Ứng dụng vi điều khiển để điều khiển nhiệt độ khi sấy nông sản dạng hat

Tài liệu tham khảo Ứng dụng vi điều khiển để điều khiển nhiệt độ khi sấy nông sản dạng hat

Phần 1

mở đầu

Việt Nam là đất nớc nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, quanh năm ẩm

-ớt Thiên nhiên đã u đãi cho chúng ta nhiều vùng đất thuận lợi cho phát triển nông nghiệp Hiện nay, tỷ trọng nông nghiệp trong nền kinh tế quốc dân đã giảm nhng nó vẫn là một trong các động lực chính để phát triển kinh tế đất nớc

Đảng và Nhà nớc luôn luôn đề ra những mục tiêu và chính sách nhằm phát triển một nền sản xuất nông nghiệp hiện đại, vì vậy những năm gần đây chúng

ta đã dành đợc những thành tự to lớn trong sản xuất nông nghiệp: đảm bảo ổn

định lơng thực trong nớc, khối lợng xuất khẩu ngày càng tăng, chất lợng sản phẩm xuất khẩu đợc nâng cao

Nhu cầu lơng thực, thực phẩm trên thế giới ngày càng tăng, đi liền với

nó là những yêu cầu ngày càng khắt khe về chất lợng và an toàn của 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

Hầu hết các sản phẩm nông nghiệp ở dạng hạt nh: lúa, ngô, đỗ, đậu, vừng Phơng pháp bảo quản thông dụng nhất là sấy khô sản phẩm đến một mức cần thiết Trớc đây ngời dân hay sử dụng phơng pháp phơi nắng tự nhiên hay sấy thủ công Những phơng pháp này có nhợc điểm là năng suất thấp, sản phẩm không nh ý muốn Hiện nay đã có những thiết bị sấy có quy mô lớn hơn; tuy nhiên cũng chỉ là các thiết bị cải tạo từ những thiết bị sấy thủ công cũ, năng suất sấy có tăng nhng chất lợng không cao do con ngời vẫn can thiệp vào toàn

bộ quá trình sấy; hoặc là những thiết bị sấy quy mô công nghiệp đợc nhập ngoại, đợc điều khiển tự động nhng rất đắt tiền, không phù hợp với túi tiền của

ngời nông dân Vậy vấn đề đặt ra là phải chế tạo đợc những hệ thống, thiết bị sấy quy mô vừa và nhỏ, vừa có giá thành rẻ lại có những tính năng tự động điều khiển hiện đại Vấn đề này mang tính trách nhiệm đối với những sinh viên nghành cơ điện chúng tôi Do đó chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “ ứng

dụng vi điều khiển để điều khiển nhiệt độ khí sấy nông sản dạng hạt “.

Mục đích và yêu cầu đặt ra của đề tài là thiết kế và lắp ráp mạch tự động

điều khiển nhiệt độ khí sấy sử dụng vi điều khiển họ AVR

Nội dung của đề tài gồm sáu nội dung chính:

1 Tổng quan hệ thống sấy

2 Tổng hợp hệ thống sấy nông sản dạng hạt

3 Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ khí sấy

4 Nghiên cứu phần lập trình cho mạch điều khiển

5 Lắp ráp mạch và khảo sát

6 Kết luận và đề nghị

phần 2Nội dung

Chơng1: Tổng quan chung về sấy nông sản dạng

hạt

1 Các đặc trng cơ bản của nông sản dạng hạt

Nông sản dạng hạt là một trong những đặc trng, là sản phẩm chủ yếu của sản xuất nông nghiệp Nông sản dạng hạt có nhiều hình dáng, kích cỡ, màu sắc và kiểu vỏ cứng, mềm khác nhau… Tại thời điểm thu hoạch, lợng ẩm trong hạt đã giảm xuống, tuy nhiên tỷ lệ vẫn còn rất lớn ẩm trong hạt tồn tại ở hai dạng: nớc tự do và nớc liên kết Nông sản dạng hạt thuộc loại vật liệu keo xốp mao dẫn có tính đàn hồi co giãn, khi hút ẩm thì trơng nở, khi thoát ẩm thì co ngót, khi khô quá thì hạt trở nên giòn Khi còn ở trên cây, hạt hút ẩm từ môi tr-ờng và nhận ẩm từ cây đa lên, ẩm này vừa ở dạng lỏng, vừa ở dạng khí Khi bị thấm ớt ẩm lỏng ngấm vào trong hạt, dời chuyển trong hạt bằng cách thẩm thấu qua vách tế bào ẩm liên kết trong hạt đợc chia thành ba nhóm lớn: ẩm liên kết hoá học, ẩm liên kết hoá lý và ẩm liên kết cơ lý

ẩm liên kết hoá học là thành phần ẩm liên kết với thành phần khô để tạo thành một bộ phận trong thành phần hoá học của vật chất Thành phần ẩm này đảm bảo tính vững bền của hạt vì vậy quá trình sấy không tách loại ẩm này

ra khỏi hạt

ẩm liên kết hoá lý có hai loại: liên kết hấp thụ và liên kết thẩm thấu Liên kết hấp thụ đợc sinh ra do lực hút của các phần tử bề mặt hạt với các phần

tử nớc trong môi trờng lớn hơn lực liên kết giữa chúng làm cho các phần tử nớc

từ môi trờng bị hút dính vào bề mặt hạt Lực liên kết hấp thụ bị yếu dần khi bề dày phân tử nớc bị hấp thụ tăng lên Nếu độ ẩm của môi trờng không khí không

đổi thì đến một lúc nào đó quá trình hấp thụ sẽ bị ngừng lại, áp suất hơi nớc trên

bề mặt vật bằng áp suất hơi nớc trong không khí Lúc đó hạt ở trong trạng thái cân bằng ẩm với môi trờng Độ ẩm cân bằng ứng với trờng hợp không khí bão hoà hơi nớc đợc gọi là độ ẩm bão hoà của hạt Trong quá trình hấp thụ, nớc

chuyển từ trạng thái hơi trong không khí sang trạng thái lỏng trong hạt vì vậy nhiệt đợc toả ra, hạt có thể bị nén ép do tác dụng của lực liên kết giữa lớp ẩm bị hấp thụ và hạt để tách ẩm hấp thụ ra khỏi hạt phải cấp một nhiệt lợng cần thiết

để ẩm chuyển từ dạng lỏng sang dạng hơi thắng đợc lực hấp thụ bề mặt và bay vào môi trờng xung quanh

Liên kết thẩm thấu là mối liên hệ hoá lý giữa nớc với vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hoà tan ở ngoài và trong tế bào Quá trình thẩm thấu không kèm theo hiện tợng toả nhiệt Thực chất nớc thẩm thấu vào trong tế bào không khác nớc bình thờng, không có các chất hoà tan bởi các chất hoà tan không khuếch tán cùng với nớc vào trong tế bào Năng lợng liên kết thẩm thấu rất nhỏ

Liên kết cơ lý giữa nớc và vật liệu hình thành do sức căng bề mặt trong các mao dẫn hoặc trên các mao dẫn, hoặc trên các bề mặt ngoài của vật Mối liên kết cơ lý đợc chia làm ba loại: liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính ớt Liên kết cấu trúc giữa nớc và vật liệu là mối liên kết do quá trình hình thành vật Để tách nớc trong trờng hợp này có thể dùng phơng pháp nén ép hoặc phơng pháp bay hơi Liên kết mao dẫn là do nớc thâm nhập vào các ống mao dẫn trong cấu tạo của vật khi bị nhúng nớc hay do nớc ngng tụ trên bề mặt vật

ẩm mao dẫn đợc tách ra bằng cách bay hơi hay bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn Liên kết dính ớt là do nớc bám dính vào bề mặt tự do Liên kết dính ớt

dễ tách ra khỏi vật bằng phơng pháp cơ học hoặc phơng pháp sấy bay hơi

Độ ẩm của hạt đợc biểu diễn dới dạng 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

Gn

G 0

l-100(%) k

G n

G

G W

W W

n G k G

n G n C G k

C C

+

+

C = Ck+ (Cn− Ck).100W

Trong đó: Ck, Cn - nhiệt dung riêng của vật khô và nớc (J/Kg.0C)

Gk, Gn - khối lợng của vật khô và khối lợng nớc

Hệ số dẫn nhiệt đặc trng cho quá trình truyền nhiệt từ bề mặt vào tâm hạt Hệ số này phụ thuộc vào cấu trúc của hạt, độ ẩm và nhiệt độ của hạt Đây là thông số rất phức tạp và khó xác định, ảnh hởng trực tiếp lên quá trình sấy Tuy nhiên đây là hệ số dẫn nhiệt ít đợc quan tâm trong quá trình sấy tĩnh đối lu với tốc độ dòng khí nhỏ, nghĩa là hệ số truyền nhiệt đối lu nhỏ và hạt đợc xem tơng

đơng nh vật mỏng

2 Công nghệ sấy nông sản dạng hạt

Muốn bảo quản đợc lâu dài, phục vụ tốt cho việc chế biến sau này thì hạt nông sản cần đợc sấy(làm khô) đến một độ ẩm phù hợp Yêu cầu cơ bản của hạt nông sản sau khi sấy là phải đảm bảo đợc chất lợng cần thiết của hạt sấy và

khối hạt Hạt sấy không bị rạn nứt ngầm trong hạt và đốt nóng quá mức cho phép; đối với hạt để làm giống cho những vụ kế tiếp thì việc sấy lại có những yêu cầu khắt khe hơn, nhất là về nhiệt độ Hạt là cơ thể sống nên phần phôi trong hạt chỉ có thể chịu đến một nhiệt độ nhất định, nếu nhiệt độ thân hạt quá cao sẽ làm xấu đi quá trình nảy mầm và phát triển của mầm hạt sau này, hoặc thậm chí có thể làm mất đi khả năng nảy mầm của hạt Nguyên nhân gây rạn nứt ngầm trong hạt là do ứng suất cơ nhiệt phát sinh giữa các vùng trong hạt ứng suất này xuất hiện khi tốc độ bốc hơi bề mặt hạt quá lớn làm lớp bề mặt khô nhanh trong khi cờng độ di chuyển ẩm từ vùng trung tâm ra mặt hạt quá nhỏ tạo ra sự chênh lệch lớn về độ ẩm trong hạt.

Đối với khối hạt yêu cầu cơ bản của quá trình sấy là phải đảm bảo sự

đồng đều độ ẩm trong khối hạt Thông qua các tài liệu nghiên cứu khoa học ta

có đợc: độ ẩm bảo quản một số loại hạt và nhiệt độ đốt nóng cho phép cho trong Bảng 1

Bảng 1 Nhiệt độ đốt nóng cho phép và độ ẩm gới hạn

Tên nông sản Độ ẩm giới hạn Nhiệt độ đốt nóng hạt khi sấy ( 0 C)

355030505050Sấy là một trong những công đoạn quan trọng nhất của công nghệ sau thu hoạch Thực tế có hai phơng pháp sấy chính là: phơng pháp sấy tự nhiên và phơng pháp sấy nhân tạo

+ Ph ơng pháp sấy tự nhiên :

Nông sản sau khi đợc thu hoạch đợc đem ra phơi trực tiếp dới ánh nắng mặt trời, hoặc gián tiếp qua các thiết bị sấy mặt trời Nguồn bức xạ hồng ngoại

ơng pháp này đã đợc sử dụng từ rất lâu và đến nay nó vẫn đợc sử dụng nh là một phơng pháp chính ở nhiều vùng sản xuất nông nghiệp trên cả nớc Phơng pháp sấy tự nhiên có u điểm là nguồn năng lợng rất dồi dào và rẻ tiền, thiết bị sấy

đơn giản do đó sẽ giảm đợc giá thành sản xuất Mặt khác phơng pháp sấy tự nhiên cũng có không ít nhợc điểm nh: tốn diện tích sử dụng cho việc phơi nắng, nhiệt lợng sấy không liên tục và đồng đều, phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên, khó có thể điều chỉnh lợng nhiệt

Phơng pháp sấy đợc sử dụng rộng rãi nhất để sấy nông sản dạng hạt là sấy đối lu Phơng pháp sấy đối lu có tác nhân sấy là không khí nóng, nhiệt lợng

đợc truyền từ tác nhân sấy sang hạt sấy bằng phơng pháp đối lu, năng lợng truyền nhiệt đối lu sẽ đốt nóng hạt và làm bốc hơi nớc từ bề mặt hạt Hơi nớc bốc ra từ hạt sẽ đợc dòng khí mang theo ra ngoài

Sơ đồ mô tả quá trình sấy đối lu:

t0,d0,φ0 t1,d1,φ1 t2,d2,φ2

Hình 1: Sơ đồ mô tả quá trình sấy đối lu

Trong đó: tx,dx,φx lần lợt là nhiệt độ, lợng ẩm, thuỷ phần của dòng khí

Không khí nóng mang ẩm

Buồng tạo nhiệt Buồng sấy đối lưu Không 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 ngợc 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:

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 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

● Một số thiết bị sấy có quy mô lớn:

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

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

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

lý cho hệ thống.

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

1 Xác định đặc tính động học của hệ thống

1.1 Cơ sở lý thuyết

Để khảo sát hệ thống ta tác động vào hệ thống một xung nhiễu bậc thang và quan sát đầu ra

Ngời ta chia đối tợng khảo sát ra làm hai loại cơ bản:

- Đối tợng có tính tự cân bằng là đối tợng có khả năng tự hiệu chỉnh trở lại trạng thái cân bằng khi có nhiễu tác động phá vỡ cân bằng (đối tợng tĩnh)

- Đối tợng không tự cân bằng là đối tợng không có khả năng trở lại trạng thái cân bằng khi có nhiễu phá vỡ sự cân bằng của nó

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 tự cân bằng đợc mô tả nh sau:

Wdt(s) = KdtW0(s) e-τs

Trong đó:

Kdt: Hệ số truyền của đối tợng,

τ : Thời gian trễ

W0(s) =

1 s 1 n a

1 n s 1 a n s 0 a

1 s 1 m b

1 m s 1 m s 0 b

+

− + +

− +

+

− + +

− +

Trong thực tế khâu tĩnh có thể lấy một trong các dạng điển hình sau:+ Khâu quán tính bậc nhất:

PT1: W(s) = s

1 T 1 Kdt +

+ Khâu quán tính bậc 2:

PT2: W(s) = s)

2 T s)(1 1 T

K + +

Đặc tính đờng quá độ của hàm truyền PT2 nh Hình 9b

Đặc tính đờng quá độ của hàm truyền PTn nh hình 9b

a, b,

Hình 9: đặc tính quá độ của hàm truyền

Ngoài ra còn có các mô hình Lag, và mô hình dao động bậc hai tắt dần Dạng hàm truyền của nó nh sau:

+ Mô hình Lag:

m T 1

s) t T (1 dt

K +

+

(Tt < Tm)+Mô hình dao động bậc hai tắt đần:

q 2qDs 2

s

2 kq + + (0<D<1)

● Xác định hằng số thời gian T1 của PT1:

Mỗi một khâu có một phơng pháp xác định hằng số thời gian khác nhau Khâu có cấu trúc càng phức tạp thì việc xác định các thông số càng khó

h(t)

tt

h(t

)

khăn Trong phạm vi đề tài này chỉ nêu lên cách xác định các thông số cho mô hình PT1 Việc xác định các thông số (Kdt, T1) của PT1 đợc thực hiện qua các b-

ớc sau:

+ Kẻ tiếp tuyến với đờng đặc tính tại t = 0

+ Xác định giao điểm của đờng tiếp tuyến đó với đờng tiệm cận Kdt= h(

∞)

+ Hoành độ của giao điểm vừa xác định chính là tham số T1 cần tìm.Nhợc điểm của phơng pháp này là phụ thuộc nhiều vào độ chính xác việc kẻ tiếp tuyến Nếu đặt sai tiếp tuyến tại 0 mà h(t) lại có hệ số khuếch đại

Kdt lớn thì kết quả T1 sẽ có sai số lớn Để tránh đợc điều này ta đi từ hàm truyền

Nói cách khác tại đúng thời điểm T hàm h(t) sẽ đạt 63.2% giá trị cực

đại Vậy để xác định T thì sau khi tìm đợc K ta tính h(T) = 0.632*K rồi từ đó suy ngợc lại T

Trong nhiều trờng hợp không thể tạo ra đợc một nhiễu bậc thang 1(t), ngời ta có thể dùng tín hiệu là A*1(t) Khi đó hệ số khuếch đại của mạch đợc tính nh sau:

+ Đồng hồ bấm giây,

+ Nguồn điện 220V - 50Hz

Cho đối tợng chịu tác động của một nhiễu A*1(t) - tức là đóng trực tiếp nguồn 220V-50Hz vào dây toả nhiệt, quạt gió đợc bật trớc đó Bấm thời gian theo dõi nhiết độ dòng khí sấy Các thông số đợc thể hiện trong Bảng 2

Bảng 2: Thông số khảo sát hệ thống sấy thí nghiệm

Thời gian

(s)

Nhiệt độ ( o C)

Thời gian (s)

Nhiệt độ ( o C)

Thời gian (s)

Nhiệt độ ( o C)

Hình 10: Đặc tính của hệ thống sấy thí nghiệm

Nghiên cứu và tính toán của các nhà khoa học khẳng định: quá trình nhiệt là quá trình có trễ Cách đo thủ công mà ta tiến hành nh trên không thể đo

đợc chính xác thời gian trễ, do đó chỉ có thể lấy gần đúng thời gian trễ bằng 2.15(s) (là thời gian khi bật máy đến khi bắt đầu có sự thay đổi nhiệt độ) Để xác định đợc thông số của đối tợng ta dịch gốc đi một đoạn 2.15(s) và nh đặc tính trên có thể coi đối tợng của chúng ta là mô hình PT1 Việc xác định các thông số của nó theo lý thuyết đợc trình bày ở trên

0.0312 (s)

dt

2 Xác định thông số cho bộ điều chỉnh

2.1 Cơ sở lý thuyết

Phần tổng hợp hệ thống trên đã tạo bớc đệm để chúng tôi đi đến chọn

độ điều chỉnh cho hệ thống Để có thể chọn lựa đợc bộ điều khiển phù hợp ta hãy xem xét một số chỉ tiêu sau:

a Sai lệch tĩnh: Sai lệch tĩnh xác định độ chính xác tĩnh của hệ Sai lệch

tĩnh đợc tính theo định lý tới hạn:

lims.E(s)

0 s

lime(t) t

) e(

b Lợng quá điều chỉnh Lợng quá điều chỉnh đợc xác định bởi trị số

cực đại của hàm quá độ so với trị số xác lập của nó:

.100)

h(

)h(

maxh

%δ

∞

∞

−

mà hàm quá độ h(t) không vợt ra khỏi biên giới của miền giới hạn ∆ quanh trị

số xác lập: ∆ = ±5% h(∞)

hàm quá độ lần đầu tiên đạt giá trị xác lập h(∞) khi có quá điều chỉnh

định bởi thời điểm hàm quá độ đạt cực đại

f Số lần giao động: Số lần giao động N đợc tính bởi số lần mà hàm quá

độ dao động quanh trị số xác lập trong thời kỳ quá độ (0 <t<Tqd)

Lợng quá điều chỉnh σ, thời gian có quá điều chỉnh tσ và số lần dao

động đặc trng cho tính chất suy giảm của quá trình quá độ Thời gian quá độ Tqd

và thời gian đáp ứng Tm đặc trng cho tính tác động nhanh của hệ

Những bộ điều chỉnh điển hình:

+ Bộ điều chỉnh tỷ lệ (P)

b)c)

d)e)

+Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID) là bộ điều chỉnh đợc kết hợp từ

ba bộ điều chỉnh khác nhau Bộ điều chỉnh giản đơn nhất là bộ điều chỉnh tỷ lệ (P) Tác dụng của nó nh một khâu khuếch đại với hệ số thay đổi đợc Thay đổi

hệ số khuếch đại có thể làm thay đổi đợc sai lệch tĩnh nhng không thể triệt tiêu

đợc sai lệch tĩnh vì càng tăng hệ càng mất khả năng ổn định Tác dụng của phần

tử tích phân (I) trong bộ điều chỉnh là triệt tiêu sai lệch tĩnh Vai trò của phần tử

vi phân (D) là cải thiện qúa trình quá độ nếu xác định đúng thông số của nó

Sự ảnh hởng của các bộ điều chỉnh đối với sai lệch tĩnh e(t) đợc cho trong hình sau:

Hình 11: Sai lệch tĩnh qua

các bộ điều chỉnh

a) Trờng hợp không có bộ điều chỉnh

b) Bộ điều chỉnh tỷ lệ làm giảm sai lệch nhng không thể triệt tiêu vì hệ

số khuyếch đại không thể quá lớn

c) Bộ điều chỉnh tích phân (I) có thể triệt tiêu sai lệch tĩnh

d) Bộ điều chỉnh tỉ lệ tích phân (PI) có thể thay đổi đợc tốc độ giảm sai

e) Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD) cải thiện chất lợng động nhng không triệt tiêu đợc sai lệch tĩnh.

f) Bộ điều chỉnh tỉ lệ vi tích phân (PID) kết hợp đợc các đặc điểm của ba thành phần P, I, D

● Chọn bộ điều chỉnh của các hệ ổn định và có trễ

Ví dụ đối tợng có hàm truyền:

.s e 1 s.T 1 1 K

K (s)G(s) c

2

T s

T s K

e K

s

+

−τ

Nếu độ dự trữ ổn định về biên độ đợc chọn là 0,5 tơng ứng với góc dịch pha:

2

Với độ dự trữ ổn định trên ta chọn K sao cho:

τ

4 1 K c K

2.2 Chọn bộ điều chỉnh và xác định thông số bộ điều chỉnh

Nh đã đợc chỉ ra ở trên, hàm truyền của đối tợng nh sau:

2,15.s e

1 36,0854.s

0,0312 (s)

36,08 4 1 K c K

Vì hệ thống cũng không cần có sự tác động quá nhanh nên ta chọn: Kc= 400

Nh vậy bộ điều chỉnh PI đợc chọn nh sau:

36,08.s

36,08.s 1

400.

(s) c

Để thực hiện hàm này trong vi điều khiển ta phải tiến hành chuyển nó

về phơng trình sai phân

Hình 12: Môđun và pha hệ hở

Chän thêi gian trÝch mÉu lµ 1 gi©y, tiÕn hµnh rêi r¹c ho¸ theo ph¬ng

ph¸p sè Tustin ta cã hµm truyÒn theo z nh sau (thay

1z

1z.T

2s

+

−

= , víi T lµ thêi gian trÝch mÉu):

1 z

394,5 405,5.z

(z) c W

Y(z)

−−

=

Y(z)394,5.U(z)

z)405,5.z.U(

Y(z).z

394,5.U(z)z)

Víi Y(z) lµ tÝn hiÖu ra rêi r¹c,

U(z) lµ tÝn hiÖu vµo rêi r¹c

Theo tÝnh chÊt dÞch dÞch hµm gèc: zn.Y(z)=Y(k+n) (2)

Thay (2) vµo (1) ta cã:

Y(k)394,5.U(k)

1)405,5.U(k1)

Hình 13: Kết quả khảo sát hệ thống khi có bộ điều chỉnh

Với kết quả nh trên, khi có bộ điều chỉnh thời gian quá độ là 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

Chơng 3: Giới thiệu chung về vi điều khiển, họ vi

điều khiển AVR và vi điều khiển ATMEGA8535

1 Tổng quan chung về vi điều khiển

1.1 Các họ vi điều khiển

Bộ vi điều khiển (Microcontroller) là một mạch tích hợp trên một chip,

có thể lập trình đợc với hệ thống tập lệnh để thực hiện một yêu cầu nào đó 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 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 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,

+ Họ Z8 của Zilog,

+ Họ PIC của Microchip,

+ Họ H8 của Hitachi,

+ Họ AVR của Atmel,

+ Họ CY(PSOC) của Cypress Microsystem

1.2 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 Việt 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 của AVR:

• Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp - lu trữ (load - store) và 32 thanh ghi chức năng

• Kiến trúc đờng ống lệnh kiểu hai tầng (two stage instruction pipeline) cho phép tăng tóc độ thực thi lệnh

• Chứa nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chíp, bao gồm cổng I/O số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EPROM, bộ định thời, UART, bộ định thời RTC, bộ

định thời WHATDOC, bộ điều chế độ rộng xung PWM

 Đến 48 đờng dẫn vào/ra (I/O) lập trình đợc,

 Đến 2 bộ truyền nhận UART lập trình đợc,

 Một dao diện SPI đồng bộ,

 Một dao diện SPI đồng bộ tơng thích I2C,

 Đến 3 bộ Timer/Counter 8 bit,

 Một bộ Timer/Counter 16 bit với chức năng so sánh và bắt mẫu,

 Đến 4 lối ra điều biến độ rộng xung PWM,

 Một đồng hồ thời gian thực RTC,

 Một bộ biến đổi ADC 10 bit có đến 8 kênh lối vào,

 Một bộ phát hiện trạng thái sụt điện áp nguồn nuôi,

Hình 14: So sánh thời gian thực hiện lệnh ở các bộ vi điều khiển khác nhau

• Bộ nhớ chơng trình và bộ nhớ dữ liệu đợc tích hợp ngay trên chíp:

 Bộ nhớ EPROM xoá đợc kiểu Flash,

 Bộ nhớ EEPROM hay PROM xoá đợc bằng điện, nhng nội dung nhớ vẫn giữ nguyên khi mất điện,

• Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao, chẳng hạn nh C

• Chế tạo trên công nghệ CMOS 0,6àm và tiến tới là công nghệ 0,35àm, nhằm đạt đến tốc độ xung nhịp cao hơn 50% hiện nay, còn dòng điện tiêu thụ

sẽ giảm đi một phần ba

• Điện áp làm việc 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

1.3 Lý do lựa chọn vi điều khiển họ AVR

Trên thị trờng có tới hàng trăm loại vi xử lý và vi điều khiển vì thế việc lựa chọn một loại cụ thể phù hợp với ứng dụng của ta trở thành một công việc hết sức khó khăn Thông thờng việc lựa chọn phụ thuộc vào một số yếu tố nh: yếu tố tính năng công việc, giá thành, thị trờng, khả năng thiết kế Nếu xét trên phơng diện số lợng thì một con vi điều khiển họ AVR có giá thành cao gấp nhiều lần so với một con vi điều khiển cùng kích cỡ loại cũ nh 89C51, nhng xét trên phơng diện chức năng và ứng dụng thì giá thành của AVR lại rẻ hơn rất nhiều Để có thể có đợc những chức năng nh của AVR thì 89C51 cần rất nhiều mạch hỗ trợ bên ngoài, giá thành của những mạch ngoài sẽ làm tăng giá thành chung và kích cỡ mạch, công suất tiêu thụ vì thế cũng tăng lên rất nhiều Ngợc lại, với AVR do đợc tích hợp nhiều thành phần ngoại vi trên cùng một vỏ chíp nên kết cấu mạch nhỏ gọn hơn nhiều, theo đó giá thành và công suất tiêu thụ cũng giảm đi

Ngày nay những ứng dụng điện tử và điều khiển đòi hỏi phải thật nhỏ gọn và có trình độ công nghệ cao Ngời làm kĩ thuật phải luôn luôn tìm tòi, khám phá những thành tựu công nghệ Vì những lý do trên, chúng em quyết

định chọn họ vi điều khiển AVR mà cụ thể là vi điều khiển ATMEGA8535 làm

đối tợng nghiên cứu và công cụ thiết kế mạch phục vụ cho đề tài

2 Cấu trúc vi điều khiển ATMEGA8535

2.1 Tổng thể

* ATMEGA8535 là một thành viên của họ điều khiển AVR 8 bit:

• Hoạt động với mức tích cực cao, công suất thấp

• Dải điện áp hoạt động từ 2,7V đến 5,5V

* Đợc xây dựng dựa trên cấu trúc RISC với 130 lệnh, phần lớn lệnh đợc thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp:

• 32 thanh ghi đa năng 8 bit

• Khả năng xử lý lên tới 16 MPIS ở tần số đồng hồ 16 MHz

* Bộ nhớ chơng trình và bộ nhớ dữ liệu:

• 8 Kbytes bộ nhớ Flash

• Khả năng ghi xoá đến 10 000 lần.

• Lựa chọn mã vùng khởi động, khả năng khoá bit độc lập, cho phép

đọc khi vẫn ghi dữ liệu

• 512 Bytes EEPROM có thể ghi xoá đến 100 000 lần

• 512 Bytes RAM có thể khoá chơng trình bằng phần mềm

* Các chức năng ngoại vi:

• Hai bộ định thời / bộ đếm 8 bit với khả năng bắt mẫu và so sánh

• Một bộ định thời / bộ đếm 16 bit với khả năng bắt mẫu và so sánh

• Đồng hồ thời gian thực với bộ dao động riêng

• 4 kênh điều rộng xung (PMW)

• 8 kênh chuyển đổi tơng tự / số (ADC) 10 bit, trong đó:

8 kênh đơn hoàn tất,

7 kênh khác cho kiểu vỏ vuông (TQFP),

2 kênh khác với tốc độ chơng trình x1, x10, x200 cho kiểu vỏ vuông

• Hai đờng giao tiếp nối tiếp định hớng byte

• Bộ lập trình truyền nhận nối tiếp USART

• Giao tiếp nối tiếp SPI chủ / tớ

• Bộ định thời Watchdoc với bộ dao động riêng trên chíp

• Bộ so sánh Analog trên chíp

* Các chức năng đặc biệt:

• Khởi động lại hệ thống, chơng trình phát hiện mất nguồn

• Bộ dao động, lọc chuẩn RC bên trong

Hình 15: Sơ đồ khối của vi điều khiển ATMEGA8535

* Kiểu đóng vỏ

ATMEGA8535 có 2 kiểu đóng vỏ chính:

Bảng 4: Bảng chức năng chân PortB

Khi PortB đợc sử dụng nh một cổng vào mà bị kéo sụt áp thì nó sẽ đóng vai trò nh một nguồn dòng nếu các điện trở treo hoạt động Ngoài ra nó còn một

số chức năng phục vụ cho những biến đặc biệt khác:

+ SCK - PortB, Bit 7 là chủ khi nó đa ra xung đồng hồ và là tớ khi nó nhận vào xung đồng hồ của kênh SPI

+ MISO - PortB, Bit 6 nhận và đa dữ liệu ra của kênh SPI

+ MOSI - PortB, Bit 5 đa ra dữ liệu và nhận dữ liệu của kênh SPI

+ SS - PortB, Bit 4 lựa chọn trạng thái chủ/tớ của kênh SPI

+ AIN1/OC0 - PortB, Bit 3:

AIN1 đầu vào đảo của bộ so sánh analog,

OC0 đầu ra của bộ so sánh thuật toán Chân này cũng đợc thiết kế giống nh một đầu ra so sánh thuật toán của bộ Timer/Counter0, làm đầu ra điều biến độ rộng xung PWM

+ AIN0/INT2 - PortB, Bit 2:

AIN0 đầu vào không đảo của bộ so sánh analog,

INT2 là chân ngắt ngoài

+ T1 - PortB, Bit 1 đầu vào của Timer/Counter1

+ T0/XCK - PortB, Bit 0 là đầu vào của Timer/Counter0, đồng thời cũng

đảm nhận chức năng đầu vào tín hiệu xung Clock của giao tiếp USART

* PortC (PC0 PC7) nằm từ chân 22 đến chân 29 PortB đóng vai trò

nh cổng I/O hai trạng thái có điện trở treo bên trong Ngoài chức năng của một cổng thông thờng, một số chân của PortC có thêm các chức năng đặc biệt:

Bảng 5: Bảng chức năng đặc biệt của một số chân PortC

+ TOSC2 - PortC, Bit7 chân vào dao động 2 của bộ Timer Khi có tín hiệu cho phép thì chân PC7 không còn đợc sử dụng nh cổng I/O thông thờng mà trở thành đầu ra của tín hiệu dao động khuếch đại ngợc, là điểm kết nối của bộ dao động tinh thể

+ TOSC1 - PortC, Bit6 chân vào dao động 1 của bộ Timer Khi có tín hiệu cho phép thì chân PC6 không còn đợc sử dụng nh cổng I/O thông thờng mà trở thành đầu ra của tín hiệu dao động khuếch đại thuận, là điểm kết nối của bộ dao động tinh thể

+ SDA - PortC, Bit1 giao tiếp nối tiếp dữ liệu hai chiều Chân PC1 có một bộ lọc bên trong cho phép loại bỏ những sóng vào < 50ns

+ SCL - PortC, Bit0 giao tiếp nối tiếp xung clock hai chiều Chân PC0 cũng có một bộ lọc bên trong giống nh PC0

* PortD (PD0 PD7) nằm từ chân 14 đến chân 21 Một số chức năng

đặc biệt:

Bảng 6: Bảng chức năng chân PortD

+ OC2 - PortD, Bit7 đầu ra so sánh thuật toán của bộ Timer/Counter2,

đồng thời cũng có chức năng của đầu ra điều biến độ rộng xung PWM

+ ICP1 - PortD, Bit6 chân vào bắt mẫu cho Timer/Counter1

+ OC1A - PortD, Bit5 chân ra bộ so sánh thuật toán A của Timer/Counter1 và là chân điều biến độ rộng xung PWM

+ OC1B - PortD, Bit4 chân ra bộ so sánh thuật toán A của Timer/Counter1 và là chân điều biến độ rộng xung PWM

+ INT1 - PortD, Bit3 là chân nguồn ngắt ngoài 1

+ INT0 - PortD, Bit2 là chân nguồn ngắt ngoài 0

+ TXD - PortD, Bit1 chân truyền dữ liệu của giao tiếp USART

+ RXD - PortD, Bit0 chân nhận dữ liệu của giao tiếp USART

* XTAL1, XTAL2, chân 12,13, chân kết nối với xung đồng hồ hệ thống

* AVCC chân 30, là chân cấp nguồn cho bộ chuyển đổi A/D

* AREF chân32, chân vào đối chiếu của bộ chuyển đổi A/D

2.3 Tổ chức bộ nhớ bên trong ATMEGA8535

Bộ vi điều khiển AVR đợc xây dựng trên kiến trúc Harvard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chơng trình tách biệt nhau để có thể thực hiện đồng thời đợc một khối lợng lớn công việc

Bus dữ liệu đợc sử dụng cho bộ nhớ dữ liệu là bus 8 bit, cho phép kết nối các bộ phận ngoại vi với tệp thanh ghi Bus dữ liệu dùng cho bộ nhớ chơng trình có độ rộng 16 bit và chỉ nối với thanh ghi lệnh.

Sơ đồ bộ nhớ:

Hình 19: Sơ đồ bộ nhớ của vi điều khiển ATMEGA8535

* Bộ nhớ chơng trình là bộ nhớ Flash có dung lợng 8Kx16 bit Để tiện cho việc bảo vệ bằng phần mềm thì bộ nhớ chơng trình đợc chia làm hai khu

R30 R31

Bộ nhớ dữ liệu

$0000

EEPROM dữ liệu

vực là khu vực ứng dụng và khu vực khởi động Bên cạnh các lệnh đợc lu trữ, bộ nhớ chơng trình cũng lu trữ các vector ngắt bắt đầu tại địa chỉ $000.

* Bộ nhớ dữ liệu đợc bắt đầu với Tệp thanh ghi, sau đó là các Thanh ghi I/O và SRAM trong Tệp thanh ghi gồm có 32 thanh ghi (R0 R31) tơng ứng với địa chỉ $0000 $001F Toàn bộ các thanh ghi này đợc sử dụng nh những thanh ghi 8 bit Nhng có một điều đặc biệt ở đây là các thanh ghi từ R26 R31

có thể kết hợp lại để đợc sử dụng nh 3 thanh ghi 16 bit X-Y-Z

Hình 20: Tổ chức thành thanh ghi X,Y,Z

Thanh ghi I/O gồm có 64 thanh ghi 8 bit nằm ở địa chỉ $020 $05F, các thanh ghi này làm nhiệm vụ trao đổi dữ liệu vào/ra Đôi khi các thanh ghi I/O cũng đợc truy cập nh SRAM

Bộ nhớ SRAM của ATMEGA8535 có dung lợng 512 byte, đợc sử dụng cho các ngăn xếp cũng nh để lu trữ các biến

* Bộ nhớ EEPROM: ATMEGA8535 có 512 byte EEPROM, đợc tổ chức thành một vùng dữ liệu riêng biệt Việc ghi và đọc đợc thực hiện trên từng byte Để

đọc EEPROM, CPU phải mất 4 chu kỳ đồng hồ để hoàn thành việc đọc, tuy nhiên việc ghi EEPROM lại chỉ mất có 2 chu kỳ

2.4 Một số khối điển hình trong cấu trúc ATMEGA8535

R26 R27 R28 R29 R30 R31

Byte LOW thanh ghi X Byte HIGH thanh ghi X Byte LOW thanh ghi Y Byte HIGH thanh ghi Y Byte LOW thanh ghi Z Byte HIGH thanh ghi Z

Vi điều khiển ATMEGA8535 có hai bộ định thời 8 bit và một bộ định thời 16 bit Việc đặt cho phép/cấm ngắt đối với các bộ định thời đợc thực hiện qua các thanh ghi điều khiển bộ định thời TCCR0 và TCCR1 Sơ đồ khối của các bộ định thời đợc thể hiện ở dới:

Hình 21a: Sơ đồ khối bộ định thời 8 bit

Hình 21b: Sơ đồ khối bộ định thời 16 bit

2.4.2 Bộ truyền nhận SUART

Việc truyền nhận dữ liệu đợc thực hiện thông qua việc ghi dữ liệu vào thanh ghi dữ liệu của SUART, đó là thanh ghi UDR Dữ liệu từ UDR truyền đến các thanh ghi dịch Sơ đồ khối bộ truyền nhận SUART :

Hình 22: Sơ đồ khối bộ truyền nhận SUART

2.4.3 Bộ so sánh Analog

Bộ so sánh analog so sánh các giá trị điện áp ở lối vào, cụ thể là lối vào AIN0 (AC+) và AIN1 (AC-) với nhau Nếu AIN0 lớn hơn AIN1 thì đầu ra đợc kích hoạt lên mức cao Sơ đồ khối của bộ so sánh analog:

Hình 23: Sơ đồ khối bộ so sánh analog

2.4.4 Bộ biến đổi A/D

Bộ biến đổi ADC 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

Ngắt 1

Ngắt 2

Ngắt 1 ISR1

ISR2