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

Header Page of 166 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 Phần mở đầu Việt Nam đất nớc nằm vùng nhiệt đới gió mùa, quanh năm ẩm ớt Thiên nhiên u đãi cho nhiều vùng đất thuận lợi cho phát triển nông nghiệp Hiện nay, tỷ trọng nông nghiệp kinh tế quốc dân giảm nhng động lực để phát triển kinh tế đất nớc Đảng Nhà nớc luôn đề mục tiêu sách nhằm phát triển sản xuất nông nghiệp đại, năm gần dành đợc thành tự to lớn sản xuất nông nghiệp: đảm bảo ổn định lơng thực nớc, khối lợng xuất ngày tăng, chất lợng sản phẩm xuất đợc nâng cao Nhu cầu lơng thực, thực phẩm giới ngày tăng, liền với yêu cầu ngày khắt khe chất lợng an toàn sản phẩm Những yêu cầu mục tiêu lớn để hớng tới nông nghiệp tiên tiến có quản lý quy mô lớn Mặt khác khối lợng sản phẩm làm thời vụ lớn tiêu thụ thời điểm đó, công việc bảo quản sau thu hoạch đóng vai trò quan trọng Đây vấn đề xúc đợc nhiều ngời đầu t quan tâm nghiên cứu nhằm tìm biện pháp bảo quản tốt nhất, giảm thiểu mát sau thu hoạch cho ngời nông dân, đồng thời đảm bảo chất lợng cho sản phẩm phục vụ chế biến sau Hầu hết sản phẩm nông nghiệp dạng hạt nh: lúa, ngô, đỗ, đậu, vừng Phơng pháp bảo quản thông dụng sấy khô sản phẩm đến mức cần thiết Trớc ngời dân hay sử dụng phơng pháp phơi nắng tự nhiên hay sấy thủ công Những phơng pháp có nhợc điểm suất thấp, sản phẩm không nh ý muốn Hiện có thiết bị sấy có quy mô lớn hơn; nhiên thiết bị cải tạo từ thiết bị sấy thủ công cũ, suất sấy có tăng nhng chất lợng không cao ngời can thiệp vào toàn trình sấy; thiết bị sấy quy mô công nghiệp đợc nhập ngoại, đợc điều khiển tự động nhng đắt tiền, không Footer Page of 166 -1- Header Page of 166 Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 Báo cáo tốt nghiệp phù hợp với túi tiền ngời nông dân Vậy vấn đề đặt phải chế tạo đợc hệ thống, thiết bị sấy quy mô vừa nhỏ, vừa có giá thành rẻ lại có tính tự động điều khiển đại Vấn đề mang tính trách nhiệm sinh viên nghành điện Do tiến hành thực đề tài: ứng dụng vi điều khiển để điều khiển nhiệt độ khí sấy nông sản dạng hạt Mục đích yêu cầu đặt đề tài thiết kế lắp ráp mạch tự động điều khiển nhiệt độ khí sấy sử dụng vi điều khiển họ AVR Nội dung đề tài gồm sáu nội dung chính: Tổng quan hệ thống sấy Tổng hợp hệ thống sấy nông sản dạng hạt Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ khí sấy Nghiên cứu phần lập trình cho mạch điều khiển Lắp ráp mạch khảo sát Kết luận đề nghị phần Nội dung Footer Page of 166 -2- Header Page of 166 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 Chơng1: Tổng quan chung sấy nông sản dạng hạt Các đặc trng nông sản dạng hạt Nông sản dạng hạt đặc trng, sản phẩm chủ yếu sản xuất nông nghiệp Nông sản dạng hạt có nhiều hình dáng, kích cỡ, màu sắc kiểu vỏ cứng, mềm khác Tại thời điểm thu hoạch, lợng ẩm hạt giảm xuống, nhiên tỷ lệ lớn ẩm hạt tồn hai dạng: nớc tự nớc liên kết Nông sản dạng hạt thuộc loại vật liệu keo xốp mao dẫn có tính đàn hồi co giãn, hút ẩm trơng nở, thoát ẩm co ngót, khô hạt trở nên giòn Khi cây, hạt hút ẩm từ môi trờng nhận ẩm từ đa lên, ẩm vừa dạng lỏng, vừa dạng khí Khi bị thấm ớt ẩm lỏng ngấm vào hạt, dời chuyển hạt cách thẩm thấu qua vách tế bào ẩm liên kết hạt đợc chia thành ba nhóm lớn: ẩm liên kết hoá học, ẩm liên kết hoá lý ẩm liên kết lý ẩm liên kết hoá học thành phần ẩm liên kết với thành phần khô để tạo thành phận thành phần hoá học vật chất Thành phần ẩm đảm bảo tính vững bền hạt trình sấy không tách loại ẩm khỏi hạt ẩm liên kết hoá lý có hai loại: liên kết hấp thụ liên kết thẩm thấu Liên kết hấp thụ đợc sinh lực hút phần tử bề mặt hạt với phần tử nớc môi trờng lớn lực liên kết chúng làm cho phần tử nớc từ môi trờng bị hút dính vào bề mặt hạt Lực liên kết hấp thụ bị yếu dần bề dày phân tử nớc bị hấp thụ tăng lên Nếu độ ẩm môi trờng không khí không đổi đến lúc trình hấp thụ bị ngừng lại, áp suất nớc bề mặt vật áp suất nớc không khí Lúc hạt trạng thái cân ẩm với môi trờng Độ ẩm cân ứng với trờng hợp không khí bão hoà nớc đợc gọi độ ẩm bão hoà hạt Trong trình hấp thụ, nớc chuyển từ trạng thái không khí sang trạng thái lỏng hạt nhiệt đợc toả ra, hạt bị Footer Page of 166 -3- Header Page of 166 Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 Báo cáo tốt nghiệp nén ép tác dụng lực liên kết lớp ẩm bị hấp thụ hạt để tách ẩm hấp thụ khỏi hạt phải cấp nhiệt lợng cần thiết để ẩm chuyển từ dạng lỏng sang dạng thắng đợc lực hấp thụ bề mặt bay vào môi trờng xung quanh Liên kết thẩm thấu mối liên hệ hoá lý nớc với vật rắn có chênh lệch nồng độ chất hoà tan tế bào Quá trình thẩm thấu không kèm theo tợng toả nhiệt Thực chất nớc thẩm thấu vào tế bào không khác nớc bình thờng, chất hoà tan chất hoà tan không khuếch tán với nớc vào tế bào Năng lợng liên kết thẩm thấu nhỏ Liên kết lý nớc vật liệu hình thành sức căng bề mặt mao dẫn mao dẫn, bề mặt vật Mối liên kết lý đợc chia làm ba loại: liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn liên kết dính ớt Liên kết cấu trúc nớc vật liệu mối liên kết trình hình thành vật Để tách nớc trờng hợp dùng phơng pháp nén ép phơng pháp bay Liên kết mao dẫn nớc thâm nhập vào ống mao dẫn cấu tạo vật bị nhúng nớc hay nớc ngng tụ bề mặt vật ẩm mao dẫn đợc tách cách bay hay áp suất lớn áp suất mao dẫn Liên kết dính ớt nớc bám dính vào bề mặt tự Liên kết dính ớt dễ tách khỏi vật phơng pháp học phơng pháp sấy bay Độ ẩm hạt đợc biểu diễn dới dạng sau: - Độ ẩm tuyệt đối: Là tỷ số lợng nớc chứa hạt chia cho khối lợng phần khô hạt theo công thức: G W = n 100(%) G k Trong đó: Gn - Lợng nớc chứa vật (kg) chứa Gk (kg) vật khô tuyệt đối - Độ ẩm tơng đối: Là tỷ số khối lợng nớc chứa vật chia cho khối lợng vật: Footer Page of 166 -4- Header Page of 166 Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 Báo cáo tốt nghiệp W= Gn Gn 100(%) = G Gn + G k Trong đó: G = Gk + Gn Khối lợng vật (kg) W= W 100(%) W + 100 - Độ chứa ẩm: Là khối lợng nớc tính kg chứa 1kg vật khô tuyệt đối Độ chứa ẩm u đợc xác định theo công thức: u= Gn (kg/kg) G k Nh vậy: W0 = 100u(%) Một đặc trng nông sản dạng hạt tính chất nhiệt vật lý Tính chất ảnh hởng trực tiếp lên trình sấy tiêu hao nhiệt lợng trình sấy Tính chất nhiệt vật lý đợc biểu thông qua giá trị nhiệt dung riêng hệ số dẫn nhiệt Nhiệt dung riêng vật liệu ẩm đợc xác định theo công thức: C= C G + C nGn k (J/Kg.0C) G + Gn k W C = C + (C n C ) k k 100 Trong đó: Ck, Cn - nhiệt dung riêng vật khô nớc (J/Kg.0C) Gk, Gn - khối lợng vật khô khối lợng nớc Hệ số dẫn nhiệt đặc trng cho trình truyền nhiệt từ bề mặt vào tâm hạt Hệ số phụ thuộc vào cấu trúc hạt, độ ẩm nhiệt độ hạt Đây thông số phức tạp khó xác định, ảnh hởng trực tiếp lên trình sấy Tuy nhiên hệ số dẫn nhiệt đợc quan tâm trình sấy tĩnh đối lu với tốc độ dòng khí nhỏ, nghĩa hệ số truyền nhiệt đối lu nhỏ hạt đợc xem tơng đơng nh vật mỏng Công nghệ sấy nông sản dạng hạt Muốn bảo quản đợc lâu dài, phục vụ tốt cho việc chế biến sau hạt nông sản cần đợc sấy(làm khô) đến độ ẩm phù hợp Yêu cầu Footer Page of 166 -5- Header Page of 166 Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 Báo cáo tốt nghiệp hạt nông sản sau sấy phải đảm bảo đợc chất lợng cần thiết hạt sấy khối hạt Hạt sấy không bị rạn nứt ngầm hạt đốt nóng mức cho phép; hạt để làm giống cho vụ việc sấy lại có yêu cầu khắt khe hơn, nhiệt độ Hạt thể sống nên phần phôi hạt chịu đến nhiệt độ định, nhiệt độ thân hạt cao làm xấu trình nảy mầm phát triển mầm hạt sau này, chí làm khả nảy mầm hạt Nguyên nhân gây rạn nứt ngầm hạt ứng suất nhiệt phát sinh vùng hạt ứng suất xuất tốc độ bốc bề mặt hạt lớn làm lớp bề mặt khô nhanh cờng độ di chuyển ẩm từ vùng trung tâm mặt hạt nhỏ tạo chênh lệch lớn độ ẩm hạt Đối với khối hạt yêu cầu trình sấy phải đảm bảo đồng độ ẩm khối hạt Thông qua tài liệu nghiên cứu khoa học ta có đợc: độ ẩm bảo quản số loại hạt nhiệt độ đốt nóng cho phép cho Bảng Bảng Nhiệt độ đốt nóng cho phép độ ẩm gới hạn Tên nông sản Độ ẩm giới hạn Nhiệt độ đốt nóng hạt sấy (0C) Lúa 13ữ13,5 35 Ngô 13ữ13,5 50 Đậu 11ữ12 30 Lạc 8ữ9 50 Vừng 7ữ8 50 Thầu dầu 6ữ7 50 Sấy công đoạn quan trọng công nghệ sau thu hoạch Thực tế có hai phơng pháp sấy là: phơng pháp sấy tự nhiên phơng pháp sấy nhân tạo + Phơng pháp sấy tự nhiên: Nông sản sau đợc thu hoạch đợc đem phơi trực tiếp dới ánh nắng mặt trời, gián tiếp qua thiết bị sấy mặt trời Nguồn xạ hồng Footer Page of 166 -6- Header Page of 166 Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 Báo cáo tốt nghiệp ngoại từ mặt trời đốt nóng hạt nông sản làm bay ẩm có nông sản Phơng pháp đợc sử dụng từ lâu đến đợc sử dụng nh phơng pháp nhiều vùng sản xuất nông nghiệp nớc Phơng pháp sấy tự nhiên có u điểm nguồn lợng dồi rẻ tiền, thiết bị sấy đơn giản giảm đợc giá thành sản xuất Mặt khác phơng pháp sấy tự nhiên có không nhợc điểm nh: tốn diện tích sử dụng cho việc phơi nắng, nhiệt lợng sấy không liên tục đồng đều, phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên, khó điều chỉnh lợng nhiệt + Phơng pháp sấy nhân tạo: Để làm khô khối lợng lớn sản phẩm thời gian ngắn chủ động thực trình sấy điều kiện thời tiết, ngời ta sử dụng phơng pháp sấy nhân tạo Phơng pháp đắt tiền phức tạp phơng pháp sấy tự nhiên, nhng điều cần thiết để có đợc sản phẩm đồng đem thị trờng Nguồn nhiệt lợng để thực trình sấy đợc tạo nhiều phơng pháp khác Ngày nay, thiết bị sấy đợc chế tạo dựa hay kết hợp nhiều phơng pháp sấy khác Phơng pháp sấy đợc sử dụng rộng rãi để sấy nông sản dạng hạt sấy đối lu Phơng pháp sấy đối lu có tác nhân sấy không khí nóng, nhiệt lợng đợc truyền từ tác nhân sấy sang hạt sấy phơng pháp đối lu, lợng truyền nhiệt đối lu đốt nóng hạt làm bốc nớc từ bề mặt hạt Hơi nớc bốc từ hạt đợc dòng khí mang theo Sơ đồ mô tả trình sấy đối lu: t0,d0,0 Không khí t1,d1,1 Buồng tạo nhiệt t2,d2,2 Buồng sấy đối lu Không khí nóng mang ẩm Hình 1: Sơ đồ mô tả trình sấy đối lu Footer Page of 166 -7- Header Page of 166 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 Trong đó: tx,dx,x lần lợt nhiệt độ, lợng ẩm, thuỷ phần dòng khí Phơng pháp sấy đối lu đợc phân thành hai nhóm phụ thuộc vào trạng thái hạt ẩm trình sấy Nếu khối hạt sấy bất động trình sấy đợc hình thành dòng khí nóng chuyển động luồn lách lớp hạt trình đợc gọi sấy tĩnh Ngợc lại, trờng hợp hạt sấy chuyển động ngợc chiều với dòng khí sấy trình sấy đợc gọi sấy động - Thiết bị sấy tĩnh thờng đợc thiết kế theo hai dạng dạng hầm dạng cột: Hình 2: Mô hình thiết bị sấy kiểu hầm Footer Page of 166 -8- Header Page of 166 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 Hình 3: Mô hình thiết bị sấy kiểu cột Trong thiết bị sấy này, tác nhân sấy từ dới lên xuyên qua lớp liệu Quá trình luồn lách qua lớp liệu khí nóng truyền nhiệt lợng sang cho lớp liệu để đốt nóng cho nớc bốc lên từ liệu sấy Hơi nớc bốc đợc dòng khí sấy theo đa Rõ ràng lớp liệu dới tiếp xúc với dòng khí sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp nên đợc đốt nóng nhanh khô nhanh Càng lên cao nhiệt độ khí sấy giảm độ ẩm tăng, tốc độ đốt nóng liệu chậm, vật liệu sấy lâu khô Nh nhợc điểm thiết bị sấy trình sấy không đồng Tuy nhiên u điểm thiết bị sấy đợc tạo nên từ 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 thiết bị sấy tuần hoàn Sự khác biệt chuyển động đảo trộn hạt liệu trình sấy, trình sấy đồng Khi sấy thiết bị sấy mẻ, mẻ liệu đợc Footer Page of 166 -9- Header Page 10 of 166 Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 Báo cáo tốt nghiệp sấy khô trớc đến mẻ liệu khác Sấy tuần hoàn ngợc lại, hạt liệu đợc vào tuần hoàn đến khô đồng kết thúc trình sấy Một số thiết bị sấy có quy mô lớn: Sự khó khăn mặt sản xuất khiến cho thiết bị sấy nhỏ quy mô hộ gia đình nhiều không thích ứng, cần thiết phải có thiết bị sấy quy mô lớn mang kiểu dáng công nghiệp Dới hình ảnh số thiết bị sấy có quy mô công nghiệp Việt Nam giới: Hình Thiết bị sấy kiểu băng tải - Phễu đổ nhiên liệu - Buồng sấy - Băng tải - Quạt đẩy - Calorife - Cửa xả nguyên liệu - Cửa thoát khí thải Footer Page 10 of 166 -10- Header Page 80 of 166 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 1.5 Chơng trình phục vụ ngắt chuyển đổi ADC hoàn thành adc_isr(void) Tính nhiệt độ thật lò Xác định sai số Thực hàm truyền điều khiển Khâu giới hạn để giới hạn vợt khỏi giới hạn điều chỉnh Viết lên LCD nhiệt độ lò Thoát Footer Page 80 of 166 -80- Header Page 81 of 166 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 1.6 Chơng trình phục vụ ngắt định thời timer1_compa_isr(void) + Set bit PD4 + Trễ 100us + Xoá bit PD4 + Cấm timer hoạt động Thoát Chơng trình lập trình 2.1 Các công cụ lập trình cho vi điều khiển họ AVR Từ tung thị trờng dòng vi điều khiển họ AVR, công ty Atmel cho đời trình dịch AVR - Assembler, phục vụ cho vi điều khiển loại AVR - Assembler hỗ trợ việc viết chơng trình ngôn ngữ assembly, biên dịch sang file.hex; nhng để sử dụng đợc công cụ ngời lập trình phải am hiểu cấu trúc AVR Tuy nhiên AVR hỗ trợ ngôn ngữ C, công ty ứng dụng AVR thờng tạo công cụ riêng dựa ngôn ngữ C Các hàm ngôn ngữ C đợc viết dựa khối lệnh assembly Khi sử dụng ngôn ngữ C, công việc lập trình trở nên đơn giản ngời lập trình không cần phải quan tâm nhiều đến cấu trúc phần cứng chíp Trong thiết kế sử dụng công cụ lập trình Code Vision AVR C Compiler Evaluation công ty Pavel Haiduc HP InfoTech s.r.l Công cụ hỗ trợ lập trình C Assembly: Footer Page 81 of 166 -81- Header Page 82 of 166 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 Hình 62: Giao diện phần mềm lập trình Code Vision AVR Sau biên dịch chơng trình sang file.hex, sử dụng phần mềm nạp chơng trình vào chíp tơng thích với mạch nạp đợc thiết kế Chúng sử dụng phần mềm Pony Prog2000 công ty LancOS Hình 63: Giao diện phần mềm nạp chơng trình Footer Page 82 of 166 -82- Header Page 83 of 166 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 2.2 Phần chơng trình /***************************************************** This program was produced by the CodeWizardAVR V1.24.6 Standard Automatic Program Generator â Copyright 1998-2005 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l http://www.hpinfotech.com e-mail:office@hpinfotech.com Project : Dieu khien nhiet say Version : 2.0 Date : 12/19/2005 Author : Nhom Vu Quang Duy + Nguyen Xuan Tai Company : Dai hoc Nong Nghiep I Ha Noi Comments: Chip type : ATmega8535L Program type : Application Clock frequency : 8.000000 MHz Memory model : Small External SRAM size : Data Stack size : 128 *****************************************************/ #include // Alphanumeric LCD Module functions #asm equ lcd_port=0x15 ;PORTC #endasm #include #include #include flash char *data[]={"t dat ","t lo"}; #pragma warneeprom char tdat=50; #pragma warn+ char str[3]; int thdk=1200; int un1,yn1,un,yn,tick=0; //Chuong trinh quet ban phim char quet(void) { //Vong lap cho phim bam Footer Page 83 of 166 -83- Header Page 84 of 166 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 #asm LOOP: sbis $10,2 rjmp LOOP #endasm //Gia tri tra ve return PINB&0x03; } //Chuong trinh hien thi du lieu void display(void) { lcd_clear(); //Xoa LCD lcd_putsf(data[0]); //Hien thi dong chu "t dat" itoa(tdat,str);//Chuyen so nguyen sang xau lcd_puts(str);//Hien thi xau lcd_gotoxy(0,1);//Hien thi nhiet dat lcd_putsf(data[1]); } // External Interrupt service routine interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr(void) { // Place your code here char a; //Luu phim bam #asm("cli") lcd_clear();// Xoa LCD lcd_putsf(data[0]); //Hien thi dong chu "t dat" while(1){ lcd_gotoxy(2,1);//nhay xuong dong cot a=quet();//cho phim bam if(a==0x02)//Neu la phim tang tdat++; if(a==0x01) //Neu la phim giam tdat ; if(a==0) //Neu la phim OK { display(); //Hien thi du lieu break; //Thoat khoi vong lap } itoa(tdat,str);//Chuyen nhiet sang dang xau lcd_puts(str);//Hien thi nhiet delay_ms(50);//Tre 50ms } GIFR|=0x40; #asm("sei") } Footer Page 84 of 166 -84- Header Page 85 of 166 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 interrupt [ADC_INT] void adc_isr(void) { int tlo; // Doc ket qua chuyen doi va tinh nhiet thuc tlo=ADCW*0.099; un1=tdat-tlo;//Tinh sai so //Bo dieu khien tich phan voi Ti=2.244 yn1=0.2228*un1+0.2228*un+yn; un=un1; yn=yn1; if(yn1>1250) thdk=1200; else if(yn1