Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ lò sấy thủy sản có ghép nối với máy tính

Với mục tiêu là chế tạo được bộ điều khiển nhiệt độ lò sấy thủy sản có khả năng hoạt động ổn định, tin cậy, giá thành thấp, dễ điều khiển và có thể áp dụng được ở nhiều mô hình lò sấy kh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

PHẠM VĂN BÌNH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ SẤY

THỦY SẢN CÓ GHÉP NỐI MÁY TÍNH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

(Ngành Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử)

Nha Trang - 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

PHẠM VĂN BÌNH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ SẤY

THỦY SẢN CÓ GHÉP NỐI MÁY TÍNH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

(Ngành Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS NHỮ KHẢI HOÀN

Nha Trang - 2013

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay việc chế biến thủy sản khô ở nước ta chủ yếu là dùng cách phơi nắng nên phụ thuộc nhiều vào thời tiết, chất lượng sản phẩm không ổn định, gây ô nhiễm môi trường, năng suất thấp, chi phí sản xuất cao rất khó cạnh tranh trên thị trường Do

đó việc nghiên cứu máy sấy thủy sản đạt chất lượng là rất quan trọng và cần thiết

Từ những kiến thức có được trong quá trình học và nghiên cứu, với mong muốn nghiên cứu ứng dụng sản phẩm công nghệ cao phục vụ cho cuộc sống Tôi đã thực

hiện đồ án: “ Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ lò sấy thủy sản có ghép nối với máy tính”

Với mục tiêu là chế tạo được bộ điều khiển nhiệt độ lò sấy thủy sản có khả năng hoạt động ổn định, tin cậy, giá thành thấp, dễ điều khiển và có thể áp dụng được ở nhiều mô hình lò sấy khác nhau Ngoài ra sản phẩm còn có thể điều khiển qua máy tính, đáp ứng với yêu cầu dùng trong công nghiệp

Qua gần 4 tháng thực hiện đề tài, cùng với sự hướng dẫn tận tình của Giảng viên hướng dẫn, tôi đã hoàn thành đồ án này Tuy nhiên với thời gian thực hiện đồ án gấp rút, kiến thức còn hạn chế nên đồ án còn nhiều thiếu sót vì vậy kính mong quý thầy cô

và các bạn đóng góp ý kiến để tác giả tiếp thu chỉnh sửa, để đồ án này hoàn thiện hơn

và được ứng dụng vào thực tế

Em xin chân thành cảm ơn nhà trường, khoa Điện – Điện Tử đã cho phép cũng như tạo điều kiện để em thực hiện đề tài này Chân thành biết ơn các thầy cô giáo trong và ngoài khoa Điện – Điện Tử đã tận tình dạy dỗ, cung cấp nhiều kiến thức quý báu trong quá trình học tập tại trường Xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy ThS Nhữ Khải Hoàn đã hướng dẫn tận tình em thực hiện đề tài này Cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn sát cánh và động viên tôi vượt qua khó khăn, thử thách để tôi có được ngày hôm nay

Nha trang, tháng 6 năm 2013

Sinh viên Phạm Văn Bình

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Chế tạo bộ điều khiển nhiệt độ có yêu cầu và đặc tính như sau:

Có khả năng ứng dụng trong điều khiển nhiệt độ lò sấy thủy sản

Bộ điều khiển có khả năng kết nối máy tính thu thập dữ liệu để nghiên cứu hoặc giám sát và điều khiển quá trình sấy Có khả năng hoạt động độc lập không cần kết nối với máy tính

Phương pháp điều khiển dựa trên phương pháp điều khiển tự động PID

Nhiệt độ hoạt động ổn định với sai số cho phép là ±1 oC trong ngưỡng nhiệt độ đặt từ 40 đến 80 oC phù hợp với yêu cầu sấy thủy sản

Ngưỡng nhiệt độ đặt cho phép từ 30 đến 99 oC Nhiệt độ thấp nhất của lò phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Về lý thuyết sản phẩm có thể đạt tối đa 125 oC, nhưng với yêu cầu sử dụng cho lò sấy nên mô hình được giới hạn ở ngưỡng 99 oC

Bộ điều khiển có tính năng hẹn giờ và sấy theo quy trình đặt trước Có tính năng báo động khi hết thời gian hẹn giờ và duy trì hệ thống ở ngưỡng nhiệt độ an toàn (dưới

40 oC)

Công suất tối đa của mô hình là 700W

Hệ thống sử dụng phương pháp bức xạ nhiệt, nhiệt độ tạo ra từ mâm nhiệt được tận dụng từ nồi cơm điện hỏng Mô hình lò sấy được tận dụng từ vỏ lò vi sóng hỏng Điều khiển nhiệt độ chính là điều khiển điện áp cấp cho mâm nhiệt bằng cách điều khiển góc mở van Triac

Sử dụng ngôn ngữ lập trình đồ họa LabVIEW để thiết kế giao diện điều khiển trên máy tính

Sử dụng Vi điều khiển ATMEGA16 cho khả năng xử lý nhanh chóng các hoạt động, điều khiển hệ thống thông minh và ổn định

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii

DANH SÁCH HÌNH VẼ vi

DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 1

1.3 PHẠM VI ĐỒ ÁN 2

1.4 NỘI DUNG ĐỒ ÁN 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 TÌM HIỂU LÕ SẤY DÙNG ĐIỆN 4

2.1.1 Giới thiệu chung 4

2.1.2 Đặc điểm của lò điện 4

2.1.3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở 5

2.1.4 Đại cương về quá trình sấy 5

2.1.5 Đặc điểm diễn biến của quá trình sấy 6

2.1.6 Các phương pháp sấy 8

2.1.7 Phương pháp sấy bức xạ 9

2.1.8 Tự động hóa quá trình sấy 10

2.1.9 Mô tả toán học lò nhiệt 11

2.2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 12

2.2.1 Khái niệm về đo lường 12

2.2.2 Khái niệm về đo lường điện 13

2.2.3 Các phương pháp đo 13

2.3 TÌM HIỂU ĐO LƯỜNG NHIỆT ĐỘ 16

2.3.1 Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ 16

2.3.2 Thang đo nhiệt độ 17

2.3.3 Phân loại hệ thống đo nhiệt độ 18

2.4 CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ DS18B20 19

2.4.1 Giới thiệu 19

2.4.2 Cấu tạo 20

2.4.3 Tập lệnh điều khiển DS18B20 21

2.5 TÌM HIỂU GIAO TIẾP VI ĐIỀU KHIỂN VỚI MÁY TÍNH 23

2.5.1 Giới thiệu 23

2.5.2 Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển quá trình 24

2.5.3 Giới thiệu về cổng truyền thông nối tiếp (RS232) 25

2.5.4 Một số phần mềm lập trình thiết kế giao diện trên máy tính 27

2.6 TÌM HIỀU PHẦN MỀM LabVIEW 28

2.6.1 Giới thiệu 28

2.6.2 Ứng dụng LabVIEW 29

2.6.3 Cấu trúc của chương trình LabVIEW 31

2.6.4 Bộ công cụ lập trình LabVIEW 34

2.7 TÌM HIỂU HỌ VI ĐIỀU KHIỂN AVR 37

2.7.1 Giới thiệu 37

2.7.2 Cấu trúc họ vi điều khiển AVR 39

2.7.3 Ngắt trên AVR 41

2.7.4 Truyền thông nối tiếp UART 43

2.7.5 Bộ Timer và Counter 48

2.8 TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 48

2.8.1 Giới thiệu 48

2.8.2 Khâu tỉ lệ P 49

2.8.3 Khâu tích phân I 50

2.8.4 Khâu vi phân D 51

2.8.5 Tính toán hệ số điều khiển 52

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 55

3.1 THIẾT KẾ 55

3.1.1 Phương án điều khiển nhiệt độ 55

3.1.2 Xây dựng mô hình hệ thống 57

3.1.3 Thiết kế mạch điện 58

3.2 LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16 68

3.2.1 Cấu trúc chương trình 68

3.2.2 Chương trình điều khiển chính 69

3.2.3 Chương trình ngắt Timer 2 và ngắt INT 0 71

3.2.4 Chương trình tính giá trị điều khiển bằng thuật toán PID 73

3.3 LẬP TRÌNH GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY TÍNH SỬ DỤNG LabVIEW 75

3.3.1 Giao diện điều khiển 75

3.3.2 Sơ đồ khối chương trình 76

CHƯƠNG 4: THI CÔNG, THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH 78

4.1 THI CÔNG MÔ HÌNH 78

4.1.1 Hệ thống mạch điện 78

4.1.2 Lắp ráp mô hình 80

4.2 THỰC NGHIỆM HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH 81

4.2.1 Thí nghiệm 1 81

4.2.2 Thí nghiệm 2 82

4.2.3 Thí nghiệm 3 83

4.2.4 Thí nghiệm 4 84

4.2.5 Thí nghiệm 5 85

4.3 ĐÁNH GIÁ 86

KẾT LUẬN 88

KIẾN NGHỊ 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT – ANH 91

PHỤ LỤC 92

Phụ lục 1 Mã chương trình cho vi điều khiển ATMEGA16 92

Phụ lục 2 Bảng kết quả thu thập nhiệt độ thí nghiệm 1 113

Phụ lục 3 Bảng kết quả thu thập nhiệt độ thí nghiệm 2 118

Phụ lục 4 Bảng kết quả thu thập nhiệt độ thí nghiệm 3 120

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Mô tả lò nhiệt 11

Hình 2.2 Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng 14

Hình 2.3 Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh 14

Hình 2.4 Đặc tuyến nhiệt độ theo thời gian 17

Hình 2.5 IC DS18B20 20

Hình 2.6 Sơ Đồ Khối DS18B20 20

Hình 2.7 Bộ nhớ Scratchpad 21

Hình 2.8 Vi xử lý trong hệ thống điều khiển quá trình 23

Hình 2.9 Cấu trúc hệ thống điều khiển quá trình 24

Hình 2.10 Dạng khuôn của tín hiệu truyền từ DTE 25

Hình 2.11 Tín hiệu truyền giữa DTE với DTE, DTE với DCE 26

Hình 2.12 Các loại kết nối 26

Hình 2.13 Sản xuất thiết bị y tế mẫu nhanh nhờ sử dụng LabVIEW 29

Hình 2.14 Thu thập dữ liệu tại cơ quan hàng không và vũ trụ NASA 30

Hình 2.15 Ứng dụng LabVIEW trong hệ thống SCADA 30

Hình 2.16 Bảng giao diện mới trên LabVIEW 31

Hình 2.17 Thanh công cụ giao diện của LabVIEW 31

Hình 2.18 Sơ đồ khối khối của LabVIEW 33

Hình 2.19 Ví dụ minh họa chương trình LabVIEW 34

Hình 2.20 Cửa sổ Icon Editor 34

Hình 2.21 Bảng Controls 36

Hình 2.22 Bảng Functions 36

Hình 2.23 Cấu trúc họ Vi điều khiển AVR 39

Hình 2.24 Bộ nhớ trên AVR 40

Hình 2.25 Địa chỉ 32 thanh ghi RF trên AVR 40

Hình 2.26 Minh họa cách tổ chức ngắt trong họ AVR 41

Hình 2.27 Sơ đồ khối bộ truyền UART 43

Hình 2.28 Sơ đồ khối bộ nhận UART 45

Hình 2.29 Kiểm tra bit start 46

Hình 2.30 Kiểm tra các bit dữ liệu 46

Hình 2.31 Thanh ghi dữ liệu UDR 47

Hình 2.32 Thanh ghi trạng thái USR 47

Hình 2.33 Thanh ghi điều khiển UCR 47

Hình 2.34 Thanh ghi tạo tốc độ baud UBRR 47

Hình 2.35 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 49

Hình 2.36 Đồ thị PV theo thời gian, thay đổi Kp(với Ki và Kd là hằng số) 50

Hình 2.37 Đồ thị PV theo thời gian, thay đổi Ki (với Kp và Kd là hằng số) 51

Hình 2.38 Đồ thị PV theo thời gian, thay đổi Kd (với Kp và Ki là hằng số) 52

Hình 3.1 Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều 55

Hình 3.2 Đồ thị dòng điện và điện áp 56

Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống tổng quát 57

Hình 3.4 Board mạch vi điều khiển ATMEGA 16 58

Hình 3.5 PCB mạch công suất 61

Hình 3.6 Ký hiệu Triac 63

Hình 3.7 PCB mạch hiển thị và nút nhấn 65

Hình 3.8 Hình dạng LCD 16 x 2 67

Hình 3.9 IC PL2303HX 68

Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 70

Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt timer 2 và ngắt INT 0 71

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán chương trình control_PID 73

Hình 3.13 Giao diện điều khiển trên máy tính 76

Hình 3.14 Sơ đồ khối chương trình LabVIEW 77

Hình 4.1 Board mạch vi điều khiển ATMEGA 16 78

Hình 4.2 Board mạch công suất khi hoàn thành 79

Hình 4.3 Khối mạch điều khiển và hiển thị 79

Hình 4.4 Mặt trước mô hình lò sấy 80

Hình 4.5 Bên trong mô hình lò sấy 80

Hình 4.6 Lắp ráp hệ thống 81

Hình 4.7 Đồ thị nhiệt độ thí nghiệm 1 82

Hình 4.8 Đồ thị nhiệt độ thí nghiệm 2 83

Hình 4.9 Đồ thị nhiệt độ thí nghiệm 3 84

Hình 4.10 Đồ thị nhiệt độ thí nghiệm 4 85

Hình 4.11 Đồ thị nhiệt độ thí nghiệm 5 86

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Nhiệt độ ở một số trạng thái 18

Bảng 2.2 Chức năng các chân của IC DS18B20 20

Bảng 2.3 Các loại tín hiệu của cổng nối tiếp RS232 26

Bảng 2.4 Sơ đồ kết nối DTE và DCE 27

Bảng 2.5 Địa chỉ của gốc và các thông tin của cổng COM 27

Bảng 2.6 Thông tin các ngắt của AVR 42

Bảng 2.7 Tác động của việc tăng một thông số độc lập 53

Bảng 2.8 Phương pháp Ziegler–Nichols 53

Bảng 3.1 Thông số BTA41 63

Bảng 3.2 Chức năng các chân LCD 16x2 67

IC Integrated circuit: Vi mạch tích hợp hay gọi là Chip

DAC Digital to Analog Converter: Chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự ADC Analog to Digital Converter: Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ROM Read only memory: Bộ nhớ chỉ đọc

RAM Random access memory: Bộ nhớ truy suất ngẫu nhiên

PLC Programmable Logic Controller: bộ điều khiển logic lập trình được

HMI Human Machine Interface: Giao diện người – máy

DTE Data Terminal Equipment: Thiết bị đầu cuối dữ liệu

DCE Data Communication Equipment: Thiết bị truyền dữ liệu

UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter: truyền thông nối

tiếp không đồng bộ ALU Arithmetic and Logic Unit

LCD Liquid Crystal Display: Màn hình tinh thể lỏng

PCB Printed circuit board: Bảng mạch in

INT External Interrupt Request: Yêu cầu ngắt ngoài

PV Process variable: biến quá trình( kết quả hiện tại)

MCU Microcontroller unit: Vi điều khiển

FPGA Field-programmable gate array

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Nước ta với thế mạnh là vùng biển rộng lớn, nguồn thủy hải sản dồi dào đa dạng

có giá trị kinh tế cao Ngư dân có truyền thống đánh bắt lâu đời, sản lượng đánh bắt được rất lớn tuy nhiên quá trình chế biến của ngư dân còn khá lạc hậu

Đa phần thủy sản sau khi khai thác đều được làm khô bằng cách phơi nắng bên ngoài môi trường Phương pháp này rất bấp bênh và phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết Nếu thời tiết thay đổi thất thường thì ngư dân trở tay không kịp dẫn đến hư hỏng thủy sản, ảnh hưởng đến thu nhập Chất lượng sản phẩm không cao, không đảm bảo vệ sinh

an toàn thực phẩm, gây ô nhiễm môi trường Ngoài ra phương pháp này còn mất rất nhiều công sức lao động cũng như tốn kém thời gian của ngư dân

Việc nghiên cứu chế tạo lò sấy thủy sản có khả năng đáp ứng được quy mô của

hộ gia đình với giá thành phù hợp là cấp thiết bây giờ Với loại lò sấy này có thể sản xuất ra sản phẩm đạt chất lượng cao và vệ sinh an toàn thực phẩm, làm tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường trong và ngoài nước Đồng thời nâng cao năng lực sản xuất, giảm công lao động, góp phần phát triển kinh tế của ngư dân cũng như góp phần phát triển kinh tế đất nước

Cùng với việc máy tính đang rất phổ biến, với khả năng điều khiển, giám sát và

đo lường từ xa Lò sấy sử dụng vi điều khiển thông minh có kết nối máy tính sẽ phù hợp với mô hình sản xuất công nghiệp, hoặc với nhu cầu trong đo lường nghiên cứu Nhận thức được tầm quan trọng đó, tác giả lựa chọn đề tài này

1.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

Với đề tài này, ta có một số phương pháp như điều khiển nhiệt độ cơ bản như:

- Điều khiển theo phương pháp On - Off

- Điều khiển bằng khâu tỷ lệ P

- Điều khiển bằng khâu vi phân tỷ lệ PD

- Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỷ lệ PID

- Phương pháp Logic Mờ ( Fuzzy logic)

Các phương pháp đều có ưu khuyết điểm, với điều kiện đáp ứng đồ án này, tác giả lựa chọn phương pháp điều khiển bằng khâu vi tích phân tỷ lệ PID với những cải tiến phù hợp với đặc tính lò nhiệt

Thiết bị tạo nhiệt hay tải sử dụng là loại điện trở, tác giả tận dụng từ mâm nhiệt trong nồi cơm điện

Với loại tải này, cơ cấu chấp hành có thể chọn lựa nhiều loại như:

- Điện áp lưới được chỉnh lưu sang 1 chiều, Sử dụng PWM để thay đổi điện áp cấp cho tải

- Sử dụng On/Off điện áp ra tải

- Phương pháp điều áp xoay chiều, thay đổi góc α để thay đổi điện áp ra tải

Để có khả năng ứng dụng rộng rãi và phát triển nâng cao tác giả lựa chọn phương pháp điều áp xoay chiều một pha

Thuật toán điều khiển PID kết hợp sử dụng phương pháp điều áp xoay chiều một pha bằng cách thay đổi góc kích α của van động lực Triac Từ đó điều khiển được nhiệt độ lò sấy

- Xây dựng phương pháp hoạt động của mạch điều khiển

- Thiết kế - thi công các mạch điện

- Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát nhiệt độ trên máy tính sử dụng phần mềm LabVIEW

- Đánh giá các hoạt động mô hình

1.4 NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Nội dung của đồ án được trình bày 4 chương sau:

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương này giới thiệu tổng quan về đồ án

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này tìm hiểu các nội dung lý thuyết như: tìm hiểu nguyên lý hoạt động của lò sấy, tìm hiểu phần mềm LabVIEW, tìm hiểu họ vi điều khiển AVR, tìm hiều cảm biến đo nhiệt độ

Chương 3: Thiết kế mô hình lò nhiệt

Chương này bao gồm xây dựng nguyên lý, phương pháp hoạt động của mô hình, xây dựng sơ đồ hoạt động từ đó thiết kế các mạch điện, lập trình cho vi điều khiển ATMEGA 16 và lập trình giao diện điều khiển trên máy tính bằng ngôn ngữ lập trình

đồ họa LabVIEW

Chương 4: Thi công, thực nghiệm mô hình lò nhiệt

Từ những gì đã thiết kế xây dựng được, tiến hành thi công mạch điện, mô hình thực tế và kiểm nghiệm đánh giá hoạt động thực tế của mô hình

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TÌM HIỂU LÕ SẤY DÙNG ĐIỆN

2.1.1 Giới thiệu chung

Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau v.v

 Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật :

+ Sản xuất thép chất lượng cao

+ Sản xuất các hợp kim phe-rô

+ Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện

+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi

+ Sản xuất đúc và kim loại bột

+ Chế biến thực phẫm, sấy thực phẫm chất lượng cao

+ Trong các sản phẩm dân dụng: Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v

+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thủy tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v

2.1.2 Đặc điểm của lò điện

Lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau:

- Có khả năng tạo được nhiệt độ cao

- Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao

- Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm

- Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ

- Đảm bảo điều kiện lao động, điều kiện thao tác và thiết bị gọn nhẹ

- Năng lượng điện rẽ tiền và bền vững hơn các dạng năng lượng khác

- Có khả năng bảo vệ môi trường, độ an toàn cao hơn

2.1.3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở

Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ :

T: Thời gian tính bằng giây (s)

Từ công thức trên ta thấy điện trở R đóng vai trò :

- Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp

- Dây nung: Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nung gián tiếp Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản (tiết diện chữ nhật, vuông và tròn)

Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò

2.1.4 Đại cương về quá trình sấy

Quá trình sấy là quá trình làm khô các vật thể, các vật liệu, các sản phẩm bằng phương pháp bay hơi

Như vậy muốn sấy khô một vật ta phải tiến hành các biện pháp kỹ thuật sau:

 Gia nhiệt cho vật để đưa nhiệt độ của nó lên đến nhiệt độ bão hoà ứng với phần áp suất của hơi nước trên bề mặt vật

 Cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm trong vật thể

 Vận chuyển hơi ẩm đã thoát ra khỏi vật thể vào môi trường

Có nhiều cách gia nhiệt vật thể và cũng có nhiều cách vận chuyển hơi ẩm từ bề mặt vật thể vào môi trường Điều này tức là sẽ có nhiều phương pháp sấy khác nhau

2.1.5 Đặc điểm diễn biến của quá trình sấy

Nếu chế độ sấy tương đối dịu, tức là nhiệt độ và tốc độ chuyển động của không khí không lớn, đồng thời vật có độ ẩm tương đối cao, thì quá trình sấy sẽ xảy ra theo

ba giai đoạn: giai đoạn làm nóng vật, giai đoạn sấy tốc độ không đổi và giai đoạn sấy tốc độ giảm dần

Giai đoạn làm nóng vật

2.1.5.1.

Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho tới khi nhiệt độ vật đạt đến bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt (tư) Trong quá trình này toàn bộ vật sấy được gia nhiệt Ẩm lỏng trong vật cũng được gia nhiệt cho đến khi đạt được nhiệt độ sôi ứng với phần áp suất hơi nước trong môi trường không khí trong buồng sấy ( tư ) Do được làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm chút ít do bay hơi ẩm còn nhiệt độ của vật thì tăng dần từ nhiệt độ ban đầu cho đến khi bằng nhiệt độ nhiệt

kế ướt Tuy vậy sự tăng nhiệt độ trong quá trình xảy ra không đồng đều ở phần ngoài

và phần trong vật Vùng trong vật đạt tới tư chậm hơn Đối với những vật dễ sấy thì giai đoạn làm nóng vật xảy ra rất nhanh

Giai đoạn tốc độ sấy không đổi

2.1.5.2.

Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ hóa hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉ để làm hóa hơi nước Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật,

ẩm lỏng ở bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi Do nhiệt độ không khí nóng không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ giữa vật và môi trường cũng không đổi Do vậy tốc độ bay hơi ẩm của vật cũng không đổi Điều này sẽ làm cho tốc độ giảm của độ chứa ẩm của vật theo thời gian 

Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần

2.1.5.3.

Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại trong vật

là ẩm liên kết Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ (ẩm liên kết càng chặt) Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi có nghĩa là tốc độ sấy trong giai đoạn này nhỏ hơn và càng giảm đi theo thời gian sấy Quá trình sấy càng tiếp diễn, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm của vật giảm đến bằng độ ẩm cân bằng ứng với điều kiện môi trường không khí ẩm trong buồng sấy (ucb, cb) thì quá trình thoát ẩm của vật ngừng lại có nghĩa là tốc độ sấy



u Trong giai đoạn sấy tốc độ giảm nhiệt độ vật sấy tăng lên lớn hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt Nhiệt độ ở các lớp bên ngoài bề mặt tăng nhanh hơn còn càng sâu vào bên trong vật nhiệt độ tăng chậm do đó hình thành gradien nhiệt độ trong vật sấy Khi độ ẩm của vật đã đạt đến độ ẩm cân bằng thì lúc này giữa vật sấy và môi trường có sự cân bằng nhiệt và ẩm Có nghĩa là không có sự trao đổi nhiệt và chất giữa vật và môi trường (nhiệt độ vật bằng nhiệt độ môi trường, còn độ ẩm của vật là độ ẩm cân bằng) Ở cuối quá trình sấy do tốc độ sấy nhỏ nên thời gian sấy kéo dài Về lý thuyết để cho độ ẩm giảm đến độ ẩm cân bằng thì thời gian sấy  tức là đường cong u = ƒ( ) tiệm cận với đường thẳng ucb = const Tuy vậy trong thực tế người ta sấy đến độ ẩm cuối u2 (2) lớn hơn độ ẩm cân bằng Độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào

độ ẩm tương đối và nhiệt độ không khí ẩm nên tuỳ theo độ ẩm tương đối và nhiệt độ không khí trong buồng sấy mà độ ẩm cuối của sản phẩm sấy có thể đạt đến sẽ khác nhau Cần chú ý tới điều kiện trên đây khi chọn nhiệt độ và độ ẩm của không khí tiếp xúc với vật liệu sấy ở giai đoạn cuối quá trình sấy

Trong ba giai đoạn sấy kể trên, giai đoạn thứ nhất thường xảy ra rất nhanh so với hai giai đoạn tiếp theo Vì vậy, trong nhiều trường hợp người ta chia quá trình sấy thành hai giai đoạn: giai đoạn sấy tốc độ không đổi (bao gồm cả giai đoạn gia nhiệt)

Tuy vậy sấy tự nhiên có nhược điểm là:

- Khó thực hiện cơ giới hóa

- Nhiệt độ thấp nên cường độ sấy không cao

- Sản phẩm dễ bị ô nhiễm do bụi và sinh vật, vi sinh vật

- Chiếm diện tích mặt bằng sản xuất lớn

- Nhiều sản phẩm nếu sấy tự nhiên chất lượng sản phẩm không đạt yêu cầu Các phương pháp sấy nhân tạo được thực hiện trong thiết bị sấy Có nhiều phương pháp sấy nhân tạo khác nhau Căn cứ vào phương pháp cung cấp nhiệt có thể chia ra các loại sau:

1 Phương pháp sấy đối lưu: Nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy là nhiệt

truyền từ môi chất sấy đến vật liệu bằng cách truyền nhiệt đối lưu

2 Phương pháp sấy bức xạ: Trong phương pháp sấy này nguồn nhiệt cung cấp

cho quá trình sấy thực hiện bằng bức xạ từ một bề mặt nào đó đến vật sấy

3 Phương pháp sấy tiếp xúc: Trong phương pháp này người ta cung cấp nhiệt cho

vật sấy bằng cách cho tiếp xúc trực tiếp vật với bề mặt nguồn nhiệt

4 Phương pháp sấy bằng điện trường dòng cao tần: Nhiệt cung cấp cho vật sấy

nhờ dòng điện cao tần tạo nên điện trường cao tần trong vật làm vật nóng lên

5 Phương pháp sấy thăng hoa: Phương pháp này thực hiện bằng cách làm lạnh

vật đồng thời hút chân không dể cho vật sấy đạt đến trạng thái thăng hoa của nước

Ẩm thoát ra khỏi vật nhờ quá trình thăng hoa

Trong đề tài này tác giả sử dụng phương pháp xấy bức xạ để áp dụng vào mô hình lò sấy

 Ưu điểm:

- Cường độ bay hơi ẩm lớn có thể tới vài lần so với sấy đối lưu và tiếp xúc Điều này được giải thích là dòng nhiệt bức xạ trên đơn vị diện tích lớn hơn đáng kể

- Thiết bị gọn nhẹ, chiếm ít diện tích

- Thời gian sấy cho phép rút ngắn do đó nó góp phần làm tăng năng suất và giảm giá thành sản phẩm

- Phương pháp này thích hợp với các vật liệu mỏng như: vải, giấy, các chi tiết kim loại sơn hay các sản phẩm đánh xi

 Thiết bị sấy bức xạ dùng đèn hồng ngoại:

Đèn hồng ngoại được chế tạo với công suất khác nhau 125, 250, 500W, Trên 1

m2 có thể bố trí 56 bóng công suất 250 W, tổng công suất 14 kW/m2 Nếu bố trí bóng công suất 500 W, tổng công suất 28 kW/m2

Thuỷ tinh dùng làm đèn hồng ngoại cần

có khả năng cho qua dễ dàng các tia nhiệt như thuỷ tinh thạch anh

Dùng đèn hồng ngoại có ưu điểm là quán tính nhiệt không đáng kể, điều khiển dễ dàng thuận tiện Nhược điểm là tiêu hao năng lượng cao hiệu suất thiết bị thấp

Khi bố trí đèn cần chú ý tới khoảng cách giữa đèn và vật liệu để cho phân bố dòng nhiệt bức xạ đồng đều trên bề mặt vật Trong thực tế thì thông thường khoảng cách này lớn hơn 300 mm

 Thiết bị sấy bức xạ dùng bề mặt bức xạ bằng điện trở:

Thiết bị nguồn nhiệt là dây điện trở đặc trong ống kim loại, thanh điện trở hay điện trở tấm Công suất riêng trên đơn vị diện tích bề mặt là khá lớn Ví dụ: tấm bức

xạ nhiệt điện trở do nhà máy Ulianop ở thành phố Goocki sản xuất có nhiệt độ bề mặt nung đến 460oC, công suất riêng 20 23 kW/m2

Thiết bị sấy bức xạ gia nhiệt bằng hơi đốt

2.1.7.3.

Ưu điểm: Dùng hơi đốt để gia nhiệt kinh tế hơn dùng điện

Nhược điểm: Vận hành phức tạp, sản phẩm cháy thoát ra làm ô nhiễm môi

trường

2.1.8 Tự động hóa quá trình sấy

Mục tiêu chung và hướng phát triển của các ngành công nghiệp là tự động hóa là

để nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm sức lao động của con người Tuy nhiên việc tự động hóa phải xuất phát từ những điều kiện kinh tế kỹ thuật cụ thể để lựa chọn hình thức và mức độ thực hiện tự động hóa

Trong các thiết bị sấy tự động hóa còn nhằm các yêu cầu văn minh công nghiệp

Về kỹ thuật tự động hóa góp phần nâng cao hiệu suất thiết bị và tăng sản lượng sản phẩm, vì tự động hóa có thể duy trì thiết bị làm việc ở chế độ tối ưu theo các điều kiện thay đổi nhanh của chế độ vận hành Nhiều quá trình sấy không thể thiếu tự động hóa

ví dụ, sấy với tốc độ cao, khi cần duy trì chính xác nhiệt độ tác nhân sấy ở nhiệt độ cao hay duy trì cường độ bức xạ lớn Khi sấy bằng dòng điện tần số cao, nhất thiết phải tự động hóa

Để đảm bảo cho thiết bị làm việc an toàn trong quá trình sấy, tự động hóa nhằm vào các đối tượng sau:

 Đối với các thiết bị sấy làm việc liên tục tự động điều chỉnh nhằm giữ chế độ sấy phù hợp yêu cầu về chất lượng và năng suất sấy

 Tự động hóa theo chương trình để điều chỉnh các thiết bị sấy làm việc theo chu

kỳ nhằm điều khiển duy trì nhiệt độ và độ ẩm của môi chất trong buồng sấy thay đổi phù hợp với các giai đoạn của chế độ sấy

 Tự động hóa bảo vệ và báo hiệu

2.1.9 Mô tả toán học lò nhiệt

Do những ưu điểm của hệ thống lò sấy bằng điện đã nêu trên nên để áp dụng thực tế cần tự động hóa cao

Hệ thống được thiết kế dùng phương pháp điều biến độ rộng xung để thay đổi điện thế cung cấp cho lò nhiệt dẫn đến thay đổi công suất làm việc của lò

 Mô tả toán học hệ thống:

Xét 1 lò nhiệt (Hình 2.1) Dây điện trở cung cấp dòng nhiệt q Giả sử rằng lò nhỏ nên ta coi nó là một ngăn khác với nhiệt độ T1, vách ngăn là một ngăn khác với nhiệt

độ T2 Nhiệt độ môi trường là Ta Tìm hàm truyền đạt với T1 là đầu ra, q là đầu vào

Sự trao đổi năng lượng của mỗi ngăn:

R

T

T 

- 2

11

1

C

y = T1

Gọi: H1, h2 – là hệ số luân chuyển nhiệt bên

trong và ngoài vách ngăn

A1, A2 – là điện tích

Ta có dòng nhiệt đi vào vách ngăn:

q1 = h1A1(T1 – T2) = - (2.2) Dòng nhiệt đi ra khỏi vách:

1 1 1

1

1111

11

C R R C

R

C R C

1

10

01

C R

1

R

R s

C R

2 1

1

R

R s

C R

R R

Thay vào:

T1 =

1)(

)1

(

2 2 2 1 1 2 2 2 1 1

2 1 2

1 2

R R s

C R R

q

+

1 ) (

1

1 2 2 2 1 1 2 2 2 1

Đặt: n =

2 2 1 1

1

C R C

R ; 2n =

2 2 1 1

1 2 2 2 1 1

C R C R

C R C R C

1 =

2 1

2

R R

R

 R1C2; Kg = R1 + R2

Ta có: T1 =

121

)1(

2 2

s Kg

Từ các biểu thức toán học trên ta thấy rằng nhiệt độ lò phụ thuộc vào nhiều yếu

tố khác nhau như: Nhiệt lượng cung cấp cho lò, nhiệt độ môi trường, các thông số về cách nhiệt của lò

Để điều khiển và ổn định nhiệt độ trong lò ta chỉ cần thay đổi công suất nguồn nhiệt cung cấp cho lò

2.2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

2.2.1 Khái niệm về đo lường

Đo lường là một quá trình đánh giá định hướng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số với đơn vị đo

Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo Ax, nó bằng tỷ số của đại lượng cần đo X và đơn vị đo X0 Vậy quá trình có thể viết dưới dạng:

0 x 0

2.2.2 Khái niệm về đo lường điện

Đại lượng nào so sánh được với mẫu hay chuẩn thì mới đo được Nếu các đại lượng không so sánh được thì phải chuyển đổi về đại lượng so sánh được với mẫu hay chuẩn rồi đo Đo lường điện là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng điện cần

đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo

2.2.3 Các phương pháp đo

Phương pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quá trình đo, bao gồm các thao tác: xác định mẫu và thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể hiện kết quả hay chỉ thị Các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phương pháp nhận thông tin

đo và nhiều yếu tố khác như đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu… Tùy thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo

mà người quan sát phải biết chọn các phương pháp đo khác nhau để thực hiện tốt quá trình đo lường Có thể có nhiều phương pháp đo khác nhau nhưng trong thực tế thường phân thành 2 loại phương pháp đo chính là phương pháp đo biến đổi thẳng và phương pháp đo kiểu so sánh

Phương pháp đo biến đổi thẳng

2.2.3.1.

- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng,

nghĩa là không có khâu phản hồi

* Thu được kết quả đo: AX = X/XO = NX/NO

Hình 2.2 Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng Quá trình này được gọi là quá trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng Tín hiệu đo X và tín hiệu đơn vị XO sau khi qua khâu biến đổi (có thể là một hay nhiều khâu nối tiếp) có thể được qua bộ biến đổi tương tự - số A/D để có NX và NO , qua khâu so sánh có NX/NO

Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì tín hiệu qua các khâu biến đổi sẽ có sai số bằng tổng sai số của các khâu, vì vậy phương pháp này thường được sử dụng khi độ chính xác yêu cầu của phép đo không cao lắm

Phương pháp đo kiểu so sánh

2.2.3.2.

- Định nghĩa: là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng, nghĩa

là có khâu phản hồi

- Quá trình thực hiện:

+ Đại lượng đo X và đại lượng mẫu XO được biến đổi thành một đại lượng vật

lý nào đó thuận tiện cho việc so sánh

+ Quá trình so sánh X và tín hiệu XK (tỉ lệ với XO) diễn ra trong suốt quá trình

đo, khi hai đại lượng bằng nhau đọc kết quả XK sẽ có được kết quả đo

Quá trình đo như vậy gọi là quá trình đo kiểu so sánh Thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh (hay còn gọi là kiểu bù)

Hình 2.3 Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh

- Các phương pháp so sánh: Bộ so sánh SS thực hiện việc so sánh đại lượng đo

X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, qua bộ so sánh có: ΔX = X - XK Tùy thuộc vào cách

so sánh mà sẽ có các phương pháp sau:

+ So sánh cân bằng:

* Quá trình thực hiện: Đại lượng cần đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK =

NK.XO được so sánh với nhau sao cho ΔX = 0, từ đó suy ra X = XK = NK.XO Suy ra kết quả đo: AX = X/XO = NK Trong quá trình đo, XK phải thay đổi khi X thay đổi để được kết quả so sánh là ΔX = 0 từ đó suy ra kết quả đo

* Độ chính xác: Phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ nhạy của thiết bị chỉ

thị cân bằng (độ chính xác khi nhận biết ΔX = 0)

+ So sánh không cân bằng:

* Quá trình thực hiện: Đại lượng tỉ lệ với mẫu XK là không đổi và biết trước,

qua bộ so sánh có được ΔX = X - XK, đo ΔX sẽ có được đại lượng đo X = ΔX + XK từ

* Quá trình thực hiện: Dựa trên việc so sánh các trạng thái đáp ứng của thiết bị

đo khi chịu tác động tương ứng của đại lượng đo X và đại lượng tỉ lệ với mẫu XK, khi hai trạng thái đáp ứng bằng nhau suy ra X = XK

Đầu tiên dưới tác động của X gây ra một trạng thái nào đo trong thiết bị đo, sau

đó thay X bằng đại lượng mẫu XK thích hợp sao cho cũng gây ra đúng trạng thái như khi X tác động, từ đó suy ra X = XK Như vậy rõ ràng là XK phải thay đổi khi X thay đổi

* Độ chính xác: Phụ thuộc vào độ chính xác của XK Phương pháp này chính xác

vì khi thay XK bằng X thì mọi trạng thái của thiết bị đo vẫn giữ nguyên Thường thì giá trị mẫu được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc mẫu để xác định giá trị của đại lượng đo X

Thiết bị đo theo phương pháp này là các thiết bị đánh giá trực tiếp như Vôn kế, Ampe kế chỉ thị kim

+ So sánh đồng thời:

* Quá trình thực hiện: So sánh cùng lúc nhiều giá trị của đại lượng đo X và đại

lượng mẫu XK, căn cứ vào các giá trị bằng nhau suy ra giá trị của đại lượng đo

Trong thực tế thường sử dụng phương pháp này để thử nghiệm các đặc tính của các cảm biến hay của thiết bị đo để đánh giá sai số của chúng

Từ các phương pháp đo trên có thể có các cách thực hiện phép đo là:

- Đo trực tiếp: Kết quả có chỉ sau một lần đo

- Đo gián tiếp: Kết quả có bằng phép suy ra từ một số phép đo trực tiếp

- Đo hợp bộ: Như gián tiếp nhưng phải giả một phương trình hay một hệ phương

trình mới có kết quả

- Đo thống kê: Đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình mới có kết quả

2.3 TÌM HIỂU ĐO LƯỜNG NHIỆT ĐỘ

2.3.1 Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho mức chuyển động hỗn loạn của các phân tử trong các vật thể

Để đo được nhiệt độ thì phải có dụng cụ đo, thông thường trong công nghiệp nhiệt độ được đo bằng cảm biến và phương pháp này tiện lợi là có thể truyền tín hiệu nhiệt độ đi xa, không ảnh hưởng tới sự làm việc của hệ thống khi cần xác định nhiệt độ

Để đo chính xác nhiệt độ thì cần có hiệu số Tx - T là cực tiểu với Tx là nhiệt độ môi trường cần đo, T là nhiệt độ của cảm biến đặt trong môi trường cần đo

Khi cảm biến được đặt trong môi trường cần đo nhiệt độ, thì nhiệt lượng cảm biến hấp thụ từ môi trường tỷ lệ với độ chênh nhiệt giữa cảm biến và môi trường theo biểu thức: dQ = a.A(Tx - T)dt (2.13)

Với a là độ dẫn nhiệt, A là diện tích bề mặt truyền nhiệt

Mặt khác nếu cảm biến có khối lượng là m và nhiệt dung riêng(tỷ nhiệt) là c thì nhiệt lượng hấp thụ được là: dQ = m.c.dt (2.14)

Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt môi trường, kết cấu kiểu giá đỡ thì ta có:

a.A(Tx - T)dt = m.c.dT (2.15) Gọi τ là hằng số thời gian nhiệt:

Vậy ta có phương trình vi phân cân bằng nhiệt:

(2.16) Nghiệm của phương trình (2.16) là:

(2.17) với k là hằng số

Từ phương trình (2.17) ta có đặc tuyến nhiệt độ theo thời gian:

Hình 2.4 Đặc tuyến nhiệt độ theo thời gian Hình 2.4a: Không tính tổn thất nhiệt từ môi trường cần đo truyền vào cảm biến Hình 2.4b: Có tính tổn thất nhiệt từ môi trường cần đo truyền vào cảm biến và (Tx – T1 = ΔT) luôn luôn tồn tại

2.3.2 Thang đo nhiệt độ

Thang đo nhiệt độ là một dãy các mốc nằm trong khoảng nhiệt độ giới hạn bởi hai điểm sôi và nóng chảy cố định của một vật chất tinh khiết, hai điểm này gọi là điểm gốc để phân độ toàn thang Có 3 loại thang đo nhiệt độ: Thang nhiệt độ động học tuyệt đối (oK), bách phân (oC) và Fahrenheit (oF )

Thang nhiệt độ động học tuyệt đối

Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là oK Do nhà vật lý người Anh là Thomson

đề ra năm 1852 Trong thang nhiệt độ này người ta lấy 3 trạng thái của nước ở điểm cân bằng nước, nước đá và hơi nước một giá trị số bằng 273,15 oK

Từ thang nhiệt độ Kelvin người ta xác định các thang nhiệt độ mới là thang Celsius và thang Fahrenheit

Thang đo nhiệt độ Bách phân

2.3.2.2.

Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là oC Do nhà vật lý người Thụy Điển

Celsius đưa ra năm 1742 dựa vào điểm tan của nước đá và điểm sôi của nước chia ra

100 khoảng Quan hệ giữa thang Celsius và thang Kelvin được xác định bởi biểu

2.3.3 Phân loại hệ thống đo nhiệt độ

Phân loại hệ thống đo nhiệt độ có nhiều cách, nếu theo nguyên tắc làm việc của máy đo nhiệt độ thì có thể phân thành các nhóm :

+ Nhiệt kế giãn nở: Dựa trên sự biến đổi thể tích của chất lỏng hay chiều dài của chất rắn khi nhiệt độ thay đổi

+ Nhiệt áp kế: Dựa trên nguyên tắc biến đổi thể tích chất lỏng, chất khí, hơi trong hệ thống kín khi nhiệt độ môi trường thay đổi

+ Nhiệt kế cặp nhiệt điện: Dựa trên nguyên tắc thay đổi sức điện động khi cặp nhiệt điện thay đổi

+ Nhiệt kế điện trở: Dựa trên sự phụ thuộc giữa nhiệt độ của dây dẫn, bán dẫn với điện trở của chúng

+ Hỏa kế bức xạ, hỏa kế phát quang: Dựa vào biên độ sóng ánh sáng thay đổi khi nhiệt độ vùng cần đo thay đổi

+ Siêu âm nhiệt độ: Nguyên lý hoạt động dựa trên quan hệ giữa nhiệt độ và môi trường truyền âm

2.4 CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ DS18B20

 Kết quả đo có độ phân giải 9- 12bit, tùy thiết lập và mục đích mà người dùng chọn độ phân giải phù hợp Số bit càng lớn thì độ chính xác cao hơn Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa là 750ms cho mã hóa 12 bit

 Có thể đo nhiệt độ trong khoảng -55°C đến +125°C Với khoảng nhiệt độ từ -10°C đến +85°C thì độ chính xác ±0,5°C

 Có chức năng cảnh báo nhiệt độ vượt qua giá trị đặt trước

 Mỗi cảm biến DS18B20 có một mã danh định( Serial code) 64bit duy nhất chứa trong bộ nhớ ROM trên chip, như vậy cho phép sử dụng song song nhiều cảm biến DS18B20 trên cùng đường bus

2.4.2 Cấu tạo

 Sơ đồ, chức năng các chân:

DS18B20 có 3 kiểu đóng vỏ sản phẩm, kiểu TO92 3 Chân, Kiểu SO(150 mils) 8 chân và kiểu uSOP 8 chân

Bảng 2.2 Chức năng các chân của IC DS18B20

Hình 2.5 IC DS18B20

 Sơ đồ khối:

Hình 2.6 Sơ Đồ Khối DS18B20

 Tổ chức bộ nhớ:

 Mỗi IC DS1820 có một mã 64bit riêng biệt bao gồm:

8 bit Family code, 48 bit serial code và 8 bit CRC code được lưu trong Rom Các giá trị này giúp phân biệt giữa các IC với nhau trên cùng 1 bus Giá trị Family code của DS1820 là 28h và giá trị CRC là kết quả của quá trình kiểm tra 56 bits trước đó

 Tổ chức bộ nhớ Scratchpad:

Bộ nhớ Scratchpad DS1820 gồm 9 thanh ghi 8 bit:

- Byte 0 và 1 lưu giá trị nhiệt độ chuyển đổi

Byte 2 và 3 lưu giá trị ngưỡng nhiệt độ ( giá trị này

được lưu khi mất điện)

- Byte 4 là thanh ghi cấu hình cho hoạt động của

DS1820

- Byte 5,6 và 7 không sử dụng

- Byte 8 là thanh ghi chỉ đọc lưu giá trị CRC từ

byte 0 đến byte 7

Dữ liệu trong byte 2,3,4 được ghi thông qua

lệnh Write Scratchpad [4Eh] và dữ liệu được truyền

đến DS18B20 với bit LSB của byte 2, sau khi ghi dữ

liệu có thể được đọc lại thông qua lệnh Read

Scratchpad [BEh] và khi đọc Scratchpad thì bit LSB

của byte 0 sẽ được gửi đi trước tất cả các byte đều

được đọc, nhưng chỉ ghi được byte 2,3 và 4 Để

chuyển giá trị TH và TL từ bộ nhớ vào EEPROM thì

cần gửi lệnh Copy Scratchpad [48h] đến DS18B20 Dữ liệu từ EPROM cũng có thể được chuyển vào thanh ghi TH, TL thông qua lệnh Recall E2 [B8h]

2.4.3 Tập lệnh điều khiển DS18B20

READ ROM (33h): Cho phép đọc ra 8 byte mã đã khắc bằng laser trên ROM, bao gồm: 8 bit mã định tên linh kiện (10h), 48 bit số xuất xưởng, 8 bit kiểm tra CRC Lệnh này chỉ dùng khi trên bus có 1 cảm biến DS1820, nếu không sẽ xảy ra xung đột trên bus do tất cả các cảm biến cùng đáp ứng

MATCH ROM (55h): Lệnh này được gửi đi cùng với 64 bit ROM tiếp theo, cho phép bộ điều khiển bus chọn ra chỉ một cảm biến cụ thể khi trên bus có nhiều cảm biến cùng nối vào Chỉ có DS1820 nào có 64 bit trên ROM trùng khớp với chuỗi 64 bit vừa được gửi tới mới đáp ứng lại các lệnh về bộ nhớ tiếp theo Còn các cảm biến có 64 bit

Hình 2.7 Bộ nhớ Scratchpad

ROM không trùng khớp sẽ tiếp tục chờ một xung reset Lệnh này được sử dụng cả trong trường hợp có một cảm biến một dây hoặc nhiều cảm biến một dây

SKIP ROM (CCh): Lệnh này cho phép thiết bị điều khiển truy nhập thẳng đến các lệnh bộ nhớ của DS1820 mà không cần gửi chuỗi mã 64 bit ROM Như vậy sẽ tiết kiệm được thời gian chờ đợi nhưng chỉ mang hiệu quả khi trên bus chỉ có một cảm biến

ALARM SEARCH (ECh): Tiến trình của lệnh này giống hệt như lệnh Search ROM, nhưng cảm biến chỉ đáp ứng lệnh này khi xuất hiện điều kiện cảnh báo trong phép đo nhiệt độ cuối cùng Điều kiện cảnh báo ở đây được định nghĩa là giá trị nhiệt

độ đo được lớn hơn giá trị TH và nhỏ hơn giá trị TL là hai giá trị nhiệt độ cao nhất và nhiệt độ thấp nhất đã được đặt trên thanh ghi trong bộ nhớ của cảm biến

SEARCH ROM (F0h): Lệnh này cho phép bộ điều khiển bus có thể dò tìm được

số lượng thành viên tớ đang được đấu vào bus và các giá trị cụ thể trong 64 bit ROM của chúng bằng một chu trình dò tìm

WRITE SCRATCHPAD (4Eh): Lệnh này cho phép ghi 2 byte dữ liệu vào bộ nhớ nháp của DS1820 Byte đầu tiên được ghi vào thanh ghi TH còn byte thứ hai được ghi vào thanh ghi TL Dữ liệu truyền theo trình tự đầu tiên là bit có ý nghĩa nhất và kế tiếp là những bit có ý nghĩa giảm dần Cả hai byte này phải được ghi trước khi thiết bị chủ xuất ra một xung reset hoặc khi có dữ liệu khác xuất hiện

READ SCRATCHPAD (BEh): Lệnh này cho phép thiết bị chủ đọc nội dung bộ nhớ nháp Quá trình đọc bắt đầu từ bit có ý nghĩa nhất của byte 0 và tiếp tục cho đến byte thứ 9 (byte 8 – CRC) Thiết bị chủ có thể xuất ra một xung reset để làm dừng quá trình đọc bất kì lúc nào nếu như chỉ có một phần của dữ liệu trên bộ nhớ nháp cần được đọc

COPYSCRATCHPAD (48h): Lệnh này copy nội dung của hai thanh ghi TH và

TL vào bộ nhớ EEPROM Nếu cảm biến được sử dụng trong chế độ cấp nguồn l bắt đầu việc đo

CONVERT T (44h): Lệnh này khởi động một quá trình đo và chuyển đổi giá trị

nhiệt độ thành số Sau khi chuyển đổi giá trị kết quả đo nhiệt độ được lưu trữ trên

thanh ghi nhiệt độ Thời gian chuyển đổi không quá 200 ms, trong thời gian đang chuyển đổi nếu thực hiện lệnh đọc thì các giá trị đọc ra đều bằng 0

READ POWER SUPPLY (B4h): Lệnh này kiểm tra xem DS1820 đang sử dụng chế độ cấp nguồn như thế nào Giá trị đọc được bằng 0 nếu cấp nguồn bằng chính đường dẫn dữ liệu và bằng 1 nếu cấp nguồn qua một đường dẫn riêng

2.5 TÌM HIỂU GIAO TIẾP VI ĐIỀU KHIỂN VỚI MÁY TÍNH

2.5.1 Giới thiệu

Ngày nay việc sử dụng máy tính và vi xử lý trong các dây chuyền sản xuất hiện đại đã là yêu cầu bắt buộc để tăng năng suất và chất lượng sản phẩm Trong các sản phẩm dân dụng, việc sử dụng vi xử lý góp phần tăng tính thông minh của sản phẩm và tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng giám sát và điều khiển

Vi xử lý được sử dụng trong đo lường và điều khiển dưới ba dạng:

- Máy tính điều khiển

- Vi xử lý điều khiển nhúng, nghĩa là vi xử lý là một bộ phận không tách rời của thiết bị được điều khiển

- Bộ điều khiển logic lập trình được (PLC – Programmable Logic Controller)

Cả ba dạng đều được thiết kế dựa trên cơ sở hoạt động của vi xử lý với chức năng xử lý thông tin theo sơ đồ bên dưới

Hình 2.8 Vi xử lý trong hệ thống điều khiển quá trình

2.5.2 Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển quá trình

Hình 2.9 Cấu trúc hệ thống điều khiển quá trình Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển quá trình gồm các phần sau:

- Bộ xử lý trung tâm (Centrer processor unit): bao gồm bộ vi xử lý, bộ nhớ…

- Các kênh truyền thông liên lạc giữa người với máy tính HMI (Human Machine Interface) và máy với máy

- Các thiết bị ghép nối và chuyển đổi ADC và DAC

- Cảm biến (cảm biến nhiệt, áp suất, dịch chuyển, vận tốc…)

- Chấp hành (relay, động cơ, van khí và thủy lực, …)

Tùy theo độ phức tạp của đối tượng điều khiển ta có thể sử dụng một công cụ máy tính hoặc là hệ thống nhiều máy tính ghép với nhau theo mạng phân bố và phân cấp Việc giao tiếp giữa các máy tính thường là giao tiếp tuần tự không đồng bộ

Giao tiếp người và máy được thực hiện qua bàn phím, màn hình, âm thanh…

Tín hiệu

nhị phân Đổi TT - Số

Khuếch đại chuyển đổi

Máy tính trung tâm

Máy vi tính

Giao diện

Người vận hành

Đổi Số - TT

Khuếch đại công suất

Tín hiệu nhị phân

Tín hiệu đo lường điều khiển có 2 dạng: Số và Tương tự Đối với những tín hiệu tương tự của cảm biến, cần sử dụng các bộ chuyển đổi ra dạng điện áp hay dòng điện rồi chuyển đổi ADC Tín hiệu điều khiển dạng số cần phải chuyển đổi DAC Tùy theo loại cơ cấu chấp hành ta cần các bộ khuếch đại công suất phù hợp

2.5.3 Giới thiệu về cổng truyền thông nối tiếp (RS232)

Cổng COM trên máy tính thường được dùng để truyền thông giữa máy tính và thiết bị ngoại vi, có các đặc điểm sau:

Khoảng cách truyền dài hơn so với cổng song song Cổng nối tiếp truyền mức 1

từ -3V  25V và mức 0 từ +3V  +25V nên tính chống nhiễu cao hơn, cho phép khoảng cách truyền xa hơn

- Số dây kết nối ít, tối thiểu 3 dây

- Có thể ghép với đường dây điện thoại, cho phép khoảng cách truyền chỉ bị giới hạn bởi mạng tổng đài điện thoại

- Có thể truyền không dây dùng tia hồng ngoại

- Ghép nối dễ dàng với vi điều khiển hay PLC

Các thiết bị ghép nối nối tiếp chia làm hai loại DTE và DCE DCE là các thiết bị trung gian như modem, còn DTE là các thiết bị như máy tính, Vi điều khiển là nguồn tạo ra dữ liệu hay tiếp nhận dữ liệu để xử lý Có thể ghép nối DTE với DTE hoặc DTE với DCE, DCE với DTE hay DCE Tín hiệu truyền nối tiếp theo dạng xung chuẩn RS232 của EIA (Electronics Industry Asociations), mức logic 0 còn gọi là Space giữa +3V và +25V, mức logic 1 còn gọi là Mark, ở giữa -3V và -25V

Từ DTE tín hiệu được truyền giữa hai dây TXD và GND theo khuôn dạng sau:

Hình 2.10 Dạng khuôn của tín hiệu truyền từ DTE Khi không truyền đường dây sẽ ở trạng thái mark, khi bắt đầu truyền xung start được truyền (+10V) sau đó là 8 bit dữ liệu, bit D0 được truyền trước, nếu bit dữ liệu logic 0 thì điện áp đường dây tương ứng là +10V, sau các bit dữ liệu là bit kiểm tra

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P Stop

Mức 0 -10 Mark

+10 Space

chẵn lẻ, rồi bit stop ở mức logic 1 (-10V), DTE nhận tín hiệu truyền ngược trở lại theo đường RXD

Hình 2.11 Tín hiệu truyền giữa DTE với DTE, DTE với DCE

Bảng 2.3 Các loại tín hiệu của cổng nối tiếp RS232

Thường sử dụng các sơ đồ kết nối:

Hình 2.12 Các loại kết nối Hình 2.12a: Kết nối trực tiếp; hình 2.12b: Kết nối qua modem

Tín hiệu truyền nối tiếp dưới dạng các bit, số bit trong một giây được gọi là baud, vận tốc truyền thông dụng là 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200… baud

DTE 1

TXD

RXD

DTE 2 TXD

RXD

DTE TXD

RXD

DCE TXD

RXD

DTE DTE

a)

đài b)

Bảng 2.4 Sơ đồ kết nối DTE và DCE

Việc trao đổi dữ liệu của máy tính đƣợc thực hiện thông qua vi mạch UART còn với vi điều khiển hay Vi điều khiển thì có các vi mạch chuyên dụng hoặc đƣợc tích hợp trong vi xử lý

Các cổng nối tiếp đƣợc đánh số COM 1, COM 2, COM 3, COM 4, …

Bảng 2.5 Địa chỉ của gốc và các thông tin của cổng COM

Tên Địa chỉ gốc Ngắt Nơi chứa địa chỉ

2.5.4 Một số phần mềm lập trình thiết kế giao diện trên máy tính

Hiện nay có nhiều ngôn ngữ lập trình có thể thiết kế giao diện và điều khiển trên máy tính, cũng nhƣ có thể giúp máy tính giao tiếp đƣợc với vi điều khiển

Một số ngôn ngữ lập trình hay sử dụng nhiều nhƣ:

TD

RD

SG DTR DSR

CD RTS CTS

TD

RD

SG DTR DSR

CD RTS CTS

2.6 TÌM HIỀU PHẦN MỀM LabVIEW

2.6.1 Giới thiệu

LabVIEW (Laboratory Virtual Istrument Electronic Workbench) của hãng National Instruments, là ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa sử dụng các biểu tượng (Icons) thay cho các dòng lệnh để tạo ra các ứng dụng Không giống như các ngôn ngữ lập trình bằng các dòng lệnh – các lệnh xác định sự thực hiện của chương trình, LabVIEW sử dụng lập trình dòng dữ liệu - dữ liệu xác định sự thực hiện của chương trình Chính bởi hình thức này mà LabVIEW đem đến một cách nhìn trực quan nhất về phương pháp phân tích, xử lý, thiết kế hệ thống và đặc biệt hữu ích trong thu thập cũng như xử lý tín hiệu

LabVIEW có khả năng thiết lập mạng truyền thông chuyên dụng cho việc nhận

và truyền dữ liệu giữa các máy tính trong công nghiệp, được tích hợp đầy đủ cho việc truyền tin với các phần cứng như là GPIB, VXI, PXI, RS -232, RS-485 và các thiết bị thu nhận dữ liệu Vì vậy mà LabVIEW có các đặc trưng được xây dựng bên trong phù hợp với việc kết nối các ứng dụng

LabVIEW có các thư viện đầy đủ dùng cho thu thập, phân tích hiển thị và lưu trữ

dữ liệu LabVIEW cũng có các công cụ phát triển phần mềm truyền thống Người sử dụng có thể tạo các điểm dừng, chạy mô phỏng chương trình và chạy từng bước cả chương trình để đơn giản hóa việc gỡ rối và viết chương trình