Tiểu luận môn Điều khiển tự động Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Góp phần vào sự phát triển của đất nước trên phương diện năng lượng mặt trời em xin trình bày đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời”.. Nội dung đề

ĐẶT VẤN ĐỀ

Vấn đề năng lượng là vấn đề mà gây nhức nhối cho thế giới trong nhiều thập kỉ Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kĩ thuật phát triển ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ than đá, dầu mỏ khí đốt … đều có hạn, khiến nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng Việc tìm kiếm và khái thác nguồn năng lượng mới là xu hướng của thế giới trong tương lại

Năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ngày càng được quan tâm nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng cũng như vấn đề cấp bách về ô nhiễm môi trường hiện nay Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng trong tương lai vì là nguồn năng lượng sạch và miễn phí Do vậy năng lượng mặt trời đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới vào nhiều quy trình sản xuất công nghiệp Tuy vậy

ở Việt Nam việc sử dụng năng lượng mặt trời còn đang được triển khai hạn hẹp chưa được rộng rãi dù rằng được đánh giá là một đất nược có nguồn năng lượng dồi dạo

Góp phần vào sự phát triển của đất nước trên phương diện năng lượng mặt trời

em xin trình bày đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời” Bài toán đặt ra sẽ phải điều khiển nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ cho

trước

Đề tài phải đảm bảo các yêu cầu nhiệt độ lò sấy phải đạt nhiệt độ yêu cầu mà công nghệ đề ra thời gian sấy phải phù hợp

Nội dung đề tài bao gồm:

Chương 1: Giới thiệu về công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời

Chương 2:Cơ sở lý thuyết về quá trình sấy

Chương 3: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển sấy hoa quả

Chương 4 : Thiết kế phần mềm cho hệ thống điều khiển sấy hoa quả

Chương 5 : Kết quả thu được và hướng mở rộng

Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình

nhiên do thời gian và kiến thức có hạn, nên đồ án này không tránh khỏi những sai sót

Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để chúng em có thể hoàn thiện hơn về kiến thức của mình

Hà Nội, tháng 6 năm 2018 Nhóm sinh viên

Vũ Hải Hoàng Nguyễn Kim Bảo

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC VIẾT TẮT 6

CHƯƠNG 1: Giới thiệu về công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời 1

1.1 Năng lượng mặt trời 1

1.1.1 Tổng quan 1

1.1.2 Các ứng dụng của năng lượng mặt trời 2

1.2 Ứng dụng sấy sử dụng NLMT 3

1.2.1 Những lợi ích của việc sấy hoa quả 3

1.2.2 Tiềm năng của công nghệ sấy sử dụng NLMT 4

1.3 Mô tả về công nghệ sấy sử dụng NLMT 5

1.3.1 Yêu cầu công nghệ 5

1.3.2 Tổng quan hệ thống sấy sử dụng NLMT 6

CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết về quá trình sấy 8

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy 8

2.2 Công nghệ sấy 10

2.3 Các tham số điều khiển trong quá trình sấy 13

CHƯƠNG 3: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển sấy hoa quả 15

3.1 Tính toán công suất 16

3.2 Lựa chọn thiết bị 17

3.3 Thiết kế không gian sấy 17

3.6 Giao tiếp với máy tính 24

CHƯƠNG 4: Thiết kế phần mềm cho hệ thống điều khiển sấy hoa quả 27

4.1 Nhận dạng mô hình bằng phương pháp thực nghiệm 27

4.2 Thiết kế bộ điều khiển 32

4.2.1 Xây dựng bộ điều khiển mờ 32

4.3 Tiến hành điều khiển mô hình lò sấy thực tế thông qua VĐK 37

4.4 Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển 41

4.4.1 Phần mềm Matlab và công cụ GUIDE 41

4.4.2 Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển nhiệt độ lò sấy hoa quả 41

CHƯƠNG 5: Kết quả thu được và hướng mở rộng 43

5.1 Kết quả thu được 43

5.2 Các mặt hạn chế và đề xuất hướng giải quyết 46

5.2.1 Hạn chế 46

5.2.2 Hướng giải quyết 46

5.3 Hướng phát triển của đề tài 47

LỜI CẢM ƠN 48

DANH MỤC THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC 50

1 Các bước lập trình giao tiếp và tạo giao diện GUI 50

2 Sử dụng công cụ System Identification để nhận dạng 57

3 Sử dụng công cụ fuzzy thiết kế bộ điều khiển mờ trên matlab 61

4 Giới thiệu thiết bị sử dụng trong hệ thống 64

4.1 Thiết bị điều khiển 64

4.2 Thiết bị đo 65

4.3 Thiết bị chấp hành 66

5 Hướng dẫn sấy cho một số loại thực phẩm 67

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống sấy sử dụng năng lượng mặt trời 6

Hình 2.1: Đồ thị I-d không khí ẩm 9

Hình 2.2: Mô hình sấy không khí đi ngang 11

Hình 2.3: Mô hình sấy không khí đi đứng 12

Hình 2.4: Các biến quá trình trong hệ thống lò sấy 14

Hình 3.1: Lưu đồ P&ID hệ thống sấy 15

Hình 3.2: Thiết kế chi tiết của không gian sấy 18

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển của hệ thống 19

Hình 3.4: Sơ đồ chi tiết mạch điều khiển 20

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin mặt trời 22

Hình 3.6: Tấm pin mặt trời 23

Hình 4.1: Phương pháp nhận dạng mô hình 27

Hình 4.2: Đồ thị kết quả nhận dạng quạt tản nhiệt 28

Hình 4.3: Hàm nhận dạng trên matlab của quạt tản nhiệt 29

Hình 4.4: Đồ thị kết quả nhận dạng điện trở 30

Hình 4.5: Hàm nhận dạng trên matlab của điện trở nhiệt 30

Hình 4.6: Đồ thị đặc tính nhiệt độ 31

Hình 4.7: Hàm nhận dạng quá trình nhiệt 32

Hình 4.8: Sơ đồ điều khiển BĐK mờ có Sp 33

Hình 4.9: Hàm liên thuộc đầu vào sai số e 34

Hình 4.10: Hàm liên thuộc tốc độ sai số e 34

Hình 4.11: Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ điều khiển mờ chế độ setpoint 35

Hình 4.12: Kết quả nhiệt độ lò mô phỏng điều khiển mờ chế độ setpoint 35

Hình 4.13: Công suất điện trở mô phỏng chế độ setpoint 36

Hình 4.14: Công suất quạt chế độ setpoint 36

Hình 4.15: Giao diện HMI 42

Hình 5.1: Kết quả điều khiển nhiệt độ lò sấy 43

Hình 5.2: Kết quả thành phẩm 45

Hình 5.3: Cấu tạo tấm thu nhiệt 47

Hình 5.4: Mô hình đề xuất tách riêng phần thu nhiệt và phần sấy 47

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thành phần hóa học cơ bản của chuối 10

Bảng 3.1: Bảng thống kê các thiết bị 17

Bảng 4.1: Luật mờ cho công suất quạt chế độ setpoint 34

Bảng 4.2: Luật mờ cho công suất điện trở nhiệt chế độ setpoint 35

Bảng 5.1: Bảng thông số đánh giá một số phương pháp sấy 44

DANH MỤC VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt Tên đầy đủ

CHƯƠNG 1: Giới thiệu về công nghệ sấy sử dụng

năng lượng mặt trời

1.1 Năng lượng mặt trời

1.1.1 Tổng quan

• Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt

• Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ

• Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình biến đổi liên tục trong môi trường và đưa vào trong các ứng dụng kỹ thuật

Trong các loại năng lượng tái tạo được sử dụng hiện nay, năng lượng Mặt Trời (NLMT) cũng được xem là một trong những loại năng lượng phổ biến và dễ ứng dụng

• Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất

• Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời

• Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời

• Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa

Có thể thấy các ứng dụng chủ yếu của NLMT được chia làm 2 loại đó là Nhiệt mặt trời

và Điện mặt trời

1.1.2 Các ứng dụng của năng lượng mặt trời

1.1.2.1 Nhiệt mặt trời

Các ứng dụng Nhiệt mặt trời phổ biến nhất có thể kể đến:

• Đun nước nóng:

Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm nóng nước với nhiệt độ lên đến 60 °C

• Sưởi ấm, làm mát và thông gió:

Nhiệt khối là vật liệu bất kỳ có thể được sử dụng để lưu trữ nhiệt nóng từ Mặt trời Chúng được sử dụng ở những khu vực ôn đới lạnh để duy trì sự ấm áp Một ống khói năng lượng mặt trời (hoặc ống khói nhiệt) là một hệ thống thông gió tận dụng hiện tượng đối lưu gây ra bởi sự đốt nóng không khí bởi nhiệt mặt trời để lưu thông không khí trong tòa nhà

• Nấu ăn:

Bếp năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để nấu nướng, làm khô và khử trùng Chúng có thể được nhóm lại thành ba loại lớn: bếp hộp, bếp tấm và bếp phản xạ

Điện mặt trời (tiếng Anh: Photovoltaics - PV), cũng được gọi là quang điện hay quang năng là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời Ngày nay, do nhu cầu năng lượng sạch ngày càng nhiều nên ngành sản xuất pin mặt trời phát triển cực kỳ nhanh chóng

• Điện mặt trời tập trung

Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng lượng cho

một nhà máy điện thông thường

• Pin quang điện (Pin mặt trời)

Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện

Những tế bào năng lượng mặt trời ban đầu có giá 286 USD mỗi watt và đạt hiệu suất 4,5 - 6%

1.2 Ứng dụng sấy sử dụng NLMT

1.2.1 Những lợi ích của việc sấy hoa quả

Việt Nam là một trong những quốc gia có nền nông nghiệp chiếm tỉ trọng tương đối lớn trong cơ cấu nền kinh tế Một trong những vấn đề thiết yếu trong việc sản xuất

và chế biến nông sản là bảo quản

Khi thu hoạch được lượng lớn nông sản hoa quả, người nông dân có thể bảo quản thức ăn qua việc phơi hoặc sấy khô Tuy nhiên phơi khô trực tiếp dưới ánh mặt trời sẽ làm ảnh hưởng tới chất lượng nông sản bởi các yếu tố bụi bẩn, động vật, thời tiết thất thường … Vì vậy việc bảo quản cần tới công nghệ sấy để đảm bảo chất lượng của nông sản, đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường

Bằng việc sấy khô, hương vị cũng như chất dinh dưỡng của hoa quả vẫn được đảm bảo nguyên vẹn Trái cây và rau quả khô không cần tới chất bảo quản, thực phẩm khô cũng đem lại hàm lượng dinh dưỡng cao Nếu được lưu trữ trong điều kiện tốt, thời gian bảo quản có thể lên tới 6 – 12 tháng Đặc biệt khi sử dụng công nghệ sấy bằng năng lượng mặt trời sẽ đem lại hiệu quả lớn hơn so với phơi khô thông thường, thời gian sấy khô giảm đáng kể

1.2.2 Tiềm năng của công nghệ sấy sử dụng NLMT

Đây là một hình thức chế biến nông sản đơn giản, sạch và không gây hại môi trường Bên cạnh đó, việc sử dụng năng lượng mặt trời sẽ tiết kiệm được chi phí so với việc sấy thông thường

Công nghệ sấy sử dụng NLMT có thể áp dụng cho nhiều loại nông sản:

• Hoa quả: táo, mơ, nho, dứa, chuối, xoài…

• Rau củ: cải bắp, súp lơ, khoai tây…

• Gia vị: hạt tiêu, ớt, hành, tỏi…

• Các loại thảo mộc, thảo dược, trà…

• Các loại khô thịt, khô cá, khô mực…

• Các loại hạt: đậu phộng, hạt điều, cacao, cà phê…

Một vài tính năng của hệ thống sấy sử dụng NLMT:

• Công nghệ sấy hiện đại, có thể đạt chất lượng của loại máy sấy dân dụng và máy sấy công nghiệp

• Vận hành được tại các vùng có khí hậu khô hay ẩm

• Dễ dàng lắp đặt và tháo dỡ

• Thời gian sấy được rút ngắn so với hình thức phơi khô

• Giá trị nông sản được nâng cao

• Điều kiện sấy đảm bảo hợp vệ sinh, chống các loại côn trùng, vi khuẩn gây bệnh

• Không bị ảnh hưởng bởi thời tiết ẩm ướt, mưa, nấm mốc…

• Chi phí vận hành thấp, không tốn nhiên liệu, không thải khí ra môi trường

• Vận hành không cần tới điện lưới, có thể tự sạc lại ắc quy bằng pin mặt trời

• Vận hành hoàn toàn tự động, không cần giám sát liên tục

Với độ linh hoạt về đối tượng sấy, cộng với chi phí lắp đặt và vận hành thấp, đây sẽ là một mô hình phù hợp với các hộ gia đình làm nông, hoặc những gia đình có nhu cầu chế biến thực phẩm tươi theo phương pháp an toàn, đảm bảo vệ sinh và phù hợp với kinh tế

1.3 Mô tả về công nghệ sấy sử dụng NLMT

1.3.1 Yêu cầu công nghệ

Khi sấy cần đảm bảo thực phẩm không bị phơi trực tiếp dưới ánh nắng để không bị mất chất dinh dưỡng, đặc biệt là đối với các loại dược liệu

Đối với hoa quả, nhiệt độ sấy không nên đặt cao bởi dễ gây giòn hoa quả sấy Các loại quả to như táo, chuối, mít, hồng, lê, thanh long… đều cần thái thành miếng mỏng 2-5mm mới sấy khô để đảm bảo yêu cầu Nhiệt độ sấy của máy sấy thường từ

95°C trở xuống, khi sấy hoa quả chỉ nên cài đặt nhiệt độ từ 45 - 70°C[6] là đảm bảo

chất lượng hoa quả sấy

Các loại rau củ sấy khô như bắp cải, cà rốt, su hào, súp lơ, củ cải, … và các loại thịt lợn sấy, thịt bò sấy đang được dùng rất phổ biến Nhiệt độ sấy các loại thực phẩm

này cũng chỉ nên ở mức 55 - 70°C[6] Sấy ở nhiệt độ cao sẽ làm hỏng thực phẩm, sấy

thấp hơn cũng làm hỏng rau củ vì ẩm lâu quá, tạo điều kiện cho các loại vi khuẩn sinh sôi Khi sấy với khối lượng lớn thì lúc đầu có thể tăng nhiệt độ cao để máy nhanh lên nhiệt, sau đó giảm dần về mức trung bình để đảm bảo hơn

Dược liệu nói chung hay các loại cây, hoa, lá, cành thảo dược đều cần sấy khô trước khi đưa vào sử dụng trong các thang thuốc Nhiệt độ sấy cũng không nên quá

cao, chỉ nên từ 40 - 60°C[6] Khô nhanh quá hay chậm quá cũng không tốt, do vậy để

mức nhiệt trung bình để đảm bảo chất lượng cho dược liệu

Các loại hạt như đỗ tương, hạt ngô, hạt đỗ xanh, hạt điều, hạt dẻ… đều cần phải sấy khô trước khi được sử dụng hoặc đưa ra bán ngoài thị trường Nhiệt độ sấy các loại

hạt có thể đặt từ 60 - 90°C[6], thời gian đầu nên đặt nhiệt độ cao rồi sau đó giảm về

mức vừa phải để hạt khô đều và đẹp

Các mức nhiệt độ khuyên dùng thường ở khoảng 40 đến 70°C[6], nhưng tùy

vào từng loại thực phẩm Ở giai đoạn sấy ban đầu có thể tăng nhiệt độ lên 65 - 70°C nhưng không cao quá để tránh việc bề mặt sản phẩm bị cứng

1.3.2 Tổng quan hệ thống sấy sử dụng NLMT

Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống sấy sử dụng năng lượng mặt trời

Hệ thống thực nghiệm có công suất dự tính khoảng 50W, sấy được 1 kg hoa quả Không gian sấy sẽ được thiết kế có dạng hộp hình chữ nhật

Hệ thống sử dụng một quạt gió để tản nhiệt cũng như thổi hơi nước trong quá trình sấy Ngoài ra hệ thống còn sử dụng một điện trở nhiệt để giảm thời gian tăng nhiệt trong giai đoạn đầu của quá trình sấy, hoặc đóng vai trò là nguồn nhiệt thay thế trong những ngày có nắng không đều

Hệ thống có thể được mở rộng thêm với khả năng tích hợp pin mặt trời cho bộ nguồn để nạp ắc quy Hệ thống cũng có thể tích hợp máy tính để áp dụng đối với các

hệ thống sấy có quy mô công nghiệp, tăng khả năng giám sát

CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết về quá trình sấy

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

Bản chất của quá trình sấy là sự bốc hơi của sản phẩm bằng nhiệt ở nhiệt độ

thích hợp, là quá trình khuếch tán do chênh lệch ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu Hay nói cách khác, do chênh lệch áp suất hơi riêng phần ở bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh

Người ta thường phân loại quá trình sấy dựa trên tính chất xử lý vật liệu ẩm qua

buồng sấy: sấy mẻ, sấy liên tục; phân loại dựa trên sự chuyển động tương đối giữa dòng nhiệt và vật liệu ẩm: thổi qua bề mặt (sấy ngang), thổi xuyên vuông góc (sấy đứng); dựa trên các lý thuyết nhiệt: sấy đối lưu ,sấy bức xạ, sấy thăng hoa… Trong hệ thống này chúng em sẽ quan tâm đến quá trình sấy đối lưu và hướng thổi của không khí là hướng ngang

Các nhân tố ảnh hướng đến quá trình sấy: Tác nhân nhiệt trong quá trình sấy là

không khí ẩm Những thông số chính của không khí ẩm sẽ ảnh hưởng đến quá trình sấy Trong các thông số vật lý của không khí ẩm, cần quan tâm nhất là nhiệt độ và độ

ẩm

Nhiệt độ: Nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ sấy càng nhanh, quá trình có hiệu quả càng cao Nhưng tùy vào từng loại vật liệu hay loại hoa quả cần sấy mà nhiệt độ cần phải giữ trong giới hạn cho phép để tránh xảy ra các quá trình biến đổi về các thành phần hóa học, hoặc nhiệt độ cao quá có thể bị cháy

Ngoài ra độ ẩm tương đối, độ ẩm cân bằng … cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy Độ ẩm tương đối là đại lượng rất quan trọng trong khả năng sử dụng không khí để sấy sản phẩm Khi độ ẩm tương đối bằng 100% quá trình bốc hơi sẽ ngừng

Hình 2.1: Đồ thị I-d không khí ẩm [Bùi Hải, Trần Thế Sơn, Kỹ thuật nhiệt, NXB Khoa

học kĩ thuật]

Theo tổng cục du lịch Việt Nam đất nước ta có một nền nhiệt độ cao Nhiệt độ trung bình năm từ 22ºC đến 27ºC Độ ẩm không khí trên dưới 80% Số giờ nắng khoảng 1.500 - 2.000 giờ, nhiệt bức xạ trung bình năm 100kcal/cm² Theo những

thống kê trên dựa theo đồ thị Hình 2.1, với nhiệt độ từ 22-27 độ C, độ ẩm 80% thì khi

nhiệt độ 50-60 độ C và bỏ qua độ ẩm tương đối thì sẽ không xảy hiện tượng độ ẩm có thể bão hòa Tuy vậy vào những ngày độ ẩm cao 90% thì khi gia nhiệt lên 55-60 độ C thì độ ẩm trong lò có thể lên đến 30%, ảnh hưởng đến tốc độ sấy

2.2 Công nghệ sấy

Đối tượng sấy mà hệ thống muốn hướng tới là hoa quả tươi, cụ thể là quả chuối Đây là loại hoa quả phổ biến, ra quả hầu như quanh năm, giá thành thấp, thành

phần dinh dưỡng cao, nhiều công dụng chữa bệnh, giàu năng lượng

Công nghệ sấy hoa quả sẽ phụ thuộc vào các quá trình biến đổi hàm lượng thành phần hóa học trong hoa quả, cụ thể ở đây là chuối

Bảng 2.1: Thành phần hóa học cơ bản của chuối

Từ bảng trên có thể đưa ra các thông số vật lý cơ bản của chuối Ở đây ta chỉ cần quan tâm tới độ ẩm để đánh giá chất lượng của sản phẩm sấy

- Độ ẩm trước khi sấy: 75 – 80 %

- Độ ẩm sau khi sấy: 15 – 20 %

Trong môi trường ẩm nếu nhiệt độ cao hơn 60°C thì protein trong chuối đã bị biến tính, trên 90°C thì fructoza đã bắt đầu bị caramen hóa, các phản ứng tạo ra

melanoidin, polime hóa các hợp chất cao phân tử xảy ra mạnh Còn ở nhiệt độ cao hơn nữa, chuối có thể bị cháy Vì vậy, để sấy chuối thường dùng chế độ sấy ôn hòa, với nhiệt độ sấy không quá cao:

- Nhiệt độ sấy khuyên dùng của chuối: 55 – 60°C

• Một số công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời

Phơi hay sấy cũng là giai đoạn quan trọng trong khâu xử lý nông sản nói chung

và hoa quả nói riêng để sản phẩm có thể lưu giữ được lâu dài mà hàm lượng dinh dưỡng gần như được bảo toàn Nhu cầu phơi, sấy hiệu quả thì hầu hết là Nông dân thì

ai cũng cần, nhưng không phải ai cũng có điều kiện để mua thiết bị đắt tiền cho một sự đầu tư bài bản Thế thì trong điều kiện còn nhiều hạn chế ấy, chúng em muốn gởi đến người nông dân những phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả mà nông dân trên thế giới người ta thường làm với những thiết bị giá rẻ

Mô hình 1 :

Hình 2.2: Mô hình sấy không khí đi ngang [6]

Mô tả hoạt động của mô hình:

Mô hình này rất đơn giản sử dụng trực tiếp bức xạ mặt trời để sấy hoa quả, kết hợp tấm meka bên trên để tạo hiệu ứng nhà kính Quạt sẽ thổi không khí theo phương ngang dọc theo chiều dài của phần diện tích sấy để tăng khả năng bay hơi của vật liệu

Ngoài ra mô hình còn sử dụng các tấm solar pannel để hấp thụ bức xạ mặt trời cung cấp cho quá trình quạt và điện trở nhiệt hoạt động trong trường hợp nhiệt độ môi trường thấp

Đánh giá mô hình:

- Ưu điểm: Mô hình thiết kế khá đơn giản, giá cả các thiết bị dễ tìm kiếm và rẻ,

có thể phù hợp với mô hình nhỏ và vừa

- Nhược điểm: Kết cấu khá đơn giản nên còn phụ thuộc nhiều vào điều kiện của môi trường Vì quá trình sấy và hấp thụ nhiệt xẩy ra đồng thời nên xây dựng bộ điều khiển tốt cũng trở nên khó khăn hơn

Mô hình 2:

Hình 2.3: Mô hình sấy không khí đi đứng [6]

Mô tả hoạt động của mô hình:

Ở đây có phần hấp thu bức xạ mặt trời được tách biệt, phần này được cấu tạo từ

2 phần chính đó là bộ phần hấp thu nhiệt thường là kim loại và tối màu, phần thứ 2 là vật liệu trong suốt là meka để tạo hiệu ứng nhà kính để bộ phận hấp thụ nhiệt được tối

đa 2 bộ phận này cách nhau bởi lớp chân không

Không khí nóng sẽ được hút từ bộ hấp thu nhiệt nhờ quạt vào buồng sây và đi

ra ở phía trên

Ngoài ra mô hình còn sử dụng các tấm solar paneel để hấp thụ bức xạ mặt trời cung cấp cho quá trình quạt và điện trở nhiệt hoạt động trong trường hợp nhiệt độ môi trường thấp

Đánh giá mô hình:

- Ưu điểm: Mô hình có cấu tạo riêng biệt giữa hấp thu nhiệt và sấy nên phù hợp với loại mô hình vừa và lớn Điều khiển nhiệt độ và lưu lượng cũng dễ dàng hơn Ngoài ra mô hình đạt hiệu suất cao hơn và ít ảnh hưởng vào môi trường

hơn

- Nhược điểm : Mô hình sẽ có chi phí đắt hơn mô hình 1

Kết luận: Mô hình em đề xuất trong đề tài này là mô hình số 1 vì đề tài em hướng đến

là hệ thống sấy hoa quả dành cho hộ gia đình với giá cả rẻ và hợp lí

• Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của chuối sấy :

Chỉ tiêu cảm quan:

- Hình thái: Mềm dẻo, đàn hồi, không quánh, chắc, cứng, sượng

- Màu sắc: Từ nâu đến vàng, tương đối đồng đều trong một túi, không thâm đen, nâu xỉn, nâu đỏ, không loang lổ

- Mùi vị: Vị ngọt đặc trưng của chuối sấy, không chát hay chua do lên men

Chỉ tiêu lý hóa:

- Kích thước: Loại nguyên quả dài không quá 7 cm

- Độ ẩm: 15 – 20%

2.3 Các tham số điều khiển trong quá trình sấy

Việc xây dựng mô hình sấy lý thuyết là cần thiết vì qua đó ta có thể nắm bắt được dạng quá trình động học của đối tượng và có thể đưa ra giải pháp điều khiển hợp

lý khi thiết kế mô hình thực

Quá trình trao đổi năng lượng của lò sấy:

Hình 2.4: Các biến quá trình trong hệ thống lò sấy

- Biến điều khiển: tốc độ quạt, Heater nhiệt

- Nhiều: nhiệt độ , độ ẩm MT

- Biến cần đk: Nhiệt độ lò sấy

Ta có tổng cộng 5 biến quá trình (T,To,F,q1,q2) , và một phương trình cân bằng năng lượng Như vậy bậc tự do của mô hình là 4 bằng với số biến đầu vào nên mô hình đảm bảo sự nhật quán

Nhận xét: Quá trình sấy là các quá trình nhiệt diễn ra rất phức tạp Vì trong thời gian

ngắn nên chúng em chưa thể đi sâu về xây dựng một mô hình lý thuyết hoàn chỉnh cho quá trình sấy hoa quả Do đó đề tài này chúng em sẽ tập trung vào xử lý về mặt thực nghiệm

CHƯƠNG 3: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển

sấy hoa quả

Hình 3.1: Lưu đồ P&ID hệ thống sấy

• Đối tượng cần điều khiển của hệ thống là nhiệt độ của không gian sấy

• Đối tượng điều khiển là công suất của quạt và công suất của điện trở nhiệt

• Bộ điều khiển sẽ bao gồm 1 vi điều khiển để thực hiện thuật toán điều khiển toàn bộ hệ thống, 1 relay để đóng ngắt điện cấp cho điện trở nhiệt, 1 transistor

để đóng ngắt điện cấp cho quạt

• Cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt độ bên trong và bên ngoài không gian sấy

• Máy tính sẽ đóng vai trò thu thập và truyền dữ liệu điều khiển với bộ điều khiển theo chuẩn giao tiếp UART RS232

• Hệ thống sấy được cấp nguồn điện từ ắc quy nạp bởi pin mặt trời thông qua mạch sạc để đảm bảo dòng nạp ổn định để bảo vệ ắc quy ngoài ra có tác dụng

tự ngắt khi ắc quy đầy

3.1 Tính toán công suất

- Công suất dự tính: Sấy dẻo 1 kg chuối trong 6-8 giờ/ mẻ

- Nhiệt độ sấy trung bình:

- Nhiệt độ sấy trung bình: 55 – 60°C

- Độ ẩm của thành phẩm sau sấy: 15 – 20 %

- Công suất các thiết bị của hệ thống

• Quạt tản nhiệt:

Sử dụng loại quạt tản nhiệt 12V, dòng tiêu thụ 0.15A

Lưu lượng gió 60 m3/h

Tổng công suất của hệ thống = 34 W

Từ thông số trên, ta có thể lựa chọn các thiết bị cung cấp nguồn điện cho hệ thống như acquy và pin mặt trời

1 AT89S52 Vi điều khiển 8-bit, 8KB bộ nhớ Flash, 32

GPIO, 3 Timer 16 bit, 1 UART

1

3.3 Thiết kế không gian sấy

Mô hình thực nghiệm của hệ thống sấy là mô hình lò sấy sử dụng công nghệ sấy đối lưu Không khí trong lò được làm nóng bởi năng lượng mặt trời và được lưu chuyển trong lò thông qua quạt gió

Công nghệ sấy đối lưu có 2 hình thức sấy chủ yếu đó là sấy ngang (không khí đi theo chiều ngang của lò), và sấy dọc (không khí đi theo chiều dọc từ dưới lên trên lò)

Do đặc điểm của công nghệ sấy bằng năng lượng mặt trời, hình thức sấy ngang đơn giản hơn và tận dụng được tối đa nhiệt năng từ mặt trời

• Lò sấy được thiết kế để sấy ngang sẽ có dạng hình hộp chữ nhật, kích thước 60

x 30 x 25 cm3.

• Vật liệu của lò là nhựa mica trắng đục, độ dày 1 cm

• Phần bề mặt lò sẽ được sơn đen để tối đa sự hấp thụ nhiệt từ mặt trời

• Một đầu của lò sẽ gắn quạt gió, đầu còn lại khoét lỗ để lấy lối ra của không khí

• Phần trên của lò sẽ đậy một tấm mica trong suốt để tạo hiệu ứng nhà kính, giúp quá trình tăng nhiệt trong lò nhanh và hiệu quả hơn

• Phần đáy của lò sẽ cố định thanh điện trở đốt nóng

Hình 3.2: Thiết kế chi tiết của không gian sấy

3.4 Thiết kế mạch điện bộ điều khiển

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển của hệ thống

• Hệ thống sử dụng vi điều khiển để thực hiện thuật toán của bộ điều khiển nhiệt

ốt đóng vai trò bảo vệ cho transistor khỏi dòng ngược khi tắt động cơ

• Hệ thống dùng 2 cảm biến để đo nhiệt độ bên trong và bên ngoài lò sấy

Sơ đồ trên là nguyên lý tối giản của bộ điều khiển của hệ thống Sau đây là phần nguyên lý chi tiết cho mạch điện

Hình 3.4: Sơ đồ chi tiết mạch điều khiển

Mô tả về hoạt động của bộ điều khiển:

VĐK 8051 là một vi điều khiển có 32 GPIO (chân vào/ra tín hiệu), chia làm 4 Port 8-bit, và có khả năng truy nhập/xuất tới từng bit VĐK có khả năng đưa tín hiệu điều khiển logic 0 – 1, ứng với 2 giá trị điện áp là 0 – 5V Điều đó đồng nghĩa với việc VĐK có thể trực tiếp thực hiện việc đóng mở Rơle và điều chỉnh tốc độ của quạt thông qua các transistor trên mạch VĐK làm việc theo chu kì vòng lặp, liên tục thực hiện các lệnh đã lập trình trong vòng lặp

Khối cảm biến gồm các cảm biến nhiệt độ DS18B20, các cảm biến giao tiếp với VĐK thông qua 1 chân dữ liệu, sử dụng chuẩn giao tiếp One-wire của hãng Dallas Semiconductor [5] Việc đọc dữ liệu nhiệt độ sẽ được thực hiện theo chu kì 1 giây

Khối hiển thị gồm 1 màn hình Text LCD1602, hiển thị 2 dòng 16 kí tự, có chức năng hiển thị thông tin về nhiệt độ bên trong và bên ngoài lò sấy, cũng như công suất của quạt và điện trở nhiệt

Khối nút nhấn có chức năng giúp người sử dụng cài đặt thông số nhiệt độ đặt

“setpoint” cho bộ điều khiển

Khối chấp hành bao gồm 2 mạch: mạch đóng mở rơ le và mạch đóng mở quạt Mạch đóng mở relay làm việc theo chu kì 10 giây, đóng mở tương ứng với tín hiệu điều khiển logic 0-1 từ VĐK Mạch đóng mở quạt thực hiện việc điều chỉnh tốc độ của quạt bằng việc thay đổi độ rộng xung PWM, xung vuông được gửi từ chân tín hiệu của VĐK

Khối giao tiếp UART của mạch sử dụng chuẩn giao tiếp RS232, là một chuẩn truyền thông nối tiếp không đồng bộ phổ thông để giao tiếp giữa các thiết bị trong công nghiệp và có thể giao tiếp giữa VĐK với máy tính Việc truyền dữ liệu về nhiệt

độ và công suất của 2 thiết bị chấp hành sẽ được thực hiện qua cổng UART của VĐK tới cổng COM của máy tính Sau đó dữ liệu đó sẽ được tiếp nhận và hiển thị trên công

cụ Matlab

Khối nguồn sử dụng module Buck DC – DC 3A thực hiện chuyển nguồn 12V

từ ắc quy về nguồn 5V để sử dụng trên mạch

Mô tả về chức năng của bộ điều khiển

Bộ điều khiển có chức năng chính sau đây:

• Đọc dữ liệu nhiệt độ từ 2 cảm biến nhiệt độ gắn bên trong lò và bên ngoài môi trường

• Tính toán công suất làm việc (phần trăm công suất) cho 2 thiết bị chấp hành, dựa trên luật điều khiển sẽ được đề cập ở chương 4

• Gửi dữ liệu về nhiệt độ và công suất tới màn hình Text LCD và gửi tới máy tính thông qua cổng UART

• Điều khiển 2 thiết bị chấp hành dựa trên thông số phần trăm công suất đã tính toán

3.5 Thiết kế mạch sạc pin mặt trời

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin mặt trời

• LM317 là IC ổn áp chỉnh được, điện áp ra có giá trị từ 1.2V tới 37V, được chỉnh bởi biến trở RV1, giá trị trở càng tăng thì điện áp ngõ ra càng tăng Dòng

ra cực đại của IC là 1.5A

• Tụ C1 có chức năng làm phẳng điện áp vào từ tấm pin mặt trời

• Điện trở R3 và điốt D3 dẫn dòng điện ra tới Ắc quy Điốt D3 có chức năng chống hiện tượng ắc quy giải phóng điện áp ngược về IC khi điện áp phía đầu vào giảm đột ngột

• Transistor NPN Q1 thực hiện chức năng ngắt dòng điện tới ắc quy sau khi đã sạc đầy Điốt zener D4 có giá trị điện áp đánh thủng là 12V

• LED D2 và D5 báo trạng thái làm việc của mạch tương ứng với khi đang sạc và khi đã sạc đầy

Nguyên lý hoạt động của mạch:

• Khi điện áp của ắc quy dưới 12V, dòng điện từ LM317 chảy qua R3 và D3 tới

ắc quy Khi này điốt zener D4 chưa dẫn LED D5 sáng, báo đang sạc

• Khi điện áp của ắc quy vượt quá 12V, dòng điện tới ắc quy sẽ giảm và dừng hẳn khi điốt zener đạt đủ ngưỡng điện áp đánh thủng và cho phép dòng điện chảy qua nó

• Lúc này cực nền của transistor sẽ có đủ dòng để mở và dòng điện ra từ LM317

sẽ chảy thẳng xuống điểm đất LED D2 khi này sáng, báo đã sạc đầy

Lựa chọn pin mặt trời cho hệ thống:

Hình 3.6: Tấm pin mặt trời

Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Sự chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện này thực hiện theo hiệu ứng quang điện

Để sạc được cho ắc quy 12V, chúng ta cần sử dụng bộ sạc pin bằng năng lượng mặt trời để ổn định áp và dòng sạc cho bình, đồng thời bảo về ắc quy tránh tình trạc sạc nhồi dẫn đến phù, hư hỏng ắc quy

Công suất mỗi tấm pin là 10W và có thể ghép nối các tấm lại với nhau để tăng điện áp hoặc công suất lên trong những trường hợp cần thiết

3.6 Giao tiếp với máy tính

Chuẩn truyền thông nối tiếp RS232

Ngày nay các thiết bị đo lường, điều khiển đều phải giao tiếp với máy tính để quan sát thông số và chế độ hoạt động của thiết bị như thế nào? Chuẩn giao tiếp được

coi là đơn giản và dễ dùng đó là RS232 Hầu như các thiết bị đều được giao tiếp với

máy tính thông qua chuẩn này

Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị , chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu là 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt Ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp nghĩa là trong một thời điểm chỉ có một bit được gửi

đi dọc theo đường truyền

Có hai phiên bản RS232 được lưu hành trong thời gian tương đối dài là

RS232B và RS232C Nhưng cho đến nay thì phiên bản RS232B cũ thì ít được dùng

còn RS232C hiện vẫn được dùng và tồn tại thường được gọi là tên ngẵn gọn là chuẩn

RS232

Các máy tính thường có 1 hoặc 2 cổng nối tiếp theo chuẩn RS232C được gọi là cổng Com Chúng được dùng ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo lường Trên main máy tính có loại 9 chân hoặc lại 25 chân tùy vào đời máy và main của máy tính Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS232 cũng tương đối dễ dàng, đặc biệt khi chọn chế

độ hoạt động là không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp

Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232

• Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

• Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện

• Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp

Quá trình truyền dữ liệu

a) Cách thức truyền dữ liệu

Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 được thực hiện không đồng bộ Do vậy nên tại một thời điểm chỉ có một bit được truyền (1 kí tự) Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (bit start) để thông báo cho bộ nhận biết một kí tự sẽ được gửi đến trong lần truyền bit tiếp theo Bit này luôn bắt đầu bằng mức 0 Tiếp theo đó là các bit dữ liệu (bits data) được gửi dưới dạng mã ASCII (có thể là 5,6,7 hay 8 bit dữ liệu) Sau đó là một Parity bit (Kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) và cuối cùng là bit dừng - bit stop có thể là

1 hay 2 bit dừng

b) Tốc độ Baud

Đây là một tham số đặc trưng của RS232 Tham số này chính là đặc trưng cho quá trình truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 là tốc độ truyền nhận dữ liệu hay còn gọi là tốc độ bit Tốc độ bit được định nghĩa là số bit truyền được trong thời gian 1 giây hay số bit truyền được trong thời gian 1 giây Tốc độ bit này phải được thiết lập ở bên phát và bên nhận đều phải có tốc độ như nhau (Tốc độ giữa vi điều khiển và máy tính phải chung nhau 1 tốc độ truyền bit)

Ngoài tốc độ bit còn một tham số để mô tả tốc độ truyền là tốc độ Baud Tốc độ Baud liên quan đến tốc độ mà phần tử mã hóa dữ liệu được sử dụng để diễn tả bit được truyền còn tôc độ bit thì phản ánh tốc độ thực tế mà các bit được truyền.Vì một phần

tử báo hiệu sự mã hóa một bit nên khi đó hai tốc độ bit và tốc độ baud là phải đồng nhất

c) Bit chẵn lẻ hay Parity bit

Đây là bit kiểm tra lỗi trên đường truyền Thực chất của quá trình kiểm tra lỗi khi truyền dữ liệu là bổ sung thêm dữ liệu được truyền để tìm ra hoặc sửa một số lỗi trong quá trình truyền Do đó trong chuẩn RS232 sử dụng một kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ

Một bit chẵn lẻ được bổ sung vào dữ liệu được truyền để ch thấy số lượng các bit "1" được gửi trong một khung truyền là chẵn hay lẻ

Một Parity bit chỉ có thể tìm ra một số lẻ các lỗi chả hạn như 1, 3, 5, 7, 9 Nếu như một bit chẵn được mắc lỗi thì Parity bit sẽ trùng giá trị với trường hợp không mắc lỗi vì thế không phát hiện ra lỗi Do đó trong kỹ thuật mã hóa lỗi này không được sử dụng trong trường hợp có khả năng một vài bit bị mắc lỗi

Phần mềm giao tiếp

Giao tiếp UART giữa vi điều khiển và máy tính phải thông qua phần mềm giao diện để nhận biết được dữ liệu truyền lên và nhận xuống như thế nào

Trong đề tài này nhóm em đã thiết kế một giao diện từ công cụ phần mềm Matlab Công cụ sẽ được giới thiệu ở chương 4

CHƯƠNG 4: Thiết kế phần mềm cho hệ thống điều

khiển sấy hoa quả Yêu cầu kĩ thuật: Mục tiêu của hệ thống phần mềm nhằm cho hệ thống có thể

tự đông hoạt động điều chỉnh nhiệt độ quá trình sấy mà người sử dụng yêu cầu Phần mềm được xây dựng trên 2 phần chính đó là: thiết kế chương trình điều khiển trên VĐK và phần giao diện người máy giúp người dùng có thể sử cài đặt điều khiển và giám sát trực tiếp trên màn hình máy tính

4.1 Nhận dạng mô hình bằng phương pháp thực nghiệm

Tiến hành nhận dạng bằng thực nghiệm Phải xác định hàm truyền quan hệ giữa công suất quạt với đầu ra và nhiệt độ, và công suất điện trở nhiệt với đầu ra là nhiệt độ

Để làm được điều này ta sẽ phải tiến hành khảo sát từng mối quan hệ Tín hiệu nhiệt

độ lò được đo về VĐK từ đó được gửi về máy tính có cài đặt phần mềm matlab thông qua giao diện đã được lập trình sẵn Dữ liệu sau khi được xử lí sẽ nhận được dạng hàm truyền

• Đầu tiên sẽ chỉ cho quạt tản nhiệt hoạt động cố định công suất đầu vào là 100% Thu được kết quả như sau:

Hình 4.2: Đồ thị kết quả nhận dạng quạt tản nhiệt

Trục tung là nhiệt độ lò, trục hoành là thời gian đo Nhận thấy khi cho quạt chạy 100% công suất trong thời gian 1500s nhiệt độ giảm từ 24 độ C xuống 23 độ C

Sử dụng công cụ System Identification để nhận dang:

Hình 4.3: Hàm nhận dạng trên matlab của quạt tản nhiệt

Ta xấp xỉ mô hình hàm truyền giữa công suất quạt và nhiệt độ là một khâu quán tính bậc 1, có trễ, có độ chính xác đến 98.85%:

Hình 4.4: Đồ thị kết quả nhận dạng điện trở

Trục tung là nhiệt độ lò, trục hoành là thời gian đo Nhận thấy khi cho điện trở chạy 100% công suất trong thời gian 2500s nhiệt độ tăng từ 25 độ C xuống 40 độ C

Sử dụng công cụ System Identification nhận dạng hàm truyền

Hình 4.5: Hàm nhận dạng trên matlab của điện trở nhiệt

Hàm truyền giữa công suất điện trở nhiệt và nhiệt độ lò:

Xấp xỉ mô hình hàm truyền giữa công suất điện trở nhiệt và nhiệt độ là một khâu quán tính bậc 1, có độ chính xác đến 90.29%:

Khi nhiệt độ môi trường dao động từ 33-38 độ C, thì nhiệt độ lò tăng lên đến xấp xỉ 60

độ C trong thời gian là 1800s