ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI

ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠIMô tả nhiệm vụ công nghệHệ thống có khả năng: Giả lập tín hiệu điều khiển nhiệt độ lò nung cách bật tắt bộ gia nhiệt, hiển thị trạng thái tín hiệu điều khiển onoff bằng đèn LED. Đo nhiệt độ trong lò bằng cảm biến nhiệt điện trở kim loại Hiển thị nhiệt độ liên tục theo thời gian thực trên màn hình LCD. Có chức năng lựa chọn giới hạn nhiệt độ trên và dưới để đưa ra cảnh báo khi giá trị nhiệt độ vượt ngoài khoảng cho phép2. Cấu trúc thiết bịThiết bịLoại sử dụngCảm biến nhiệt độCảm biến nhiệt điện trở kim loạiMạch chuyển đổi xử lí tín hiệuADC ngoài hoặc trong chípBộ điều khiểnVi điều khiểnHiện thị nhiệt độ tức thờiLCDPhím chức năng nhập dữ liệuNút bấm số Màn hình chạmTín hiệu cảnh báoĐèn3. Đặc tính kỹ thuậtThông sốGiá trị Giới hạn nhiệt độ đo 2010000C Sai số đo5%Bộ chuyển đổi ADC>=10 bit4. Nội dung báo cáo Bản vẽTTTên bản vẽKhổ giấySố lượng1Bản vẽ sơ đồ hệ thốngA312Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thốngA31 Báo cáoChương 1 Tổng quan về hệ thống 1.1. Giới thiệu chung 1.2. Các yêu cầu cơ bản 1.3. Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu1.4 Ý nghĩa thực tiễnChương 2 Xây dựng mô hình hệ thống2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 2.5. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (Nếu có)Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí3.2 Chế tạo các bộ phận điện điện tử3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thốngKết Luận.LỜI NÓI ĐẦUHiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng mạnh mẽ trong tất cả các lĩnh vực của đời sống và xản xuất. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào các hoạt động sản xuất đòi hỏi con người phải không ngừng học hỏi và nâng cao trình độ hiểu biết để kịp thời cập nhật những tiến bộ mới nhất của thế giới. Chính vì vậy, phát triển ngành cơ điện tử có ý nghĩa hết sức quan trọng vì các sản phẩm của ngành phục vụ trong tất cả các ngành khác trong nền kinh tế như: phục vụ trong lĩnh vực tự động hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển và cảm ứng, …Trong lĩnh vực Công nghiệp nói chung, đặc biệt là trong các dây truyền sản xuất, chúng ta thường bắt gặp 04 đại lượng (hay gọi là biến đo lường) chính được giám sát, theo dõi một cách chặt chẽ bao gồm: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và mức. Đây là những biến có vai trò hết sức quan trọng và không thể thiếu trong mỗi dây truyền công nghệ.Trong đề tài đồ án môn “Xây dựng hệ thống đo nhiệt độ lò nung sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại” này, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày một cách cụ thể về quá trình nghiên cứu tìm hiểu và tính toán, thiết kế mô hình. Thông qua đó có thể áp dụng nó vào các bài nghiên cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyên ngành khi ra trường.Để bài báo cáo được hoàn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận được những góp ý từ phía các thầy cô. Qua đây, chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Cơ khí nói chung và thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử nói riêng đã nhiệt tình hướng dẫn đồ án môn cho chúng em.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ -  - BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ  ĐỒ ÁN MÔN HỌC - ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ CÔNG THƯƠNG ĐỀ TÀI: Xây dựng hệ thống đo nhiệt độ lò nung sử dụng TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI cảm biến nhiệt điện KHOA CƠtrở KHÍ kim loại -  - Giảng viên hướng dẫn : ThS Lê Văn Nghĩa ĐỒ ÁN MÔN BỘ CÔNG THƯƠNG Sinh viên thực :1 Nguyễn Anh Tuấn - 2018603974 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN Nguyễn Văn KHOA CƠ KHÍ Tài – 2018605136 ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ ĐO VÀ XỬ LÍ TÍN THỐNG Hà Văn Thành – 2018603806 -  - HIỆU PHÁT LớpSỬ DỤNG CẢM BIẾN : ĐH CƠ ĐIỆNHIỆN TỬ –LỬA, K13 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỂ CẢNH BÁO VÀ CHỮA CHÁY BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ Hà Nội: 2020 ĐỒ ÁN MƠN -1 ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I Thông tin chung Tên lớp: điện tử Khóa: k13 Tên nhóm: nhóm Họ tên thành viên: Nguyễn Anh Tuấn – 2018603974 Nguyễn Văn Tài – 2018605136 Hà Văn Thành – 2018603806 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đo tốc độ động điện chiều cảm biến tiệm cận Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Chế tạo thử nghiệm hệ thống (L2.1) - Nội dung 4: Viết báo cáo Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch mô hình sản phẩm (Nếu có) III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành đồ án theo thời gian quy định (từ ngày …/…/… đến ngày …/…/….) Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến hệ thống đo, vi điều khiển Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ThS Lê Văn Nghĩa MÔ TẢ KỸ THUẬT Mô tả nhiệm vụ công nghệ -Hệ thống có khả năng: - Giả lập tín hiệu điều khiển nhiệt độ lò nung cách bật /tắt gia nhiệt, hiển thái tín hiệu điều khiển on/off đèn LED thị trạng - Đo nhiệt độ lò cảm biến nhiệt điện trở kim loại - Hiển thị nhiệt độ liên tục theo thời gian thực hình LCD - Có chức lựa chọn giới hạn nhiệt độ để đưa cảnh báo giá trị nhiệt độ vượt khoảng cho phép Cấu trúc thiết bị Thiết bị Loại sử dụng Cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt điện trở kim loại Mạch chuyển đổi xử lí tín hiệu ADC ngồi chíp Bộ điều khiển Vi điều khiển Hiện thị nhiệt độ tức thời LCD Phím chức nhập liệu Nút bấm số/ Màn hình chạm Tín hiệu cảnh báo Đèn Đặc tính kỹ thuật Thơng số Giá trị Giới hạn nhiệt độ đo 20-10000C Sai số đo 5% Bộ chuyển đổi ADC >=10 bit Nội dung báo cáo - Bản vẽ Tên vẽ TT Khổ giấy Số lượng Bản vẽ sơ đồ hệ thống A3 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống A3 - Báo cáo Chương Tổng quan hệ thống 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Chương Xây dựng mơ hình hệ thống 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu 2.5 Mơ hình hóa mơ hệ thống (Nếu có) Chương 3: Chế tạo thử nghiệm hệ thống 3.1 Chế tạo phận khí 3.2 Chế tạo phận điện - điện tử 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 3.4 Thử nghiệm đánh giá hệ thống Kết Luận LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển ngày mạnh mẽ tất lĩnh vực đời sống xản xuất Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào hoạt động sản xuất đòi hỏi người phải không ngừng học hỏi nâng cao trình độ hiểu biết để kịp thời cập nhật tiến giới Chính vậy, phát triển ngành điện tử có ý nghĩa quan trọng sản phẩm ngành phục vụ tất ngành khác kinh tế như: phục vụ lĩnh vực tự động hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển cảm ứng, … Trong lĩnh vực Cơng nghiệp nói chung, đặc biệt dây truyền sản xuất, thường bắt gặp 04 đại lượng (hay gọi biến đo lường) giám sát, theo dõi cách chặt chẽ bao gồm: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng mức Đây biến có vai trị quan trọng thiếu dây truyền công nghệ Trong đề tài đồ án môn “Xây dựng hệ thống đo nhiệt độ lò nung sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại” này, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày cách cụ thể q trình nghiên cứu tìm hiểu tính tốn, thiết kế mơ hình Thơng qua áp dụng vào nghiên cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyên ngành trường Để báo cáo hồn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận góp ý từ phía thầy cô Qua đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Khoa Cơ khí nói chung thầy mơn Cơ điện tử nói riêng nhiệt tình hướng dẫn đồ án môn cho chúng em Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 10 1.1 Giới thiệu chung 10 1.2 Các yêu cầu 10 1.2.1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ 10 1.2.2 Cấu trúc thiết bị 11 1.2.3 Đặc tính kỹ thuật 11 1.3 Phương pháp nghiên cứu, phạm vi giới hạn nghiên cứu 11 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu: 11 1.3.2 Phạm vi 12 1.3.3 Giới hạn nghiên cứu 12 1.3.4 Ý nghĩa thực tiễn 12 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 13 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 13 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 13 2.1.2 Chức khối 13 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 14 2.2.1 Phân tích 14 2.2.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến nhiệt độ pt100: 16 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 17 2.3.1 Phân tích 17 2.3.2 Các chân kết nối Arduino Uno R3 19 2.4 Thiết kế mạch đo xử lí tín hiệu 20 2.4.1 Thiết kế mạch đo 20 2.4.2 Thông số kỹ thuật LCD 16x2: 20 2.4.3 Module I2C Arduino: 21 2.4.4 Keypad 4x4 23 2.5 Mơ hình hóa mô hệ thống 24 Chương CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 25 3.1 Chế tạo phận điện, điện tử 25 3.1.1 Arduino Uno R3 25 3.1.2 Màn hình LCD tích hợp I2C 25 3.2 Xây dựng chương trình điều khiển 26 3.3 Thử nghiệm đánh giá hệ thống 27 KẾT LUẬN 28 PHỤ LỤC 29 3.4 Code cho chương trình điều khiển 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Sơ đồ khối hệ thống 13 Hình 2 Can nhiệt PT100 15 Hình Cấu tạo PT100 15 Hình Nguyên lý hoạt động can nhiệt loại K 17 Hình Mạch Arduino Uno R3 17 Hình Các chân kết nối Arduino Uno R3 19 Hình Arduino dây nguồn 20 Hình Màn hình LCD I2C 20 Hình Sơ đồ đấu nối giao tiếp IC2 với LCD 16x2 22 Hình 10 keypad kết nối với arduino 23 Hình 11 Mơ hệ thống 24 DANH MỤC BẢNG BIỂU bảng 1 bảng cấu trúc thiết bị 11 bảng Đặc tính kĩ thuật 11 bảng Thông số điện trở cảm biến nhiệt pt100 16 bảng 2 Đặc điểm kĩ thuật Arduino Uno R3 18 bảng Giao tiếp I2C LCD Arduino 22 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung Trong lĩnh vực Công nghiệp nói chung, đặc biệt dây truyền sản xuất, thường bắt gặp 04 đại lượng (hay gọi biến đo lường) giám sát, theo dõi cách chặt chẽ bao gồm: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng mức Đây biến có vai trị quan trọng khơng thể thiếu dây truyền công nghệ Cảm biến thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,…các đại lượng vật lý khơng điện thành tín hiệu điện Ví dụ nhiệt độ tín hiệu khơng điện, qua cảm biến trở thành dạng tín hiệu khác (điện áp, điện trở…) Sau phận xử lí trung tâm thu nhận dạng tín hiệu điện trở hay điện áp để xử lí Đối với loại cảm biến nhiệt có yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác “Nhiệt độ môi trường cần đo” “Nhiệt độ cảm nhận cảm biến” Điều nghĩa việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo cảm biến nhiệt tổn thất cảm biến đo xác Điều phụ thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến (cảm biến nhiệt đắt hay rẻ nguyên nhân định) Đồng thời ta rút nguyên tắc sử dụng cảm biến nhiệt là: Phải ln đảm bảo trao đổi nhiệt chúng Xét cấu tạo chung Cảm biến nhiệt có nhiều dạng Tuy nhiên, cảm biến ưa chuộng ứng dụng thương mại công nghiệp thường đặt khung làm thép không gỉ, nối với phận định vị, có đầu nối cảm biến với thiết bị đo lường 1.2 Các yêu cầu 1.2.1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ -Hệ thống có khả năng: - Giả lập tín hiệu điều khiển nhiệt độ lò nung cách bật /tắt gia nhiệt, hiển thị trạng thái tín hiệu điều khiển on/off đèn LED - Đo nhiệt độ lò cảm biến nhiệt điện trở kim loại - Hiển thị nhiệt độ liên tục theo thời gian thực LED đoạn - Có chức lựa chọn giới hạn nhiệt độ để đưa cảnh báo giá trị nhiệt độ vượt khoảng cho phép 10 bảng 2 Đặc điểm kĩ thuật Arduino Uno R3 Power: LED: Có LED tích hợp bảng mạch nối vào chân D13 Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) LED sáng LED tắt mức thấp (LOW) VIN: Chân dùng để cấp nguồn (điện áp cấp từ 7-12VDC) 5V: Điện áp 5V (dòng điện chân tối đa 500mA) 3V3: Điện áp 3.3V (dòng điện chân tối đa 50mA) GND: Là chân mang điện cực âm board IOREF: Điệp áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đọc điện áp chân IOREF Chân IOREF không dùng để làm chân cấp nguồn Bộ nhớ: Vi điều khiển ATmega328: 32 KB nhớ Plash: bootloader chiếm 0.5KB KB cho SRAM: (Static Random Access Menory): giá trị biến khai báo lưu Khai báo nhiều biến tốn nhiều nhớ RAM Khi nguồn liệu SRAM bị KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): Là nơi đọc ghi liệu vào không bị liệu nguồn Các chân đầu vào đầu ra: 18 Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital sử dụng để làm chân đầu vào đầu chúng sử dụng hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead() Giá trị điện áp chân 5V, dòng chân 20mA bên có điện trở kéo lên 20-50 ohm Dịng tối đa chân I/O khơng vượt q 40mA để tránh trường hợp gây hỏng board mạch LED: Có LED tích hợp bảng mạch nối vào chân D13 Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) LED sáng LED tắt mức thấp (LOW) TWI/I2C: A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác Arduino Uno R3 có chân Analog từ A0 đến A5, đầu vào cung cấp độ phân giải 10 bit 2.3.2 Các chân kết nối Arduino Uno R3 Hình Các chân kết nối Arduino Uno R3 19 2.4 Thiết kế mạch đo xử lí tín hiệu 2.4.1 Thiết kế mạch đo • Khối nguồn: Do yêu cầu hệ thống sử dụng nguồn DC 5V nên ta có nhiều phương án như: nguồn từ PIN, ắc quy, từ mạch nguồn thiết kế,… Ở để tiết kiệm thời gian thuận tiện nhóm chọn nguồn từ cổng USB Hình Arduino dây nguồn • Khối hiển thị: LCD I2C Hình Màn hình LCD I2C 2.4.2 Thơng số kỹ thuật LCD 16x2: LCD 16x2 sử dụng để hiển thị trạng thái thơng số LCD 16x2 có 16 chân chân liệu (D0 - D7) chân điều khiển (RS, RW, EN) chân lại dùng để cấp nguồn đèn cho LCD 16x2 20 Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD chế độ lệnh chế độ liệu Chúng cịn giúp ta cấu hình chế độ đọc ghi LCD 16x2 sử dụng chế độ bit bit tùy theo ứng dụng ta làm 2.4.3 Module I2C Arduino: Hình 2.4 Module I2C LCD 16x2 LCD có nhiều nhiều chân gây khó khăn q trình đấu nối chiếm dụng nhiều chân vi điều khiển Module I2C LCD đời giải vấn để Thay phải chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16x2 (RS, EN, D7, D6, D5 D4) module IC2 bạn cần tốn chân (SCL, SDA) để kết nối Module I2C hỗ trợ loại LCD sử dụng driver HD44780 (LCD 16x2, LCD 20x4, ) tương thích với hầu hết vi điều khiển Ưu điểm: Tiết kiệm chân cho vi điều khiển Dễ dàng kết nối với LCD Thông số kĩ thuật: Điện áp hoạt động: 2.5 - 6V DC Hỗ trợ hình: LCD1602, 1604, 2004 (driver HD44780) Giao tiếp: I2C Địa mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh ngắn mạch chân A0/A1/A2) Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD ngắt Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD 21 bảng Giao tiếp I2C LCD Arduino Module I2C LCD Arduino UNO 16x2 GND GND VCC 5V SDA A4/SDA SCL A5/SCL Sơ đồ đấu nối: Hình Sơ đồ đấu nối giao tiếp IC2 với LCD 16x2 22 2.4.4 Keypad 4x4 Hình 10 keypad kết nối với arduino Keypad 4x4 có tổng cộng chân R1, R2, R3, R4 C1, C2, C3, C4 Các chân kết nối: - R1- Digital pin2 - R2- Digital pin3 - R3- Digital pin8 - R4- Digital pin9 - C1- Digital pin10 - C2- Digital pin11 - C3- Digital pin12 - C4- Digital pin13 23 2.5 Mơ hình hóa mơ hệ thống Hình 11 Mơ hệ thống CHƯƠNG CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 3.1 Chế tạo phận điện, điện tử 3.1.1 Arduino Uno R3 hình Board mạch arduino Uno R3 - Nguồn nuôi mạch: 5V - Số chân Digital:14 - Số chân Analog:6 - Dòng chân digital: tối đa 40mA - Dòng chân 5V: 500mA - Nút resert tích hợp board 3.1.2 Màn hình LCD tích hợp I2C hình LCD tích hợp I2C 25 - LCD 16x2 có 16 chân chân liệu (D0 - D7) chân điều khiển (RS, RW, EN) - chân lại dùng để cấp nguồn đèn cho LCD 16x2 - Các chân điều khiển dễ dàng cấu hình LCD chế độ lệnh chế độ liệu - Điện áp hoạt động 2,5-6V - Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD ❖ Ưu điểm dùng LCD tích hợp I2C: - Tiết kiệm chân cho Arduino,thay phải chân vi điều khiển để kết nối với LCD module I2C cần tốn chân SCL,SDA Dễ dàng kết nối với LCD 3.2 Xây dựng chương trình điều khiển Cảm biến can nhiệt K đo nhiệt độ từ 0-1200 độ C, để nhập nhiệt độ làm việc, nhóm tác giả sử dụng bàn phím 4x4 Nhiệt độ nhập từ bàn phím số Ban đầu, nhập nhiệt độ từ bàn phím giá trị b, cảm biến đo nhiệt độ liên tục theo thời gian giá trị a Nếu a>=b đèn led sáng, a=minTemp&Temp