phát triển hệ thống điều khiển mờ nhiệt độ phòng

Sự sai biệt này được đưa vào bộ điều khiển mờ, để điều chỉnh tốc độ của 1 quạt bàn động cơ AC và điều khiển trạng thái của máy phun hơi nước nếu c có thể.. Khác hắn với kỹ thuật điều k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÂN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ:

Lớp: Cơ điện tử K30

TP Cần Thơ, tháng 12 năm 2008

SS ` ~ oA oA A ° 7 ` A y SS

3 và đã tạo điêu kiện thuận lợi cho chúng em hoàn tât khóa học

SS w on Ầ vy A os cA vw x Ầ XN? ~ Ss

Trung

NHAN XET CUA GIAO VIEN HUONG DAN

oOo

Tp Cần Thơ, ngày thang nam 2008

Giáo viên hướng dan

Ts Nguyễn Chí Ngôn

Trung

NHAN XET CUA GIAO VIEN PHAN BIEN

oOo

Tp Cần Thơ, ngày tháng năm 2008

GI1áo viên phản biện

LV E&AT.3004

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngành Kỹ thuật Điều khiến & Cơ — Điện tứ khóa 30

Học kỳ 2, Năm học 2007-2008

Tên đề tài: Phát triển hệ thống điều khiển mờ nhiệt độ phòng

Loại đề tài: Kỹ thuật Điêu khiên

Kiến thức nền: LT Điều khiển tự động, Logic mờ, KT Vi xử lý và Vi điều khiển

GV Hướng dẫn: GV Ts Nguyễn ChíiNgôn Liên hé: ncngon@ctu.edu.vn

Số SV thực hiện: 02 sinh viên

Đề tài này đã được nghiên cứu và thiết kế, trong LVTN Dai hoc cua 2 sinh viên

Nguyễn Hoàng Hùa và Nguyễn Văn Trắng, ở học kỳ 1 năm 2007-2008 Tuy nhiên, do

khó khăn về việc mua linh kiện, nên hệ thống chưa được kiểm chứng bằng phần

cứng Yêu cầu trong LVTN lần này là sinh viên phải hoàn chỉnh hệ thống trên, cả

phần cứng lẫn phần mềm Một cách tông quát, nhiệt độ phòng được lẫy mẫu đề xác định

sự sai biệt giữa nhiệt nhiệt độ đặt của người sử dụng và độ hiện tại của phòng Sự sai biệt

này được đưa vào bộ điều khiển mờ, để điều chỉnh tốc độ của 1 quạt bàn (động cơ AC)

và điều khiển trạng thái của máy phun hơi nước (nếu c có thể)

Trung tAnPhlog pepe HreenginenbigloenGint 2) ¡ liệu học tập và nghiên cứu

i Tim hiéu và cải tiên hệ thông đã được thiết kê (ở đưới dang sơ đồ nguyên ly)

ii Phát triển phần cứng

iii Thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống

- Ngôn ngữ lập trình: Hợp ngữ cho V1 điều khiển, MATLABR

- Sản phẩm dự kiến: Một hệ thỗng điều khiển mờ áp dụng cho quạt bàn gia dụng

7 Tài liệu tham khảo

[1] Phan Xuân Minh và Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết Điều khiển mò, NXB KH&KT,

Hà Nội, 2004

[2] Nguyễn Thương Ngô, Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động Thông Thường và Hiện Đại -

Quyền 2: Hệ Xung Số, NXB KH&KT, Hà nội, 2005

[3] Các tài liệu về Vi điều khiển và cảm biến nhiệt

8 Các linh kiện hoặc thiết bị đặc biệt

1 | Quạt bàn Đôi tượng điêu khiên khiên 01

2 | Vi điêu khiên (tự chọn) | Thiết kê Bộ điều khiên mờ 01

4 | Máy phun hơi nước Đôi tượng điều khiên thứ 2 - làm mát phòng 01

Cần thơ, ngày 18 tháng 12 năm 2007

GVDH: Nguyên Chí Ngôn

Ặ Đề tài “Phát triển hệ thông điều khiển mờ nhiệt độ phòng” giup chung °

; ta tìm hiểu sâu hơn về logic mờ và kỹ thuật điều khiến mờ Nhằm tạo nên tảng dé š

; đưa điều khiến mờ vào những ứng dụng thực tế thông qua chip vi điêu khiến thông `

; dung (8051, AVR, PIC ) Trong pham v1 dé tai này, chúng tôi ứng dụng kỹ thuật 3

- điều khiến mờ trên một đối tượng cụ thể là điêu khiến công suất động cơ AC kết s

MỤC LỤC

2.1 Mục tiêu đặt ra 14 2.2 Sơ đồ khối của hệ thống và nguyên lý hoạt động cơ bản - 15

4 TÌM HIẾU SƠ LƯỢC VỀ MOC3020 21

5 TÌM HIẾU SƠ LƯỢC VẼ TRIAC 22

1 SO DO KHOI & NGUYEN LY HOAT DONG CUA HE THONG - 23

6 KHOI NHAN TIN HIEU HONG NGOAI TU REMOTE - 30

7 KHOI NGUON VA BO DIEU KHIEN CONG SUAT - 31

Trung tâm f@b lệ thØĐ$tchhằhlưy điệu Rhien Hhaithep ngyê£lý so3ánhrriêälcứu

7.2.2.2 Mạch phát xung điều khiển pha ding KDTT - 32

8 SO DO MACH IN VA LAP RAP LINH KIEN - - 33

1.1 Thiết kế hệ mờ cho bộ điều khiến nhiệt độ 37

1.1.1 Sơ đồ tông quát của hệ thống điều khiển nhiệt độ - 37

1.1.3 Tốc độ biến thiên nhiệt độ nhiệt độ 38

_9-1.1.4 Công suất điều khiển 39

2 GIAI THUAT THIET KE HE MO CHO VI DIEU KHIEN - 42

Trung tâm I2l@6, [lh độphú3âuôc Hàp;dóo xfôyfpliệti-rợc tập và nghiê49cứu

2.4 Giải mờ theo phương pháp trung bình co trong s6 - 50

3 GIAI THUAT CHO KHOI XU LY TRUNG TAM - 50

5 GIẢI THUẬT CHO KHOI NHAN TIN HIEU HONG NGOAI - 56

CHUONG V KET QUA NGHIEN CUU VA KET LUAN - 59

PHU LUC C GIOI THIEU VI DIEU KHIEN ATMEGA 16 - 100

-10-PHỤ LỤC D GIỚI THIỆU GIAO THỨC SONY SIRC 111

PHU LUC E GIOI THIEU PHAN MEM FUZZYTECH - 113 PHU LUC F GIOI THIEU PHAN MEM CODEVISION AVR - 118

PHU LUC H MOT SO THUAT NGU CHUYEN NGHANH - 138

Trung tam Hoc li¢u DH Gần Thơ @ Tai liéu hoc tap va nghién cứu

-ll-Trung

LOI MO DAU

Như chúng ta đã biết, trong những suy luận đời thường cũng như các suy luận khoa hoc, logic toán học đóng một vai trò vô cùng quan trọng

Ngày nay, xã hội càng phát triển thì nhu cầu con người ngày càng cao Do

đó, sự tiễn bộ của khoa học cũng rất cao Logic nguyên thủy hay logic rõ với hai giá trị đúng, sai hay 1, 0 đã không giải quyết được hết các bài toán phức tạp nảy sinh trong thực tế

Vi du: quan áo như thế nào được gọi là dây, là mỏng để máy giặt biết được

mà có chế độ tự động sấy khô cho hợp lý?

Hay trong thơ văn có câu:

" Trăng kia bao tuôi trăng già?

Núi kia bao tuôi gọi là núi non? "

Khái niệm trắng già hay núi non là không được định nghĩa rõ ràng Những bài toán như vậy ngày một nhiều hơn trong các lĩnh vực điều khiển tối ưu, nhận dạng hệ thống nói chung là trong các quá trình quyết định nhằm giải các bài

toán với các dữ liệu không đầy đủ, hoặc không được định nghĩa một cách rõ ràng (trong điều kiện thiếu thông tin chăng hạn)

Một cách tiếp cận mới đã mang lại nhiều kết quả thực tiễn và đang tiếp tục phát triển đó là cách tiếp cận của lý thuyết tập mờ (FUZZY SET THEORY), do

nhanh chóng được các nhà nghiên cứu công nghệ mới chấp nhận ý tưởng Một số kết quả bước đầu và hướng nghiên cứu tiếp theo góp phần tạo nên những sản

phẩm công nghiệp đang được tiêu thụ trên thị trường Lý thuyết tập mờ ngày càng phong phú và hoàn chỉnh, đã tạo nền vững chắc dé phat triển logic mờ Có thể nói logic mo (Fuzzy logic) là nén tang dé xây dựng các hệ mờ thực tiễn, ví dụ trong công nghiệp sản xuất xi măng, sản xuất điện năng, các hệ chuyên gia trong y học giúp chuẩn đoán và điều trị bệnh, các hệ chuyên gia trong xử lý tiếng nói, nhận dạng hình ảnh, Công cụ chủ chốt của logic mờ là tiền đề hóa và lập luận xấp xỉ với phép suy diễn mờ

Tuy nhiên, đi đôi với nhiều ưu điểm trên, logic mờ còn có nhiều nhược

điểm là đòi hỏi phải có một số kinh nghiệm về đối tượng và năm rõ về logic mờ Logic mờ muốn phát triển hoàn hảo cần phải kết hợp chặt chẽ với mạng Neuron Mạng Neuron được xem như một mô hình toán học đơn giản của bộ não con

người có chức năng xử lý song song, nó hoạt động dựa trên những gì mà con

người dạy cho nó, mạng Neuron có thể học cách kết hợp chức năng mới Sự kết hợp giữa logic mờ và mạng Neuron đã tạo ra hệ thống “Neuron mờ” (Neuron

fuzzy) và giải thuật đi truyền làm cho hệ thống nhận dạng khả thi hơn Sự kết hợp này đơn giản, không đòi hỏi độ chính xác cao Khả năng tự học hỏi của mang

neuron mở ra một chân trời đầy hứa hẹn cho điều khiển tự động trong tương lai

-12-CHƯƠNG I GIỚI THIÊU ĐÈ, TÀI

> Nội dung của chương:

vx Nhiệm vụ của đê tài

Y Phuong phap thực hiện

Nhu chung ta da biét, nhiét độ là một yêu tố rất quan trọng của sự sống Nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của mọi sinh vật sông trên trái đất Thời xa xưa, con người chúng ta không có khái niệm gì về nhiệt độ mặc đủ họ cảm nhận được sự tôn tại của nó

Sau đó, con người đã có khái niệm về sự tồn tại của nhiệt độ, họ có thê đo đạc và so sánh giữa các loại nhiệt độ khác nhau Tuy nhiên, họ vẫn cam chịu và tìm cách thích nghi chung sống nhiệt độ: như nếu nóng quá thì tìm nơi tránh nóng

ở dưới gốc cây, bên bờ suối chẳng hạn

Đến một lúc nào đó, con người nảy sinh ra ý định điều khiến nhiệt độ, bắt

nó phải phục vụ cho mục đích của mỉnh Ví như trong sinh hoạt hàng ngày, người

ta nhận ra răng nhiệt độ lý tưởng cho môi trường sông hàng ngày là 25°C Thé thi bằng mọi cách phải tạo ra được nhiệt độ 25°C và vì thế máy điều hòa nhiệt độ ra đời Hay trong nghành công nghiệp, điều khiễn nhiệt độ là một vấn đề rất quan trọng Trong nghành luyện kim, cần phải đạt đến một nhiệt độ nào đó đề kim loại

ung ñềngichảg,4iônúg)ền 4ồâđatiđéøn(@) nhềi điÔnàd to đằÔpiiäogi giiäôiđạc ứU

được các đặc tính cơ học như độ bề, độ dẻo, độ chống gỉ sét, Trong ngành thực phẩm, cần duy trì một nhiệt độ nào đó dé say kho thuc pham, để nấu, hay để bảo quản

Từ đó, điều khiển nhiệt độ trở thành một lĩnh vực quan trọng của điều khiến

tự động Và theo đà phát triển của các học thuyết về điều khiến tự động, kết quả của quá trình điều khiển nhiệt độ ngày càng tốt hơn Trước đây con người điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp PID đã cho kết quá rất tốt

Những năm đầu thập niên của thế kỷ XIX, một ngành điều khiển kỹ thuật mới được phát triển mạnh mẽ và đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực

điều khiên, đó là điều khiến mờ Khác hắn với kỹ thuật điều khiến kinh điển là

hoàn toàn dựa vào sự chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong nhiều ứng dụng không cần thiết hoặc không thể có được, điều khiển mờ chỉ cần xử lý những thông tin “không chính xác” hay “không đây đủ”, những thông tin mà sự chính xác của

nó chỉ nhận thấy được giữa các quan hệ giữa chúng với nhau và cũng chỉ có thê

mô tả được bằng ngôn ngữ, để có thể cho ra những quyết định chính xác Chính khả năng này đã làm cho điều khiển mờ sao chụp được những phương thức xử lý thông tin và điều khiến của con người Điều khiển mờ hay còn gọi là điều khiển

“thông minh” là những bước ứng dụng ban đầu của trí tuệ nhân tạo vào kỹ thuật

điều khiển

Cho đến nay đã có rất nhiều tài liệu nghiên cứu lý thuyết và các kết quả ứng dụng logic mờ trong điều khiến hệ thống, tuy vậy về mặt phương pháp luận và

-13-tính thống nhất cho ứng dụng thực tế vẫn còn đang thu hút nhiều tranh luận sôi nồi

và hứa hẹn phát triển mạnh mẽ Ở đây chúng tôi xin giới thiệu một hệ thống được thiết kế điều khiển nhiệt độ thông qua bộ điều khiển mờ

1.NHIỆM VỤ CỦA ĐÈ TÀI

Trước đây, để điều khiển nhiệt độ người ta dùng phương pháp điều khiến rõ

để điều khiển Ví du có thể dùng quạt bàn, máy lạnh đê giảm hoặc tăng nhiệt độ một cách thích hợp Nhưng để làm được điều đó thì cần phải thông qua các giác quan của con người và cần phải có sự tác động trực tiếp của con người Tuy nhiên, cách làm này lại không đạt được hiệu quả cao do các trị số được thiết kế để con người điều khiến là có định về công suất và tốc độ Đề khắc phục nhược điểm đó, người ta đã lợi dụng ưu điểm của logic mờ trong việc điều khiển nhiệt độ một cách chính xác

Trong thực tế người ta thường dùng một phần mềm điều khiển mờ kết hợp với máy tính đề điều khiến thiết bị Nhưng nhược điểm của phương pháp này là quá công kềnh Một phương pháp khác có thể khắc phục được nhược điểm trên là

sử dung chip vi diéu khién chuyên dụng, nhưng nó lại mang một nhược điểm khác

là qua đắt tiên Vì thế, để khắc phục được các nhược điểm trên thì việc ứng dụng logic mo trén chip vi điều khiển thông dụng là rất cần thiết Trong đề tài này

chúng tôi đã áp dụng kỹ thuật điều khiến mờ trên chip vi diéu khién thong dung dé điều khiến nhiệt độ trong phòng ở giá trị mong muôn thông qua việc điều khiến

Trung aid? động,d@SAC lót hđbÀvđi Trệtbôw#piuh/siiểng.học tập và nghiên cứu

2.PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

2.1.Mục tiêu đặt ra:

Thiết kế một kit xử lý dựa trên chip vi điều khiến cho phép:

v_ Điều khiển công suất quạt đạt giá trị từ 0% đến 100% công suất động cơ

AC bang phương pháp điều chế độ rộng xung (PWMI

w Dùng cảm biến đo nhiệt độ môi trường và so sánh với nhiệt độ đặt trước

để quyết định tăng hoặc giảm công suất động cơ AC thông qua bộ điều khiến mờ

v_ Cho phép hệ thống tự hoạt động độc lập và cập nhật tự động đữ liệu đầu vào

v_ Thiết kế chương trình xử lý mờ cho kit xử lý:

= Hai bién vao 1a ET (độ sai lệch nhiệt độ) và DET (độ biến thiên

sai lệch nhiệt độ), mỗi biến có 7 tập mờ

= Bién ra la DP tượng trưng cho sự thay đổi công suất gồm 5 tập

mờ dạng singleton trong miền từ 0% đến 100%

- 14

-2.2.Sơ đồ khối của hệ thống và nguyên lý hoạt động cơ bản:

2.2.1.Sơ đô khôi:

Khối khuếch | Bộ chuyến đổi

Khối hiển thị nhiệt

Hình 1_1- Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ

2.2.2.Nguyên lý hoạt động cơ bản:

e_ Nhiệt độ phòng được xác định từ cảm biến nhiệt độ LM35, sau đó đưa qua bộ khuếch đại Opamp đề thu được tín hiệu có biên độ lớn

hơn Tín hiệu sau khi khuếch đại được đưa vào vi điều khiển và

được số hóa nhờ vào bộ chuyển đôi AD bên trong vi diéu khién

e Nhiét độ đặt trước cũng được đưa vào lưu giữ bên trong vi điều

khiến

e_ Tín hiệu của 2 ngõ vào sau khi được chuyên đối được vi điều khiển

xử lý và xuất ra bộ hiển thị nhiệt độ, đồng thời các tín hiệu này sẽ được đưa vào bộ điều khiển mờ đề xử lý, làm cơ sở để điều khiển

mạch công suất

-15-CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYET

> Nội dung của chương:

*x Lựa chọn vi điêu khiến

v Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ LM235

Y Bo khuếch đại thuật toán Opamp

v Tìm hiểu sơ lược về MOC3020

Y Tim hiểu sơ lược về Triac

1 LUA CHON VI DIEU KHIỂN

Đề việc viết chương trình đơn giản thì yêu cầu phần cứng phải được thiết kế phù hợp Nhìn chung để thực hiện tốt một chức năng nào đó, nếu phân cứng đơn giản thì yêu cầu phần mềm phải lập trình phức tạp hơn và ngược lại Do đó người thiết kế phải cân nhắc kỹ lưỡng khi thiết kế phan cứng và phân mềm, trong đó việc chọn loại vi điều khiến ảnh hướng rất lớn đến việc viết phần mềm và kết quả đạt được của chương trình

Các yêu cầu chung cho phần cứng và phần mềm được liệt kê như sau:

s* Có kênh điều chế độ rộng xung

s* Có chuẩn giao tiếp UART, i

Trung tam [loc | HUBER Dives @ng.2 ôi liệu học tập và ngihiên cứu

s* Bộ nhớ lập trình lớn

s* Bộ định thời 8-bit, 16-bit

s* Có 3 ngắt ngoài

$* Yêu cầu tốc độ vi điều khiển càng nhanh càng tốt, vì vi điều

khiến phải thực hiện việc tính toán logic mờ và đề hệ thống có

“* Ho AVR 1a ( 12/1) MIPS = 12MIPS

“* Ho PIC la (12/4) MIPS = 3M IPS

Trong cac loai vdk trén, chung toi chon ho AVR (su dung ATmega16) , do vi điều khiển này đáp ứng được hầu hết các yêu câu đặt ra, giá thành rẻ, tốc độ cao, dung lượng bộ nhớ chương trình “Flash” lớn, bộ nhớ đữ liệu “Sram” lớn, ngoài ra còn có thêm bộ nhớ “Eeprom”, dễ dàng nap chip “on board”

Dưới đây, chúng tôi chỉ giới thiệu sơ lược một số đặc tính thông dụng và một sô chức năng có liên quan đến đề tài của vi điều khiển Atmega16, một số phân khác có thê tham khảo trong datasheet

- 16

-Trung tam

1.1 Dac tinh:

Khả năng thực thi cao, tiêu thụ năng lượng thấp

Cầu trúc RISC tiên tiến:

+ Bộ lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết thực thi trong 1 chu kì xung nhịp

+ 32 x§ thanh ghi làm việc đa dụng

+ Hoạt động tĩnh hoàn toàn

+ Tốc độ xử lí lệnh lên tới 16 MIPS ở 16 MHz nghĩa là 16 triệu lệnh trên g1ây (nói đúng hơn là 16 triệu xung clock cycle trên giây)

+ Có thể hoạt động tăng gấp đôi chu kì

Bộ nhớ chương trình linh động:

+ 16K Byte Flash lập trình được ngay trên hệ thống (10,000 lần ghi/xóa)

+ 512 Byte EEFROM (100,000 lần ghi xóa), bảo toản dữ liệu khi mắt điện

+ 1K Byte SRAM

Dac tinh ngoai vi:

2 bộ Timer/Counter 8 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt

1 bộ Timer/Counter 16 bit có thêm chế độ bắt mẫu

Bộ đếm thời gian thực với bộ tạo dao động tách biệt

4 kênh điều chế độ rộng xung PWM

Bộ biến đổi ADC 8 kênh, 10 bit

Bộ lập trình nối tiếp USART

+ Giao diện nối tiếp SPI

GS Gali M8Jðhdog lập trình được|iớt,bộ tao đán

+ Bộ so sánh tương tự

Các tính năng đặc biệt:

+ Co mach Power-On reset

+ Có bộ tạo dao động chuẩn bên trong

+ Có các nguồn ngắt ngoài và trong

+ 6 chế độ ngu: : Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down,

ciệnà táo cứu

Standby and Extended Standby

32 ngo I/O lập trình được

40 chan kiéu PDIP

Họat động ở 4.5-5.5V

Tốc độ xử lý 0-16MHz

-17-1.2 Các chân của vi điều khiến Atmegal6:

PDIP

YS

Trung tâm [Học liệu BEY GAn 7 Fer HENNE foc tap va nghién ctru

2 TIM HIEU VE CAM BIEN NHIET DO LM35

LM35 là một loại cảm biến nhiệt độ có điện áp ngõ ra phụ thuộc tuyến tính

vào nhiệt độ

Đặc tính:

- _ LM35 có vỏ ngoài giống như các transistor (hình 2.2-a)

Điện áp ngõ ra phụ thuộc nhiệt độ môi trường ngoài (hình 2.2-b):

Vo= T x 10 mV/“ˆC với T là nhiệt độ môi trường ( “C)

- _ Khi sử dụng không cần linh kiện ngoài, cũng không cần tinh chỉnh, chỉ cần

nối với một đồng hồ 1V là có thể làm máy đo nhiệt độ (hình 2.2-c)

-18-Sơ đồ chân:

Hình 2.2-Hình dạng và sơ đô chân của LM35

- Chân 1 (+Vs): cực dương nguồn điện

- Chân 2 (Vour): đâu ra

- Chân 3 (GND): nôi đât

3 BO KHUECH DAI THUAT TOAN OPAMP

Khuếch đại thuật toán OPAMP (Operational Amplifier) là bộ khuếch đại DC có hệ số khuếch đại Ay rất cao

Trung tâm lọc I@argbiđuớsÄme đụng tự@ng nhiềđịnh)vụekháe,nhau.rvớHỀng tp

rat rong, hang GHz

Hinh 2.3-So a6 khoi cau tric co ban cia Opamp

- Tang khuéch dai vi sai

- Tầng khuếch đại trung gian (có thể là đệm hoặc khuếch đại vi sai)

-Kỹ hiện:

+rựcr

Vit

ta Vi-

a Dap ứng tín hiệu ra Vạ, xác định như sau:

" Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo: Vọ = - AyoV;

= Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo: Vọ= A,yoV;

“ Đưa tín hiệu đồng thời vào 2 ngõ vào: Vạ = A„„(V‡+V;)

Ở trạng thái nh: V; =V,=0 => Vạ=0

rung tâm Học liệuHoàtd6n¡a trại đài vừàp liệt! học tậip và nghiền eứu

Các vùng hoạt động:

= Vung khuéch dai: V, = Ay (Vi +V;);-V,< AV; <+ Vs

= Vung bao hoa am: V,=-Vcc; AVi<- Vs Vẹ: ngưỡng điện áp vào, gidi han ma V, con tuyên tính, có gia tri tur vai chuc dén vai tram yw V

A +Vcc

Bão hòa dương

Lew Hệ sô khuêch

dai vong ho Ayo

-Trong thực tế, rất ít sử dụng opamp ở trạng thái vòng hở vì ngưỡng điện áp vào quá nhỏ Chỉ cần nhiễu biên độ nhỏ cũng đủ làm AV vượt ra ngoài Vạs Trong chế độ khuếch đại tuyến tính, người t dùng hồi tiếp âm Trạng thái có mạch hồi tiếp âm gọi là trạng thái vòng kín

Để đơn giản cho việc lập công thức, ta xem opamp là lý tưởng Các thông số của opamp lý tưởng:

- Hệ số khuếch đại vòng hở: A„—> œ (thực tế A„¿ > 10000)

- Tong Z; > © (BJT Z; > 1MQ; FET Z; > 109Q)

- Tong tro ra Z, = 0 (Z, <1)

- Dong phân cực ngõ vào l¡y= 0 (vài chục đến vài trim nA)

4 TÌM HIẾU SO LUQC VE MOC3020:

MOC3020 là Opto Triac thường dùng đề kích nguồn công suất và cách ly mạch công suất với mạch điều khiến

Đặc điểm:

- Điện áp lái đầu ra: 400V

- Nguồn kích là diod hông ngoại Gallium-Arsenide và nguồn nhận

để lái Triac là cặp silicon quang (đóng mở 2 chiều)

-

2]-5 TIM HIEU SO LUOC VE TRIAC:

Triac là một linh kiện điều khiến không thể kích ngắt, công dụng

quan trọng của nó là điều khiển công suất AC trên tải Trong trường hợp này Triac đóng vai trò như một công tắc điện tử

Vì Triac dẫn cả hai chiều nên chỉ có hai trạng thái dẫn và khóa Triac được kích đóng (dẫn) bằng dòng điện lo và để đưa Triac từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa phải có 2 điều kiện là: lạ = 0 và điện áp nguồn đổi chiêu

Triac có thể được kích đóng trong 4 trường hợp sau:

* Vp >0, Vg>0,Ig>0

* Vp >0, Vo <0,Ig>0

* Vp <0, Vg > 0, Ig >0

* Vp <0, Vg < 0,16 <0 Với Vẹ là nguồn xoay chiều hình sin, công suất tiêu thụ phụ thuộc vào góc mở ø (hay góc trễ) Dạng sóng của điện áp nguồn Vs, dòng điện kích đóng lọ được trình bày như dưới đây

Trung tâm Học liệu ĐH WSỀn Thị Mehmo

Với: Vụ là giá trị cực đại

Ta thấy, khi @ bién thiên từ 0 — z thì Vị, biến thiên từ Vs tới 0 Điều

này chứng tỏ công suât tiêu thụ phụ thuộc vào góc kích a

- 22 ~

CHUONG III THIET KE PHAN CUNG

Trung t

oOo

> Nội dung của chương:

Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hệ thống

Khối xử lý trung tâm

Khối hiển thị

Khối chuyên đổi AD

Khối chuyên đôi DA

Khối nhận tín hiệu hồng ngoại từ remote

Khối nguồn và bộ điều khiến công suất

Sơ đồ mạch in và lắp ráp linh kiện

1 SO DO KHOI VA NGUYEN LY HOAT DONG CUA HE THONG

1.1.Sơ đô khôi tông quát:

Khối khuếch | Bộ chuyển đổi

-23-1.2.Nguyên lý hoạt động:

Mạch điều khiển được thiết kế nhằm mục đích điều khiển công suất của động cơ AC để điều chỉnh nhiệt độ phòng theo mong muốn, có thê chia ra làm các khối như sau:

- Khối xử lý trung tâm: dùng vi điều khiến Atmegaló6

- Khối hiển thị nhiệt độ: dùng 2 khối Led 7 đoạn đề hiển thị nhiệt độ

hiện tại của phòng và nhiệt độ do người dùng đặt trước (mỗi khối Led được tích hợp 3 Led 7 đoạn)

- Khối cảm biến và gia công: dùng cảm biến nhiệt độ là LM35 đề lẫy nhiệt độ từ môi trường ngoài sau đó được khuếch đại lên trước khi được đưa vào vi điều khiến; mạch gia công gồm mạch nhận tín hiệu hồng ngoại từ remote và 1 loa nhỏ Người dùng có thê đặt nhiệt độ mong muôn qua remote hoặc qua các nút nhấn

- Khối chuyển đổi AD: dùng bộ chuyển đổi AD (gồm 8 kênh, mỗi

kênh 10 bit) được tích hợp bên trong VĐK

- Khối chuyên đổi DA: ta sử dụng bộ lọc dải thông thấp ở lối ra của tín hiệu PWM để tạo một điện áp ở ngõ ra là tín hiệu để điều khiển

mạch công suất

- Khối điều khiển công suất: có khả năng điều khiến đối tượng dùng điện áp 220V AC

- Khối nguồn: nguồn chính +5V cung cấp cho toàn mạch và nguồn

Trung tam Irọe 182(di9e†iĐàichg mẹsh/@ô1g204fêu: học tập và nghiên cứu

2 KHÓI XỬ LÝ TRUNG TÂM

Đóng vai trò là bộ điều khiến trung tâm, có khả năng điều hành và xử lý tất

cả các hoạt động của mạch điều khiển Nhiệm vụ của nguoi thiết kế là phải nạp cho VDK một giải thuật lập trình tương thích với sơ đồ phân cung

So đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm và khối hiển thị được thiết kế như sau:

- 24

Nguyên lý hoạt động:

- Chân PA0 của VĐK sẽ nhận tín hiệu tương tự (Digital) từ ngõ ra của cảm biến nhiệt độ LM35 sau khi đã qua bộ khuếch đại opamp và đưa vào

bộ chuyển đổi AD của nó đề xử lý và đưa ra giá trị nhiệt độ hiện tại Còn

nhiệt độ mong muốn được điều chỉnh qua các nút nhắn (nối vào chân PA2, PA3) hoặc điều khiển từ xa bằng remote ( nối vào chân PB2)

- Bộ dao động gôm thạch anh (12MHz) và hai tụ (22pF) được nối đến hai chân XTAL1 và XTAL2 Xung clock cho các hoạt động bên trong của VĐK Atmegal6 sẽ có tần số bằng chính tần số dao động của thạch anh

- Chân 9 (RESET ) duoc nối với mạch reset gồm mot tu C và điện trở R cho tac vu auto-reset (reset khi mới cấp nguồn) Ngoài ra còn có nút nhắn RESET cho tác vụ manual-reset (reset bằng tay khi nhân phím RESET bất

liệu nối tiếp thành song song để hiên thị các Led 7 đoạn

- Hai chân 16 (PD2) và 17 (PD3) được nối với các nut nhan làm nhiệm

vụ điều chỉnh nhiệt độ phòng Còn chân 3 (PB2) được nói với mắt nhận

Trung (âm lhằng ñiôai để hbd92dùngieortiểyfittekHiểbtừxathúậpawerempöÔn cứu

- Chân 32 (AREF) 1a chan dien thê tham chiêu cho bộ biến đối ADC

- Chân 2 (PBI) được nối một loa nhỏ

- 26

-3 KHÓI HIẾN THỊ

Ở đây chúng tôi dùng 2 khối Led 7 đoạn để hiền thị nhiệt độ hiện tại

của phòng và nhiệt độ do người dùng đặt trước trong đó mỗi khối Led được

tích hợp 3 Led 7 đoạn để có thể hiển thị được phần thập phân

Hiển thị Led có thể chọn một trong hai phương pháp là quét hoặc chốt Ở đây chọn phương pháp quét để tiết kiệm chỉ phí và thời gian gia công mạch Để truyền dữ liệu từ khối điều khiến sang khối hiến thị ta chọn phương pháp truyền đữ liệu nối tiếp Ta sử dung IC ghi dịch chuyên dụng 74HC595 dé chuyên đôi dữ liệu từ nối tiếp sang song song Ban than VDK ATmegal6 có hỗ trợ truyền dữ liệu nối tiếp SPI hoàn toàn tương thích với

IC 74HC595, nên ta dễ dàng hơn trong việc lập trình và thiết kế mạch

Đèn led 7 đoạn: đèn gồm 7 đoạn mang tên a, b, c, d, e, f,ø được sắp xếp theo hình số 8 Bên đưới mặt 7 đoạn là một số đèn led ( thường là 7)

và hệ thống phản chiếu ánh sáng lên mặt Tùy tô hợp các đoạn sáng mà ta

có các số và chữ khác nhau Có 2 loại led 7 đoạn: loại Anod chung và loại Catod chung Ở đây ta sử dụng loại Anod chung

aS

lh g f e d c ba

Sau đây là mã một số ký tự hiển thị thường dùng:

Ký tự | Mã nhị phân | Mã Hex | Ký tự | Mã nhị phân | Mã Hex

Trung tâm Học lô) GAD de HEC he EP OM ROGHAR We RAIN clu

Muốn hiển thị rõ ràng thì nên dung LED 15 doan hay LED ma tran Nhưng khi do thi viéc lap trinh va thiét ké mach sé phức tạp hơn, nên không kinh tê lam vì chức năng chính của mạch chỉ là hiên thị nhiệt độ

-28-4 KHOI CHUYEN DOI AD

Hình 3.4- Khối khuếch đại tín hiệu từ LM35

Tín hiệu ngõ ra Vout từ cảm biến LM35 sẽ được đưa vào bộ khuếch

đại Opamp và được khuếch đại lên Av = 2,5 lần sau đó đưa vào bộ biến đổi

AD bén trong VĐK

Vo= (Vi /R1) x (R1 + R2)

Trung tâm Học liệu Bt Genvi Avi @2/Ra) ziŸU(họBR2iậÐ vàisØb8ên cứu

Hệ sô khuêch đại được chọn là 2.56 nhăm mục đích phục vụ cho việc lập trình, ta có thể hiểu như sau:

* Ở nhiệt độ 100C ngõ ra của LM35: Vạ„ = T x 10 mV /ŸC = 1V

Ngõ ra này sau khi qua Opamp được khuếch đại lên 2,5 lần

Bộ biến đối AD trong VĐK có điện áp tham chiếu nội là Vạgp = 2,56

V Nếu sử dụng bộ chuyển đôi 10-bit đữ liệu thì ta có công thức:

4pc - Ÿ:1024 _ Y„.1024

V ene 2,56

* Nếu ở 25”C thì ngõ ra của LM35: Vou = T x 10 mV / °C =0,25V

Ngõ ra này sau khi qua Opamp được khuếch đại lên 2.5 lần = (0,25

-Như vậy ra rút ra kết luận nhiệt độ đo được sẽ bằng bộ ADC/10, ta thây rât thuận tiện cho việc tính toán lập trình và giảm thiêu sai sô

5 KHOI CHUYEN DOI DA

Mô tả thiết kế:

Các bộ biến đổi sỗ/tương tự (DAC) là những linh kiện có chức năng hoàn toàn ngược với bộ biến đôi ADC Các bộ biến đôi s6/tuong tự biến đổi dit liệu số thành tín hiệu điện á áp (hoặc dòng điện) analog Về mặt chức năng, bộ biến đôi DAC có z đường dẫn lối vào số và một đường dẫn lỗi ra, cung cap tin hiệu điện áp (hoặc dòng điện) đưới dạng analog Lối ra analog tỷ lệ với tổng trọng số của các lối vào số

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) cé thé

duoc str dung dé dang để tạo ra một bộ biến đôi DAC, đặc biệt khi ATmegal6 lại được trang bị bộ phận PWM ngay trên chịp

Kỹ thuật PWM cho phép tạo ra một tín hiệu số với tần số có định Độ

rộng xung của tín hiệu được thay đổi phủ hợp với yêu câu Cái hay là ở chỗ, có

khả năng thay đổi được độ rộng đến một giá trị tùy ý bất kỳ Bằng cách sử

dụng bộ lọc dải thông thấp ở lỗi ra của tín hiệu PWM, giá trị trung bình của tín hiệu được tách ra Giá trị trung bình của tín hiệu số bằng với chu kỳ có mặt (duty cycle) của tín hiệu sóng Bộ lọc RC sẽ loại bỏ hoàn toàn các thành phần tần số cao và một giá trị thuần túy một chiều được tạo ra

6 KHOI NHAN TIN HIEU HONG NGOAI TU REMOTE

Nhiệt độ phòng được set thong qua hai nit nhan UP va DOWN duoc néi vao hai ngat ngoai INTO (chan PD2) va INT1(chan PD3) Ngoai ra, để thuận tiện hơn ta có thể set nhiệt độ phòng thông qua mot remote dung dé diéu khién từ xa Một bộ nhận tín hiệu hồng ngoại sẽ được nối vào ngắt ngoai INT3 (chan PB2) cua

vi diéu khién ATmegal6, so d6 nguyén ly co ban duoc thiét ké nhu sau:

Hình 3.6- Khối nhận tín hiệu hông ngoại từ remote

7 KHOI NGUON VA BO DIEU KHIEN CONG SUAT

7.2 Bộ điều khiến công suất:

7.2.1 Lý thuyết chỉnh lưu điều khiến pha theo nguyên lý so sánh:

Nguyên lý so sánh được sử dụng rông rãi khi thiết kế băng vi mạch

tương tự (analog)

7.2.1.1 Sơ đô khối:

Hình 3.8 cho ta sơ đồ khôi đầy đủ mạch kích chỉnh lưu điều khiển

pha Khối lệch pha Ø hiệu chỉnh độ lệch pha của áp lưới sao cho mạch khám phá zero cho ra các xung ở góc pha ø =0 Tín hiệu zero này sẽ đồng

bộ các mạch phát xung theo nguyên lý làm trễ hay kích khởi mạch tạo áp

đồng bộ Như ta đã biết, mạch so sánh xác định thời điểm kích TRIAC khi

Udb bang Udk Mach đơn ôn ở ngõ ra bộ so sánh xác định bề rộng xung kích TRIAC

-31-Các mạch vừa được kế thuộc vào khối phát xung TRIAC, khác nhau

ở mỗi pha Trong sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha, mỗi pha sẽ có ít nhất một khối

phát xung kích TRIAC, các ngõ ra của chúng được đưa vào khối logic để phối hợp, đảm bảo sơ đồ nhiều pha làm việc đúng Khối khuếch đại và phép nâng mức công suất xung và nối vào cực công TRIAC, có thê phải đảm bảo các điều kiện cách ly điện giữa các TRLAC với nhau, TRL,AC va mạch điêu khiên

Xung từ các pha khác

Lưới Ạ =

diéu khién pha chỉnh lưu ghép

Trung tâm Học liệu ĐH Gần Thơ @ Tài liệu học tập và L Èn cứu

7.2.1.2 Mạch phát xung điều khiển pha dùng khuếch đại thuật toán (KĐ TT):

U5D là mạch tích phân để tạo áp đồng bộ Uđ Khi ngõ ra U5A cao, U5D tích phân xuống với thời hăng gần băng R27*C20 có trị số bé tạo cạnh xuống của

áp đồng bộ Khi ngõ ra U5A thấp, U5D tích phân lên với thời hăng bằng R32*C20

có trị số lớn cho ta cạnh lên của răng cưa, là độ dốc làm việc (dạng sóng 2) Diod D18 có anod nối ngõ vào (-) của KĐTT giữ cho giá trị Uẩb ở trong khoảng — V7

đến Uđbmax

USC là bộ so sanh dung KDTT, cho ra xung duong khi Udb > Udk (dang song 3 trén hinh 3.10) Canh 1én cua ngé ra USC là thoi diém kich TRIAC

_32-U5B là bộ so sánh của mạch đơn ôn không tự giữ, xác định bề rộng xung kích TRIAC, thường lấy bằng 1mili giây cho các sơ đồ chỉnh lưu Bề rộng này

thay đôi tùy theo thời hằng C21*R26 của

mạch vi phân Diod D19 không cho ngõ vào

— US5B có giá trị âm, bảo vệ ngõ vào KĐ TT và

| +“: xả nhanh tụ C26, giữ không đổi bề rộng

rẽ xung trong suốt khoảng thay đôi của ø

Sơ đồ hình 3.9 cho ra xung kích TRIAC ở hai bán kỳ (dạng sóng 4), có thông số chỉ phụ thuộc hai tụ điện (C20, C21) và hai điện

trở (R32,R26); dùng áp một chiều để điều

| khiển góc ø cho thấy khả năng chế tạo vi

¡ mạch điêu khiên pha

Hình 3.10- Các dạng sóng ra của mạch công suất

7.3.Thiết kế bộ điều khiến công suất:

Bộ điêu khiên công suât được thiệt kê như sau:

MOC3020 được lẫy để kích TRIAC tạo điện thế không liên tục để điều khiến tốc

độ của động cơ AC

8 SO DO MACH IN VA LAP RAP LINH KIEN

Sơ dé mach in va lap ráp linh kiện được thiết kế thành 3 module tách rời nhau, các module này được liên kết với nhau bởi các Header

- Module 1: khối điều khiển và phần đầu của khối công suất (mạch phát

xung điều khiến pha)

- 33

Module 2: khối hiển thị

- Module 3: khôi nguôn và phân cuôi khôi công suât (mạch kích Triac)

: LM324 : Header nối với LM35

: Header Connect_ dis (nối với khối hiển thị)

4: Mắt nhận tín hiệu hồng ngoại 5: IC ghi dich 75HC595

: Header nguồn : Header OP : IC MOC3020 : Cau chi (Pulse) : Triac

: IC ôn áp 7912

- 36

-CHUONGIV THIET KE PHAN MEM

> Nội dung của chương:

Thiết kế hệ mờ

Giải thuật thiết kế hệ mờ cho vi điều khiến

Giải thuật cho khối điều khiến trung tâm

Giải thuật cho khối hiển thị

Giải thuật cho khối nhận tín hiệu hồng ngoai

Code lập trình (tham khảo phụ lục A)

1.1.Thiét ké hé mờ cho bộ điêu khiên nhiệt độ

1.1.1.Sơ đồ tong quat cua hé thong diéu khiến nhiệt độ:

Một hệ thống muốn chính xác cần phải thực hiện hồi tiếp tín hiệu về

so sánh với tín hiệu đặt rồi gửi tới bộ điều khiến hiệu chỉnh đầu ra Hệ

thống điều khiến hồi tiếp có nhiều ưu điểm hơn hắn hệ thống điều khiến

vòng hở nên thường được dùng trong các hệ thống tự động Có nhiều

phương pháp điều khiển khác nhau như điều khiển on-off, điều chế độ

rộng xung, hiệu chỉnh PID Nhưng nguyên tắc điều khiến là giống nhau

Trung tâm Học ¡Mại ñệMó@ânènjh&r(@hiệràb liệa traosiệen tiềh@ i6iê hàbỨứuU

tiêp có dạng tông quát như hình bên dưới:

ET | Bộđiềukhiển |p | Bộđiềukhiển |Dp| Đối tượng s

v ” mo 7| cong suat ”| diéu khién a

Hình 4.1- Sơ đô khối của hệ thông điều khiển nhiệt độ

Trong sơ đồ trên, nhiệt độ phòng được cảm biến đưa vào mạch

khuếch đại, rồi đưa tới ngõ vào của vi điều khiến, sau đó vi điều khiến

sử dụng bộ chuyến đôi AD bên trong xử lý và xuất ra bộ hiển thị nhiệt

độ, đông thời dùng dữ liệu này để đưa ra quyết định điều khiến đối

tượng

-37-Một bộ điều khiển mờ có thê được thiết kế như sau:

ET = nhiệt độ đặt (T;e;) — nhiệt độ đo (Tp) [°C]

Ví dụ nhiệt độ phòng hiện tại là T; = = 32°C và mong muốn của chúng

ta là điều chỉnh nhiệt độ phòng xuống khoảng 27°C Sau một thời gian đáp ứng của hệ thống, nhiệt độ phòng có thé thay đổi với biên độ lớn nhất khi Ty = Tse hay ET = Tet - Ty = ŒC, hoặc trong trường hợp xấu nhất nhiệt độ phòng vẫn không thay d6i thi ET = T, - Tp = = -5°C

Vi mục tiêu đặt ra cho hệ thống là chỉ làm lạnh nhiệt độ và chỉ với thiết bị là quạt gió kết hợp với máy phun sương nên hệ thông có thể điều chỉnh nhiệt độ ee xuông khoảng 5°C có thể xem như là giá trị thỏa

Trung tâm IHo3l)@ao#e ruôrisd C02 đôi trea lRA edmienigio ty Ade dinha@are eu

khoang [- 8°C, 0°C]

Trong miễn xác định đó, ta định nghĩa Š tập mờ:

ET = {không lệch, lệch ít, lệch vừa, lệch nhiều, lệch rất nhiều}

Hay ET = {KL, LI, LV, LN, LR}

5, `

LR LN LV LI KL

8 6 4 -2 0 °C]

Hinh 4.3- Biéu dién tap mo cua bién ET

1.1.3.Tốc độ biến thiên nhiệt độ:

Là giá trị biên thiên của nhiệt độ hiện tại so với nhiệt độ trước đó trong thời gian lầy mâu, ký hiệu là DET

DET = (nhiệt độ hiện tại — nhiệt độ trước)/thời gian lấy mẫu [”C/s]

Đối tượng điều khiến là một động cơ AC có độ quán tính tương đối lớn, trong khoảng thời gian lây mẫu là 1 giây nhiệt độ phòng chỉ thay

-38-đổi tối đa khoảng 1C nên ta định nghĩa DET với miền giá trị xác định

là [-1, +1]

Ta định nghĩa cho biến DET có 5 tập mờ với tên gọi như sau:

DET = {âm nhiều, âm vừa, bằng không, dương vừa, đương nhiều} Hay DET = {NB, NM, ZE, PM, PB)

Hình 4.4- Biểu diễn tập mờ của biến DET

1.1.4.Công suất điều khiến:

Chỉ có một biến ngôn ngữ cho đầu ra là công suất (của động cơ AC),

năm trong khoảng [0%, 100%], ký hiệu là DP

Trên biến DP ta định nghĩa 5 tập mờ dạng singleton:

DP = {không quay, quay chậm, quay vừa, quay nhanh, quay rất

Trung tam Hot thy 5a Gash RGR! Ge iiou học tap va nghien curu

SR MR FR VR

ZR

>

0 25 50 75 100 % Hình 4.5 - Biểu diễn tập mờ của bién DP Biến công suất ngõ ra DP nằm trong khoảng [0%, 100%] sẽ tỷ lệ với

điện thế điều khiển bộ công suất là [0V, 5V] Nghĩa là động cơ AC đạt

100% công suất khi điện thế điều khiển được cung cấp là 5V và công

suất động cơ AC bằng 0% (động cơ ngừng quay) khi điện thê điều khiến

bang 0

-39-1.2.Thiết kế hệ luật:

Hệ luật có thể coi là trái tim của bộ điều khiển mờ, nó có dạng là tập các

mệnh đề hợp thành có cùng cấu trúc If Then Đề thiết kế được hệ luật một cách tối ưu thì đòi hỏi rất nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế

Trong đề tài này, khi thiết kế hệ luật, chúng tôi cũng đã nghiên cứu thảo luận, chỉnh sửa rất nhiều Qua đó rút kết kinh nghiệm đề có thể thiết kế được

một hệ luật tối ưu nhất (¡heo nhận định của chúng tôi)

Hệ luật gồm 5x5 = 25 luật sơ khởi ban đầu dựa trên nhận định về đối tượng

Vidu: If ET=LV And DET=ZE Then DP=FR `

Có một khái niệm người ta thường nhắc đên khi nói vê hệ luật Đó chính là mặt điều khiến, thể hiện om độ kh gian sự kết hợp của các tập mờ vào dé tao

Trung taf In lề) tp Táo mát eee Al Biệt net êp/4b MBHbóúu

UY trờn tủ

J1 3D Plat - 1 Bot pepe oeH oh ¥ @SvD #2