và dạng cột: -5- "#$ %& '() '( *+, "# Hình 2: Mô hình thiết bị sấy kiểu hầm Hình 3: Mô hình thiết bị sấy kiểu cột Trong những thiết bị sấy này, tác nhân sấy đi từ dới lên trên xuyên qua lớp liệu. Quá trình luồn lách qua lớp liệu khí nóng sẽ truyền nhiệt lợng của mình sang cho lớp liệu để đốt nóng nó và cho nớc bốc lên từ liệu sấy. Hơi nớc bốc ra đợc dòng khí sấy cuốn theo và đa ra ngoài. Rõ ràng lớp liệu dới cùng sẽ tiếp xúc với dòng khí sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp nên sẽ đợc đốt nóng nhanh hơn và cũng khô nhanh hơn. Càng lên cao nhiệt độ của khí sấy càng -6- giảm còn độ ẩm càng tăng, vì vậy tốc độ đốt nóng của liệu càng chậm, vật liệu sấy lâu khô hơn. Nh vậy nhợc điểm của những thiết bị sấy này là quá trình sấy không đồng đều. Tuy nhiên u điểm của thiết bị sấy này là đợc tạo nên từ những vật liệu đơn giản giá thành rẻ, thích hợp với quy mô hộ nông dân. - Thiết bị sấy động gồm có thiết bị sấy mẻ và thiết bị sấy tuần hoàn. Sự khác biệt chính là sự chuyển động đảo trộn của hạt liệu trong quá trình sấy, vì vậy quá trình sấy là đồng đều. Khi sấy bằng thiết bị sấy mẻ, từng mẻ liệu đợc sấy khô trớc rồi đến mẻ liệu khác. Sấy tuần hoàn thì ngợc lại, hạt liệu đợc ra vào tuần hoàn đến khi nào khô đồng đều thì kết thúc quá trình sấy. Sự khó khăn về mặt bằng sản xuất đã khiến cho những thiết bị sấy nhỏ quy mô hộ gia đình nhiều khi cũng không thích ứng, cần thiết phải có những thiết bị sấy quy mô lớn hơn mang kiểu dáng công nghiệp. Dới đây là hình ảnh một số thiết bị sấy có quy mô công nghiệp ở Việt Nam và trên thế giới: Hình 4. Thiết bị sấy kiểu băng tải 1 - Phễu đổ nhiên liệu 2 - Buồng sấy 3 - Băng tải 4 - Quạt đẩy 5 - Calorife 6 - Cửa xả nguyên liệu 7 - Cửa thoát khí thải -7- Hình 5. Thiết bị sấy kiểu thùng quay 1 - Thùng quay 2 - Lò sấy 3 - Buồng trung gian 4 - Cửa thoát khí thải 5 - Cửa xả nguyên liệu Hình 6. Thiết bị sấy băng tải 1 - Phiễu chứa nhiên liệu 2 - Băng tải 3 - Buồng đốt 4 - Vít tải 5, 7 - Quạt hút 6 - Tờng chấn -8- Hình 7. Thiết bị sấy hạt theo chu kỳ 1 - Phiễu tiếp liệu 2 - Gàu tải 3 - Máy liên hoàn tách tạp chất 4 - Thiết bị sấy 5 - Vít tải 6 - Thiết bị phân phối hạt và xilo 7 - Xilo ủ thóc 8 - Xilo chứa hạt khô 9 - Băng tải Trong điều kiện sản xuất hiện nay, có nhiều yếu tố trong sản xuất nh: quy mô sản xuất và hình thức sản xuất đã có nhiều thay đổi, sản phẩm đa dạng hơn, hội nhập, yêu cầu thị trờng cao hơn đòi hỏi nền sản xuất nông nghiệp của nớc ta phải có nhiều thay đổi để đáp ứng đợc nó. Lĩnh vực sấy nông sản cũng không nằm ngoài sự thay đổi đó. Chúng ta cần có những hệ thống sấy quy mô lớn, năng suất cao, hoạt động một cách tự động đa nông sản tới những chỉ tiêu đợc yêu cầu Đây cũng chính là nội dung và yêu cầu chúng tôi muốn hớng tới trong đề tài này. -9- - Tổng hợp hệ thống sấy nông sản 2.1. xây dựng mô hình hệ thống sấy Xây dựng mô hình toán học cho đối tợng điều khiển là bớc đầu tiên và cũng là bớc quan trọng nhất để đi đến bài toán điều khiển. Để có thể xây dựng đợc mô hình hệ thống ngời ta có hai phơng pháp: - Phơng pháp lý thuyết - Phơng pháp thực nghiệm. Trong trờng hợp này, thông tin mô hình hệ thống đã đợc xác lập thông qua những yêu cầu của đề tài. Mặt khác hệ thống thí nghiệm sấy đã đợc thiết kế sẵn, vì vậy chúng tôi sử dụng phơng pháp thực nghiệm để khảo sát hệ thống này, xây dựng mô hình động học cho hệ thống để rồi chọn ra bộ điều khiển hợp lý cho hệ thống. Mô hình sấy cho nh sau: Hình 8: Mô hình sấy thí nghiệm + Quạt gió ly tâm + Buồng đốt Điện áp cấp 220V - 50Hz Dây đốt Ni - Cr Tốc độ 2850V/p Điện áp cung cấp 220V 50Hz Công suất 240W Công suất 2KW. -10- [...]... bộ định thời Đến năm 1980, thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển ra đời, đó là vi điều khiển 8051 Hiện nay vi điều khiển 8051 đợc sản xuất và sử dụng rộng rãi Bên cạnh đó các công ty sản xuất cũng phát triển cho mình những bộ vi điều khiển có tính năng đặc biệt làm cho thị trờng vi điều khiển ngày càng phong phú và đa dạng Một số họ vi điều khiển thông dụng ngoài họ 8051 hiện nay: + Họ 68HC của Motorola,... 16(s) Trong khi nếu không có bộ điều chỉnh thời gian để cho nó ổn định mất khoảng 200(s) Độ sai lệch tĩnh khi có bộ điều chỉnh bằng 0 Bộ điều chỉnh này đã đáp ứng đợc yêu cầu bài toán đề ra, vì vậy chúng tôi chọn bộ điều chỉnh này để diều khiển hệ thống sấy -16- Chơng 3 Giới thiệu chung về vi điều khiển 3.1 Tổng quan chung về vi điều khiển 3.1.1 Các họ vi điều khiển Bộ vi điều khiển. .. truyền dữ liệu điều khiển - I/O Port: Cổng vào/ra 3.1.3 Họ vi điều khiển AVR Họ vi điều khiển AVR là một sản phẩm của Công ty Atmel mới đợc tung ra thị trờng trong những năm gần đây Đối với thị trờng Vi t Nam thì thực sự AVR còn rất mới Nằm trong số những thế hệ vi điều khiển ra đời sau cho nên AVR có những tính năng và cấu trúc hơn hẳn những loại vi điều khiển thế hệ cũ nh 8051 Những đặc tính nổi bật... vi c đợc phép thay đổi trong khoảng rộng, từ 2,7V đến 6,0V Kiến trúc đơn giản và hợp lý giúp cho ngời sử dụng dễ dàng làm quen Tập lệnh đến 133 lệnh, cho phép dễ dàng lập trình bằng hợp ngữ hoặc ngôn ngữ C 3.1.4 Lựa chọn vi điều khiển Từ so sánh tính năng và tốc độ sử lý lệch của các vi điều khiển nh đã nghiên cứu chúng tôi nhận thấy AVR có những u điểm vợt chội hơn hẳn, và hơn hết 1 số vi điều khiển. .. Bộ vi điều khiển đợc ra đời sau Bộ vi xử lý Về thực chất thì Bộ vi điều khiển là Bộ vi xử lý, nhng có thêm các mạch điện hỗ trợ, các thành phần I/O ngoại vi và bộ nhớ ( bộ nhớ chơng trình và bộ nhớ dữ liệu) đợc tích hợp cùng nhau trên một bản mạch Bộ vi điều khiển đầu tiên ra đời năm 1971, là bộ vi điều khiển 4 bít TMS1000 của Công ty Texas Instruments Sau khi dòng sản phẩm này ra đời, nó đã đợc ứng. .. đời, nó đã đợc ứng dụng vào rất nhều lĩnh vực: sản xuất máy tính bỏ túi, điều khiển lò vi sóng, sử dụng cho các bộ định thời công nghiệp Năm 1976, Công ty Intelligen Electronics (INTEL) cho ra đời thế hệ đầu tiên của vi điều khiển 8 bít với tên gọi 8084 Trong bộ vi điều khiển này, ngoài bộ vi xử lý trung tâm ngời ta tích hợp thêm các bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chơng trình, các cổng vào ra số, các bộ định... đặc tính động học của hệ thống Đối tợng ở đây là dòng khí sấy mang nhiệt độ Khi cấp nguồn điện cho sợi đốt, nhiệt độ của sợi đốt làm nóng luồng không khí do quạt thổi tới Nhiệt độ dòng khí tăng lên, nó tăng lên đến một nhiệt độ nào đó và không tăng nữa, nó giữ ổn định ở nhiệt độ này Nh vậy đối tợng của ta ở đây chính là đối tợng có tính tự cân bằng Dạng tổng quát hàm truyền đạt của đối tợng có tính. .. nối này Ngày nay, hầu hết các máy tính PC đều đợc trang bị một hoặc hai cổng nối tiếp RS 232, và tất cả đều có khả năng sử dụng RS 232, ít nhất nh một khả năng tuỳ chọn từ nhà sản xuất máy tính hoặc từ phía ngời sử dụng máy tính Vi c thiết kế cổng RS-232 cũng tơng đối dễ dàng, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động là không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp, chẳng hạn nh trong khoảng từ 110 đến 1200... đợc điều khiển qua bốn thanh ghi ADMUX, ADCSR, ADCH và ADCL trong vùng địa chỉ vào/ra Bộ biến đổi ADC có thể hoạt động ở hai chế độ: + Quá trình biến đổi đợc ngời dùng khởi động, + Quá trình biến đổi diễn ra liên tục Sơ đồ khối của bộ biến đổi A/D: Hình 24: Sơ đồ khối bộ biến đổi A/D 3.2.4 Hoạt động ngắt Ngắt là một cơ cấu điều khiển dòng lệnh, cơ cấu này đợc thiết kế trên hầu hết các vi điều khiển. .. tích hợp các tính năng mới nh khả năng chuyển đổi tơng tự sang số, bộ so sánh tơng tự, nhiều timer với nhiều chức năng linh hoạt, 14 vectơ ngắt, cho phép thay đổi chơng trình ngay trên boar mạch điều khiển nên rất phù hợp cho vi c ứng dụng điều khiển hệ thống sấy Chính vì thế chúng tôi quyết định lựa chọn ATMEGA8535 là một thành vi n của họ điều khiển AVR 8 bit với các u điểm sau: Hoạt động với mức . nghệ và thiết bị sấy nông sản - Nghiên cứu cấu trúc và lập trình cho vi điều khiển, ứng dụng vi điều khiển trong hệ thống sấy nông sản. - Nghiên cứu hoạt động truyền nhận dữ liệu nối tiếp và. diện điều khiển giám sát nhiệt độ của hệ thống sấy nông sản trên máy tính 3. Nội dung đề tài - Tổng quan về sấy nông sản. - Tổng quan về các họ vi điều khiển và lập trình ứng dụng điều khiển. thống sấy. - Tổng quan máy tính về truyền nhận dữ liệu nối tiếp. Thiết kết giao diện điều khiển và giam sát nhiệt độ trên máy tính. 4. Phơng pháp nghiên cứu Để thực hiện đợc nội dung đề tài nghiên