đồ án điện tử tìm hiểu và thiết kế mô phỏng lò ấp trứng

Các máy móc dần dần thay thế sức lao động tay chân của con người, thực hiện các công việc phức tạp và tốn nhiều công sức thay cho con người với hiệu quả và khối lượng công việc rất cao.C

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học máy tính và điện tử đã hỗ trợ rất lớn đến sự ra đời và phát triển của công nghệ tự động Công cuộctự động hóa đã tạo ra một bước ngoặt trong quá trình sản xuất cũng như sinh hoạt của con người Các máy móc dần dần thay thế sức lao động tay chân của con người, thực hiện các công việc phức tạp và tốn nhiều công sức thay cho con người với hiệu quả và khối lượng công việc rất cao.

Công việc ấp trứng gia cầm vốn được làm thủ công yêu cầu phải thực hiện nhiều thao tác liên tục trong nhiều ngày đêm với sự giám sát chặt chẽ các yếu tố về nhiệt độ, độ ẩm,

độ thông thoáng khí…

Máy ấp trứng là sản phẩm tự động hóa tất yếu ra đời để thay thế con người trong công việc này Với sự có mặt của kỹ thuật điện tử, chiếc máy ấp trứng không chỉ hoạt động độc lập và chính xác trong thời gian dài Nó còn giao tiếp được với máy tính để giúp người giám sát nắm được các thông số cũng như cài đặt các yêu cầu một cách đơn giản

Xuất phát từ tính thực tiễn của một máy ấp trứng gà, trên cở sở các kiến thức đã có

và ham muốn về lĩnh vực này, tôi xin chọn đề tài làm đồ án tốt nghiệp: “Tìm hiểu việc giám sát, điều khiển thông số của lò ấp trứng công nghiệp” Trên cơ sở những kiến thức đã học,

đồ ánsẽ tập trung tìm hiểu, nghiên cứucơ chế làm việc cơ bản của 1 máy ấp trứng gia cầm Đặc biệt, từ đó để thiết kế, chế tạo một mạch điện tử đơn giản với chức năng, nhiệm vụ và nguyên lí làm việc tương đồng với một máy ấp trứng gà tự động phù hợp với giá thành và điều kiện kinh tế trong nước, đặc biệt là khu vực nông thôn

Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến với các thầy cô trong trường Đại Học Điện Lực, đặc biệt là các thầy cô trong Khoa Điện Tử - Viễn Thông đã tận tâm dạy dỗ, truyền đạt những kiến thức quý báu trong những năm học qua tại trường

Em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến với Thầy Đỗ Quốc Đáng, giảng viên trường

ĐH Điện Lực đã tận tâm hướng dẫn, cung cấp tài liệu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt tập đồ án tốt nghiệp này

Và cuối cùng gửi lời cám ơn đến tất cả những người thân, ba mẹ, bạn bè đã quan tâm, giúp đỡ và động viên em trong quá trình học tập cũng như trong quá trình thực hiện đồ án

Hà Nội, tháng 01 năm 2015

Sinh viên thực hiện :

Phùng Hữu Hải

Đồ án tìm hiểu về nguyên lí làm việc cơ bản của 1 lò ấp trứng Từ đó thiết kế một mạch

mô phỏng đơn giản với chức năng mô tả minh họa tương đồng

Nội dung Đồ án này gồm có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về lò ấp trứng công nghiệp

Chương 2: Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển

Chương 3: Phần mềm giám sát, điều chỉnh trên máy tính

Giảng viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

Giảng viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

10 Cổng RS232 và 1 số linh kiện để ghép nối với UART 24

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÒ ẤP CÔNG NGHIỆP

Các loại trứng gia cầm khác có các yêu cầu khác nhau về nhiệt độ, độ ẩm và thời gian ấp nở.Về cơ bản, máy ấp trứng tự động gồm bốn khâu: nhiệt độ, đảo trứng, độ ẩm và thông gió, các thông số kỹ thuật đều được điều chỉnh bằng mạch bán dẫn và vi điện tử Để có giống mạnh khoẻ, tỷ lệ nở cao, máy phải giải quyết được triệt để bốn khâu trên.

Khâu nhiệt đóng vai trò quan trọng nhất, quả trứng ấp không đủ nhiệt thì phôi

sẽ không phát triển.Để giữ nhiệt, các vỏ máy được thiết kế dày và có chức năng cách ly tốt, góp phần lưu nhiệt khi mất điện.Trong máy có các hệ thống dây điện trở, có chức năng sinh nhiệt, mỗi dây có công suất tùy thuộc vào thể tích của lồng ấp.Để đóng, ngắtmạch điện và dây điện trở sinh nhiệt, có thể sử dụng rơle điện tử không tiếp điểm, dùng tri-ắc công suất lớn, bộ đóng ngắt hoạt động với độ tin cậy cao

Khâu đảo trứng là khâu thứ hai trong quá trình ấp.Thông thường trứng được đảo vài giờ một lần, một lần kéo dài khoảng 10 phút Việc đảo trứng thực hiện chậm vì tránh hiện tượng va đập làm hư trứng Dàn đảo sẽ đảo với một góc không quá 60o hoặc thấp hơn tùy vào thiết kế của giá để trứng

Một quả trứng bình thường chứa 6,5% đến 6,6% lượng nước Trong quá trình tiếp nhiệt độ để phát triển thành con giống, lượng nước sẽ bị bay hơi dần Máy ấp trứng phải có hệ thống cung cấp độ ẩm tự động và điều chỉnh được tuỳ ý.Thông thường máy ấp có giàn phun nước tự động để giữ cho độ ẩm không thay đổi tùy thuộc vào từng giai đoạn của trứng

Thông gió là phần không thể thiếu trong quá trình ấp.Các quạt thông gió phải gắn với cửa chớp mở tự động mỗi khi quạt hoạt động.Việc gắn với cửa chớp là để đảm bảo việc cách ly với môi trường bên ngoài, đảm bảo việc giữ nhiệt.Việc thông gió có thể kết hợp với việc giảm nhiệt cho máy ấp

1.2 Công nghệ ấp trứng của lò

Một hệ thống thu thập dữ liệu của lò ấp bao gồm:

- Chuyển đổi dữ liệu.

Bộ điều khiển đặt trên nóc vỏ trong hộp, cách nhiệt hoàn toàn với buồng ấp

1.2.3 Nguyên lý hoạt động:

Bằng việc sử dụng vi xử lý kết hợp các linh kiện điện tử cũng như lập trình từ phía người thiết kế, khối xử lý trung tâm sẽ nhận các thông số đầu vào từ: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm trong máy và các chế độ, thông số từ phía giao diện người dùng, từ đó cho ra các tín hiệu hợp lý đưa tới các khối hệ thống riêng biệt để các hệ thống thực hiện chức năng, nhiệm vụ của mình

Sơ đồ khối của hệ thống

Hệ thống cấp ẩm tuyệt đối

Hệ thống cấp nhiệt tự động

Cảm biến độ ẩm

1.2.4 Hệ thống cấp nhiệt tự động.

Vận hành nhờ một cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ trong buồng ấp Khi nhiệt độ trong buồng ấp chưa đạt (đạt) ngưỡng nhiệt độ đã cài đặt thì hệ thống cách nhiệt hoạt động nhờ một rơ le (hoặc khởi động từ) đóng (mở) bóng đèn, dây mayso cấp nhiệt (không cấp nhiệt) cho lò ấp Để nhiệt độ trong máy luôn ổn định thì linh kiện phải được bố trí có hệ thống, các linh kiện phải được cân chỉnh để đạt được thông số

kỹ thuật tối ưu

1.2.5 Hệ thống cấp ẩm tuyệt đối.

Khi độ ẩm trong buồng ấp thiếu, cảm biến ẩm báo lên hệ thống điều khiển, hệ thống điền khiển mở van điện tử cho giàn nước chảy vào buồng ấp (hoặc quạt phun sương) làm tăng độ ẩm.Đây là quá trình bốc hơi nước tự nhiên không làm cho gia cầm mới nở bị nặng bụng, nhờ vậy chất lượng con giống tốt

Bộ điều ẩm thường gồm một bộ cảm biến ẩm đặt trong máy để tác động vào bộ phận ngắt van nước đế đóng ngắt dòng chảy vào máy, khi độ ẩm thấp hay cao quá mức qui định

1.2.6 Hệ thống đảo tự động

Cứ một hoặc hai giờ (tùy người điều khiển cài đặt) hệ thống đảo hoạt động một lần với góc nghiêng 450 và giữ nguyên đến chu kỳ sau Mục đích của hệ thống đảo

là không để phôi dính vào vỏ và để phôi phát triển đều trong vỏ trứng.Để đạt tỷ lệ

nở cao thì hệ thống đảo phải đảo thật nhẹ nhàng, không để trứng lắc mạnh và đảo đủ

1.2.8 Hệ thống báo hiệu

Hệ thống báo hiệu cũng rất quan trọng Khi các thông số về nhiệt độ và độ ẩm không thể đạt được theo yêu cầu của khối xử lý trung tâm thì hệ thống báo hiệu sẽ được kích hoạt 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, chuông đèn báo hiệu

Ngoài ra còn có: Hệ thống trộn khí và thông khí

Hệ thống trộn khí hoạt động theo nguyên lý khí vòng cung Nhờ hệ thống quạt đối lưu không khí trong buồng ấp được trộn đều, tránh tình trạng nóng cục bộ hoặc thời tiết có nhiệt độ quá cao

Nguyên lý khí động học được áp dụng trong hệ thống thông khí.Các lỗ thông khí được bố trí hợp lý để trong quá trình ấp, trứng nhận được lượng oxy cần thiết và xả khí độc

1.3 Kỹ thuật ấp trứng bằng máy ấp tự động (áp dụng trứng gà)

Thời gian ấp trứng gà bắt đầu đưa vào ấp đến ngày 21 là nở ra gà con.Trứng to

nở trễ, trứng nhỏ nở sớm, thời gian nở chênh lệch khoảng 5-10 giờ.

1.3.1 Công đoạn chuẩn bị máy ấp:

• Máy ấp trứng phải được vệ sinh lau chùi sạch sẽ bên trong, dùng thuốc khử trùng trong máy thì càng tốt

• Hiện nay, một số máy ấp trứng có chức năng khử trùng diệt khuẩn bằng tia cực tím Sẽ rất tiện lợi thay thế chúng ta diệt khuẩn bằng thuốc

• Nên bật máy ấp từ 2 – 4 giờ để đạt đúng nhiệt độ thích hợp sau đó mới cho trứng vào khay

• Hoặc có thể cho trứng vào máy và tiến hành xông khử trùng 1 lượt Phương pháp này chỉ áp dụng cho trứng ấp đơn kỳ

• Khi đưa trứng vào ấp, nên ghi lại ngày trên khayđể chúng ta dễ quan sát theo dõi

• Sau khi nở thành gà con, lấy gà ra khỏi máy và tiến hành vệ sinh để cho đợt ấp kế tiếp

1.3.2 Nhiệt độ ấp trứng:

a Nhiệt độ cho ấp trứng gà đơn kỳ:

b Nhiệt độ cho ấp trứng gà đa kỳ:

Trong máy có nhiều lô trứng được đưa vào thời gian khác nhau.Vì vậy, phải sử dụng chế độ nhiệt mà tất cả các lô trứng đều có thể chấp nhận được

Số trứng đầu tiên từ 1 – 15 ngày 37,8 độ C

a Độ ẩm cho máy ấp đơn kỳ:

b Độ ẩm cho máy ấp đa kỳ:

• Trong những ngày nóng cần hạ nhiệt độ phòng ấp bằng cách mở cửa, phun nước ấm (35 – 360C ) làm mát phòng ấp

• Nếu trong quá trình ấp, độ ẩm quá cao gà con nở ra sẽ nặng bụng, bên trong vỏ dính đầy chất nhớt Nếu độ ẩm thiếu lông gà sẽ dính vỏ trứng và không thể đạp ra khỏi cơ thể dẫn đến chết trong vỏ, nếu gà nở lông sẽ không bông, khối lượng thấp, có khi có tật ở chân, mỏ và cổ

• Độ ẩm thích hợp gà nở có khối lượng đạt 60 - 61% so với khối lượng trứng.

Chất lượng sản phẩm

Trong công việc chế tạo máy ấp trứng, nhờ tuân thủ tất cả các nguyên lý cơ bản dựa theo những thông số kỹ thuật trong ấp trứng gia cầm nên chất lượng sản phẩm

và hiện tỷ lệ nở đạt từ 80 đến 97%

Tính sáng tạo trong máy ấp trứng công nghiệp hiện đại

Hiện nay công nghệ phát triển tạo điều kiện thuận lợi cho các ngành sản xuất, chế tạo trong nước nói chung và ngành sản xuất máy ấp trứng nói riêng Từ việcnghiên cứu, chế tạo ra các thiết bị đo lường để cân chỉnh các thống số đạt mức tối ưu, nhờ vậy máy ấp đạt tỷ lệ nở cao

Độ ẩm tuyệt đối và vận hành theo cơ chế bốc hơi tự nhiên làm cho chất lượng con giống được cải thiện (long bông, bụng sẹp, chân ướt…)

Cơ chế nhiệt vòng cung không gây nóng cục bộ

Một số hình ảnh thực tế về máy ấp trứng:

Hình Máy ấp trứng tự động

Hình Bộ xử lý trung tâm, hiển thị và nút bấm

Hình Khay trứng dùng trong máy ấp trứng điều áp

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN

Từ việc tìm hiểu cấu tạo, cơ chế hoạt động của máy ấp trứng công nghiệp cũng

như các thông số, yêu cầu của kỹ thuật ấp trứng gà trong Chương I, Chương II từ

cơ sở đó sẽ tiến hành xây dựng 1 hệ thống giám sát điều khiển đơn giản có tính tương đồng với hệ thống giám sát điều khiển của lò, từ đó giúp nâng cao nhận thức

về hệ thống và làm cơ sở để hiểu hơn và phát triển các ứng dụng của lĩnh vực điện tử

2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống được thiết kế dựa trên sơ đồ khối phía dưới, với các tín hiệu đầu vào là: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, tín hiệu từ phím bấm chọn chế độ nhiệt Tín hiệu ra đưa tới các khối điều khiển nhiệt độ và độ ẩm, LCD, khối cảnh báo khi nhiệt độ không thể điều chỉnh theo yêu cầu, và cuối cùng là khối giao tiếp với máy tính hỗ trợ việc hiển thị thông số 2 cảm biến đồng thời nạp code điều chỉnh cho chip khi cần thiết

Hình Sơ đồ khổi hệ thống giám sát, điều khiển

Nút bấm điều chỉnh chế độ

LCD hiển thị nhiệt độ và độ ẩm

Khối cảnh báoCảm biến nhiệt độ

Khối giao tiếp với máy tính

Khối xử lý trung tâm Khối cấp ẩm tự

động

Khối cấp nhiệt tự động

Cảm biến độ ẩm

2.2 Thiết kế phần cứng.

Phần cứng bao gồm:

- Khối xử lý trung tâm: chip ATmega328P

- Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT21, (cảm biến nhiệt độ DS18B20):đo nhiệt

độ, độ ẩm của môi trường từ đó sẽ có điều khiển thích hợp với từng thời kỳ

ấp trứng

- Khối hiển thị LCD 16x2: hiển thị độ ẩm vànhiệt độ theo ngưỡng đã định sẵn

và hiển thị độ ẩm và nhiệt độ hiện tại của môi trường

- Khối điều khiển: Sử dụng opto quang cách ly ngăn sự xung đột giữa nguồn điều khiển quạt, bóng đèn sưởi dội ngược lại vi điều khiển gây ra tình trạng treo chip Có thể sử dụng để bật tắt thiết bị 220v xoay chiều

- Khối giao tiếp với máy tính: giao tiếp qua cổng UART với chip

- Một số thiết bị khác: Nguồn, xung thạch anh, tụ điện, điện trở, đèn, moto, loa

+ Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit

+ Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh)

Hình 4: Sơ đồ chân chip Atmega328P

Chức năng cơ bản các chân của chip trong bảng sau:

STT Ký hiệu (tên) Chức năng chân

1 PC6 (PCINT14/RESET) Chân reset Kéo chân này xuống đất thì chip reset

2 PD0 (PCINT16/RXD) Chân RxD của giao thức UART, RxD là chân nhận

3 PD1 (PCINT17/TXD) Chân TxD của giao thức UART, TxD là chân truyền

16 PB2 (SS/OC1B/PCINT2) Select chip (dành cho giao thức SPI)

17 PB3 (MOSI/OC2A/PCINT3) Master out Slave in (chân MOSI) của giao thức SPI

21 AREF Chân cung cấp điện áp để so sánh (dùng so sánh với các kênh analog)

27 PC4 (ADC4/SDA/PCINT12) Chân SDA của giao thức I2C

28 PC5 (ADC5/SCL/PCINT13) Chân SCL của giao thức I2C

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11

DHT21/AM2301 là module tích hợp cảm biến độ ẩm điện dung và cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, đầu ra tín hiệu số có thể kết nối với một Vi điều khiển 8-bit, Sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhanh, khả năng chống nhiễu mạnh, giao tiếp duy nhất 1 dây Kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, khoảng cách truyền dẫn tín hiệu lên đến 20m Điện năng tiêu thụ cực thấp, khoảng cách truyền dẫn, hiệu chuẩn hoàn toàn tự động, sử dụng các cảm biến độ ẩm điện dung, hoàn toàn hoán đổi cho nhau, tiêu chuẩn kỹ thuật số đầu ra duy nhất- một bust, ổn định lâu dài tuyệt vời, thiết bị đo nhiệt độ chính xác cao

• Đo lường chính xác nhiệt độ: ± 0.3℃

Dây màu vàng: dây truyền dữ liệu (DATA)

Hình 6: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động cảm biến DHT21

- Bước 1: Gửi tín hiệu Start

Hình 7: Quá trình gửi tín hiệu start của MCU

MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian >18ms.Khi đó DHT21 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm

- MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào

- Sau khoảng 20-40us, DHT21 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu

>40us mà chân DATA ko được kéo xuống thấp nghĩa là ko giao tiếp được với DHT21

- Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT21 kéo lên cao trong 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT21 ko Nếu tín hiệu đo được DHT21 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình giao tiếp của MCU với DHT

- Bước 2: Đọc giá trị trên DHT21

DHT21 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte Trong đó:

- Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)

- Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)

- Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)

- Byte 4 : giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)

- Byte 5: kiểm tra tổng Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa.+ Cách tính nhiệt độ và độ ẩm:

Giá trị của nhiệt độ và độ ẩm là 1 số thực.

+ Đọc dữ liệu: Sau khi giao tiếp được với DHT21, DHT21 sẽ gửi liên tiếp 40 bit

0 hoặc 1 về MCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của Nhiệt độ và độ ẩm

 LCD16x2:

Cấu trúc Text LCD: Text LCD là các loại màn hình tinh thể lỏng dung để hiển thị các dòng chữ hoặc số trong bẳng mã ASCII Không giống các loại LCD lớn, text LCD được chia sẵn thành từng ô và ứng với mỗi ô chỉ có thể hiển thị một ký tự ASCII.Cũng vì lý do chỉ hiển thị được ký tự ASCII nên loại LCD này được gọi là Text LCD (để phânbiết với Graphic LCD có thể hiển thị được hình ảnh) Mỗi ô của Text LCD bao gồm các chấm tinh thể lỏng, việc kết hợp “ẩn” và “hiện”các chấm này sẽ tạo thành một ký tự cần hiển thị Trong Text LCD, các mẫu ký tự được định nghĩa sẵn Kích thước của Text LCD được định nghĩa bằng số ký tự có thể hiển thị trên 1 dòng và tổng số dòng mà LCD có

LCD 16x2 là loại có 2 dòng và mỗi dòng hiển thị tối đa được 16 ký tự.Một số kích thước thông thường của LCD là: 16x1, 16x2, 16x4, 20x2, 20x4…TextLCD có 2 giao thức cơ bản là nối tiếp (như I2C) và song song

Hình 8: Text LCD 16x2

Các Text LCD theo chuẩn HD44780U thường có 16 chân trong đó 14 chân kết nối với bộ điều khiển và 2 chân nguồn cho “đèn LED nền” Thứ tự các chân thường

được sắp xếp như sau: