Module điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua mạng điện thoại di động

HỌC VIỆN HẢI QUÂN KHOA VŨ KHÍ DƯỚI NƯỚC ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TÊN ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG KỸ THUẬT VI ĐIỀU KHIỂN XÂY DỰNG HỆ THỘNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT Người hướng dẫn :

HỌC VIỆN HẢI QUÂN KHOA VŨ KHÍ DƯỚI NƯỚC

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TÊN ĐỀ TÀI

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT VI ĐIỀU KHIỂN XÂY DỰNG HỆ

THỘNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT

HỌC VIỆN HẢI QUÂN KHOA VŨ KHÍ DƯỚI NƯỚC

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TÊN ĐỀ TÀI

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT VI ĐIỀU KHIỂN XÂY DỰNG HỆ THỘNG

TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT

Người hướng dẫn : Thượng tá – Nguyễn Xuân Phú

Học viên thực hiện : Ngô Đăng Hiền – Lớp KMP10

Nha Trang, Tháng 6 Năm 2011

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số các hệ thống điều khiển dần dần được tự động hóa Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xửlí, vi mạch số … đựơc ứng dụng vào lỉnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiểncơ khí thô sơ, với tốc độ xử lí chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước

Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp hiện nay, việc đo và khống chế nhiệt độ tự động là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng Vì nếu nắmbắt được nhiệt độ làm việc cuả các hệ thống, dây chuyền sản xuất … giúp ta biếtđược tình trạng làm việc của các yêu cầu Và có những xử lý kịp thời tránh được những hư hỏng và sự cố có thể xảy ra

Để đáp ứng được yêu cầu đo và khống chế nhiệt độ tự động, thì có nhiều phương pháp để thực hiện, nghiên cửu khảo sát vi điều khiển tôi nhận thấy rằng: ứng dụng vi điều khiển vào việc đo và khống chế nhiệt độ tự động là

phương pháp tối ưu nhất Được sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn Thượng tá –

Nguyễn Xuân Phú đã giúp tôi nhiều trong quá trình tiến hành thực hiện đề tài

“Ứng dụng vi điều khiển xây dựng hệ thống ổn định nhiệt độ lò nhiệt”

Học viên

Ngô Đăng Hiền

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NHIỆT

+ Sản xuất các hợp kim phe-rô

+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện

+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi

+ Sản xuất đúc và kim loại bột

- Trong các lĩnh vực công nghiệp khác :

+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm

+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện đửợc dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v

- Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con ngưưười một cách phong phú và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v

1.2 - Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu

Lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau :

- Có khả năng tạo được nhiệt độ cao

- Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao

- Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ

- Kín

- Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận

chuyễn vật phẩm

- Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ

1.3 - Nhược điểm của lò điện

- Năng lượng điện đắt

- Yều cầu có trình độ cao khi sử dụng

1.4 - Nguyên lý làm việc của lò điện trở

Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây

dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một l-ợng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ : Q=I2 RT

Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J)

I - Dòng điện tính bằng Ampe (A)

R - Điện trở tính bằng Ôm

T - Thời gian tính bằng giây (s)

Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò :

- Vật nung : Trường hợp này gọi là nung trực tiếp

- Dây nung : Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nung gián tiếp Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản ( tiết diện chữ nhật, vuông và tròn )

Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp Cho nên nói đến

lò điện trở không thể không đề cập đến vật liều để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò

Chương II : Vi điều khiển PIC16F877A và Cảm biến nhiệt

DS18B20

2.1 Đặc tính của vi điều khiển PIC16F877A

 Sử dụng công nghệ tích hợp cao RISC CPU

 Người sử dụng có thể lập trình với 35 câu lệnh đơn giãn

 Tất cả các câu lệnh đều được thực hiện trong một chu kỳ ngoại trừ một số lệnh rẽ nhánh được thực hiện trong 2 chu kỳ lệnh

 Tốc độ hoạt động là: -Xung đồng hồ vào DC 20MHz

 Chu kỳ thực hiện trong 200ns

 Bộ nhớ chương trình flash 8Kx 14words

 Bộ nhớ Ram 368x8bytes

 Bộ nhớ EFPROM 256x8 bytes

- Khả năng của bộ vi điều khiển này

 Khả năng ngắt: lên tới 15 nguồn ngắt trong và ngắt ngoài

 Ngăn nhớ Stack đọc phân chia làm 8 mức

 Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc giám tiếp

 Nguồn khởi động lại (POR)

 Bộ tạo xung thời gian(PWRT) và bộ tạo dao động (OST)

 Bộ đếm xung thời gian(WDT) với nguồn dao động trên chip nguồn dao động (RC) hoạt động đáng tin cậy

 Có mạch chương trình bảo vệ

 Phương thức cất giữ SLEEP

 Có bản lưa chọn dao động công nghệ CMOS FLASH/EFPROM nguồn mứa

 thấp , tốc độ cao

 Thiết kế hoàn toàn tĩnh

 Mạch chương trình nối tiếp có hai chân

 Xử lý đọc/ghi tới bộ nhớ chương trình

 Dải điện thế hoạt động rộng 2V đến 5.5V

 Nguồn sử dụng hiện tại 2.5mA

 Công suất tiêu thụ: <0.6mA với 5V, 4MHz

 20uA với nguồn 3V , 32KHz

 <1uA với nguồn dự phòng

- Các đặt tính nổi bật của thiết bị ngoại vi trên chip

 Timer0: 8 bit với bộ định thời , bộ đếm với hệ số tỉ lệ trước

 Timer1: 16 bit với bộ định thời , bộ đếm với hệ số tỉ lệ trước, có khả năng tăng trong khi ở chế độ SLEEP qua xung đồng hồ được cung cấp bên ngoài

 Timer2: 8 bit với bộ định thời , bộ đếm 8 bit với hệ số tỉ lệ trước , hệ số tỉ lệ sau

 Có 2 chế độ bắt giữ , so sánh, và điều chế độ rộng xung(PWM)

 Chế độ bắt giữ với 16 bit, với tốc độ 12,5ns, chế độ so sánh với 16 bit tốc

độ xử lý cực đại là 200ns, chế độ điều chế độ rộng xung với 10 bit

 Bộ chuyển đổi tin hiệu số sang tương tự với 10 bit

 Cổng truyền thông nối tiếp SSP và SPI phương thức chủ tớ và I2C

 Bộ truyền nhận thông tin đồng bộ, dị bộ (USART/SCR) có khả năng hiện 9 bit địa chỉ

 Cổng phụ song song PSP với 8 bit mở rộng với RD , WR , CS điều k

Sơ đồ và chức năng các chân Pic 16F877A

2.2 Sensor cảm biến nhiệt DS18B20

2.2.1 Giới thiệu

Đây là loại cảm biến số của hảng Dallas chỉ cần kết nối với 1 chân duy nhất của

vi điều khiển là có thể đọc được nhiệt độ Có duy nhất 64 bit nối tiếp được lưu trong ROM Nguồn nuôi từ 3.0V đến 5.5V Dãi nhiệt độ đo được từ : -550 C đến

1250 C Với độ chính xác : +/ - 0.50 C Thời gian chuyển đổi nhiệt độ lớn nhất là 750nS

Chính vì những lý do trên mà tôi chọn sensor này, để đảm bảo cho hệ thống làm việc 1 cách tin cậy và chính xác

2.2.2 Phương pháp lập trình với Sensor DS18B20

Đối với loại Sensor này theo datasheet của Dallas 18B20 chúng ta có 1 thư viện mã nguồn mở để khai thác sensor này Cơ bản của nó là đọc dữ liệu từ ROM của DS180B20 và lưu vào PIC Trong chương trình tôi sử dụng thư

viện ds18020.c đã được chỉnh sửa cho phù hợp với bài toán

Chương III : Giao tiếp với máy tính và LabView

3.1 Chuẩn truyền thông nối tiếp RS 232

RS-232 là một trong những chuẩn truyền thông được sử dụng phổ biến hiện nay bên cạnh hai chuẩn truyền thông khác là RS-442 và RS-485 Lúc đầu, RS-232 được

xây dựng chủ yếu phục vụ trong ghép nối điểm – điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE Data Terminal Equipment), chẳng hạn như giữa hai máy tính, giữa máy tính

và máy in, máy tính và modem…

Ngày nay, mỗi máy tính cá nhân đều có một hoặc một vài cổng nối tiếp theo chuẩn RS-232 (cổng COM), có thể sử dụng để kết nối với các thiết bị ngoại vi hoặc các máy tính khác Nhiều thiết bị công nghiệp cũng tích hợp cổng RS-232 phục vụ cho công việc lập trình hoặc tham số hóa

3.2 Cấu tạo cổng RS-232 (cổng COM)

Cổng RS-232 có ba loại giắc cắm khác nhau: dạng 9 chân DB – 9, dạng 25 chân

DB – 25, và dạng 26 chân ALT – A Trong đó, hai dạng DB – 9 và DB – 25 được

trình bày bên dưới

• TxD (Transmit Data): đường gửi dữ liệu

• RxD (Receive Data): đường nhận dữ liệu

• RTS (Request To Send): Yêu cầu gửi; bộ truyền đặt đường này lên mức

• hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu

• CTS (Clear To Send): Xoá để gửi; bộ nhận đặt đường này lên mức hoạt

• động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận dữ liệu

Chương trình truyền nhận tín hiệu được viết dựa trên phần mềm LabView Máy tính thu nhận dữ liệu (giá trị lực theo thời gian) do người dùng nhập vào, rồi truyền xuống cho vi điều khiển PIC qua chân TxD Sau đó, dữ liệu được nhận về từ chân RxD sẽ được xử lý và hiển thị lên màn hình đồ họa để so sánh, cho thấy độ đáp ứng của hệ thống

3.3 Giao tiếp với vi điều khiển

Khi thực hiện giao tiếp với vi điều khiển, ta phải dùng thêm mạch chuyển mức logic từ TTL RS232 và ngược lại Các vi mạch thường sử dụng là MAX232 của Maxim hay DS275 của Dallas Mạch chuyển mức logic mô tả như sau:

3.4 Tổng quan về LabView

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)- phũng thớ nghiệm thực tế ứng dụng kỹ thuật : là mụi trường phỏt triển dựa trờn ngụn ngữ lập trỡnh đồ hoạ Labview sử dụng thuật ngữ học, cỏc biểu tượng, cỏc ý tưởng quen thuộc với cỏc nhà kỹ thuật, cỏc nhà khoa học và cỏc kỹ sư LabVIEW tớch hợp hoàn toàn cho truyền thụng phần cứng như GPIB, VXI, RS - 232, RS - 485, và phớch cắm (plug in) LabVIEW cũn cú những thư viện sẵn để sự dụng những tiờu chuẩn phần mềm như TCP/IP nối mạng và ActiveX

Labview là một ngôn ngữ lập trình đa năng, giống như các ngôn ngữ lập trình hiện đại khác Labview gồm có các thư viên thu nhận dữ liệu, một loạt các thiết bị

điều khiển, phân tích dữ liệu, biểu diễn và lưu trữ dữ liệu Nó còn có các công cụ phát triển được thiết kế riêng cho việc nối ghép và điều khiển thiết bị

Labview khác với các ngôn ngữ lập trình thông thường ở điểm cơ bản là: các ngôn ngữ lập trình khác thường dùng trên cơ chế dòng lệnh, trong khi đó Labview dùng ngôn ngữ lập trình Graphical để trạo ra các chương trình ở dạng sơ đồ khối

3.5 Chương trình giao tiếp với máy tính

- Giao diện chương trỡnh

- Code lập trình

CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 4.1 Đặt vấn đề

Lò nhiệt ở đây chính là tải bóng đèn sợi đốt 220VAC – 100W điều khiển nhiệt chính là điều khiển điện áp xoay chiều đặt trên tải (bóng đèn) Bóng đèn là tải thuần trở nên điều khiển tương đối dễ hơn so với tải điện cảm hay động cơ

Có nhiều phương pháp để điều áp có thể điều khiển theo tuyến tính (góc mở), điều khiển theo xung (đóng ngắt) để đạt được nhiệt độ yêu cầu Có thể dùng 2 IC Thysistor đấu ngược hoặc TRIAC để làm van đóng mở

Với yêu cầu của đề tài ở đây tôi dùng 1 IC TRIAC để làm van động lực, còn việc điều khiển việc mở van sử dụng optotriac MOC3020 và PIC16F877A Phương pháp điều khiển tuyến tính (góc mở)

4.2 Điều áp xoay chiều một pha tải thuần trở

Tại các thời điểm t1, t2 có xung điều khiển Triac sẽ dẫn Nếu bỏ qua sự sụt áp trên các van bán dẫn thì đồ thị dạng điện áp tải có dạng như hình vẽ Dòng điện tải đồng dạng với điện áp tải

Giá trị hiệu dụng của điện áp tải:

2

0

2 1

2

1d

u2

1U

UdsinU2

1



 U

t

Giá trị hiệu dụng dòng điện tải:

u1 : giá trị tức thời của điện áp lưới

Ud, Id : giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện tải

R : Giá trị điện trở của tải

 : góc mở của Triac

Sơ đồ khối mạch điều khiển

Trong đó, khâu đồng pha sử dụng khuếch đại thuật toán:

Khâu đồng

pha

Vi điều khiển

Khâu tính toán

MOC3020

U f

TRIAC

4.3 Nguồn nuôi

Ta cần tạo nguồn điện áp +/- 5V để cấp cho Op-amp 741, vi điều khiển và các

IC Ở đây tôi thêm nguồn đối +/- 12V để dùng khi cần thiết

5 Thuật toán

Điện áp xoay chiều 220VAC được qua biến áp đưa vào khâu đồng bộ (opamp 741) lấy ra tín hiệu hình vuông, xung này được đưa vào chân ngắt RB0 của PIC (đây chính là mạch detect zero crossing), tại hàm ngắt của PIC

sẽ tính toán thời gian delay đảm bảo kích xung mở cho MOC3020 MOC3020 mở cũng chính là lúc Triac thông, thời điểm kích mở quyết định

Tín hiệu đồng bộ

điện áp ra tải Việc điều nhiệt hoàn toàn được xử lý dưới PIC 1 cách tự động

 Lưu đồ thuật toán chung

BEGIN

NHẬP GIÁ TRỊ NHIỆT ĐỘ

TỪ MÁY TÍNH

PIC 16F877A COMPUTER

LẤY GIÁ TRỊ NHIỆT ĐỘ TỪ PIC (SENSOR DS18B20)

END

RS232

 Lưu đồ thuật toán xử lý nhiệt dưới PIC

KẾT LUẬN

Sau một thời gian nghiên cứ và được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Nguyễn Xuân Phú, đề tài đã hoàn thành đúng tiến độ và đạt được những kết quả sau :

 Đề tài cơ bản đã đáp ứng được yêu cầu điều khiển nhiệt độ

 Thành thạo hơn kỹ năng về lập trình cho vi điều khiển, nắm vững bộ vi điều khiển PIC16F877A

 Nội dung nghiên cứu mang tính khoa học, làm quen với phương pháp nghiên cứu khoa học, đáp ứng được giữa vấn đề lý thuyết và thực hành Tạo được môi trường nghiên cứu cho học viên

 Do thời gian, kinh nghiệm, kiến thức còn nhiều mặt hạn chế nên sản phẩm chưa mang tính thực tiễn cao

Hướng phát triển đề tài

 Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt có cảnh báo, với tốc độ đáp ứng nhanh

 Nghiên cứu ứng dụng Ethernet và mạng trên việc điều khiển hệ thống qua mạng

Xin chân thành cảm ơn !

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Điện tử công suất – Lê Văn Doanh

[2] PIC16F877A datasheet

[3] CCS User Manual

[4] www.picvietnam.com

[5] www.dientuvietnam.net

PHỤ LỤC

1 Mạch Shematic và PCB detect zero crossing

2 Khối Nguồn

3 Mạch Moc3020 và TRIAC

4 Mạch cảm biến DS18B20

5 Mạch RS232

6 Giao diện chương trình và code

7 Code PIC

#include <16f877a.h>

#include <defs_16f877a.h>

#device *=16 adc = 8

#FUSES HS

#FUSES PUT

#FUSES NOPROTECT

#FUSES NOBROWNOUT

#FUSES NOLVP

#FUSES NOCPD

#FUSES NODEBUG

#FUSES NOWDT #use delay (clock = 20M) #include <ds1820.c> #use fast_io(d) #use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6, rcv=PIN_C7,bits = 8) int1 flag1 = 1,flag = 0,flag2 = 0; unsigned int8 value =170,nhietdo,pre_temperature =20; unsigned int8 temperature; char ch; // -DELAY

{

int8 j;