Tính toán thiết kế hệ thống đo phản hồi và ổn định nhiệt độ môi trường

Việc ứng dụng vi điều khiển và máy tính vào kỹ thuật đo lường, điều khiển đã đem lại cho con người những kết quả hết sức ưu việt. Trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là trong các ngành công nghiệp, điện tử, robot, hằng không vũ trụ… vấn đề đo và thu thập dữ liệu về động cơ có vai trò quan trọng ảnh hưởng trực tiếp tới các bộ phận cơ cấu chấp hành. Các hệ thống đo lường và điều khiển sử dụng vi điều khiển có độ chính xác cao, thời gian thu thập số liệu ngắn, nhưng điều đáng quan tâm hơn là mức độ tự động hoá trong việc thu thập và xử lý kết quả đo. Sau khi nhận đề tài “Tính toán thiết kếhê ̣thống do phản hồi và ổn dinh ̣ nhiêt đ̣ ộmôi trường ” chúng em đã vận dụng tất cả các kiến thức và năng lực đã tính luỹ và nghiên cứu thêm về phần tử điều khiển là vi điều khiển avr để hoàn thành được đề tài này với mong muốn sẽ có một kiến thức sâu sắc, thực tế hơn và góp phần vào sự phát triển của nền sản xuất tự động hóa của nước nhà. Những kiến thức chúng em tích luỹ được còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai sót và còn thiếu kinh nghiệm trong việc trình bày, do đó chúng em rất mong nhận được sự góp ý và bổ sung của các thầy, cô và các bạn theo dõi đề tài này.

Sinh viên : Vũ Xuân Hiếu - K165520114052

Dương Đăng Hoàng – K165520114025 Lớp : K52.CĐT1

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đăng Hoè

Thái Nguyên 2019

TRƯỜNG ĐHKTCN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MÔN HỌC: Thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

BỘ MÔN: CƠ ĐIỆN TỬ

Sinh viên: Vũ Xuân Hiếu - K165520114052

Dương Đăng Hoàng – K165520114025

Lớp : K52.CĐT1

Ngành : Kỹ thuật Cơ – điện tử

Ngày giao đề: 21/10/2019 Ngày hoàn thành: 21/8/2019

1.Tên đề tài:

Tính toán thiết kế hê ̣ thống do phản hồ i và ổn di ̣nh nhiê ̣t đô ̣ môi trường

2 Nội dung thuyết minh tính toán:

- Tổng quan về cơ điện tử

- Tổng quan về đối tượng thiết kế

- Thiết kế và ổn định hệ thống

- Kết luận, hướng phát triển tương lai và áp dụng

3 Các bản vẽ, chương trình và đồ thị

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

……… ……….

……… ……….

………

3

………

………

Thái Nguyên, Ngày… tháng… năm 2019 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM ……… ……….

……… ……….

………

………

………

Thái Nguyên, Ngày… tháng… năm 2019 GIÁO VIÊN CHẤM (Ký ghi rõ họ tên)

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng chúng em

và được sự hướng dẫn khoa học của Thầy Nguyễn Đăng Hoè Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc

phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau

Ngoài ra, trong đồ án còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của

các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào chúng em xin hoàn toàn chịu trách

nhiệm về nội dung đồ án của mình Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái

Nguyên không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do chúng em

gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian tìm hiểu và làm đồ án, được sự giảng dạy, hướng dẫn

và giúp đỡ tận tình từ thầy Nguyễn Đăng Hoè cùng các thầy cô bộ môn Cơ điện

tử đã giúp chúng em hoàn thành đề tài

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Đăng Hoè cùng các

thầy cô bộ môn cơ điện tử đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức rất bổ ích

không chỉ cần thiết cho đồ án mà còn cần thiết cho công việc và cuộc sống

5

LỜI NÓI ĐẦU

Việc ứng dụng vi điều khiển và máy tính vào kỹ thuật đo lường, điều khiển đã đem lại cho con người những kết quả hết sức ưu việt Trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là trong các ngành công nghiệp, điện

tử, robot, hằng không vũ trụ… vấn đề đo và thu thập dữ liệu về động cơ có vai trò quan trọng ảnh hưởng trực tiếp tới các bộ phận cơ cấu chấp hành Các hệ thống đo lường và điều khiển sử dụng vi điều khiển có độ chính xác cao, thời gian thu thập số liệu ngắn, nhưng điều đáng quan tâm hơn là mức độ tự động hoá trong việc thu thập và xử lý kết quả đo

Sau khi nhận đề tài “Ti ́nh toán thiết kế hê ̣ thống do phản hồi và ổn di ̣nh nhiê ̣t độ môi trường ” chúng em đã vận dụng tất cả các kiến thức và năng lực đã

tính luỹ và nghiên cứu thêm về phần tử điều khiển là vi điều khiển avr để hoàn thành được đề tài này với mong muốn sẽ có một kiến thức sâu sắc, thực tế hơn

và góp phần vào sự phát triển của nền sản xuất tự động hóa của nước nhà

Những kiến thức chúng em tích luỹ được còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai sót và còn thiếu kinh nghiệm trong việc trình bày, do đó chúng em rất mong nhận được sự góp ý và bổ sung của các thầy, cô và các bạn theo dõi đề tài này

Chúng em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè cùng

các thầy, cô trong bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Ngày nay khoa học công nghệ hiện đại đã có những bước tiến nhanah và

xa ,đi theo nó là những thành tựu uwngd dụng trong lĩnh vực đời sống,công nghiệp kỹ thuật điều khiển trong tiến trình hoàn thieenjlys thuyết cũng đã tạo cho con người nhiều phát triển ý nghĩa.bây giờ khi nhắc tới điều khiển dường như hình dung tới độ chính xác,tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là lượng chất xám cao hơn.hiện nay trên thị trường có rất nhiều Loại vi điều khiển như 8051,PIC…Ngoài họ 8051 được hướng dẫn một cách căn bản ở trường ,chúng em đã chọn bo mạch tích hơp Arduino Uno để mở rộng kiến thức và phát triển các ứng dụng trên công cụ này vì các nguyên nhân sau:

Có đầy đủ tính năng của một vi điều khiển

Cách lập trình,nạp chương trình,kết nối bo mạch với lcd ,cảm biến phổ biến

và dễ dàng

Là một bo mạch được sử dụng rộng dãi ở Việt Nam cũng như trên thế giới

do đó thuận tiện trong việc tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như:số lượng tài liệu,số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển dễ dàng trao đổi,học tập,dễ dàng tìm được hỗ trợ khi gặp khó khăn

Vì vậy sau một thời gian học tập và tìm hiểu tài liệu với sự giảng dạy của các thầy cô giáo cùng với sự dẫn dắt nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn thầy Nguyễn Ngọc Hà chúng em đã chọn đề tài :” Thiết kế hệ thống đo phản hồi và ổn định nhiệt độ môi trường” làm đồ án của mình

Mục đích nghiên cứu

Mục đích của người thực hiện đề tài đã tiến hành nghiên cứu là: Trước tiên là để hoàn thành môn học

Với bản thân người thực hiện đề tài, đây chính là một cơ hội tốt để có thể

tự kiểm tra lại kiến thức của mình, đồng thời có cơ hội để nỗ lực vận động tìm hiểu, tiếp cận nghiên cứu được với những vấn đề mình chưa biết, chưa hiểu rõ nhằm trang bị cho bản thân nhiều kiến thức bổ ích sau này có thể ứng dụng vào thực tế cuộc sống

7

Tập tính làm việc độc lập, khả năng tự suy nghĩ tìm tòi, học hỏi, phát huy năng lực của bản thân

Ngoài ra còn tạo được 1 sản phẩm có tính ứng dụng trong thực tế

Đối tượng nghiên cứu:

- Các phương án điều khiển và xử lý dữ liệu ra LCD

- Tìm hiểu về Arduino nano V3

- Tìm hiểu phương pháp lập trình cho Arduino nano V3

- Giao tiếp giữa cảm biến đo nhiệt độ và Arduino nano V3

Lập kế hoạch nghiên cứu:

- Để thực hiện đề tài này em đã kết hợp sử dụng nhiều phương pháp và phương tiện hỗ trợ gồm có:

- Tham khảo tài liệu:lập trình trong kỹ thuật ,vi điều khiển và ứng dụng Arduino dành cho người tự học…

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO

CƠ ĐIỆN TỬ

1.1 Giới thiệu cơ điện tử và hệ thống đo lường

 Hệ thống cơ điện tử

Tổng hợp sơ đồ nguyên lý sản phẩm Cơ điện tử nhằm thể hiện được các

mô đun cấu thành nên sản phẩm, thấy được sự tích hợp và ghép nối giữa các thành phần này Có thể biểu diễn sơ đồ này dưới dạng khối như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Cơ điện tử

Trong đó ý nghĩa các khối được như sau:

- Phần công tác: là phần trực tiếp đưa ra các thao tác công nghệ

- Đo lường : là modul kết nối đối tượng với bộ điều khiển, nó tạo tín hiệu

phản hồi làm đầu vào cho bộ điều khiển

- Mô hình hóa: là modul tạo tín hiệu đặt cho bộ điều khiển

- Bộ điều khiển: nhận tín hiệu từ modul đo lường, tính toán hiệu chỉnh và

đưa lệnh điều khiển nguồn động lực để có các thao tác chính xác

- Cơ cấu chấp hành (CCCH): là modul tạo nguồn động lực cho phần công

tác, nó nhận lệnh điều khiển trực tiếp từ bộ điều khiển

- DSP: Khối xử lý tín hiệu số Qua sơ đồ trên ta có thể thấy, từ phần công tác (có thể là điện, hệ cơ học, máy công cụ, tay máy,…) bằng cách xem xét cấu trúc và các mối quan hệ động lực học nội tại của đối tượng ta thiết lập được phương trình toán mô tả hoạt động của đối tượng, đó chính là mô đun Mô hình

9

hóa Từ đó phương trình này ta có thể xác định được các yếu tố động lực học cần thiết để đối tượng thực hiện được đầu ra đúng ý đồ công nghệ Các thông số động lực học này sẽ được lưu trữ trong Bộ điều khiển dưới dạng tín hiệu đặt phục vụ cho việc hiệu chỉnh hệ thống Khi đối tượng hoạt động, tín hiệu ra thường được giám sát bởi các Sensor, đó chính là Mô đun đo lường được bố trí ở cuối hệ thống

để thu thập được thông tin hoạt động của Phần công tác, tín hiệu thu được thường

ở dạng Analog nên cần phải mã hóa và xử lý trước khi đưa vào Bộ điều khiển (Bộ điều khiển làm việc với Digital Signal) Quá trình này được thực hiện nhờ

Bộ DSP 1 (mô đun xử lý tín hiệu), có quá trình này có thể gồm chuyển đổi AD, lọc, điều chế… Dưới sự tích hợp của các thành phần bao gồm: Máy tính, mạch điện tử, Vi xử lý thì Bộ điều khiển tiến hành so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu đặt và tính toán để đưa ra hiệu chỉnh khi có sai lệch hoặc có sự thay đổi tín hiệu đặt Tín hiệu điều khiển được đưa ra bởi bộ điều khiển ở dạng số (Digital) nên phải qua Bộ DSP2 để biến đổi DA đưa về dạng Analog để tác động lên CCCH (cơ cấu chấp hành) để điều khiển nó cung cấp nguồn động lực giúp phần công tác hoạt động đúng ý đồ công nghệ mong muốn

Hình 1.2: Mô hình hệ thống Cơ điện tử

 Vị trí, vai trò của hệ thống đo trong hệ thống cơ điện tử

Module đo lường được bố trí ở cuối hệ thống để thu thập được thông tin hoạt động của Phần công tác, hệ thống đo tạo ra sự kết nối và tương tác giữa phần

công tác và bộ điều khiển, từ hệ thống đo ta có tín hiệu phản hồi để làm đầu vào khởi tạo bài toán hiệu chỉnh ở bộ điều khiển

Tín hiệu thu được từ hệ thống đo thường ở dạng Analog nên cần phải mã hóa và xử lý trước khi đưa vào Bộ điều khiển (Bộ điều khiển làm việc với Digital Signal) Quá trình này được thực hiện nhờ Bộ DSP 1 (mô đun xử lý tín hiệu), các quá trình này có thể gồm khuếch đại, chuyển đổi AD, lọc, điều chế, tách sóng…

Khuếch đại: khi tín hiệu nhỏ thì cần khuếch đại, bản chất quá trình này là dùng các mạch khuếch đại có thể làm tăng biên độ hoặc tần số của tín hiệu cho phù hợp

Chuyển đổi AD: chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, bản chất quá trình này là mã hóa thông tin

Lọc: là quá trình ngăn không cho một số tín hiệu có tần số tạp đi qua, quá trình này giúp loại bỏ các tín hiệu nhiễu từ bên ngoài tác động vào hệ thống

Điều chế: khi cần truyền dẫn không dây trong trường hợp trung tâm điều khiển nằm cách xa phần công tác Bản chất quá trình này là ghép tín hiệu cần xử

lý có biên độ nhỏ vào sóng mang cao tần để có đủ năng lượng truyền đi xa mà không làm méo dạng tín hiệu

Tách sóng: là quá trình thu hồi lại tín hiệu nguyên thủy từ tín hiệu điều chế

1.1 Tổng quan về chức năng của đối tượng thiết kế

Trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là trong các ngành công nghiệp luyện kim, chế biến thực phẩm…vấn đề đo và khống chế nhiệt

độ, độ ẩm đặc biệt được chú trọng vì nó là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm hết sức quan trọng Các bài toán thường đặt ra trong thực tế là: giám sát nhiệt độ, độ ẩm từ môi trường làm việc phản hồi thông tin cho bộ điều khiển để từ đó so sánh với vùng nhiệt độ và độ ẩm làm việc và đưa ra tín hiệu điều khiển hệ thống nhằm đảm bảo các quá trình như: đảm bảo an toàn cho

hệ thống (đề phòng quá nhiệt), ổn định nhiệt độ, độ ẩm (làm mát hoặc tăng năng suất cấp nhiệt, ẩm), báo động an toàn,v.v…Trong quá trình hoạt động, yêu cầu

về tín hiệu phản hồi phải được biến đổi tương thích với bộ điều khiển (dạng tín hiệu số) Để đáp ứng được các yêu cầu trên thì hệ thống cần thiết kế cần đảm bảo các khối chức năng như sau:

1.3 Các yêu cầu kỹ thuật cần đạt được khi vận hành

Đo nhiệt độ trong lò ấp trứng để cung cấp dữ liệu giám sát và điều khiển cơ cấu chấp hành

Sản phẩm được tích hợp nhiều trong các hệ thống, modul có thể

dễ ghép nối, và cũng cấp tín hiệu cho các hệ thống cơ điện tử phổ biến trong thị trường như : điều hòa ổn định trong nhà nuôi trồng rau trong nhà kính, phòng trồng nấm…

1.5: An toàn hệ thống vận hành

Hệ thống được tích hợp từ các modul được sử dụng nguồn

5VDC và được cách ly với môi trường xung quanh nên rất an toàn cho người sử dụng và vận hành

1.6 Các hệ thống con và phân chia nhiệm vụ

 Sơ đồ làm việc tổng thể của hệ thống

 Khối cảm biến (thu thập tín hiệu đầu vào): Thực hiện đo nhiệt độ của lò

ấp trứng 24/24 để trả kết quả về khối xử lý tín hiệu đo

 Khối xử lý tín hiệu đo: Nhận dữ liệu về nhiệt độ của DHT11 thực hiện tính toán kết quả rồi gửi ra hiển thị và điều khiển về nhiệt độ yêu cầu của lò ấp

 Khối hiển thị và lưu trữ : Hiển thị giá trị trước và sau khi điển khiển

 Khối điều khiển : Thực hiện tăng hoặc giảm nhiệt độ về giá trị cần

Xử lý tín hiệu đo (ATmega 328P)

Khối hiển thị (LCD)

Khối nguồn

điều khiển

Khối cảm biến DHT11

đã định sẵn

Khối nguồn : lấy DC đầu vào 12V cấp cho khối xử lý, hiển thị và

Khối điều khiển : có vai trò nhận tín hiệu từ cảm biến và đưa vào xử lý cho ra tín hiệu hiển thị và xuất xung điều khiển ra màn hìn hiển thi ̣ của LCD

Khối công suất : có vai trò điều khiển trực tiếp bóng đèn và qua ̣t gió khi nhiệt đô ̣ tăng và giảm khỏi mức đã quy đi ̣nh

Khối hiển thị LCD: hiển thị nhiệt độ và đô ̣ ẩm môi trường

2.2 Tính toán và lựa chọn thiết bị

2.2.1 Các cơ sở chung và phân loại các phương pháp đo nhiệt độ

Nhiệt đô ̣ môi

trường

Khối nguồn

Khố i điều khiển (Arduino

Cảm Biến

DHT11

LCD hiển thi ̣

Khô ́i công suất

Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau, thường phân loại các phương pháp dựa vào dải nhiệt độ cần đo Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và cao

Ở nhiệt độ trung bình và thấp: phương pháp thường dùng để đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo

Đối với nhiệt độ cao: đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo

2.2.2 Các phương pháp đo tiếp xúc

Trong công nghiệp, phương pháp đo thường được sử dụng là các nhiệt kế tiếp xúc Có hai loại nhiệt kế tiếp xúc gồm:

- Nhiệt kế nhiệt điện trở

- Nhiệt kế nhiệt ngẫu Ngoài ra, hiện nay đối với các ứng dụng đơn giản, dải

nhiệt độ cỡ -55oC ÷ 200oC người ta thường dùng các IC bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt của các đi ốt, tranzito để đo nhiệt độ

- Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp

ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo:

- Đối với môi trường khí và nước: chuyển đổi được đặt ngược lại với dòng

chảy

- Với vật rắn: đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang

chuyển đổi và dễ gây tổ hao vật, nhất là với vật dẫn nhiệt kém Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt

- Khi đo nhiệt độ của các chất ở dạng hạt (cát, đất…): cần phải cắm sâu nhiệt

kế vào môi trường cần do và thường dùng nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài

 Nhiệt kế nhiệt điện trở (Resistance Thermometer)

Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể chế tạo từ dây platin, đồng, Niken, bán dẫn,… quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ kim loại có đầu được nối ra ngoài Nhiệt

kế nhiệt điện trở có thể dùng mạch đo bất kỳ để đo điện trở nhưng thông thường hay dùng mạch cầu không cân bằng, chỉ thị là lôgômét từ điện hoặc cầu tự động cân bằng, trong đó một nhánh là nhiệt điện trở