Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hệ thống khả trình trên chip (PSoC) điều khiển tự động nhiệt độ, độ ẩm trong chế biến bảo quản các loại rau quả, thực phẩm

Phục vụ nghiên cứu triển khai và quản lý chất lượng, ñáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm rau quả, thực phẩm và nông sản hướng tới xuất khẩu quy mô công nghiệp, ñòi hỏi p

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-
-

NGUYỄN THANH NINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP (PSoC) ðIỀU KHIỂN

TỰ ðỘNG NHIỆT ðỘ, ðỘ ẨM TRONG CHẾ BIẾN BẢO QUẢN CÁC LOẠI RAU QUẢ, THỰC PHẨM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-
-

NGUYỄN THANH NINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP (PSoC) ðIỀU KHIỂN

TỰ ðỘNG NHIỆT ðỘ, ðỘ ẨM TRONG CHẾ BIẾN BẢO QUẢN CÁC LOẠI RAU QUẢ, THỰC PHẨM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2013

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan, Luận văn này ñã ñược thực hiện và hoàn thành trongquá trình khóa học tập, nghiên cứu của tôi tại Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội và công tác tại Phòng thí nghiệm Cơ ñiện VILAS019dưới sự hướng dẫn khoa học

của PGS TS Trần mạnh Hùng- Trưởng Phòng Thí nghiệm Cơ ñiện VILAS019

thuộc Viện Cơ ñiện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch

Tôi xin cam ñoan: Luận văn này ñã ñược thực hiện trong thời gian từ 2012 ñến

2013 là ñúng sự thực, không sao chép, công trình chưa ñược công bố

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Nguyễn Thanh Ninh

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến PGS TS Trần Mạnh Hùng về

sự hướng dẫn tận tình, truyền ñạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm chuyên ngành quý báu giúp tôi hoàn thành Luận văn Tôi ñồng thời xin cảm ơn sự chỉ bảo ân cần, ñóng góp ý kiến nhiệt tình của các Thầy Cô giáo Bộ môn Tự ñộng hóa, Khoa Cơ ñiện trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và thực hiện, hoàn thiện Luận văn cao học này

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộphòng thí nghiệm Cơ ñiện VILAS019 - Viện Cơ ðiện và Công Nghệ Sau Thu Hoạch, ñã giúp ñỡ tạo ñiều kiện thuận lợi

ñể tôi có thểsử dụng trang thiết bị thí nghiệm trong quá trình thực hiện luận văn thuộc lĩnh vực khá mới mẻ và phức tạp ñược giao

Do trình ñộ, các yếu tố khách quan và thời gian có hạn, Bản luận văn không tránh khỏi có những thiếu sót và khiếm khuyết Tôi rất mong nhận ñược nhiều ý kiến ñóng góp của các thầy cô giáo và các bạn ñồng nghiệp ñể có thể hoàn thiện

và nâng cao hơn nữa chất lượng của Luận văn và hướng nghiên cứu sau này

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Học viên

Nguyễn Thanh Ninh

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xii

PHẦN MỞ ðẦU 43

1 Tính cấp thiết của luận văn 43

2 Mục tiêu nghiên cứu 44

3 Nhiệm vụ và Nội dung nghiên cứu 44

Chương I - TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP (PSoC) ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG CÁC THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH BẢO QUẢN 46

1.1 Khái quát chung 46

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước 46

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ PSoC 46

1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước 54

1.4 Kết luận 59

Chương II - PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 61

2.1 Phương pháp nghiên cứu và tiếp cận 61

2.1.1 Xác ựịnh ựối tượng cần thử nghiệm và trang thiết bị hiện có, thông số kỹ

thuật phần cứng tắch hợp và tắch hợp hệ thống ựo lường 61

2.1.2 đo lường thử nghiệm/hiệu chuẩn các trang thiết bị ựo lường có liên quan 63

2.1.3 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hệ thống khả trình trên Chip (PSoC) tắch hợp hệ thống ựo lường ựiều khiển tự ựộng nhiệt ựộ, ựộ ẩm, các thành phần khắ O2; CO2 trong chế biến bảo quản các loại rau quả, thực phẩm 63

2.2 đánh giá chất lượng 64

2.3 Phương tiện nghiên cứu 64

Chương III - CƠ SỞ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHẦN CỨNG, PHẦN MỀM XÂY DỰNG HỆ THỐNG đO LƯỜNG/đIỀU KHIỂN TRÊN PSoC 67

3.1 Hệ thống lập trình trên chip PSoC (Programable System on Chip) 67

3.2 Phần mềm PSoC designer và ứng dụng 71

3.3 Phần mềm nạp chương trình cho chip PSoC Progammer 12.2.3 73

3.4 Phần mềm thiết kế mạch cứng Altium designer 6.9 73

3.5 Phần mềm lập trình giao diện Visual Basic 6.0 75

CHƯƠNG IV - THIẾT KẾ TÍCH HỢP CẤU TRÚC HỆ THỐNG đO LƯỜNG/ đIỀU KHIỂN TRÊN PSOC 76

4.1 Cấu trúc và ựặc tắnh kỹ thuật chắnh của thiết bị 76

4.1.1 đặc tắnh kỹ thuật chắnh 76

4.1.2 Cấu trúc của hệ thống thiết bị 77

4.2 Thiết kế hệẮ thống thiết bị ựo lường giám sát/ựiều khiển ựa kênh 78

4.2.1 Khái quát chung 78

4.2.2 Lựa chọn cấu hình hệ thống thiết bị ựo ựiều khiển ựa kênh PSoC 79

4.2.2.1 Khối ñiều khiển trung tâm 79

4.2.2.2 Khối hiển thị LCD 80

4.2.2.3 Khối khuếch ñại 47

4.2.2.4 Mạch truyền thông nối tiếp UART của hệ thống ño ña kênh 81

4.2.2.5 Mạch ñếm/thanh ghi 8 bit 81

4.2.2.6 Khối cửa vào nối với các ñầu ño/cảm biến 83

4.2.2.7 Khối cửa ra analog 83

4.2.2.8 Khối chuyển ñổi cửa ra ñiện áp-dòng ñiện 84

4.2.2.9 Mạch in và mạch giao diện 84

4.2.2.10 Sơ ñồ mạch in và hướng dẫn ñấu nối bo mạch thiết bị với các thiết bị ngoai vi 90

4.3 Thiế…t kế giao diện và hiể†n thị dữ liệu ño và ñiề‡u khiể†n trên PC 92

4.4 Kết quả thử nghiệm hệ thống thiết bị ño và ñiều khiển 92

4.4.1 Hệ thống thiết bị ño và ñiều khiển sau lắp ráp 92

4.4.2 ðo lường thử nghiệm/Hiệu chuẩn hệ thống thiết bị ño lường/ñiều khiển 92 4.4.2.1 Các thiết bị sử dụng trong quá trình ðo lường thử nghiệm/Hiệu chuẩn 93 4.4.2.2 Kết quả thực hiện 94

4.5 Khả năng ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận văn vào thực tiễn 100

KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

PHỤ LỤC 1:Minh họa chương trình ñiều khiển ño thu gom dữ liệu trên hệ thống chip PSoC 105

PHỤ LỤC 2:Chứng chỉ hiệu chuẩn Hệ thống PSoC của luận văn 94

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 - Sơ ñồ khối của Sypress PSoC ñiển hình 49

Hình 1.2 - Hệ thống thiết bị CA, quy mô phòng thí nghiệm và Pilot 50

Hình 1.3 - Hệ thống ñiều khiển và giám sát trung tâm 51

Hình 1.4 - Hệ thống ñường ống và cơ cấu chấp hành ñiều khiển khí 51

Hình 1.5 - Mô hình thiết bị thí nghiệm CA ñiều chỉnh khí gián ñoạn thủ công 56 Hình 1.6 – Mô hình thiết bị thí nghiệm CA ña chức năng sử dụng sensor ño nồng ñộ khí 56

Hình 1.7 - Sơ ñồ nguyên lý của thiết bị thí nghiệm CA ña chức năng 59

Hình 2.1 – Sơ ñồ khối của ñầu ño O2 62

Hình 2.2 - Cảm biến nhiệt ẩm SHT7x 62

Hình 2.3 - ðầu ño khí CO2 IR-700-CO2 và khí O2 DM-700-O2 của Detcon/USA 62 Hình 2.4 - Một số loại dụng cụ ño và sensor dạng số hóa với tín hiệu cửa ra: (4÷20)mA: 63

Hình 2.5 - Bộ Kit phát triển CY8C Kit 001A 65

Hình 2.6 - Minh họa kết nối bộ nạp MiniProgr3 với Kit phát triển CY8C Kit 001A66 Hình 3.1 - Sơ ñồ cấu trúc chung của PSoC 68

Hình 3.2 - Các chíp PSoC với số chân khác nhau 69

Hình 3.3 - Các khối chức năng tương tự 69

Hình 3.4 - Các khối chức năng số 70

Hình 3.5 - Giao diện phần mềm PSoC designer 71

Hình 3.6 - Giao diện chương trình PSoC designer 71

Hình 3.7 - Giao diện tạo một chương trình mới 71

Hình 3.8 - Giao diện lựa chọn chíp cho bài toán lập trình 72

Hình 3.9 - Các khối giao ñiện lập trình với PSoC Designer 5.0 pack 6 72

Hình 3.10 - Giao diện thiết lập các thuộc tính cho mỗi modun chức năng 72

Hình 3.11 - Giao diện thiết lập cổng và modun chức năng 72

Hình 3.12 - Giao diện dịch và build chương trình 73

Hình 3.13 - Giao diện chương trình PSoC Progammer 12.2.3 73

Hình 3.14 - Giao diện chương trình Altium designer 6.9 73

Hình 3.15 - Giao diện thiết kế mạch nguyên lý 74

Hình 3.16 - Giao diện thiết kế mạch in 74

Hình 3.17 - Giao diện tạo thư viện chân linh kiện schematic và PCB 74

Hình 3.18 - Giao diện phần mềm lập trình giao diện Visual Basic 6.0 75

Hình 4.1 - Sơ ñồ khối của thiết bị ño và ñiều khiển ña kênh 79

Hình 4.2 - Khối ñiều khiển trung tâm PSoC CY8C29566 79

Hình 4.3 - Sơ ñồ khối IC LCD bên ngoài HD44/780A của hãng Hitachi 80

Hình 4.4 - Sơ ñồ khối bộ khuếch ñại khả trình PGA (Programable Gate Array)80 Hình 4.5 - Sơ ñồ nguyên lý bộ truyền thông (UART) 81

Hình 4.6 - Mạch chuyển ñổi UART-USB 81

Hình 4.7 - Sơ ñồ khối của vi xử lý trung tâm PSoC CY8C29566 82

Hình 4.8 - Sơ ñồ sensor ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm SHT75 83

Hình 4.9 - Sơ ñồ của mạch thu thập 6 tín hiệu analog 83

Hình 4.10 - Sơ ñồ của mạch 8 tín hiệu ra analog 84

Hình 4.11 - Sơ ñồ mạch ñiện 2 cửa ra dạng dòng ñiện thống nhất hóa 84

Hình 4.12 - Bố trí các linh kiện, cửa vào/ra trên bo mach in của hệ thống 85

Hình 4.13 - Minh họa vị trí các Jumps vào ra trên bo mạch thiết bị 89

Hình 4.14 - Sơ ñồ nối tải với thiết bị ño ña kênh 8 cửa ra 90

Hình 4.15 - Sơ ñồ nối sensor với thiết bị ño ña kênh qua 6 cửa vào analog 90

Hình 4.16 - Sơ ñồ minh họa mặt trên mạch in của thiết bị 91

Hình 4.17 - Sơ ñồ minh họa mặt dưới mạch in của thiết bị 91

Hình 4.18 - Giao diện và hiển thị dữ liệu ño/ñiều khiển trên PC 92

Hình 4.19 - Bố trí bo mạch thiết bị ño trong hộp bảo vệ 92

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 - ðiều kiện tối ưu bảo quản CA cho giống táo Golden Delicious ñược

trồng ở những nước khác nhau trên thế giới 51

Bảng 1.2 - ðiều kiện tối ưu bảo quản CA của một vài giống táo và lê ở Anh 52

Bảng 1.3 - ðiều kiện tối ưu bảo quản CA cho các loại rau quả ở Châu Âu 53

Bảng 1.4 - ðiều kiện và kết quả bảo quản CA ñối với mận, vải thiều và cam 55

Bảng 2.1 - Trang thiết bị sử dụng trong nghiên cứu triển khai 64

Bảng 4.1 - Thông số kỹ thuật chính của hệ thống thiết bị ño ñiều khiển ña kênh 78

Bảng 4.2 - Ký hiệu và chỉ dẫn các ổ nối vào ra (Jumps) trên bo mạc h Từ 86

Bảng 4.3 - Bảng mô tả chi tiết 86

Bảng 4.4 - Các trang thiết bị dùng trong quá trình thử nghiệm 94

Bảng 4.5 - Kết quả ño nhiệt ñộ trên kênh 1 95

Bảng 4.6 - Kết quả ño nhiệt ñộ trên kênh 2 95

Bảng 4.7 - Kết quả ño nhiệt ñộ trên kênh 3 96

Bảng 4.8 - Kết quả ño nhiệt ñộ trên kênh 4 96

Bảng 4.9 - Kết quả ño ñộ ẩm trên kênh 1 97

Bảng 4.10 - Kết quả ño ñộ ẩm trên kênh 2 97

Bảng 4.11 - Kết quả ño ñộ ẩm trên kênh 3 97

Bảng 4.12 - Kết quả ño ñộ ẩm trên kênh 4 98

Bảng 4.14 - Kết quả ño ñiện áp 1 chiều trên khối cửa vào (V-CH1) 99

Bảng 4.15 - Kết quả ño tần số trên khối cửa vào (FHz-CH8) 99

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

A/D Analog/Digital Khâu chuyển ñổi tương tự - số API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển ñổi tương tự - số

CA Controlled Atmosphere ðiều chỉnh/kiểm soát khí

C2H4 Ethylene Khí Etilen

CO2 Cacbon Dioxide Khí cacbonic

CPU Central Processing Unit Bộ vi xử lý trung tâm

DAC Digital Analog Converter Bộ chuyển ñổi số - tương tự EEPROM

Electrically Erasable

Programmable Read-Only

Memory

Chíp nhớ chức năng ñọc có thể lập trình lại

D/A Digital/Analog Khâu chuyển ñổi số - tương tự

HD Hard Drive Ổ cứng

I2C Inter – Itergrated Circuit Chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây INSAMP Instrumentation Amplifier Bộ khuyếch ñại vi sai

ISSP In System Serial Programming Chuẩn nối tiếp

IrDA Infrared Data Association Giao tiếp dữ liệu hồng ngoại LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng

LED Light Emitting Diode ði ốt phát quang

N2 Nitrogen Khí nitơ

O2 Oxygen Khí oxy

PPL Phase_Locked Loop Vòng ñiều khiển pha khép kín PSoC Programmable System on Chip Hệ thống khả trình trên chip PWM Pulse Width Modulation Phương pháp ñiều chế ñộ rộng

xung RAM Random Access Memory Bộ nhớ ñệm

SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh SPI Society of the Plastics Industry Truyền thông nối tiếp ñồng bộ UART Universal Asynchronous

PHẦN MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của luận văn

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt ñới, gió mùa có ñiều kiện thổ nhưỡng thuận lợi gieo trồng canh tácnhiều loại rau, hoa quả có giá trị kinh tế cao Theo chương trình quốc gia về sản xuất và xuất khẩu rau, hoa quả tươi - 2012 cả nước có trên

680 nghìn ha trồng cây ăn quả sản lượng ñạt trên 6,5 triệu tấn, với trên 765 nghìn ha trồng rau và hoa các loại sản lượng 9640,3 ngàn tấn Tổn thất sau thu hoạch ñối với sản phẩm rau, hoa, quả ở Việt Nam còn khá lớn, do vậy lựa chọn công nghệ bảo quản, ứng dụng ño lường, ñiều khiển tối ưu quá trình bảo quản phù hợp với mỗi loại sản phẩm vẫn là việc làm cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hiện nay, các hệ thống thiết bị gia công chế biến và bảo quản rau quả, lương thực thực phẩm trong sản xuất có nguồn gốc rất khác nhau, ñược nhập ngoại ñồng bộ từ nước ngoài và chế tạo trong nước có hệ thống ño lường ñiều khiển giám sát nhiệt ñộ ñộ ẩm ñồng bộ ñược chế tạo chủ yếu ñược nhập từ nước ngoài, giá cả khác nhau tùy theo chất lượng và thương hiệu… hoặc không ñược trang

bị các thiết bị ñiều khiển tự ñộng (khá phổ biến là các thiết bị chỉ báo và ñiều khiển bằng tay) Các thiết bị này chủ yếu ñược thiết kế chế tạo cho mục ñích sử chuyên dụng (các tham số, cấu hình v.v ñược ñịnh sẵn và lắp ñặt trong hệ thống

ño lường thử nghiệm không thể thay ñổi hay cải tiến khi cần nâng cấp sửa chữa, thay ñổi các thông số công nghệ… Làm chủ ñược công nghệ thiết kế, với trang thiết bị linh kiện nhập ngoại của các Hãng nổi tiếng thế giới mà vẫn tạo ñược sản phẩm có tính ñặc thù của Việt Nam

Phục vụ nghiên cứu triển khai và quản lý chất lượng, ñáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm rau quả, thực phẩm và nông sản hướng tới xuất khẩu quy mô công nghiệp, ñòi hỏi phải tìm kiếm các giải pháp, trong ñó phát

triển ứng dụng công nghệ PSoC(Programmable System on Chip) có cấu hình

linh hoạt của các hãng hàng ñầu, tiếp thu các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến, tích hợp hệ thống thiết bị ño lường ñiều khiển quá trình bảo quản chế biến

rau quả, nông sản là hướng ñi ñúng, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng các trang thiết bị hiện có và tăng cường năng lực nghiên cứu triển khai trong nước là việc làm bức thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn hiện tại trước mắt và trong tương lai

Nghiên cứu lựa chọn giải pháp phần mềm, phần cứng (modul mở rộng) xây dựng cấu trúchệ thống ño lường ñiều khiển ñiển hình các thông số nhiệt ñộ, ñộ

ẩm, các khí thành phần (O2, CO2…) trong bảo quản theo hướng ñối tượng dựa trên nền công nghệ PSoC Xây dựng hệ thống ñiều khiển thành phần không khí

CA (Controlled Atmosphere) v.v tạo tiền ñề ứng dụng trong hệ thống ñiều khiển

tự ñộng mô hình bảo quản rau quả, thực phẩm nông sản vào sản xuất

ðể ñáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm rau quả, thực phẩm

và nông sản, ñòi hỏi phải tìm kiếm các giải pháp, trong ñó “Nghiên cứu ứng

dụng công nghệ hệ thống khả trình trên chip (PSoC) ñiều khiển tự ñộng nhiệt

ñộ, ñộ ẩm v.v trong chế biến bảo quản các loại rau quả, thực phẩm”là hướng

ñi ñúng, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng các trang thiết bị và tăng cường năng lực nghiên cứu triển khai trong nước là việc làm bức thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn hiện nay

2 Mục tiêu nghiên cứu

Có ñược giải pháp kỹ thuật công nghệ, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống ño

ñộ ẩm, nhiệt ñộ, thành phần không khí trong môi trường bảo quản theo hướng

CA, sử dụng công nghệ PSoC, ñáp ứng phù hợp các nhu cầu ño lường ñiều

khiển tự ñộng ứng dụng trong các hệ thống thiết bị bảo quản chế biến nông sản

3 Nhiệm vụ và Nội dung nghiên cứu

ðể ñạt ñược mục tiêu của luận văn, cần thiết phải thực hiện tiếp các nội dung sau:

1- Mở rộng tổng quan tình hình nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ PSoC trong lĩnh vực ño lường ñiều khiển, lập trình nhúng các thuật toán ứng dụng, tích hợp mạch ño lường ñiều khiển có cấu trúc linh hoạt trong và ngoài nước, hình thành mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn theo hướng CA trong các dây chuyền sản xuất bảo quản chế biến nông sản thực phẩm;

2- Nghiên cứu lựa chọn giải pháp phần mềm, phần cứng (modul mở rộng) xây dựng cấu trúc hệ thống ño lường ñiều khiển ñiển hình dựa trên các trang thiết bị

và ñiều kiện hiện có, phù hợp với ñối tượng nghiên cứu ứng dụng trong bảo quản “ñiều khiển thành phần không khí (CA)” v.v.;

3- Lựa chọn (nếu có thể: mua sắm một số) các phần tử chính: vi mạch (PSoC và các linh phụ kiện, phần tử ngoại vi…), cảm biến/ñầu ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm, thành phần không khí trong bảo quản chế biến v.v Thiết kế chế tạo, lắp ráp mạch ño lường nhiệt ñộ/ñộ ẩm, các thông số liên quan (thành phần không khí, lưu lượng gió v.v.), hiệu chuẩn thiết bị ño phục vụñề tài luận văn;

4- Lập trình và tích hợp mô hình hệ thống (công nghệ PSoC) ño lường ñiều khiển các thông số nhiệt ñộ, ñộ ẩm, thành phần khí O2, CO2, N2 … và các thông số liên quan Phát triển ứng dụng trong hệ thống ñiều khiển tự ñộng môi trường bảo quản sản xuất, trong dây chuyền chế biến bảo quản rau quả, thực phẩm nông sản;

5- Thử nghiệm mô hình hệ thống (PSoC) ño lường ñiều khiển các thông số nhiệt

ñộ ñộ ẩm, thành phần không khí trong ñiều kiện phòng thí nghiệm;

6- Xử lý kết quả, viết Báo cáo khoa học và nghiệm thu luận văn

Chương I - TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP

(PSoC) ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG CÁC THÔNG SỐ

QUÁ TRÌNHBẢO QUẢN

1.1 Khái quát chung

Trong sản xuất gia công chế biến và bảo quản các sản phẩm nông nghiệp, ñòi hỏi phải kiểm soát các thông số nhiệt ñộ, ñộ ẩm v.v và thành phần không khí bảo quản của quá trình/hệ thống trong giới hạn và ñộ chính xác xác ñịnh… Trong các quá trình bảo quản, chế biến và sấy các loại hạt giống, sản phẩm rau quả, gia vị thực phẩm v.v nói chung chỉ có thể kéo dài thời gian và duy trì chất lượng bảo quản khi kiểm soát ñược các yêu cầu về ñộ ẩm và nhiệt ñộ và nồng ñộ các thành phần khítrong phạm vi thích hợp Tương tự, môi trường trong các phòng thí nghiệm ñặc thù, các khu nhà trồng hoa, cây cảnh hay sản xuất rau sạch… cùng với các yếu tố khác như bón phân, ñiều tiết ánh sáng, không khí v.v nhiệt ñộ và ñộ ẩm cũng cần phải ñược giám sát, ñể ñiều chỉnh tạo môi trường phù hợp với từng loại ñối tượng cây trồng trong quá trình sản xuất

Do các hệ thống thiết bị gia công chế biến và bảo quản rau quả, lương thực thực phẩm trong sản xuất có nguồn gốc rất khác nhau, ñược nhập ngoại ñồng bộ từ nước ngoài và chế tạo trong nước ñược trang bị các hệ thống ño lường ñiều khiển giám sát các thông số quá trình như: nhiệt ñộ, ñộ ẩm v.v chế tạo trong nước hoặc nhập ngọai, giá cả khác nhau theo chất lượng và thương hiệu, hoặc không ñược trang bị các thiết bị ñiều khiển tự ñộng (chỉ có các thiết bị chỉ báo

và ñiều khiển bằng tay) Các tham số, cấu hình v.v thường ñược ñịnh sẵn và lắp ñặt trong hệ thống ño lường thử nghiệm không thể hoặc khó thay ñổi cải tiến khi cần nâng cấp sửa chữa, chỉnh sửa các thông số công nghệ…

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ PSoC

Từ những năn 1980, hệ thống lập trình trên Chip (PSoC) ñã ñược quan tâm nghiên cứu phát triển và và ngày càng ñược ứng dụng rộng rãi trên thế giới như các bộ ñiều khiển logic khả trình linh hoạt (có thể cấu trúc lại theo người thiết

kế) Các ứng dụng ña dạng ngày càng nhiều, là công cụ mạnh trong nghiên cứu triển khai, ñiều khiển giám sát các hệ thống thiết bị dây chuyền bảo quản chế biến trong thực tiễn [ HYPERLINK \l "WBo09" 1 , HYPERLINK \l "ARo05" 2 ]

Ở các nước tiên tiến, việc sử dụng PSoC ñã ñược các hãng có tên tuổi sử dụng khá hiệu quả, các ứng dụng ña dạng ngày càng nhiều và là công cụ mạnh trong nghiên cứu triển khai và ño lường ñiều khiển, giám sát các hệ thống thiết bị dây chuyền sản xuất, bảo quản chế biến

Từ những năm 1982, hãng “Cypress Semiconductor” là một trong các công ty ñi ñầu trong lĩnh vực công nghệ ñiện tử, bán dẫn Từ những năm 1986, “Cypress Semiconductor” ñã thương mại hóa các sản phẩm như các các họ “Cypress PSoCTM” có tính năng kỹ thuật ngày càng ñược hoàn thiện, cho phép thực hiện các bài toán ño lường ñiều khiển và giám sát các thông số khác nhau khi PSoC ñược tích hợp các mạch cảm biến ño lường tương thích (nhiệt ñộ, ñộ ẩm, nồng

ñộ khí CO2, O2…) và các thiết bị thừa hành thích hợp theo các yêu cầu ñặc thù Sản phẩm và công nghệ PSoC của hãng “Cypress” ñã ñược ứng dụng vào rất nhiều các lĩnh vực âm thanh, hàng không vũ trụ và quốc phòng, ô tô, ñiện dân dụng, tự ñộng hóa, trong các ngành công nghiệp, trang thiết bị, ánh sáng, y tế và công nghệ thông tin… Hiện hãng ñang sở hữu trên 750 phát minh về các lĩnh vực liên quan và các nhà máy sản xuất thiết kế các sản phẩm của hãng có mặt ở nhiều nước trên thế giới[ HYPERLINK \l "ARo05" 2]

PSoC giới thiệu một khái niệm mới mẻ cho các ứng dụng vi ñiều khiển So với các vi ñiều khiển 8- bít tiêu chuẩn, các chip PSoC có thêm các khối tương tự và

số lập trình có khả năng lập trình ñược, cho phép việc thiết lập một số lượng lớn các ngoại vi ñể mở rộng tính năng và nâng cao chất lượng hệ thống CITATION ARo05 \l 1033 \m Cyp08 [ HYPERLINK \l "ARo05" 2 , HYPERLINK \l "Cyp08"

3 ]

Các khối số chứa một số các khối số nhỏ hơn có khả năng lập trình ñược có thể ñược cấu hình cho các ứng dụng khác nhau Các khối analog ñược sử dụng cho việc phát triển các thành phần analog như các bộ lọc tương tự, các bộ so sánh, các bộ chuyển ñổi A/D-D/A…

Hiện nay, hãng Sypress cung cấp ba dòng họ PSoC khác nhau (PSoC 1, PSoC 2, PSoC 3, 4 và PSoC 5 v.v.) cho phép lựa chọn, sử dụng linh hoạt và hiệu quả các chip PSoC phù hợp với ứng dụng cụ thể tùy thuộc vào mức ựộ yêu cầu của bài toán ựo lường ựiều khiển khác nhau Sự khác biệt giữa các họ PSoC là số lượng

và ựộ phân giải của các khối A/D có thể lập trình ựược, số lượng các hàm chức năng, số cửa và loại hình tắn hiệu vào/ra Các họ vi ựiều khiển PSoC có thể có từ

4 ựến 16 khối số và từ 3 ựến 12 khối tương tự và nhiều hơn có khả năng lập trình ựược CITATION Cyp08 \l 1033 \m htt [ HYPERLINK \l "Cyp08" 3 ,

HYPERLINK \l "htt" 4 ]

Một trong các ưu ựiểm nổi trội của PSoC là cho phép gài ựặt thuật toán/cấu hình ựiều khiển hệ thống theo yêu cầu của người thiết kế, và dễ dàng thay ựổi chúng theo sự thay ựổi/phát triển của công nghệ chế biến, bảo quản rau quả nông sản v.v khi cần thiết, mà ựối với các hệ thống thiết bị chuyên dụng truyền thống ựồng bộ, thông thường không thể thực hiện ựược việc cải tiến nâng cấp đó là vì

ở ựiều kiện nhất ựịnh, người thiết kế có thể can thiệp vào thuật toán ựiều khiển Chip vi xử lý (Microproccessor) của PSoC Như một máy ựiện toán, PSoC có cấu trúc cơ bản cho trong Hình-1.1 CITATION ARo05 \l 1033 \m htt [

HYPERLINK \l "ARo05" 2 , HYPERLINK \l "htt" 4 ]

Các khối chắnh như mạch dao ựộng, các bộ ựệm cửa vào/ra (I/O analog và số), trong ựó các thành phần chắnh bao gồm:

- Bộ vi xử lý trung tâm (CPU) có chức năng ựọc/ghi và sao chép dữ liệu, thực hiện các phép tắnh logic và phép tắnh số, và các phép tắnh phức tạp khácẦ

- Bộ nhớ Cache là bộ phận nằm gần hoặc ựược cấy bên trong và quyết ựịnh tốc

ựộ hoạt ựộng của CPU

- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM (Random Access Memory) là bộ nhớ ựệm cần thiết chứa các thông tin/dữ liệu tác nghiệm cho hoạt ựộng của CPU(Central

Processing Unit), cũng có ảnh hưởng lớn ựến tốc ựộ tắnh toán/xử lý số liệu của

PSoC

- Ổ cứng HD (Hard Drive) là phần tử chứa các chương trình/dữ liệu không bị xóa trong hệ thống Có vai trò quyết ựịnh tốc ựộ hoạt ựộng của hệ thống

Hình 1.1- Sơ ñồ khối của Sypress PSoC ñiển hình

Nhờ sự trợ giúp của các công cụ/chương trình do hãng cung cấp, người thiết kế

có thể can thiệp vào thuật toán và cấu hình ñiều khiển của PSoC Có thể chọn cấu hình mạch ngoại vi phù hợp với các ứng dụng ño lường ñiều khiển cụ thể… theo nhu cầu phát triển hệ thống

Một trong các ñiểm mạnh, quan trọng cho mục ñích ño lường ñiều khiển của PSoC là khả năng tăng cường các cổng vào/ra Analog và số ở các PSoC cỡ trung và lớn, cho phép cấu trúc lại thời gian thực của các khối analog và số ñể có thể thực hiện các chức năng ñiều khiển và thích nghi tốt hơn với môi trường

ñiều khiển CITATION WBo09 \l 1033 \m ARo05 \m Wil06 [ HYPERLINK \l

"WBo09" 1 , HYPERLINK \l "ARo05" 2 , HYPERLINK \l "Wil06" 5 ]

Sử dụng PSoC cho phép khai thác thiết kế mới và cải tạo nâng cấp các hệ thống dây chuyền chế biến bảo quản rau quả, nông sản thực phẩm v.v một cách hiệu quả các trang thiết bị sẵn có, ño lường ñiều khiển, giám sát tình trạng hoạt ñộng ñồng bộ của hệ thống nâng cao chất lượng sản phẩm, dễ dàng cấu trúc lại khi cần thiết, tiết kiệm chi phí và công sức, ñặc biệt phù hợp cho công tác nghiên cứu triển khai và thiết ñể ñạt ñộ chính xác và tin cậy cao cần thiết

Ngày nay với trình ñộ phát triển về Khoa học và Công nghệ (KH & CN)ñặc biệt

về lĩnh vực kỹ thuật số, những kỹ thuật về ñiều khiển và tự ñộng hoá quá trình

ñã trở nên dễ dàng hơn mà ñạt ñược ñộ tin cậy và hiệu quả cao hơn so với những

kỹ thuật cơ nhiệt trước ñây Nhiều sản phẩm về thiết bị CA ñã ñược ñưa ra thị trường và ứng dụng rộng rãi với những tính năng hiện ñại của những Hãng nổi tiếng trên thế giới Nguyên tắc chung của hệ thống ñiều khiển và giám sát trên

cơ bản cùng nguyên lý kỹ thuật số, ñiểm khác biệt của các sản phẩm này là giải pháp công nghệ và hệ thống cơ cấu chấp hành ñiều chỉnh ðây cũng là bí quyết công nghệ có giá trị « mềm » là khá cao trong cấu trúc giá thành của một hệ thống thiết bị CA có thể ñược thiết lập nhờ công nghệ PSoC

ðến nay, ở Mỹ và các nước tiên tiếnñã phát triển,thương mại hóa những hệ thống thiết bị CA quy mô công nghiệp chủ yếu ứng dụng tại các tổng kho lưu

trữ, conatiner vận chuyển các nông sản thực phẩm có giá trị v.v với kích thước quy mô khác nhau

Tại Anh quốc ñã sử dụng thiết bị bảo quản CA quy mô Pilot 20m3 có giá thành

tương ñương 2 tỷ VNð (Hình 1.2)

Hệ thống thiết bị bảo quản bằng công nghệ CA hiện ñã ñược ứng dụng khá rộng rãi ở các nước phát triển với ñối tượng rau, hoa, quả cho mục ñích thương mại

Năm 2009, Hãng SCS Inc (Mỹ) giới thiệu sản phẩm mới nhất trong Hình 1.3

Trong hình 1.3a,b,c và 1.3d là những trang thiết bị phần cứng của hệ thống ñiều khiển trung tâm như: PLC, có thể ñiều khiển nhiều kho CA ñồng thời nhờ các modun mở rộng, thiết bị ñộng lực, máy tính, máy in ñồng bộ CITATION htt2

\l 1033 [ HYPERLINK \l "htt2" 6]

Các thông số công nghệ chính như nhiệt ñộ, ñộ ẩm, nồng ñộ O2, CO2, N2 tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ bảo quản với ñối tượng sản phẩm cụ thể ñược nhập dữ liệu vào phần mềm ñiều khiển ñã ñược lập trình sẵn

Hình 1.2 -Hệ thống thiết bị CA, quy mô phòng thí nghiệm và Pilot

Hình 1.3 - Hệ thống ñiều khiển và giám sát trung tâm

Hình 1.4 - Hệ thống ñường ống và cơ cấu chấp hành ñiều khiển khí

Một số sản phẩm rau quả với mục ñích thương mại ñã ñược ứng dụng công nghệ bảo quản bằng CA Chế ñộ bảo quản CA phụ thuộc vào chủng loại giống, ñiều kiện thổ nhưỡng và khí hậu ở từng khu vực, mùa vụ và thời ñiểm thu hái Thống

kê kết quả nghiên cứu (Bảng 1.1) về chế ñộ tối ưu bảo quản bằng CA cho giống

táo Golden Delicious ñược trồng ở nhiều nước khác nhau trên thế giới

CITATION AKT96 \l 1033 [ HYPERLINK \l "AKT96" 7]

Bảng 1.1 -ðiều kiện tối ưu bảo quản CA cho giống táo Golden Delicious ñược

trồng ởnhững nước khác nhau trên thế giới

quản( o C)

Mỗi nước và các tổ chức tư vấn thường ban bố ñưa ra danh sách riêng về chế ñộ

bảo quản bằng CA cho mục ñích thương mại (Bảng1.2) là kết quả cho một vài

giống táo, lê của Anh ñã ñược nghiên cứu và công bố bởi (East Malling) Với

chế ñộ bảo quản này còn ñược sử dụng cho bảo quản trên tàu chở hàng container

Bảng 1.2-ðiều kiện tối ưu bảo quản CA của một vài giống táo và lê ở Anh

27

40

Chế ñộ bảo quản CA ñối với một số sản phẩm rau quả tại khu vực Châu Âu

(Bảng 1.3) CITATION CYW90 \l 1033 [ HYPERLINK \l "CYW90" 8]

Bảng 1.3-ðiều kiện tối ưu bảo quản CA cho các loại rau quả ở Châu Âu

Chủng loại rau quả Nồng ñộ O 2 (%) Nồng ñộ CO 2 (%) Nhiệt ñộ( 0 C)

Như vậy, về lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ CA ñã gần 200 năm nay, nhưng công nghệ này mới thực sự phát triển và ñưa vào ứng dụng rộng rãi trên thế giới trong hơn 50 năm qua và chủ yếu tập trung ở những nước có trình

ñộ KH& CN phát triển như Mỹ, Canada, Anh, New Zealand, Ấn ðộ, Trung Quốc… với các sản phẩm ñược ứng dụng phổ biến như táo, lê, bơ, xoài, vải, nhãn, cam, súp lơ, cà rốt, xà lách, khoai tây, hoa lily, hoa hồng, hoa lan, … Xu hướng phát triển ứng dụng công nghệ bảo quản bằng CA luôn gia tăng trong những năm gần ñây, năm 2007 ước tính có khoảng gần 40% sản lượng rau hoa quả tươi trên thế giới ñã ñược bảo quản bằng CA

1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước

Trong những năm gần ñây, Trường ðHBK Hà Nội, Viện Công nghệ thông tin, một số doanh nghiệp hoạt ñông trong lĩnh vực ñiện tử, công nghệ thông tin, ño lường - tự ñộng hóa ñã và ñang tiếp cận nghiên cứu khai thác ứng dụng Chip PSoC nhằm ứng dụng công nghệ mới, ñẩy mạnh nội ñịa hóa và sản xuất trong nước nhằm nâng cao tính cạnh tranh của các sản phẩm Cho ñến nay, trong nước còn ít các công bố về kết quả nghiên cứu triển khai trong lĩnh vực này Một số kết quả nghiên cứu của Viện ñiện tử tin học từ những năm 2000 chỉ mới dừng lại ở mức ñộ ño một số các chỉ tiêu như nhiệt ñộ, ñộ ẩm không khí

CITATION Pha \l 1033 [ HYPERLINK \l "Pha" 9]

Hiện nay, tình trạng thiết bị nhập ngoại và chế tạo trong nước có chất lượng và công nghệ chưa phù hợp thường khó thực hiện việc cải tạo nâng cấp còn khá

phổ biến, các chỉ tiêu ño lường thử nghiệm về các thông số nhiệt ñộ, ñộ ẩm ñược tiến hành từng phần riêng rẽ, không ñồng bộ, ñôi khi cần cải tạo nâng cấp (xử lý cấu trúc lại) gặp không ít khó khăn …

ðể phục vụ nghiên cứu triển khai, ñào tạo và quản lý chất lượng, ñáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm rau quả, thực phẩm và nông sản xuất khẩu…, ñòi hỏi phải tìm kiếm các giải pháp, trong ñó ưu tiên phát triển ứng dụng công nghệ tiên tiến như PSoC có cấu hình linh hoạt của các hãng hàng ñầu, tích hợp hệ thống thiết bị ño lường ñiều khiển các thông số nhiệt ñộ/ñộ ẩm không khí, nguồn gia nhiệt, tốc ñộ nạp liệu, tốc ñộ quạt thông thoáng, thành phần không khí CO2, O2 v.v trong hệ thống dây chuyền chế biến bảo quản rau quả nông sản là hướng ñi ñúng, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng các trang thiết bị hiện có và tăng cường năng lực nghiên cứu triển khai trong nước là việc làm bức thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn hiện nay

Ở ñiều kiện tự nhiên nước ta có nhiệt ñộ và ñộ ẩm môi trường cao, mức ñộ tổn thất sau thu hoạch của rau hoa quả khá lớn Lựa chọn các thông số công nghệ bảo quản phù hợp có thể giảm thiểu tổn thất sau thu hoạch Hiệu quả do công nghệ CA có thế so sánh với công nghệ bảo quản lạnh thông thường

Năm 2003, Viện Công ngệ sau thu hoạch ñã thực hiện nghiên cứu chế ñộ bảo quản CA ñối với cam, mận và vải thiều(xem Hình 1.5) ñã cho các kết quả ban

ñầu khả quan như cho trong Bảng 1.4

Bảng 1.4 - ðiều kiện và kết quả bảo quản CA ñối với mận, vải thiều và cam

Thời gian bảo quản, ngày Chủng loại rau

Tỉ lệ thối hỏng,

%

Mận 5,1 1,6 20 - 9,8 Vải thiều 3,5 4,2 5 30 11,7 Cam Sài gòn 9,1 1,6 60 - 12,3 Cam Hà

Giang

10,4 0,8 30 - 13,6

Dải nồng ñộ khí O2và CO2 ñiều chỉnh trong môi trường CA ñược lựa chọn là: (3,5÷10,4)% và (0,8÷4,2)% tương ứng

Các yếu tố ảnh hưởng chính trong môi trường CA (khí O2 và CO2) ñã ñược ñề cập ñến nhưng chưa ñược khảo sát ñầy ñủ như nhiệt ñộ, ñộ ẩm, khí ethylene là những yếu tố có tác ñộng trực tiếp ñến quá trình hô hấp của ñối tượng bảo quản Quá trình ñiều chỉnh khí gián ñoạn bằng tay theo chu kỳ (6 ÷ 8)h/lần, trong khi diễn biến của quá trình hô hấp là liên tục, chưa có hệ thống ñiều khiển giám sát các thông số của quá trình như nhiệt ñộ, ñộ ẩm, các thành phần khí gây nên yếu

tố nhiễu từ ñiều kiện thời tiết của môi trường do chưa sử dụng công cụ, phương tiện ño lường ñiều khiển hiện ñại khống chế chặt chẽ hàm lượng khí

Năm 2011, Viện Cơ ñiện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch bắt ñầutriển

khai ñề tài “Nghiên cứu công nghệ và Thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị ñiều

chỉnh khí (CA), ứng dụng trong bảo quản một số loại rau, quả, hoa tươi”, sản

phẩm của ñề tài là mô hình thiết bị thí nghiệm CA ña chức năng (xem hình 1.6

và hình 1.7), Sơ ñồ nguyên lý của thiết bị thí nghiệm CA ña chức năng như sau:

Mô hình gồm 09 kho CA(từ 1 ñến 9) có thể ñiều khiển giám sát ñộc lập ñược 4 thông số là nhiệt ñộ, ñộ ẩm, nồng ñộ khí O2, nồng ñộ khí CO2

Khâu 10 là Kho lạnh ẩm, không ñiều chỉnh khí có thể ñiều khiển giám sát ñược

2 thông số là nhiệt ñộ, ñộ ẩm

Khâu 11- Tủ ñiện ñộng lực và ñiều khiển trung tâm với bàn ñiều khiển ON-OFF Khâu 12 và 13 - Máy tính và máy in chờ ñể kết nối với hệ thống ñiều khiển trung tâm thực hiện nhiệm vụ hiển thị giám sát, lưu giữ in và nạp số liệu

Khâu14 - Bộ trộn trung gian khí O2, nhiệm vụ lưu hỗn hợp khí O2ñược duy trì ở một áp suất nhất ñịnh (ñược máy nén hút từ khí môi trường) và thông qua cơ cấu chấp hành ñiều chỉnh tăng nồng ñộ O2ñề bổ sung O2 cho các kho CA

Khâu 15 - Bộ trộn trung gian khí CO2, nhiệm vụ lưu khí CO2 và duy trì ở một áp suất nhất ñịnh (ñược cấp từ bình chứa CO2 chuyên dụng (16) và thông qua cơ cấu chấp hành ñiều chỉnh tăng nồng ñộ CO2ñề bổ sung CO2 cho các kho CA Khâu 17 - Bình chứa N2 chuyên dụng, thông qua bộ phận van giảm áp và van ñiện từ thực hiện nhiệm vụ ñiều chỉnh trung gian ñể ñiều chỉnh giảm nồng ñộ khí CO2 ,O2 và trong trường hợp nồng ñộ Ethylene vượt quá giới hạn

Nguyên tắc hoạt ñộng chung của hệ thống thiết bị CA ña chức năng như sau:

Cơ cấu chấp hành ñiều khiển nhiệt ñộ gồm: 01 máy làm lạnh với chất tải lạnh là

glycol trao ñổi nhiệt gián tiếp với 10 dàn lạnh ñối lưu cưỡng bức (tương ứng với

10 kho) nhờ bơm tuần hoàn và ñược ñiều khiển ñộc lập bằng các van ñiện từ ( VðT1 VðT10) tương ứng với các van 1 chiều (V1 V10) Chất tải lạnh Glycol ñược lưu trong Tank chứa có cách nhiệt

Hình 1.7 - Sơ ñồ nguyên lý của thiết bị thí nghiệm CA ña chức năng

Cơ cấu chấp hành ñiều khiển ñộ ẩm gồm: 10 bộ tạo ẩm tương ứng với 10 kho và

10 quạt tuần hoàn không khí qua bộ tạo ẩm Hệ thống ñiều khiển trung tâm nhận

và xử lý tín hiệu ñể xuất lệnh ñiều khiển cho bộ tạo ẩm và quạt ñối lưu của mỗi kho CA

1÷9)

Kết cấu tổ hợp kiểu kho kín 2 lớp bằng vật liệu inox Su304 với cách nhiệt ñộc lập giữa các kho ñộ dày 50mm bằng PU:

Dung tích sử dụng 96 lít/kho x 10 kho (tương ứng kích thước:400x400x600)

ðề tài ñã xây dựng ñược mô hình thí nghiệm tương ñối hoàn chỉnh, ñã ñề cập ñến giám sát và ñiều khiển 4 thông số chính trong buồng CA nhưng ñều thực hiện ñiều khiển bằng tay, chưa ñược ñiều khiển tự ñộng các quá trình, hoàn toàn phụ thuộc vào kinh nghiệm của người vận hành dựa trên quan sát trực quan các thông số hiển thị trên thiết bị/sensor ño như nhiệt ñộ, ñộ ẩm, khí O2, CO2 trong môi trường bảo quản…

1.4 Kết luận

Từ các phân tích thông tin tổng quan trong và ngoài nước, có thể kết luận:

1.Trong nước, hầu như chưa có các công bố về kết quả nghiên cứu triển khai ứng dụng công nghệ Chíp PSoC trong các lĩnh vực ño lường giám sát, tự ñộng hóa thiết bị, quá trình công nghệ/dây chuyền sản xuất, chế biến bảo quản nông sản thực phẩm

2 Chưa có một nghiên cứu nào về thiết bị ño lường, giám sát, ñiều khiển quá trình CA một cách bài bản từ quá trình CA ñến thiết bị CA, do ñó cần có ñịnh hướng nghiên cứu giải quyết vấn ñề về thiết bị ñồng bộ giám sát/ñiều khiển hệ thống thiết bị CA, tránh những phương án ñầu tư lãng phí bằng nhập khẩu thiết

bị nguyên chiếc của nước ngoài với quá trình CA ñã ñược tích hợp kín “phần mềm” và do nước ngoài nắm giữ

3 Các yếu tố ảnh hưởng chính và quy luật ñịnh tính về sự biến ñổi của mỗi thành phầntrong môi trường CA ñã ñược xác ñịnh ngoài hai thành phần khí (CO2 và O2) là nhiệt ñộ, ñộ ẩm tương ñối và nồng ñộ Ethylene nội sinh … ðây

là cơ sở ñể nghiên cứu và thực nghiệm nhằm xác ñịnh giải pháp công nghệ ñiều chỉnh các thành phần khí theo yêu cầu công nghệ trong quá trình bảo quản

4 Công nghệ hệ thống khả trình trên Chip (PSoC) cho phép tích hợp các hệ thống thiết bị ño linh hoạt, giám sát, ñiều khiển tự ñộng ñã ñược quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng ñã ñạt ñến trình ñộ rất cao ở các nước tiên tiến trong các lĩnh vực âm thanh, hàng không vũ trụ và quốc phòng, ô tô, ñiện dân dụng, tự ñộng hóa trong các ngành công nghiệp, trang thiết bị, ánh sáng, y tế

và công nghệ thông tin…

5 Tìm kiếm giải pháp phát triển công nghệ mới PSoC, ứng dụng trong các lĩnh vực ño lường ñiều khiển, giám sát, có cấu hình linh hoạt của các hãng hàng ñầu, tích hợp hệ thống thiết bị ño lường ñiều khiển quá trình chế biến bảo quản rau quả nông sản là hướng ñi ñúng, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng các trang thiết bị hiện có và tăng cường năng lực nghiên cứu triển khai trong nước là việc làm bức thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn hiện nay

Chương II - PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nghiên cứu và tiếp cận

Luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, thừa kế các kết quả nghiên cứu triển khai và các thành tựu khoa học công nghệ/kinh nghiệm ứng dụng công nghệPSoC trong lĩnh vực ño lường, giám sát và ñiều khiển tự ñộng trong và ngoài nước

Tìm kiếm các giải pháp phát triển, ứng dụng hệ thống khả trình trên Chip PSoC, tích hợp phần cứng thích hợp (các mạch ngoại vi ño lường và truyền thông, cơ cấu thừa hành…) ñể phát triển ứng dụng ño lường ñiều khiển quá trình chế biến, bảo quản nông sản thực phẩm trong sản xuất và lưu thông phân phối… Hình thành mục tiêu nghiên cứu phù hợp với giai ñoạn phát triển, ñiều kiện vận hành

và sử dụng công nghệPSoC trong sản xuất nông nghiệp nước ta là cách làm ñúng, ñồng thời cho phép ñào tạo nâng cao trình ñộ nghiên cứu triển khai, phát huy tiềm lực KH&CN trong nước cũng như tiết kiệm ngoại tệ nhập thiết bị công nghệ toàn bộ của nước ngoài

Khai thác sử dụng các phương tiện ño lường thí nghiệm, phù hợp với ñiều kiện

và nhu cầu thực tiễn của công tác ño lường thử nghiệm trên cơ sở các trang thiết

bị hiện có, tính chất ñặc ñiểm của yêu cầu ño lường các thông số nhiệt ñộ, ñộ

ẩm, thành phần khí v.v trong các hệ thống thiết bị chế biến, bảo quản nông sản thực phẩm trong nông nghiệp tương thích với ñiều kiện nghiên cứu ứng dụng của Việt nam

2.1.1 Xác ñịnh ñối tượng cần thử nghiệm và trang thiết bị hiện có, thông số

kỹ thuật phần cứng tích hợp và tích hợp hệ thống ño lường

Dựa vào các vùng tham số công nghệ của quá trình chế biến và bảo quản rau quả, thực phẩm và nhu cầu của sản xuất, sử dụng và quản lý chất lượng, từ ñó xác ñịnh mục tiêu của ñề tài là có ñược giải pháp kỹ thuật công nghệ, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống ño ñộ ẩm và nhiệt ñộ sử dụng công nghệPSoC, hướng tới ñáp ứng các nhu cầu ño lường ñiều khiển tự ñộng trong các hệ thống thiết bị sản xuất gia công chế biến nông sản quy mô công nghiệp

Trên cơ sở xác ñịnh mục tiêu của luận văn, lựa chọn nguyên lý kết cấu sơ ñồ mạch tích hợp hệ thống… Theo ñó, dựa trên các ứng dụng ñiển hình tiên tiến của các nước/hãng có tên tuổi, kết hợp khảo sát ñiều kiện thực tế trong nước xây dựng mô hình hệ thống ño ñộ ẩm và nhiệt ñộ sử dụng công nghệ PSoC hướng tới ứng dụng vào ño lường ñiều khiển tự ñộng trong các thiết bị chế biến bảo quản rau quả, thực phẩm

ðể giám sát và ñiều khiển thành phần không khí trong bảo quản rau quả nông sản thực phẩm theo phương pháp CA cần phải ño ñược hàm lượng các thành phần khí O2, CO2, C2H4 tương ứng trong không gian buồng bảo quản Hiện nay trên thế giới ñã có nhiều hãng chế tạo và thương mại hóa các buồng bảo quản ñồng bộ khống chế ñược 3 thành phần khí cơ bản nói trên nhưng giá thành khá cao…Mua ñầu ño hoặc thành phần cảm biến khí nói trên, nghiên cứu chế tạo mạch ño hợp bộ có thể giảm ñược giá thành chế tạo hệ thống

ðầu ño khí các bonic CO2 của hãng Alpha Dải ño: 5, 20, 65, 100 %, Sai số: ± 5%, nguồn nuôi +5 VDC; tín hiệu cửa ra: (0,5 ÷ 4,0) VDC

Cảm biến nhiệt ẩm SHT7x (Hình 2.2) Dải ño nhiệt ñộ: (-40 ÷125)oC; sai số: ± 0,3oC Dải ẩm ñộ: (0÷100)%RH; sai số: ± 3%RH; tín hiệu cửa ra: (4÷20)mA

1000-EC - SENSOR C2 H4

• nguồn: 24 ± 6 VDC

• Tín hiệu số : 4 - 20mA

Hình 2.4 - Một số loại dụng cụ ño và sensor dạng số hóa với tín hiệu cửa ra:

(4÷20)mA:

2.1.2 ðo lường thử nghiệm/hiệu chuẩn các trang thiết bị ño lường có liên quan

Trên cơ sở các thông số ño lường thử nghiệm dải ño/cấp chính xác hiệu chuẩn các trang thiết bị ño lường/ hiệu chuẩn liên quan ñể ñảm bảo ñộ chính xác và tin cậy của kết quả ño, thử nghiệm hệ thống thiết bị ñược chế tạo

2.1.3 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hệ thống khả trình trên Chip (PSoC) tích hợp hệ thống ño lường ñiều khiển tự ñộng nhiệt ñộ, ñộ ẩm, các thành

- Xác ñịnh loại tín hiệu ño/các thông số ñầu vào/ñầu ra, phương thức giao diện/kết nối…, ñối tượng ñiều khiển và trang thiết bị liên quan

- Trên cơ sở các giải pháp công nghệ PSoC hiện có trên thị trường, lựa chọn Chip PSoC, có cấu trúc phần cứng linh hoạt, phương thức ñiều khiển, ngôn ngữ lập trình Lựa chọn các cảm biến nhiệt ñộ, ñộ ẩm, ño nồng ñộ khí… phù hợp phù hợp với giải ño và cấp chính xác Phát triển hệ thống ño lường ñiều khiển, ứng dụng phù hợp với ñiều kiện nghiên cứu triển khai và sản xuất trong nước Kết quả nghiên cứu ñạt ñược ñối với dây chuyền chế biến, bảo quản rau quả, nông

sản thực phẩm có thể áp dụng cho nghiên cứu phát triển các ứng dụng cho các dây chuyền sản xuất tương tự và các ựối tượng khác liên quan

2.2 đánh giá chất lượng

đo lường Thử nghiệm/hiệu chuẩn hệ thống ựo các thông số nhiệt ựộ, ựộ ẩm, nồng ựộ khắ trong ựiều kiện phòng thắ nghiệm và trong ựiều kiện thực tế đánh giá sai số, ựộ ổn ựịnh và khả năng ứng dụng của hệ thống thiết bị ựo lường ựiều khiển giám sát ựối với quá trình bảo quản chế biến nông sản thực phẩm nói chung và quả ớt nói riêng

2.3 Phương tiện nghiên cứu

Sử dụng các phần mềm chuyên dùng thiết kế phần cứng (mạch nguyên lý, mạch

in hệ thống và các mạch ngoại viẦ) phần mềm (lập trình gán thuộc tắnh và chức năng v.v.), tắch hợp hệ thống PSoC Sử dụng trang thiết bị thắ nghiệm của Phòng thắ nghiệm Cơ ựiện VILAS019 - Viện Cơ ựiện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, hỗ trợ nghiên cứu triển khai, ựảm bảo kết quả nghiên cứu triển khai

và ựo lường thử nghiệm chắnh xác, tin cậy

Bảng 2.1- Trang thiết bị sử dụng trong nghiên cứu triển khai

sản xuất đặc trưng kỹ thuật chắnh/công dụng

Hỗ trợ quá trình khởi tạo và ñánh giá các giải pháp mẫu ñố với các chip có cấu trúc họ PSoC 1, PSoC 3, or PSoC 5

diện Visual Studio 2008 Microsoft

Tạo giao diện thân thiện người-máy trên máy vi tính cho mục ñích hiển thị, giám sát và ñiều khiển

6 Giếng nhiệt chuẩn Fluke

8 Máy ño khí Testo 342 Testo/ðức Khí O2: (0÷21)%/0,1%

Khí CO2: (0÷CO2max)%/0,1%

9 ðồng hồ số vạn năng

(0÷1000)V,(1÷10)A, 0,5Hz÷200kHz,(0÷40)MΩ, (0÷5)µF

10 Máy hiện sóng cầm tay

2 kênh 200MHz;2.5Gs/s,300V Một kênh ño ña năng: ñiện áp AC/DC 1000V, ñiện trở, diod

11 Máy chuẩn ñiện ña năng

a)

Hình 2.5- Bộ Kit phát triển CY8C Kit 001A

a) Bo mạch chính; b) Khối vi xử lý họ PSoC 1, 2 và 3

Hình 2.6- Minh họa kết nối bộ nạp MiniProgr3 với Kit phát triển CY8C Kit 001A

Trong hình 2.1 và 2.2 giới thiệu Kit phát triển CY8CKIT-001 PSoC® và bộ nạp chương trình MiniProgr3 hỗ trợ quá trình khởi tạo và ñánh giá các giải pháp mẫu ñố với các chip có cấu trúc họPSoC 1, PSoC 3hoặc PSoC 5 Cùng với phần mềm chuyên dùng cho phép tiếp cận và thực hành công nghệPSoC Ngoài ra, dựa trên một số ví dụ cho trước, hướng dẫn từng bước từ các bài toán ñơn giản làm quen và ứng dụng phát triển các giải pháp bằng công nghệPSoC Bộ Kit này có các khối vi xử lý họ PSoC CY8C28, CY8C29, CY8C38 và CY8C55 CITATION ARo05 \l 1033 \m htt [ HYPERLINK \l

"ARo05" 2 , HYPERLINK \l "htt" 4 ]

Chương III - CƠ SỞ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHẦN CỨNG, PHẦN MỀMXÂY DỰNG HỆ THỐNG ðO LƯỜNG/

ðIỀU KHIỂN TRÊN PSoC

3.1 Hệ thống lập trình trên chip PSoC(Programable System on Chip)

Vi hệ thống PSoC có khả năng ñáp ứng ñược yêu cầu ña dạng do bên trong PSoC có rất nhiều mạch ñiện tử tích hợp và chứa cả các khối chức năng ñiều khiển Ví dụ, bên trong PSoC có chứa khối chức năng khuếch ñại ño lường

INSAMP (Instrumentation Amplifier) hay các module ADC với nhiều tham số

có thể cấu hình ñược, ñáp ứng linh hoạt với thiết kế hệ thống, các khối chức hiển thị ra LCD, khối làm nhiệm vụ truyền thông theo các chuẩn UART, SPI, I2C Cùng với khả năng ñiều khiển, PSoC có khả năng kết nối giao diện, thực hiện các hàm chức năng và ñược tích hợp một bộ vi xử lí trung tâm (CPU) nhanh,

bộ nhớ Flash, bộ nhớ dạng SRAM, EEPROM và nhiều cổng vào ra ña dụng - khả trình ñể có thể ñơn giản hóa tối ña quá trình thiết kế và xây dựng mạch vi

xử lý tín hiệu Quan ñiểm xây dựng hệ thống trên chíp PSoC có các ñặc ñiểm chính sau:

Trong Chíp ñã có chứa sẵn các mạch chức năng (tín hiệu tương tự, tín hiệu số…), khả năng ghép nối hết sức linh hoạt giữa các khối chức năng

Người thiết kế có thể lựa chọn những khối chức năng phù hợp với bài toán ño lường ñiều khiển, thiết lập cấu trúc/sơ ñồ mạch (phần cứng) bằng cách kết nối bằng ñồ họa các khối chức năng v.v., lập trình ñiều khiển hệ thống ñã thiết lập

ñể thực hiện các nhiệm vụ dã dặt ra theo trình tự xác ñịnh

Việc thiết lập cấu trúc phần cứng và lập trình cho hệ thống ñược thực hiện trong môi trường phần mềm chuyên dụng PSoC designer 5.0 và mạch nạp MiniProg 3 thích hợp do hãng cung cấp phù hợp với họ chíp PSoC sử dụng

Nhờ có phần mềm chuyên dùng PSoC designer 5.0 và mạch nạp MiniProg 3 do hãng Cypress cung cấp cho phép người sử dụng có thể lập trình vi xử lý bằng ngôn ngữ C, và sau ñó dịch/nạp chương trình ứng dụng tích hợp vào chip, gán các thuộc tính ño lường ñiều khiển ứng dụng của người sử dụng vào hệ thống