Đồ án: Giám Sát và Điều Khiển Mô Hình Lò Sấy Nông Sản - Đại Học Tôn Đức Thắng

Điều khiển lò sấy nông sản hiệu quả: Tìm hiểu mô hình điều khiển tối ưu và giải pháp giám sát quá trình sấy, đảm bảo chất lượng nông sản.

• Tác giả: Lê Văn Đức Thiện
• Người hướng dẫn: TS. Võ Hoàng Duy
• Trường học: Trường đại học Tôn Đức Thắng
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Giám sát và điều khiển mô hình lò sấy nông sản
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỊCH TRÌNH LÀM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• MỤC LỤC
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ KHỐI VÀ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG
• 1.1. Sơ đồ khối
• 1.2. Sơ đồ nguyên lý mạch
• 1.3. Giới thiệu linh kiện chính sử dụng
• 1.4. Cảm Biến Nhiệt Độ DS18B20
• 1.5. Giao tiếp UART - chuẩn RS232 (COM) và Module Blutooth HC05
• 1.5.1. Truyền thông nối tiếp UART
• 1.5.2. So sánh truyền đồng bộ và bất đồng bộ trong truyền nối tiếp
• 1.5.3. Module Blutooth HC05
• 1.6. TRIAC DÒNG BTA
• 1.7. OPTO PC817 VÀ MOC 3021
• 1.8. KHỐI MẠCH CÔNG SUẤT VÀ TÍNH TOÁN CHỌN LINH KIỆN
• 1.8.1. MẠCH PHÁT HIỆN ĐIỂM ZERO
• 1.8.3. MẠCH DÙNG RELAY VÀ MOC PC817
• 1.8.4. MẠCH CẦU H DÙNG IC L298
• 1.8.5. BỘ NGUỒN XUNG CẤP CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐỘNG CƠ
• 2. LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO DIỆN
• 2.1. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM LẬP TRÌNH GIAO DIỆN C#
• 2.1. SƠ ĐỒ HÓA CÁC BƯỚC LẬP TRÌNH
• 2.2. CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH
• 2.3. CHƯƠNG TRÌNH CON
• 2.3.1. Chương trình con đọc nhiệt độ
• 2.3.2. Chương trình ngắt RDA
• 2.3.3. Chương trình ngắt RB và nút nhấn
• 2.3.4. Chương trình điều khiển nhiệt độ theo giá trị đặt
• 2.3.5. Chương trình đảo chiều động cơ cho module cầu h - l298
• 3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG SẤY NÔNG SẢN
• 3.1. THIẾT KẾ LÒ NHIỆT BẰNG NHIỆT ĐIỆN TRỞ TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1.1. Nguyên lí làm việc
• 3.1.2. Nguyên lý sấy bằng dòng không khí nóng
• 3.1.3. Lượng nhiệt và không khí cung cấp cho quá trình sấy
• 3.1.4. Tính nhiệt lượng tỏa ra của thanh điện trở nhiệt
• 3.1.5. Tính trung bình, mỗi giờ máy sấy cần dùng bao nhiêu m3 không khí?
• 3.1.6. Tính công suất trung bình cho tải gia nhiệt
• 3.2. CẤU TẠO CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ NHIỆT TRONG MÔ HÌNH
• 3.3. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ BĂNG TẢI NÔNG SẢN
• 3.3.1. Cấu tạo của băng tải
• 3.3.2. Nguyên lí hoạt động của băng tải
• 3.5. THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ MÔ HÌNH THÙNG SẤY VÀ BĂNG TẢI
• 3.5.1. Nguyên lý hoạt động của mô hình
• 3.5.2. Hình ảnh mô hình sau khi thi công
• 1. ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH SẤY
• 2. NHỮNG KHÓ KHĂN KHI GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
• 3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Điều Khiển Lò Sấy Nông Sản Cách Tiếp Cận

Ngành kỹ thuật Điện- Điện tử tự động đang phát triển mạnh mẽ, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ y tế, giáo dục đến nông nghiệp và công nghiệp. Sự phổ biến của các thiết bị thông minh đã giúp cải thiện cuộc sống con người. Đặt trong bối cảnh Việt Nam là một nước nông nghiệp, việc nâng cao chất lượng nông sản sau thu hoạch là vô cùng quan trọng. Hiện nay, phương pháp phơi sấy thủ công ngoài trời vẫn còn phổ biến, phụ thuộc nhiều vào yếu tố thời tiết và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Do đó, cần có một hệ thống sấy nông sản hiệu quả, tiết kiệm không gian và thời gian, đồng thời đảm bảo chất lượng sản phẩm. Mục tiêu của đồ án này là xây dựng một hệ thống điều khiển lò sấy nông sản sử dụng vi điều khiển Pic16F877A và AT89S52, cảm biến nhiệt độ DS18B20, độ ẩm DHT11 giám sát và điều khiển bằng máy tính từ xa, điều khiển và hiển thị tại chỗ qua LCD 16x2. Đây là một mô hình đầu tiên nên còn nhiều thiếu sót và hạn chế, mong thầy cô và các bạn có nhiều ý kiến và nhận xét để em có thể hoàn thiện hơn cho mô hình, để đáp ứng được với yêu cầu thực tế và đưa vào sử dụng.

1.1. Tầm Quan Trọng của Hệ Thống Sấy Nông Sản Hiện Đại

Việc áp dụng hệ thống sấy nông sản hiện đại giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào thời tiết, kiểm soát tốt hơn quá trình sấy, và đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hội nhập kinh tế, khi nông sản Việt Nam cần đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe của thị trường quốc tế. Hơn nữa, việc sử dụng các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm cho phép giám sát và điều chỉnh quá trình sấy một cách chính xác, tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ và giảm thiểu lãng phí. Hệ thống sấy còn giúp nông dân chủ động hơn trong sản xuất, tăng năng suất và giảm thiểu tổn thất sau thu hoạch. Điều này góp phần nâng cao giá trị gia tăng của nông sản và cải thiện đời sống của người nông dân. Việc tích hợp khả năng điều khiển từ xa thông qua máy tính còn mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong quản lý quá trình sấy.

1.2. Giới Thiệu Mô Hình Lò Sấy Nông Sản Sử Dụng Vi Điều Khiển

Mô hình lò sấy này sử dụng vi điều khiển Pic16F877A và AT89S52 để điều khiển các thành phần chính của hệ thống. Pic16F877A được sử dụng để đọc tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến DS18B20, hiển thị nhiệt độ trên LCD, điều khiển các thiết bị tại chỗ thông qua nút nhấn, và giao tiếp với máy tính thông qua cổng UART. AT89S52 được sử dụng để điều khiển đảo chiều động cơ DC qua module L298. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 cung cấp dữ liệu nhiệt độ chính xác, giúp kiểm soát quá trình sấy một cách hiệu quả. Giao diện người dùng trên máy tính cho phép giám sát và điều khiển hệ thống từ xa, điều chỉnh các thông số sấy, và theo dõi trạng thái hoạt động của các thiết bị. Mô hình này là một bước tiến quan trọng trong việc hiện đại hóa quy trình sấy nông sản, mang lại nhiều lợi ích cho người nông dân.

II. Thách Thức Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Sấy và Giải Pháp

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc điều khiển lò sấy nông sản là duy trì nhiệt độ ổn định và đồng đều trong buồng sấy. Nhiệt độ không đồng đều có thể dẫn đến việc sấy không đều, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, việc kiểm soát độ ẩm cũng rất quan trọng, vì độ ẩm quá cao có thể tạo điều kiện cho nấm mốc phát triển, trong khi độ ẩm quá thấp có thể làm khô quá nhanh và gây nứt nẻ sản phẩm. Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng hệ thống điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) để điều chỉnh công suất của bộ phận gia nhiệt dựa trên thông tin phản hồi từ cảm biến nhiệt độ. Hệ thống này có thể tự động điều chỉnh các thông số điều khiển để đảm bảo nhiệt độ luôn ở mức mong muốn. Ngoài ra, cần có hệ thống thông gió hiệu quả để đảm bảo không khí lưu thông đều khắp buồng sấy, loại bỏ hơi ẩm dư thừa và duy trì độ ẩm ở mức tối ưu. Việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp cũng rất quan trọng, cần đảm bảo độ chính xác và độ ổn định cao trong môi trường khắc nghiệt của lò sấy.

2.1. Vấn Đề Kiểm Soát Nhiệt Độ và Độ Ẩm Đồng Đều Trong Lò Sấy

Việc kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm đồng đều trong lò sấy là một thách thức lớn do nhiều yếu tố ảnh hưởng. Sự phân bố nhiệt độ không đều có thể do thiết kế lò sấy không tối ưu, vị trí đặt bộ phận gia nhiệt và quạt thông gió không hợp lý, hoặc do sự thay đổi nhiệt độ môi trường bên ngoài. Độ ẩm không đồng đều có thể do sự phân bố không đều của sản phẩm trong lò, hoặc do hệ thống thông gió không đủ mạnh để loại bỏ hơi ẩm ở những khu vực nhất định. Để giải quyết vấn đề này, cần phải thiết kế lò sấy một cách cẩn thận, đảm bảo sự lưu thông không khí tốt, và sử dụng nhiều cảm biến nhiệt độ và độ ẩm đặt ở các vị trí khác nhau trong lò để theo dõi và điều chỉnh. Ngoài ra, việc sử dụng các thuật toán điều khiển phức tạp, như điều khiển PID đa vùng, có thể giúp kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm một cách chính xác hơn.

2.2. Ảnh Hưởng của Nhiệt Độ và Độ Ẩm Đến Chất Lượng Nông Sản Sấy

Nhiệt độ và độ ẩm có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của nông sản sấy. Nhiệt độ quá cao có thể làm biến chất các thành phần dinh dưỡng, làm mất màu sắc tự nhiên, và gây ra các phản ứng hóa học không mong muốn. Độ ẩm quá cao có thể tạo điều kiện cho nấm mốc phát triển, làm hỏng sản phẩm và gây nguy hiểm cho sức khỏe người tiêu dùng. Ngược lại, nhiệt độ quá thấp và độ ẩm quá thấp có thể làm khô quá nhanh, gây nứt nẻ sản phẩm và làm mất đi hương vị tự nhiên. Do đó, việc kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và độ ẩm trong quá trình sấy là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Cần phải điều chỉnh các thông số sấy phù hợp với từng loại nông sản, dựa trên đặc tính và yêu cầu cụ thể của từng loại. Điều khiển chính xác quá trình sấy không chỉ giúp bảo toàn chất lượng sản phẩm mà còn kéo dài thời gian bảo quản và tăng giá trị gia tăng.

III. Mô Hình Điều Khiển và Giám Sát Lò Sấy Nông Sản Từ Xa

Mô hình điều khiển và giám sát lò sấy nông sản từ xa là một giải pháp hiệu quả để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Mô hình này cho phép người dùng theo dõi và điều chỉnh các thông số sấy từ bất kỳ đâu thông qua kết nối internet. Hệ thống bao gồm các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, vi điều khiển, module truyền thông (ví dụ: WiFi hoặc Bluetooth), và phần mềm giao diện người dùng trên máy tính hoặc điện thoại di động. Dữ liệu từ các cảm biến được truyền về vi điều khiển, sau đó được gửi đến máy chủ thông qua module truyền thông. Người dùng có thể truy cập vào máy chủ để xem dữ liệu, điều chỉnh các thông số sấy, và theo dõi trạng thái hoạt động của lò sấy. Hệ thống cũng có thể gửi cảnh báo đến người dùng khi có sự cố xảy ra, giúp ngăn chặn kịp thời các thiệt hại.

3.1. Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Từ Xa Sử Dụng Cảm Biến và Vi Điều Khiển

Thiết kế hệ thống giám sát từ xa bao gồm việc lựa chọn các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm phù hợp, vi điều khiển có khả năng xử lý dữ liệu và truyền thông, và module truyền thông có khả năng kết nối với internet. Các cảm biến cần có độ chính xác cao, độ ổn định tốt, và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt của lò sấy. Vi điều khiển cần có đủ bộ nhớ và tốc độ xử lý để xử lý dữ liệu từ các cảm biến, thực hiện các thuật toán điều khiển, và truyền dữ liệu đến máy chủ. Module truyền thông cần có khả năng kết nối ổn định với internet, và hỗ trợ các giao thức truyền thông an toàn. Phần mềm giám sát trên máy tính hoặc điện thoại di động cần có giao diện thân thiện, dễ sử dụng, và có khả năng hiển thị dữ liệu một cách trực quan. Hệ thống cần được thiết kế để đảm bảo tính bảo mật và an toàn dữ liệu.

3.2. Giao Diện Điều Khiển Lò Sấy Trên Máy Tính và Thiết Bị Di Động

Giao diện điều khiển lò sấy trên máy tính và thiết bị di động cần được thiết kế một cách trực quan và dễ sử dụng. Giao diện cần hiển thị các thông số sấy quan trọng, như nhiệt độ, độ ẩm, thời gian sấy, và trạng thái hoạt động của các thiết bị. Người dùng cần có khả năng điều chỉnh các thông số sấy, như nhiệt độ, độ ẩm, và thời gian sấy, một cách dễ dàng. Giao diện cũng cần cung cấp các chức năng cảnh báo và báo động, giúp người dùng phát hiện và xử lý các sự cố một cách kịp thời. Ngoài ra, giao diện cần có khả năng lưu trữ dữ liệu lịch sử, giúp người dùng theo dõi và phân tích quá trình sấy. Việc thiết kế giao diện cần chú trọng đến tính thẩm mỹ và tính tiện dụng, giúp người dùng có trải nghiệm tốt nhất.

IV. Ứng Dụng Vi Điều Khiển PIC16F877A trong Điều Khiển Lò Sấy

Vi điều khiển PIC16F877A là một lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng điều khiển công nghiệp, nhờ vào tính linh hoạt, hiệu năng cao, và giá thành hợp lý. Trong mô hình lò sấy, PIC16F877A được sử dụng để đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ DS18B20, điều khiển bộ phận gia nhiệt thông qua mạch công suất, điều khiển quạt thông gió, hiển thị thông tin trên LCD, và giao tiếp với máy tính thông qua cổng UART. PIC16F877A có nhiều tính năng hữu ích, như bộ nhớ flash, bộ nhớ RAM, bộ chuyển đổi ADC, bộ định thời, và các giao thức truyền thông, giúp đơn giản hóa việc thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển.

4.1. Lập Trình PIC16F877A để Đọc Dữ Liệu Cảm Biến và Điều Khiển Thiết Bị

Việc lập trình PIC16F877A bao gồm việc cấu hình các chân I/O, thiết lập các bộ định thời, cấu hình bộ chuyển đổi ADC, và viết các hàm điều khiển. Cần sử dụng ngôn ngữ lập trình C và trình biên dịch CCS để viết code cho PIC16F877A. Code cần bao gồm các hàm để đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ DS18B20, tính toán giá trị nhiệt độ, điều khiển bộ phận gia nhiệt thông qua mạch công suất, điều khiển quạt thông gió, hiển thị thông tin trên LCD, và giao tiếp với máy tính thông qua cổng UART. Cần chú ý đến việc xử lý các ngắt, như ngắt timer và ngắt UART, để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Ngoài ra, cần sử dụng các kỹ thuật lập trình tối ưu để giảm thiểu thời gian thực thi và tiết kiệm bộ nhớ.

4.2. Kết Nối PIC16F877A với Cảm Biến DS18B20 và Mạch Công Suất

Việc kết nối PIC16F877A với cảm biến nhiệt độ DS18B20 và mạch công suất cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả. DS18B20 giao tiếp với PIC16F877A thông qua giao thức 1-Wire, chỉ cần một chân I/O để truyền và nhận dữ liệu. Cần sử dụng điện trở kéo lên (pull-up resistor) để đảm bảo tín hiệu 1-Wire ổn định. Mạch công suất được sử dụng để điều khiển bộ phận gia nhiệt, cần được thiết kế để đảm bảo an toàn điện và chịu được dòng điện lớn. Cần sử dụng opto cách ly để cách ly mạch điều khiển với mạch công suất, ngăn chặn các sự cố điện lan truyền sang mạch điều khiển. Ngoài ra, cần sử dụng các linh kiện bảo vệ, như cầu chì và varistor, để bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố quá tải và quá áp.

V. Thiết Kế Lò Sấy Nông Sản Tối Ưu Hiệu Quả và Chi Phí

Việc thiết kế lò sấy nông sản cần đảm bảo hiệu quả sấy cao, chi phí thấp, và dễ dàng vận hành. Cần xem xét các yếu tố như kích thước lò sấy, vật liệu xây dựng, hệ thống gia nhiệt, hệ thống thông gió, và hệ thống điều khiển. Kích thước lò sấy cần phù hợp với lượng nông sản cần sấy, vật liệu xây dựng cần có khả năng cách nhiệt tốt, hệ thống gia nhiệt cần cung cấp nhiệt lượng đủ lớn với hiệu suất cao, hệ thống thông gió cần đảm bảo không khí lưu thông đều khắp buồng sấy, và hệ thống điều khiển cần đảm bảo nhiệt độ và độ ẩm được kiểm soát chính xác. Ngoài ra, cần xem xét các yếu tố an toàn, như hệ thống báo cháy và hệ thống thoát hiểm.

5.1. Lựa Chọn Vật Liệu và Thiết Kế Buồng Sấy Cách Nhiệt Hiệu Quả

Việc lựa chọn vật liệu cách nhiệt và thiết kế buồng sấy cách nhiệt hiệu quả là rất quan trọng để giảm thiểu tổn thất nhiệt và tiết kiệm năng lượng. Vật liệu cách nhiệt cần có hệ số dẫn nhiệt thấp, khả năng chịu nhiệt tốt, và độ bền cao. Các vật liệu cách nhiệt phổ biến bao gồm bông thủy tinh, xốp EPS, và polyurethane. Thiết kế buồng sấy cần đảm bảo kín gió, tránh các khe hở gây thất thoát nhiệt. Ngoài ra, cần chú ý đến việc cách nhiệt cho cửa lò và các đường ống dẫn nhiệt. Việc sử dụng các vật liệu cách nhiệt tốt và thiết kế buồng sấy cách nhiệt hiệu quả có thể giúp giảm đáng kể chi phí vận hành lò sấy.

5.2. Tối Ưu Hệ Thống Thông Gió và Phân Bố Nhiệt Trong Lò Sấy

Hệ thống thông gió và phân bố nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo quá trình sấy diễn ra đồng đều và hiệu quả. Hệ thống thông gió cần cung cấp đủ lượng không khí tươi để loại bỏ hơi ẩm và duy trì độ ẩm ở mức tối ưu. Cần bố trí các quạt thông gió một cách hợp lý để đảm bảo không khí lưu thông đều khắp buồng sấy. Hệ thống phân bố nhiệt cần đảm bảo nhiệt độ đồng đều trong buồng sấy, tránh các khu vực quá nóng hoặc quá lạnh. Có thể sử dụng các tấm chắn nhiệt hoặc các ống dẫn nhiệt để phân bố nhiệt một cách đồng đều hơn. Việc tối ưu hệ thống thông gió và phân bố nhiệt có thể giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu thời gian sấy.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Cho Hệ Thống Sấy Nông Sản

Hệ thống điều khiển lò sấy nông sản là một giải pháp hiệu quả để nâng cao năng suất, chất lượng, và giá trị gia tăng của nông sản. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại, như vi điều khiển, cảm biến nhiệt độ, và hệ thống giám sát từ xa, giúp kiểm soát quá trình sấy một cách chính xác và hiệu quả. Trong tương lai, có thể phát triển hệ thống theo hướng tự động hóa cao hơn, tích hợp các thuật toán học máy để dự đoán và điều chỉnh các thông số sấy một cách tối ưu, và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để giảm thiểu tác động đến môi trường.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tế

Đồ án này đã trình bày một mô hình điều khiển lò sấy nông sản sử dụng vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến nhiệt độ DS18B20. Mô hình cho phép giám sát và điều khiển nhiệt độ từ xa, giúp người dùng kiểm soát quá trình sấy một cách hiệu quả. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình hoạt động ổn định và đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của một hệ thống sấy nông sản. Ứng dụng thực tế của mô hình có thể giúp người nông dân giảm thiểu sự phụ thuộc vào thời tiết, nâng cao chất lượng sản phẩm, và tăng thu nhập.

6.2. Các Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Hệ Thống Sấy Tự Động

Trong tương lai, có thể phát triển hệ thống theo nhiều hướng khác nhau. Một hướng là tích hợp thêm các cảm biến khác, như cảm biến độ ẩm và cảm biến khí, để có được thông tin đầy đủ hơn về quá trình sấy. Một hướng khác là sử dụng các thuật toán học máy để dự đoán và điều chỉnh các thông số sấy một cách tối ưu, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, có thể tích hợp hệ thống với các nguồn năng lượng tái tạo, như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, để giảm thiểu tác động đến môi trường. Cuối cùng, có thể phát triển hệ thống theo hướng tự động hóa hoàn toàn, cho phép lò sấy tự động điều chỉnh các thông số sấy dựa trên loại nông sản và điều kiện môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. SƠ ĐỒ KHỐI VÀ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 1.1 Sơ đồ khối CẢM MẠCH PHÁT HIỆN BIẾN ĐIỂM ZERO NGUỔN 220VAC NGUỒN XUNG 24VDC HIỂN THỊ BỘ ĐIỀU KHIỂN 2 LCD ĐÈN BÁO MẠCH TRUNG TÂM PIC CÔNG SUẤT KHỐI CÀI ĐẶT C NÚT NHẤN D LÒ SẤY BĂNG ĐC QUẠT TẢI ĐẢO GIAO TIẾP UART GIAO DIỆN MÁY TÍNH Hình 1-1: Sơ đồ khối tổng quan. Giám sát và điều khiển mô hình lò sấy nông sản SVTH: Lê Văn Đức Thiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/80 1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch Hình 1-2: Sơ đồ nguyên lý mạch làm việc. Giám sát và điều khiển mô hình lò sấy nông sản SVTH: Lê Văn Đức Thiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/80 1.3 Giới thiệu linh kiện chính sử dụng Vi Điều Khiển PIC 16F877A và AT89S52.

Hình 1-3: Mô tả các chân PIC 16F877A và AT 89S52. Trong đề tài này chọn vi điều khiển PIC16F877A và AT 89S52. PIC16F877A lập trình phục vụ công việc đọc tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến DS18B20, xuất giá trị nhiệt độ lên LCD16x2, các nút nhấn điều khiển thiết bị tại hộp điều khiển, giao tiếp máy tính truyền nhận dữ liệu điều khiển các thiết bị. Vì trong qua trình làm số lượng chân chức năng dùng cho PIC 16F877A đã hết nên thêm một vi điều khiển AT 89S52 dùng với mục đích điều khiển đảo chiều hai Giám sát và điều khiển mô hình lò sấy nông sản SVTH: Lê Văn Đức Thiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/80 động cơ DC qua module L298.

Sau đây là giới thiệu qua về các chân chức năng và cách tính ngắt timer cho vi điều khiển trong quá trình làm. Vi điều khiển PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kỳ xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20MHz với một chu kỳ lệnh là 200ns.

Bộ nhớ chương trình 8K x 14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte. Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O trên tổng số 40 chân. - Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau: + Timer0: bộ đếm 8 bít với bộ chia tần số 8 bít. + Timer1: bộ đếm 16 bít với bộ chia tần + Timer2: bộ đếm 8 bít với bộ chia tần số, bộ postcaler.

+ Hai bộ Capture/ so sánh/ điều chế độ rộng xung CCP1, CCP2. + Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP, SPI và I2C. + Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bít địa chỉ. + Cổng giao tiếp song song PSP với các chân điều khiển RD, WR, CS ở bên ngoài.

- Các kênh Analog: + 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bít, hai bộ so sánh, ngoài ra có thể cấu hình bằng câu lệnh lên 13bit, 16bit trong code. - Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như: + Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần, tiện cho sửa code + Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1. + Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm. + Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm Pickit2.

+ Watchdog Timer với bộ dao động trong. + Chức năng bảo mật mã chương trình bằng khóa chip trong Pickit2.exe Giám sát và điều khiển mô hình lò sấy nông sản SVTH: Lê Văn Đức Thiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/80 Hình 1-4: Sơ đồ khối tổ chức của Timer0. Vì trong chương trình sử dụng các ngắt Timer, ngắt ngoài RB, RB0, EXT ngắt truyền nhận EUSART - #INT_RDA. Cho nên hiểu và tính toán các ngắt này rất quan trọng trong quá trình lập trình.5 Thanh ghi INTCON thanh ghi phục vụ các ngắt.

Bảng 1-1: Tóm tắt chức năng các bit trong thanh ghi INTCON. Ví dụ muốn lập trình ngắt khi có sự kiện nút nhấn trên chân RB ta cần cho RBIE=1 và GIE =1 ; chiếu lên bảng1-1 sẽ thấy rõ chức năng câu lệnh. Sau đó ta chỉ cần xây dựng mạch kết nối linh kiện nút nhấn tới các chân RB tương ứng với PIC để lập trình sự kiện ngắt. Đối với ngắt timer, quan tâm đến bộ chia tần và bộ chia trước.

Giám sát và điều khiển mô hình lò sấy nông sản SVTH: Lê Văn Đức Thiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/80 Trên hình 1.4 PS2, PS1, PS0 chính là bộ chia trước (prescaler asigment) PSA: nếu bít này bằng 1 thì sử dụng WDT, và 0 là dùng cho timer0. Tosc: là bit cho phép timer0 hoạt động ở chế độ nào: Counter đếm xung thì bit =1 bằng 0 thì định thời. Bảng 1-2: Liệt kê bộ chia trước của Timer. Vì Timer0 là timer 8 bit nên sau khi cấu hình ngắt timer0 bắt đầu đếm giá trị sẽ chạy từ 0 ÷ 255, theo xung nhịp của PIC.

Nếu định thời tràn thì cờ ngắt T0IF =1 chưa tràn thì T0IF=0. Ví dụ: Muốn hẹn Timer0 làm một công việc gì đó sau 5(ms). Với thạch anh là 20Mhz vậy fosc =20Mhz, sau khi đi qua PIC sẽ bị chia 4 còn lại 5Mhz như hình 1.4 1 bên trên, Tosc=  0, 2us đây chính là chu kì làm việc còn lại của thạch anh. 5Mhz + Ta chọn bộ chia trước cho timer0 là: 1:256.

+ Gọi tout là thời gian muốn tạo =5(ms) =5000 (us) , fout =1/5 (KHz) + Câu lệnh: Setup_timer0(N) = tout. 4 Giá trị N cần tìm là: tout = Bộ chia trước*(độ phân giải Timer0 –N )* =5000us. fosc 4 5000us 5000=256*(256-N)* => N = 256  = 158,3 : 20 (4 / 20) Đây là giá trị cần nạp cho bộ đếm Timer0, sau khi đếm 158, 3 + 1 lần sẽ tạo tràn Timer0=5ms, cộng thêm 1 lần cho tràn hẳn, sau đó ta reset timer lại là ổn. Setup_timer0(159)  5ms.

Giám sát và điều khiển mô hình lò sấy nông sản SVTH: Lê Văn Đức Thiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 8/80 1.4 Cảm Biến Nhiệt Độ DS18B20 Hình 1-5: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dạng dây. Sơ đồ nguyên lý kết nối giữa vi điều khiển và cảm biến như hình 1-2 Thông số kỹ thuật của DS18B20: + Điện áp sử dụng: 3.5 độ từ -10 độ đến 85 độ + Nhiệt độ sử dụng: -55 đến 125 độ + Độ phân giải có thể lựa chọn 9-12 bit + Sử dụng 1-Wire interface - chỉ cần một chân giải tín hiệu số đầu vào vi điều khiển để xử lý tín hiệu của nhiều cảm biến sử dụng 1 Wire. + Nhiều cảm biến cùng kết nối vào một chân lấy dữ liệu số. Màu dây kết nối: Dây đỏ - VCC Dây đen - GND Dây vàng -DATA + Ống thép không gỉ đường kính 6mm, dài 50mm + Đường kính: 4mm.

+ Chiều dài hiện tại từ nơi cần đo đến hộp vi điều khiển là 1m hoặc có thể nối dài thêm. Giám sát và điều khiển mô hình lò sấy nông sản SVTH: Lê Văn Đức Thiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 9/80 1.5 Giao tiếp UART - chuẩn RS232 (COM) và Module Blutooth HC05 1.1 Truyền thông nối tiếp UART (Universal Asynchronous serial Reveiver and Transmitter (UART)) Vấn đề giao tiếp giữa PC và vi điều khiển rất quan trọng trong các ứng dụng điều khiển, đo lường. có hai cách ghép nối phổ biến là kiểu song song và nối tiếp. Cả hai đều có những ưu và nhược điểm riêng: Ghép nối theo kiểu song song thì cần nhiều ngõ truyền nhận cùng lúc, ưu điểm tốc độ nhanh xong nhiều ngõ, còn theo kiểu nối tiếp cùng một lượng data truyền nhận thì nối tiếp chỉ cần một đường truyền 8 bit nhưng phải cấu hình trước theo chuẩn khung Farm truyền nhận trước.

Hình 1-6: a: truyền nhận song song; b: truyền nhận nối tiếp. Vì tính ưu điểm tiết kiệm chân truyền nhận tín hiệu chọn cách ghép nối tiếp qua cổng nối tiếp. UART và RS232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị, chiều dài kết nối tối đa cho phép để đảm bảo dữ liệu là 12.5 đến 25m, tốc độ 20 kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt. Chuẩn giao tiếp UART khác với RS232 ở mức điện áp: UART thể hiện mức logic 0 (0V) và logic 1 là từ (3-5V), còn với RS232 là (-12V-3V) là mức 1 và (+3V+12V) là mức 0.

Giám sát và điều khiển mô hình lò sấy nông sản SVTH: Lê Văn Đức Thiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 10/80 Hình 1-7: Giao tiếp truyền thông RS232 và sơ đồ nguyên lý. Chức năng của các chân của cổng Com DB9: +Chân 1: Data Carrier Detect (DCD): Phát tín hiệu mang dữ liệu. +Chân 2: Receive Data (RxD): Nhận dữ liệu. +Chân 3: Transmit Data (TxD): Truyền dữ liệu.

+Chân 4: Data Termial Ready (DTR): Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng được kích hoạt bởi bộ phận khi muốn truyền dữ liệu. +Chân 5: Singal Ground (SG): Mass của tín hiệu. +Chân 6: Data Set Ready (DSR): Dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu. +Chân 7: Request to Send: Yêu cầu gửi, bộ truyền đặt đường này lên mức hoạt động khi truyền dữ liệu.

+Chân 8: Clear To Send (CTS): Xóa để gửi, bộ nhận đặt đường này lên mức kích hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó nhận tín hiệu. +Chân 9: Ring Indicate (RI): Báo chuông cho biết là bộ nhận đang nhận tín hiệu rung chuông.  Ở đây chỉ cần 2 chân tín hiệu của cổng Com Rx (2), và chân Tx(3) để nhận truyền tín hiệu các chân còn lại sẽ không kết nối. Giám sát và điều khiển mô hình lò sấy nông sản SVTH: Lê Văn Đức Thiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 11/80 1.2 So sánh truyền đồng bộ và bất đồng bộ trong truyền nối tiếp Hiểu được bản chất của truyền đồng bộ và bất đồng bộ: “Đồng bộ” để chỉ sự “báo trước” trong quá trình truyền.

Ví dụ thiết bị 1 (TB1) kết nối với với thiết bị 2 (TB2) bởi 2 đường, một đường dữ liệu và 1 đường xung nhịp. Cứ mỗi lần TB1 muốn gửi 1 bit dữ liệu đi, thì TB1 phải điều khiển đường xung nhịp chuyển từ mức thấp lên mức cao báo cho TB2 sẵn sàng nhận một bit. Bằng cách “báo trước” cách truyền nhận này dễ dàng và ít “rủi ro” trong quá trình truyền. Tuy nhiên, cách truyền này đòi hỏi ít nhất 2 đường truyền cho 1 quá trình (send or receive).

“Không đồng bộ” chỉ cần một đường truyền cho một quá trình. “Khung dữ liệu” đã được chuẩn hóa bởi các thiết bị nên không cần đường xung nhịp báo trước dữ liệu đến.