Thiết kế điều khiển bếp từ bằng vi điều khiển PSOC

LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần công nghệ vi điện tử phát triển mạnh mẽ Sự đời vi điều khiển với tính ngày cao mà giá thành lại giảm, khả lập trình ngày cao mang lại thay đổi sâu sắc nghành kỹ thuật điện tử PSOC vậy, dịng vi điều khiển với thiết kế khả lập trình đơn giản, nên đựơc áp dụng rộng dãi thiết bị điện tử gia dụng nghành công nghiệp Trong thiết bị gia dụng đặc biệt bếp từ vi điều khiển PSOC đóng vai trị điều khiển q trình hoạt động bếp Để biết thêm chi tiết vai trò vủa vi điều khiển PSOC bếp từ em xin giới thiệu tới thầy cô đồ án “ Thiết kế chế tạo bếp từ vi điều khiển PSOC ” Đồ án “ Thiết kế điều khiển bếp từ vi điều khiển PSOC ” gồm chương cụ thể sau : - Chương 1: Giới thiệu bếp từ - Chương 2: Cấu tạo nguyên lý hoạt động bếp từ - Chương 3: Thiết kế điều khiển bếp từ vi điều khiển PSOC Trong trình thực đồ án tốt nghiệp em hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Trọng Thắng giảng viên môn điên- điện tử Tuy nhiên, trình thực đồ án em cịn nhiều bỡ ngỡ chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên khơng tránh khỏi sai sót Vì vậy, em mong nhận góp ý thầy, giáo để hồn thành đồ án cách tốt Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ BỀP TỪ 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BẾP TỪ Nhà phát minh người Canada, Thomas Ahearn thường biết đến với phát minh bếp lò điện (electric cooking range) vào năm 1882 Ahearn Warren Y.Soper chủ công ty điện lực lượng đèn chiếu sáng Chaudiere Ottawa Ahearn lần đầu trưng bày bếp lò điện năm 1892 lắp đặt khách sạn Windsor Ottawa.Bếp điện từ triển lãm Hội chợ giới Chicago năm 1893, mơ hình bếp điện khí hóa trưng bày Lúc đời, cơng nghệ khơng quen thuộc địi hỏi phải dùng điện nên bếp điện không thay bếp gas Cho đến năm 1930, trưởng thành công nghệ cho phép bếp điện dần thay bếp ga, đặc biệt nhà bếp gia đình Bề mặt bếp đun nóng nhờ vịng dây platinum cấp lượng từ pin Theo nhà sáng chế, thiết bị hữu ích để làm ấm phịng, nấu nước sôi thực phẩm Công nghệ dùng cuộn dây đốt điện trở cho tác dụng làm nóng đĩa sắt nơi đặt nồi chảo Trong năm 1970, công nghệ thứ hai – loại bếp với mặt gốm thủy tinh bắt đầu xuất Gốm thủy tinh có tính dẫn nhiệt thấp cho phép xạ hồng ngoại vượt qua tốt Cuộn dây đốt nóng điện đèn halogen hồng ngoại sử dụng phận phát nhiệt Nhờ đặc trưng vật lý gốm thủy tinh, mặt bếp nóng nhanh trì nhiệt sau đó; có đĩa đốt bên nóng lên bề mặt phía mát Ngoài ra, mặt bếp gốm thủy tinh có độ trơn láng dễ lau chùi, nhiên chúng hoạt động với dụng cụ nấu đáy đắt nhiều Một công nghệ thứ 3, lúc đầu vốn phát triển cho nhà bếp chuyên nghiệp ngày gia nhập thị trường nội địa, bếp cảm ứng Bếp cảm ứng làm nóng dụng cụ nấu trực tiếp thơng qua cảm ứng điện từ cần nồi chảo có đáy sắt từ Bếp điện từ thường có bề mặt gốm thủy tinh 1.2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA BẾP TỪ 1.2.1.Ưu điểm Cơ bếp từ hoạt động dựa nguyên lý cảm ứng điện từ, dòng điện dẫn truyền cuộn dây tạo từ trường, từ trường làm ion sắt chuyển động tạo động , từ động sinh nhiệt làm nóng nồi nhanh chóng Chính nhiệt lượng bếp từ sinh từ bếp mà sinh trực tiếp từ nồi trình nấu ăn Và có tới 95% nhiệt hấp thụ hết vào nồi, có 5% mơi trường ngồi Trong bếp gas có 55% nhiệt lượng nồi hấp thụ lại hao hụt mơi trường bên ngồi Bếp hồng ngoại 75% nhiệt lượng hấp thụ vào nồi Do hấp thụ nhiệt lượng triệt để ko lãng phí nên bếp từ tiết kiệm điện đồng nghĩa với tiết kiệm tiền bạc gia đình bạn mà lại cịn đun nấu nhanh Cơng suất bếp từ thường từ 700W tới 2000W giúp trình chế biến thực ăn nhanh Mặt bếp lại khơng q nóng bếp hồng ngoại So với bếp gas bếp từ (bep tu) an toàn nhiều Không lo tiềm ẩn bom nổ chậm nhà bếp gas Bếp từ đại cịn có chế độ điều khiển cảm ứng thay đổi nhiệt độ theo xào, rang, hầm để ăn thêm ngon tiện lợi Đặc biệt chế độ hẹn tự động nấu hầm lâu bạn khơng cần ngồi canh chừng bếp, chế độ khóa bếp vơ an tồn Mặt bếp từ làm từ kính phẳng, bền chịu nhiệt cao khơng bám dính dầu mỡ, thức ăn, giúp bà nội trợ lau chùi dễ dàng khơng cịn mùi thức ăn bẩn 2.2 Nhược điểm Giá ban đầu bỏ tương đồi cao so với bếp gas Đối với số bếp từ đôi đại nhập từ Đức Nhật giá thành cà vài chục triệu đồng Chính thường gia đình giả thường chọn loại bếp Bếp từ kén nồi Bếp điện từ sử dụng với loại nồi có đáy làm vật liệu dẫn điện loại nồi đất, sành sứ sử dụng với thiết bị Hơn người dùng tuyệt đối tránh dùng nồi chất liệu nhơm đồng Vì vật liệu có hiệu suất sinh nhiệt thấp, cuộn dây bếp bị nóng lên gây nguy hiểm cho bếp Không để gần vật dụng điện tử, có sóng gần bếp từ : Tivi, điện thoại, lị vi sóng khoảng cách an tồn từ 2m trở lên Hiện hiệu ứng cảm ứng điện từ loại bếp chưa kiểm chứng sức khoẻ người.Tuy nhiên nhiều ý kiến cho bếp từ có hại cho sức khỏe trẻ em phụ nữ có thai, khơng chí số người cảm thấy nhức đầu sử dụng bếp thời gian dài 1.3 MỘT SỐ LƯU Ý KHI SỬ DỤNG BẾP TỪ Bếp cảm ứng sử dụng với loại nồi có đáy làm vật liệu dẫn từ, đáy nồi phải bằng, không dùng loại nồi, chảo đáy nhọn Ngoài khơng dùng (hồn tồn khơng nên dùng) nồi chất liệu dẫn từ thấp như: nhôm đồng vv Vì vật liệu có hiệu suất sinh nhiệt thấp (I 2R thấp), cuộn dây bếp bị nóng lên gây nguy hiểm cho bếp Công suất bếp thường tương đối lớn (1800~2200 W) nên phải kiểm tra kỹ trước dùng Các phích cắm ổ cắm phải ampe dùng riêng không cắm chồng lên dễ gây cháy nổ Các dây điện phải có tiết diện lớn đủ để đảm bảo an tồn Bếp cảm ứng thường có gắn quạt tản nhiệt nên đun nấu ý đáy bếp phải để thật thoáng, nên để bếp cách xa nóng, nước, loại bếp khác, không nên để sát tường vật khác Không để vật dụng sắt dao, dĩa, bát tráng men, nắp lọ, vung nồi lên mặt bếp bếp hoạt động Không để vật dễ hư hỏng bị nhiễm từ gần mặt bếp băng ghi âm, ghi hình, máy thu hình thiết bị gia dụng dễ bị nhiễm từ 1.4 MẸO TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO BẾP TỪ Chọn kích thước đồ nấu phù hợp với phận phát nhiệt: ví dụ dùng bếp điện, chảo inch đặt phận phát nhiệt inch lãng phí 40% nhiệt lượng Đồ nấu đáy phẳng, cứng cáp: Nồi chảo lí tưởng có đáy lõi – nóng lên, kim loại mở rộng đáy phẳng Sử dụng vật liệu dẫn nhiệt cao Giữ bếp ln sáng bóng CHƯƠNG CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BẾP TỪ 2.1 CẤU TẠO CỦA BẾP TỪ Hình 2.1: Bếp từ thực tế Hình 2.2: Mặt cắt ngang bếp từ Hình 2.3: Cấu trúc bên bếp từ thực tế Bếp từ bao gồm phận sau: Mặt bếp: làm sứ thủy tinh cao cấp chịu nhiệt độ cao,chịu va chạm Cuộn dây tạo từ trường: cuộn dây phẳng dạng đĩa đặt bên mặt bếp Mạch điện tử công suất : gồm nhiều linh kiện điện tử phức tạp , có khả giảm biên độ dòng điện xoay chiều ,thay đổi tần số dòng điện vào cuộn dây Bảng điều khiển : gồm nút chức để đặt chức điều khiển chế độ làm việc bếp Các điều khiển bếp điện từ bao gồm: Transistor lưỡng cực (IGBT) thành phần quan trọng bếp cảm ứng IGBT làm việc điện áp cao điều kiện cơng suất cao Tuy nhiên có yếu tố sau phá hủy IGBT: điện áp mức, tác động tạo điện bật tắt, nở rộ nhiệt độ dư thừa IGBT bị hư hỏng chảo sắt lấy từ bảng điều khiển gốm khơng có chảo đặt bảng điều khiển sử dụng bếp từ phải ý để bảo vệ IGBT khỉ yếu tố Kiểm soát nhiệt độ chảo sắt (Iron pan): Nhiệt độ chảo sắt chuyển trực tiếp vào bảng điều khiển gốm Bảng điều khiển gốm nơi đặt cảm biến nhiệt, cảm biến nhiệt thường cố định phía bảng điều khiển để phát nhiệt độ chảo sắt Bộ ổn định điều khiển công suất: Cơng suất bếp điện từ tự động điều chỉnh để cải thiện việc điều chỉnh cung cấp điện tải 10 3.2.5 Đèn LED phận kỹ thuật số LED hiển thị Giao diện người dùng bếp cảm ứng quan trọng người dung tất thơng tin bếp hiển thị thơng qua Trong thiết kế, 74HC164 sử dụng để mở rộng I / O để bus 7-phân khúc hình LED bốn.Vì vậy, đếm thời gian 8-bit sử dụng phần mềm, ngắt yêu cầu hẹn đèn LED làm Một đệm hình hiển thị, có giá trị thiết lập vịng lặp chính, sử dụng để làm đèn LED Trong Timer8 IRQ, nội dung đệm gửi thông qua mô đun sử dụng SPI, kết nối với 74HC164 cho đèn LED Các đèn LED nhóm lại nhóm bật trình tự Khoảng thời gian quét thiết lập ms ms, tỷ lệ làm khoảng 55 Hz đến 83 Hz Các đèn LED hiển thị lâp trình sau: BYTE baLedBuf[6]; // display buffer The refreshing code in the Timer8 IRQ is: void Timer8_ISR( void ) { static BYTE bLedTimer; wTick++; // global for tick if( wTick - bLedTimer > LEDONTIME ) / period is 2ms { 45 bLedTimer = wTick; bComInx ++; if( bComInx>=LEDCOMNUM) bComInx = 0; switch( bComInx ) { case 0: LED_COM5_OFF; SPIM_TX_BUFFER_REG = baLedBuf[0]; LED_COM0_ON; break; case 1: LED_COM0_OFF; SPIM_TX_BUFFER_REG = baLedBuf[1]; LED_COM1_ON; break; case 2: LED_COM1_OFF; SPIM_TX_BUFFER_REG = baLedBuf[2]; 46 LED_COM2_ON; break; case 3: LED_COM2_OFF; SPIM_TX_BUFFER_REG = baLedBuf[3]; LED_COM3_ON; break; case 4: LED_COM3_OFF; SPIM_TX_BUFFER_REG = baLedBuf[4]; LED_COM4_ON; break; case 5: LED_COM4_OFF; SPIM_TX_BUFFER_REG = baLedBuf[5]; LED_COM5_ON; break; }}} 47 3.2.6 Bộ lọc kỹ thuật số IIR Các lọc kỹ thuật số sử dụng rộng rãi việc kiểm sốt Tuy nhiên, khơng phải tất lọc kỹ thuật số thực PSOC, nhiều lọc kỹ thuật số đơn vị cần tăng cường MAC để tăng tốc độ tính toán Trong hệ thống người ta sử dụng lọc kỹ thuật số thấp, lọc IIR sử dụng cho tất tương tự xử lý tín hiệu đầu vào Các thuật tốn thể công thức sau: yn = a * xn + (1 – a) * yn-1 (Phương trình 3) a : hệ số lọc x n : giá trị lấy mẫu y n : sản lượng lọc yn-1 : giá trị đầu cuối lọc Để hồn tất việc tính tốn ta cần hai lần phép nhân Xem xét giá trị CPU PSOC, việc tính tốn cịn phức tạp Để đạt lọc thơng thấp đơn giản hóa thuật toán này, hệ số lọc đặc biệt yêu cầu Ví dụ, cách sử dụng a=0.25 cho công thức sau lấy: yn = 0.25 * xn + 0.75 * y(n-1) (phương trình 4) Thay hoạt động nhân với bit-chuyển dịch hoạt động, công thức thay đổi: (phương trình 5) yn = xn≫2 + y (n-1)≫1+y(n-1)≫2 Với phương trình này, có ba hoạt động bit-chuyển dịch ba hoạt động cần thiết cho việc tính tốn Trong hệ thống này, giá trị 0,25 Tần số cắt 48 lọc 1,33 Hz, theo công thức sau với khoảng thời gian lấy mẫu 40 ms fcutoff = a/2πT(1-a) (phương trình 6) T: thời gian lấy mẫu 3.2.7 PI vịng điều khiển thuật tốn Các điện cảm ứng hỗ trợ nấu ăn điện cố định chế độ nấu nhiệt độ cố định PI điều khiển vòng áp dụng hai chế độ nấu ăn điện cố định chế độ nấu nhiệt độ cố định Các thuật toán điều khiển PI hữu ích hệ thống điều khiển liên tục Có hai thuật tốn PI kiểm soát: chế độ tuyệt đối chế độ tăng PI thuật tốn điều khiển Phương trình sau biểu riêng biệt chế độ vị trí thuật toán PI uk = KP*ek + KI * Σ(i=1)(k-1)ei + u0 (phương trinh 7) ek: lỗi điện Ki: hệ số tích hợp Kp: hệ số tỷ lệ Một chế độ thuật toán PI chế độ tăng, công thức là: Δuk = uk - u(k-1) = KP*(ek - e(k-1) ) + KI * ek (phương trình 8) So với chế độ thuật toán PI tuyệt đối, chế độ tăng thuật toán PI có ưu điểm sau: 49 - Khơng có tích tụ sử dụng cơng thức kết thu hai giá trị mẫu - Kết công thức giá trị thặng dư với phần mềm bảo vệ nên có lỗi -Sự phức tạp chế độ tăng thuật tốn PI so với chế độ tuyệt đối Nó tối ưu hóa hoạt động hệ thống PSoC Sơ đồ PI thuật toán điều khiển công suất: Mạch điều khiển Mạch nguồn Điện áp lấy mẫu Tính tốn cơng suất Dịng điện lấy mẫu + PI ĐK PWM Bộ lọc ĐK IGBT Mạch cộng hưởng Hinh 25: Sơ đồ PI thuật tốn điều khiển cơng suất Đầu PWM tín hiệu điều khiển mạnh cộng hưởng Thơng qua lọc thông thấp hệ thống xuất điện áp tham chiếu Điện áp tham chiếu tín hiệu đầu vào IGBT kiểm sốt mạch logic ,có chức đồng hóa hệ thống bảo vệ IBGT Chính đầu mạch cộng hưởng tăng lên với điện áp tham chiếu Kết là, nguồn điện cảm ứng điều chỉnh cách thay đổi nhiệm vụ PWM 50 Nếu bếp cảm ứng hoạt động chế độ nấu điện cố định, vòng lặp gần thực theo bước sau đây: mẫu RSM giá trị điện áp RSM giá trị mạch cộng hưởng, tính tốn lượng hành so sánh với lượng định mức nhận lỗi điều chỉnh nhiệm vụ đầu PWM theo thuật tốn PI Trên tồn thiết kế phần cứng phần mềm việc thiết kế bếp từ vi điều khiển PSOC 51 KẾT LUẬN Đánh giá chung 1.Với nhiệm vụ mục tiêu đề ra, nhằm mục đích thiết kế chế tạo bếp từ vi điều khiển PSOC Đồ án phần đáp ứng yêu cầu ban đầu đề Với ba phần đồ án : phần giới thiệu bếp từ, phần nói cấu tạo nguyên lý hoạt động bếp từ phần thiết kế điều khiển bếp từ vi điều khiển PSOC Trong trình thực đồ án việc tính tốn thiết kế tn thủ theo quy chuẩn , tiêu chuẩn việc tính tốn lựa chọn thiết bị Những vấn đề làm đồ án Nhìn chung đồ án thể đầy đủ vẽ thuyết minh mà yêu cầu đặt Giúp người đọc hiểu phần việc thiết kế mạch điều khiển bếp từ, thiết bị sử dụng rộng dãi gia đình 3.Những vấn đề chưa làm đồ án Trong trình thực đồ án hướng dẫn tận tình thầy giáo lỗ lực thân Tuy nhiên trình thực khơng tránh khỏi sai xót : chưa hồn thành việc thiết kế điều khiển mơ hình bếp từ thực tế, số vẽ đồ án chưa giải thích cách cụ thể 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Minh Tiêu, Kỹ thuật số, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Xuân Quỳnh, Lý thuyết mạch logic kỹ thuật số, Nhà xuất khoa hoc kỹ thuật Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng, Giáo trình kỹ thuật vi xử lý, Nhà xuất thông tin truyền thông PGS.TS Thái Hồng Nhị, Truyền tin số sửa lỗi liệu truyền, Nhà xuất thông tin truyền thông Học viện công nghệ bưu viễn thơng, Giáo trình điện tử số, Nhà xuất thông tin truyền thông Văn Thế Minh (1997), Kỹ thuật vi xử lý, Nhà xuất giáo dục Đỗ Xuân Tiến (2001), Kỹ thuật vi xử lý lập trình assembly cho hệ vi xử lý, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 53 PHỤ LỤC Sau em xin giới thiệu phần mềm quản lý hoạt động vi điều khiển PSOC có tên “ PSoC Designer ” 1.Tổng quát PsoC Designer chương trình đóng gói cung cấp đầy đủ để phát triển ứng dụng Phiên cung cấp topic PsoC Designer ver 4.4 với keygen : CM31024-L4WK1f , bạn đăng ký để sử dụng đầy đủ chức sau cài đặt chương trình (khoảng 150MB) Bây việc quan trọng nắm bắt cách sử dụng chương trình với phần quan : Device Editor Appliaction Editor ( biên tập thiết bị biên tập ứng dụng) Bên cạnh hai phần cịn có phần debugger, topic tập chung đến khả mở rộng phần cứng Device Editor gồm cửa sổ Cửa sổ dùng để lựa chọn gọi User Module selection View cửa sổ lại gọi Interconnection View Chúng dùng để thiết lập, kết nối thành phần (component) chỉnh tham số Việc chuyển từ phần sang phần khác PsoC Designer dễ dàng cách kích vào icon tương ứng Để mở cửa sổ Interconnection View User Module Select phải lựa chọn icon Device Editor Ảnh thành phần (part) lựa chọn 54 Lựa chọn phận hợp thành lập trình Hầu hết phần quan trọng cửa sổ phận hợp thành cho lập trình nằm khung bên trái Các phận hợp thành xếp thành nhóm khác chuyển đổi AD, khuyếch đại, truyền thông tương tự, đếm v.v Sau lựa chọn nhóm, ta kích đúp kích chuột trái để lựa chọn phận hợp thành cần thiết cho ứng dụng Khi lựa chọn thành cơng, nội dung hình ảnh phận hợp thành tương ứng xuất sau Các cửa sổ chờ cung cấp nhiều thơng tin hữu ích Resource Meter cho biết có khoảng trống sử dụng cho khối lập trình 55 (programmable blocks) Lấy ví dụ , đếm 16 bit chiếm programmable block ta thêm đến đếm với Trong suốt trình lựa chọn , khung phía cửa sổ chương trình để thơng báo dẫn chi tiết đưa thơng tin khối đối tượng, cách sử dụng, code ví dụ Người dùng không cần phải biết tất chi thiết phận hợp thành phần cung cấp tất thơng tin cần thiết 3.Cửa sổ hiển thị kết nối (Interconnection View) Các phận hợp thành lựa chọn trước chưa sử dụng bạn đặt chúng vào khối digital analog, thiết lập thông số cần thiết Đây việc quan trọng cần làm cửa sổ Interconnection View Giữa cửa sổ hình ảnh mơ tả khối lập trình đường kết nối Nếu bạn sử dụng vi điều khiển CY8C27xxx sử dụng khối số 12 khối tương tự khả trình Trong đặt, khối có đường kết nối (internal lines), đường vào đa nhiệm chung Mặc dù sơ đồ trông thiết kế để kết nối bên bạn chắn khơng khó để làm chủ cách kết nối Nó tương tự việc chạy mạch in, đơn giản 56 57 4.Các tham số chung 58 Bên góc trái phía ta nhìn thấy cửa sổ Global Resources, sử dụng để lựa chọn tham số chung Cách giống cấu hình lệnh vi điều khiển khác linh hoạt nhiều Tất tham số toàn cục thiết lập giá trị mặc định, nghĩa khơng cần thiết lập mà vi điều khiển làm việc Ví dụ điện áp cấp 3,3V phục thuộc vào lựa chọn tham số Supply Voltage, người dùng khơng thiết lập tham số để mặc định 5V Khi cần tần số xác ta cần dao động chân thấp cổng chọn dao động ngồi từ việc chọn thơng số tương ứng Hầu hết thông số quan trọng giao động cho lab thiết lập giá trị V1, V2 V3 Tần số V1,V2 V3 sử dụng đa dạng cho khối số tương tự Gía trị tần số V1 lấy từ việc chia tần số hệ thống 24MHZ cho N1, V2 tần số V1 chia cho N2 Để có tín tần số V3 ta chia tần số cho N3, ta chọn nhiều tần số khác việc chia tần số cho giá trị thích hợp 59 ... 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ BẾP TỪ BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN PSOC 3.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PSOC PSOC (Programmable System on Chip) khái niệm hoàn toàn cho ứng dụng vi điều khiển So với vi điều khiển 8-bít... pin 1.5V Để dùng chức SMP bạn cần kết nối pin diode, cuộn cảm tụ điện 3.2 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BẾP TỪ BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN PSOC 3.2.1 Chọn chip cho vi điều khiển PSOC Công nghệ cảm biến cảm ứng tồn... họ vi điều khiển, PSOC có từ đến 16 khối số từ đến 12 khối tương tự có khả lập trình 13 Hinh 3.1: Vi điều khiển PSOC 3.1.1 Các đặc điểm vi điều khiển PSOC Khối nhân công nhân cứng 8x8 cho kết