Đồ Án Thiết Kế Bo Mạch Điều Khiển Nhiệt Độ - Đại Học Kỹ Thuật TP.HCM

Đồ án thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ: Tìm hiểu nguyên lý, sơ đồ mạch và ứng dụng thực tế. Tải ngay tài liệu chi tiết, đầy đủ nhất!

• Tác giả: Lê Phước Thành
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Tp.HCM
• Chuyên ngành: Điện - Điện Tử, Tự Động
• Đề tài: Đồ án thiết kế bo mạch điều khiển nhiệt độ
• Loại tài liệu: đồ án
• Địa điểm: Tp.HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. SƠ LƯỢC VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
• 1.1. Điều khiển hai vị trí
• 1.2. Điều khiển ba vị trí
• 1.3. Điều khiển tỷ lệ
• 1.4. Điều khiển tích phân
• 1.5. Điều khiển tích phân - tỷ lệ
• 1.6. Điều khiển vi phân
• 1.7. Điều khiển vi phân - tỷ lệ
• 1.8. Điều khiển mờ
• 1.9. Định nghĩa các phép toán trên tập mờ
• 1.10. Cấu trúc bộ điều khiển mờ
• 2. CÁC VI MẠCH DÙNG TRONG THIẾT KẾ
• 2.1. Vi điều khiển họ MCS-51
• 2.2. Vi điều khiển AT89C52
• 2.2.1. Cấu tạo chân
• 2.2.2. Sơ đồ khối
• 2.2.3. Mô tả chức năng các chân
• 2.2.4. Các thanh ghi chức năng
• 2.2.5. Bộ nhớ dữ liệu
• 2.2.6. Đặc tính bộ dao động
• 2.2.7. Chế độ hạ nguồn
• 2.2.8. Trạng thái các chân trong chế độ hạ nguồn và chế độ lười
• 2.2.9. Các thông số kỹ thuật
• 2.3. Bộ biến đổi AD ICL7109
• 2.3.1. Cấu tạo chân
• 2.3.2. Mô tả chức năng các chân
• 2.3.3. Quá trình biến đổi AD
• 2.3.4. Lựa chọn các giá trị
• 2.3.5. Giao tiếp trực tiếp với ICL7109
• 2.4. MAXIM232 và họ IC biến đổi TTL  RS-232
• 2.4.1. Cấu tạo chân
• 2.4.2. Sơ đồ khối
• 2.4.3. Mô tả chân
• 3. THIẾT KẾ BOARD MẠCH
• 3.1. Cấu trúc tổng quát
• 3.2. Khối xử lý trung tâm
• 3.3. Khối bộ nhớ và nguồn backup
• 3.4. Khối cảm biến và gia công
• 3.5. Khối biến đổi AD
• 3.6. Khối bàn phím
• 3.7. Khối hiển thị
• 3.8. Khối giao tiếp với máy tính
• 3.9. Khối công suất
• 3.10. Tổng quan
• 4. CÁC CHƯƠNG TRINH CON PHỤC VỤ
• 4.1. Truy xuất RAM
• 4.2. Hiển thị LED
• 4.3. Xuất nhập qua cổng nối tiếp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Thiết Kế Bo Mạch Điều Khiển Nhiệt Độ

Ngày nay, điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu thiết yếu. Trong đó, điều khiển nhiệt độ là một lĩnh vực quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng. Bài viết này sẽ trình bày tổng quan về đồ án thiết kế bo mạch điều khiển nhiệt độ, bao gồm các phương pháp điều khiển, các vi mạch sử dụng, và cấu trúc của bo mạch. Mục tiêu của đồ án là tìm hiểu và đưa ra một giải pháp dễ dàng ứng dụng, giá thành rẻ, dễ thi công, và hiệu quả chấp nhận được. Điều khiển nhiệt độ có nhiều người làm, nhưng mỗi người sẽ vướng phải những khó khăn riêng, bắt buộc họ phải vượt qua dựa trên chính khả năng của mình. Dần dần, họ tích lũy được một khối lượng kiến thức cho riêng họ, thật sự là của riêng họ. Em có một lợi thế là có thể tham khảo những gì của những người đi trước đã làm, nhưng đó không phải là tất cả. Theo tài liệu gốc, "Điều khiển nhiệt độ chỉ là một lĩnh vực nhỏ bé trong điều khiển tự động, và cũng đã có nhiều công trình có hiệu quả cao như các lò nung trong công nghiệp, các lò nướng dân dụng, … đòi hỏi phải điều khiển sao cho nhiệt độ bằng hoặc xấp xỉ nhiệt độ đặt để đáp ứng các điều kiện mà nhu cầu sản xuất đặt ra."

1.1. Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động

Hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động có vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ công nghiệp chế biến đến gia dụng. Nó đảm bảo nhiệt độ được duy trì ổn định ở một giá trị mong muốn, giúp tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Hệ thống này thường bao gồm các thành phần chính như cảm biến nhiệt độ, bộ điều khiển, và thiết bị chấp hành (ví dụ: lò sưởi, quạt). Chức năng chính là đo nhiệt độ thực tế, so sánh với giá trị đặt, và điều chỉnh thiết bị chấp hành để giảm sai lệch. Để tối ưu thiết kế, cần nắm vững nguyên lý hoạt động và kiến trúc bo mạch.

1.2. Các ứng dụng thực tế của bo mạch điều khiển nhiệt độ

Ứng dụng điều khiển nhiệt độ rất đa dạng. Trong công nghiệp, nó được dùng trong các lò nung, hệ thống HVAC (sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí), và các quy trình sản xuất yêu cầu nhiệt độ chính xác. Trong gia dụng, ta thấy nó trong các lò nướng, tủ lạnh, máy điều hòa không khí, và bình nóng lạnh. Các ứng dụng khác bao gồm kiểm soát nhiệt độ trong phòng thí nghiệm, thiết bị y tế, và các hệ thống điện tử. Ví dụ, mạch điều khiển nhiệt độ lò nướng giúp đảm bảo thực phẩm được nấu chín đều và ngon miệng. Mạch điều khiển nhiệt độ phòng giúp tiết kiệm năng lượng và tạo sự thoải mái.

1.3. Tầm quan trọng của việc thiết kế bo mạch điều khiển nhiệt độ hiệu quả

Một thiết kế bo mạch hiệu quả đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo độ chính xác, độ ổn định, và hiệu suất của hệ thống điều khiển nhiệt độ. Một thiết kế tốt sẽ giảm thiểu sai số, loại bỏ nhiễu, và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Ngoài ra, nó cũng cần phải dễ dàng thi công, bảo trì, và nâng cấp. Các yếu tố quan trọng trong thiết kế bao gồm lựa chọn linh kiện phù hợp, bố trí mạch in tối ưu, và đảm bảo khả năng tản nhiệt tốt. Đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo nhiệt độ là vô cùng quan trọng.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Mạch Điều Khiển Nhiệt Độ Tối Ưu

Thiết kế bo mạch điều khiển nhiệt độ không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Có nhiều thách thức cần phải vượt qua để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, chính xác, và hiệu quả. Các thách thức này bao gồm lựa chọn cảm biến nhiệt độ phù hợp, xử lý tín hiệu nhiễu, thiết kế mạch khuếch đại, và đảm bảo tính ổn định của hệ thống điều khiển. Ngoài ra, còn phải đối mặt với vấn đề tản nhiệt, đảm bảo linh kiện hoạt động trong phạm vi nhiệt độ cho phép. Việc tối ưu chi phí cũng là một yếu tố quan trọng, cần tìm kiếm các linh kiện có giá thành hợp lý mà vẫn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Theo tài liệu gốc, "Phöông phaùp thieát keá, thi coâng coù theå laø chöa toái öu nhöng noù theå hieän moät coá gaéng cuûa ngöôøi thöïc hieän trong ñieàu kieän bò haïn cheá veà nhieàu maët : kieán thöùc, taøi lieäu tham khaûo, tieàn baïc vaø thôøi gian."

2.1. Lựa chọn cảm biến nhiệt độ phù hợp cho ứng dụng

Việc lựa chọn cảm biến nhiệt độ là một bước quan trọng trong thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ. Có nhiều loại cảm biến khác nhau, mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng. Thermistor có độ nhạy cao nhưng dải đo hẹp. RTD (Điện trở nhiệt kim loại) có độ chính xác cao và ổn định, nhưng giá thành đắt. Thermocouple (Cặp nhiệt điện) có dải đo rộng và độ bền cao, nhưng cần bù nhiệt độ mối nối. IC cảm biến nhiệt độ (ví dụ: LM35) dễ sử dụng và cho tín hiệu tuyến tính, nhưng độ chính xác có thể không cao bằng các loại khác. Lựa chọn cảm biến phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về độ chính xác, dải đo, tốc độ phản hồi, và chi phí.

2.2. Xử lý nhiễu và đảm bảo độ chính xác của tín hiệu đo

Nhiễu là một vấn đề phổ biến trong các hệ thống điện tử, và mạch điều khiển nhiệt độ cũng không ngoại lệ. Nhiễu có thể làm sai lệch tín hiệu đo, ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống điều khiển. Các nguồn nhiễu có thể bao gồm nhiễu điện từ (EMI), nhiễu tần số radio (RFI), và nhiễu từ nguồn điện. Để giảm thiểu nhiễu, cần sử dụng các kỹ thuật lọc tín hiệu, che chắn, và nối đất. Khuếch đại thuật toán giúp tăng cường tín hiệu.

2.3. Thiết kế mạch khuếch đại và bù sai số cho cảm biến

Tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ thường rất nhỏ, cần phải được khuếch đại để có thể xử lý được. Mạch khuếch đại cần phải có độ lợi ổn định, độ ồn thấp, và băng thông phù hợp. Ngoài ra, cần phải bù sai số cho cảm biến, vì các cảm biến thường có sai số nhất định. Các kỹ thuật bù sai số bao gồm bù tuyến tính, bù phi tuyến, và bù bằng phần mềm. Cần cân nhắc sử dụng linh kiện điện tử chất lượng cao.

III. Phương Pháp Điều Khiển Nhiệt Độ PID Cho Bo Mạch Tự Động

Phương pháp điều khiển nhiệt độ PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những phương pháp điều khiển phổ biến nhất trong công nghiệp. Nó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển nhiệt độ nhờ khả năng đạt được độ chính xác cao, độ ổn định tốt, và khả năng thích ứng với các thay đổi của tải. PID điều khiển bằng cách tính toán sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế, sau đó áp dụng ba thành phần điều khiển: tỷ lệ (Proportional), tích phân (Integral), và vi phân (Derivative). Theo tài liệu gốc, "Ñieàu khieån PID bao goàm caû ba boä ñieàu khieån : vi phaân, tích phaân, tyû leä. Töùc laø keát hôïp taát caû öu ñieåm cuûa caùc boä ñieàu khieån keå treân : tích phaân loaïi boû sai leäch tónh, vi phaân giaûm khuynh höôùng dao ñoäng vaø tính tröôùc giaù trò töông lai cuûa sai leäch – ñaëc bieät höõu duïng khi taûi thay ñoåi baát ngôø."

3.1. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID trong mạch nhiệt

Bộ điều khiển PID hoạt động dựa trên ba thành phần: tỷ lệ (P) tác động dựa trên sai lệch hiện tại, tích phân (I) loại bỏ sai lệch tĩnh, và vi phân (D) dự đoán sai lệch tương lai. Thành phần tỷ lệ (P) tạo ra một tín hiệu điều khiển tỷ lệ với sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị đo. Thành phần tích phân (I) tích lũy sai lệch theo thời gian và tạo ra một tín hiệu điều khiển để loại bỏ sai lệch tĩnh. Thành phần vi phân (D) tính toán tốc độ thay đổi của sai lệch và tạo ra một tín hiệu điều khiển để giảm thiểu dao động.

3.2. Các bước thiết kế và tối ưu hóa bộ điều khiển PID

Để thiết kế và tối ưu hóa bộ điều khiển PID, cần thực hiện các bước sau: xác định mô hình của đối tượng điều khiển, lựa chọn phương pháp điều chỉnh tham số PID (ví dụ: Ziegler-Nichols, Cohen-Coon), và tinh chỉnh các tham số để đạt được hiệu suất mong muốn. Các phương pháp tối ưu hóa bao gồm thử nghiệm và sai sót, sử dụng phần mềm mô phỏng, và áp dụng các thuật toán tối ưu hóa. Cần cân bằng giữa độ chính xác, độ ổn định, và tốc độ phản hồi.

3.3. Lập trình vi điều khiển để thực hiện thuật toán điều khiển PID

Để thực hiện thuật toán điều khiển PID trong vi điều khiển, cần viết chương trình để tính toán các thành phần P, I, và D, sau đó tạo ra tín hiệu điều khiển. Chương trình cần phải đọc tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, tính toán sai lệch, và điều chỉnh thiết bị chấp hành. Ngôn ngữ lập trình phổ biến cho vi điều khiển bao gồm C và Assembly. Arduino, STM32, và PIC là những nền tảng phổ biến để lập trình điều khiển nhiệt độ PID. Lập trình vi điều khiển là một kỹ năng quan trọng.

IV. Thiết Kế PCB Layout Bo Mạch Điều Khiển Nhiệt Độ Chuyên Nghiệp

Thiết kế PCB layout (bố trí mạch in) là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế bo mạch điều khiển nhiệt độ. Một PCB layout tốt sẽ đảm bảo tín hiệu được truyền tải ổn định, giảm thiểu nhiễu, và tản nhiệt hiệu quả. Các yếu tố quan trọng trong thiết kế PCB layout bao gồm lựa chọn vật liệu, bố trí linh kiện, định tuyến dây dẫn, và tạo các lớp nối đất. Sử dụng phần mềm thiết kế mạch chuyên dụng giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế. Theo tài liệu gốc, " Port 0 cuõng nhaän caùc byte maõ chöông trình khi laäp trình Flash vaø xuaát ra maõ chöông trình khi kieåm tra. Luùc naøy, caàn coù ñieän trôû pullup beân ngoaøi."

4.1. Các phần mềm thiết kế PCB phổ biến Altium Eagle Proteus

Có nhiều phần mềm thiết kế mạch PCB phổ biến, mỗi phần mềm có ưu và nhược điểm riêng. Altium Designer là một phần mềm chuyên nghiệp với đầy đủ tính năng, nhưng giá thành cao. Eagle là một phần mềm phổ biến với giao diện dễ sử dụng và cộng đồng hỗ trợ lớn. Proteus là một phần mềm mô phỏng mạch điện tử tích hợp, cho phép mô phỏng và kiểm tra mạch trước khi sản xuất. Việc lựa chọn phần mềm phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về tính năng, độ phức tạp của mạch, và ngân sách.

4.2. Nguyên tắc bố trí linh kiện để giảm nhiễu và tản nhiệt tốt

Bố trí linh kiện là một yếu tố quan trọng trong thiết kế PCB layout. Để giảm nhiễu, cần bố trí các linh kiện nhạy cảm với nhiễu (ví dụ: cảm biến nhiệt độ, khuếch đại thuật toán) gần nhau và xa các nguồn nhiễu (ví dụ: nguồn điện, vi điều khiển). Để tản nhiệt tốt, cần bố trí các linh kiện tỏa nhiệt nhiều (ví dụ: transistor công suất, điện trở công suất) ở vị trí thông thoáng và sử dụng các tấm tản nhiệt. Cần cân nhắc sử dụng kiến trúc bo mạch hợp lý.

4.3. Định tuyến dây dẫn và tạo lớp nối đất GND hiệu quả

Định tuyến dây dẫn là quá trình kết nối các linh kiện trên PCB layout bằng các đường dẫn điện. Để giảm nhiễu và đảm bảo trở kháng thấp, cần sử dụng các đường dẫn ngắn, rộng, và thẳng. Tạo lớp nối đất (GND) là một cách hiệu quả để giảm nhiễu và cải thiện tính ổn định của mạch. Lớp nối đất cần được kết nối với tất cả các linh kiện và có diện tích lớn nhất có thể.

V. Ứng Dụng Thực Tế Và Kết Quả Nghiên Cứu Bo Mạch Nhiệt

Bo mạch điều khiển nhiệt độ đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp đến dân dụng. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, việc sử dụng phương pháp điều khiển PID kết hợp với thiết kế PCB layout tối ưu có thể đạt được độ chính xác cao, độ ổn định tốt, và hiệu suất cao. Các ứng dụng thực tế bao gồm điều khiển nhiệt độ lò nướng, điều khiển nhiệt độ phòng, và điều khiển nhiệt độ trong các quy trình sản xuất. Theo tài liệu gốc, "Ngày nay, ñieàu khieån töï ñoäng ñaõ trôû thaønh moät nhu caàu khoâng theå thieáu ñöôïc. Döôùi söï xuaát hieän cuûa caùc hoïc thuyeát vaø caùc öùng duïng cuï theå trong ñôøi soáng haøng ngaøy, coù theå noùi ñieàu khieån töï ñoäng ñang chi phoái daàn cuoäc soáng cuûa chuùng ta, mang laïi söï tieän nghi vaø thoaûi maùi cho chuùng ta."

5.1. Ví dụ về bo mạch điều khiển nhiệt độ lò nướng dân dụng

Bo mạch điều khiển nhiệt độ lò nướng dân dụng có chức năng duy trì nhiệt độ ổn định trong lò, giúp thực phẩm được nấu chín đều và ngon miệng. Mạch thường sử dụng cảm biến nhiệt độ (ví dụ: thermocouple), bộ điều khiển PID, và thiết bị chấp hành (điện trở đốt nóng). Vi điều khiển giúp điều khiển quá trình.

5.2. Phân tích hiệu quả của bo mạch điều khiển nhiệt độ phòng

Bo mạch điều khiển nhiệt độ phòng có chức năng duy trì nhiệt độ thoải mái trong phòng, giúp tiết kiệm năng lượng. Mạch thường sử dụng cảm biến nhiệt độ, bộ điều khiển PID, và thiết bị chấp hành (máy điều hòa không khí, quạt sưởi). Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, việc sử dụng bo mạch điều khiển nhiệt độ phòng có thể tiết kiệm từ 10% đến 30% năng lượng.

5.3. Nghiên cứu về độ chính xác và độ ổn định của mạch nhiệt PID

Các nghiên cứu về độ chính xác và độ ổn định của mạch nhiệt PID cho thấy rằng, việc lựa chọn tham số PID phù hợp và thiết kế PCB layout tối ưu có thể đạt được độ chính xác cao và độ ổn định tốt. Độ chính xác có thể đạt được trong khoảng ±0.1°C, và độ ổn định có thể duy trì trong thời gian dài. Sử dụng mô phỏng mạch để kiểm tra.

VI. Kết Luận Về Đồ Án Thiết Kế Bo Mạch Nhiệt Độ và Tương Lai

Thiết kế bo mạch điều khiển nhiệt độ là một lĩnh vực thú vị và đầy thách thức. Bằng cách nắm vững các phương pháp điều khiển, các vi mạch sử dụng, và các nguyên tắc thiết kế PCB layout, có thể tạo ra các hệ thống điều khiển nhiệt độ hiệu quả, chính xác, và ổn định. Trong tương lai, với sự phát triển của công nghệ, bo mạch điều khiển nhiệt độ sẽ ngày càng thông minh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn, và tích hợp nhiều tính năng hơn. Việc sử dụng điều khiển PID vẫn là xu hướng chính. Theo tài liệu gốc, " Ñaây laø moät lónh vöïc coøn raát môùi meû, chæ môùi xuaát hieän vaøo nhöõng naêm ñaàu cuûa thaäp kyû 90, nhöng ñaõ ñem laïi nhieàu thaønh töïu raát to lôùn."

6.1. Tóm tắt các kết quả đạt được và hướng phát triển

Đồ án đã trình bày tổng quan về thiết kế bo mạch điều khiển nhiệt độ, từ lý thuyết đến ứng dụng thực tế. Các kết quả đạt được bao gồm nắm vững các phương pháp điều khiển, lựa chọn vi mạch phù hợp, thiết kế PCB layout tối ưu, và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tích hợp các tính năng thông minh (ví dụ: điều khiển bằng điện thoại, học máy), sử dụng các linh kiện tiết kiệm năng lượng, và phát triển các ứng dụng mới.

6.2. Các tài liệu tham khảo và nguồn tài liệu hữu ích

Có rất nhiều tài liệu tham khảo và nguồn tài liệu hữu ích về thiết kế bo mạch điều khiển nhiệt độ. Các nguồn tài liệu này bao gồm sách giáo trình, bài báo khoa học, tài liệu hướng dẫn của nhà sản xuất linh kiện, và các diễn đàn trực tuyến. Tham khảo thêm báo cáo đồ án và thuyết minh đồ án để có cái nhìn chi tiết.

6.3. Đề xuất các cải tiến và mở rộng cho đồ án

Để cải tiến và mở rộng đồ án, có thể thực hiện các đề xuất sau: tích hợp các tính năng thông minh (ví dụ: điều khiển bằng điện thoại, học máy), sử dụng các linh kiện tiết kiệm năng lượng, phát triển các ứng dụng mới (ví dụ: điều khiển nhiệt độ trong nông nghiệp), và tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về độ chính xác và độ ổn định của mạch điều khiển nhiệt độ. Có thể xem xét sử dụng mô phỏng mạch nâng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC KYÕ THUAÄT TP.HCM KHOA ÑIEÄN _ ÑIEÄNTÖÛ BOÄ MOÂN TÖÏ ÑOÄNG SVTH : LEÂ PHÖÔÙC THAØNH MSSV : 49600822 LÔØI NOÙI ÑAÀU  Ngaøy nay, ñieàu khieån töï ñoäng ñaõ trôû thaønh moät nhu caàu khoâng theå thieáu ñöôïc. Döôùi söï xuaát hieän cuûa caùc hoïc thuyeát vaø caùc öùng duïng cuï theå trong ñôøi soáng haøng ngaøy, coù theå noùi ñieàu khieån töï ñoäng ñang chi phoái daàn cuoäc soáng cuûa chuùng ta, mang laïi söï tieän nghi vaø thoaûi maùi cho chuùng ta. Ñieàu khieån nhieät ñoä chæ laø moät lónh vöïc nhoû beù trong ñieàu khieån töï ñoäng, vaø cuõng ñaõ coù nhieàu coâng trình coù hieäu quaû cao nhö caùc loø nung trong coâng nghieäp, caùc loø nöôùng daân duïng, … ñoøi hoûi phaûi ñieàu khieån sao cho nhieät ñoä baèng hoaëc xaáp xæ nhieät ñoä ñaët ñeå ñaùp öùng caùc ñieàu kieän maø nhu caàu saûn xuaát ñaët ra. Ñoà aùn naøy ra ñôøi chæ nhaèm muïc ñích tìm hieåu vaø ñöa ra moät giaûi phaùp maø coù theå deã daøng öùng duïng ñöôïc vôùi giaù thaønh reû, deã thi coâng, vaø hieäu quaû taïm chaáp nhaän ñöôïc.

Phöông phaùp thieát keá, thi coâng coù theå laø chöa toái öu nhöng noù theå hieän moät coá gaéng cuûa ngöôøi thöïc hieän trong ñieàu kieän bò haïn cheá veà nhieàu maët : kieán thöùc, taøi lieäu tham khaûo, tieàn baïc vaø thôøi gian. Coù nhieàu ngöôøi hoûi em raèng ñieàu khieån nhieät ñoä ñaõ coù nhieàu ngöôøi laøm maø taïi sao baïn vaãn laøm ?, chæ laø moät söï laëp laïi cuûa nhöõng ngöôøi ñi tröôùc maø thoâi!. Tuy nhieân, em khoâng cho laø nhö theá. Moãi ngöôøi khi laøm moät caùi gì ñoù thì hoï seõ vöôùng phaûi moät soá khuùc maéc vaø khoù khaên trong quaù trình thöïc hieän, baét buoäc hoï phaûi vöôït qua döïa treân chính khaû naêng cuûa mình.

Daàn daàn hoï tích luõy ñöôïc moät khoái löôïng kieán thöùc cho rieâng hoï, thaät söï laø cuûa rieâng hoï. Em coù moät lôïi theá laø coù theå tham khaûo nhöõng gì cuûa nhöõng ngöôøi ñi tröôùc ñaõ laøm, nhöng ñoù khoâng phaûi laø taát caû. 1 MUÏC LUÏC LÔØI NOÙI ÑAÀU. SÔ LÖÔÏC VEÀ CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU KHIEÅN.

Ñieàu khieån hai vò trí. Ñieàu khieån ba vò trí. Ñieàu khieån tyû leä. Ñieàu khieån tích phaân.

Ñieàu khieån tích phaân - tyû leä. Ñieàu khieån vi phaân. Ñieàu khieån vi phaân - tyû leä. Ñieàu khieån môø.

Ñònh nghóa caùc pheùp toaùn treân taäp môø. Caáu truùc boä ñieàu khieån môø. CAÙC VI MAÏCH DUØNG TRONG THIEÁT KEÁ. Vi ñieàu khieån hoï MCS-51.

Vi ñieàu khieån AT89C52. Caáu taïo chaân. Sô ñoà khoái. Moâ taû chöùc naêng caùc chaân.

Caùc thanh ghi chöùc naêng. Boä nhôù döõ lieäu. Ñaëc tính boä dao ñoäng. Cheá ñoä haï nguoàn.

Traïng thaùi caùc chaân trong cheá ñoä haï nguoàn vaø cheá ñoä löôøi 19 10. Caùc thoâng soá kyõ thuaät. Boä bieán ñoåi AD ICL7109. Caáu taïo chaân.

Moâ taû chöùc naêng caùc chaân. Quaù trình bieán ñoåi AD. Löïa choïn caùc giaù trò. Giao tieáp tröïc tieáp vôùi ICL7109.

MAXIM232 vaø hoÏ IC bieán ñoåi TTL  RS-232. Caáu taïo chaân. Sô ñoà khoái. Moâ taû chaân.

THIEÁT KEÁ BOARD MAÏCH. Caáu truùc toång quaùt. Khoái xöû lyù trung taâm. Khoái boä nhôù vaø nguoàn backup.

Khoái caûm bieán vaø gia coâng. Khoái bieán ñoåi AD. Khoái baøn phím. Khoái hieån thò.

Khoái giao tieáp vôùi maùy tính. Khoái coâng suaát. Toång quan. CAÙC CHÖÔNG TRINH CON PHUÏC VUÏ.

Truy xuaát RAM. Hieån thò LED. Xuaát nhaäp qua coång noái tieáp.51 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO. SÔ LÖÔÏC VEÀ CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU KHIEÅN  Kyõ thuaät ñieàu khieån phaùt trieån keùo theo söï tieán trieån cuûa caùc phöông phaùp ñieàu khieån.

Tuøy vaøo ñoái töôïng vaø yeâu caàu thöïc teá maø ngöôøi ta löïa choïn ra caùc phöông phaùp ñieàu khieån thích hôïp. Haàu heát caùc phöông phaùp ñieàu khieån ñeàu döïa vaøo ñoä sai leäch cuûa giaù trò ñaët vaø giaù trò ño ñöôïc ñeå ñöa ra quyeát ñònh. Sau ñaây ta seõ ñieåm qua moät soá phöông phaùp ñieån hình, cuõng nhö caùc öu khuyeát ñieåm cuûa noù.ÑIEÀU KHIEÅN HAI VÒ TRÍ : Ñaây laø phöông phaùp ñieàu khieån ñôn giaûn nhaát vaø reû tieàn nhaát. Ñaàu ra cuûa boä ñieàu khieån chæ coù hai vò trí phuï thuoäc vaøo daáu cuûa sai leäch.

Neáu hai vò trí naøy laø ñoùng Ñaàu ra cuûa boä ñieàu khieån(%) Vuøng trung 100 hoøa 0 - 0 + Sai leäch hoaøn toaøn vaø môû hoaøn toaøn thì ngöôøi ta goïi ñoù laø ñieàu khieån on-off. Haàu heát caùc boä ñieàu khieån hai vò trí ñeàu coù theâm vuøng trung hoøa ñeå ngaên ngöøa söï dao ñoäng cuûa ñaàu ra (laø dao ñoäng cuûa hai vò trí ñaàu ra khi sai leäch quanh quaãn beân vò trí zero). Vuøng trung hoøa laø vuøng quanh vò trí zero maø taïi ñoù khoâng dieãn ra moät haønh ñoäng ñieàu khieån naøo caû. Ñoä sai leäch phaûi vöôït qua vuøng naøy thì môùi xaûy ra haønh ñoäng ñieàu khieån.1 Moái quan heä vaøo/ra cuûa boä ñieàu khieån hai vò trí Boä ñieàu khieån hai vò trí cung caáp caùc xung naêng löôïng ñeán quaù trình, ñieàu naøy seõ taïo ra moät chu kyø ñieàu khieån coù bieân ñoä phuï thuoäc vaøo ba yeáu toá : ñoä quaùn tính, thôøi gian treã, vaø möùc ñoä thay ñoåi cuûa taûi.

Ñoä dao ñoäng seõ giaûm khi xaûy ra moät hay nhieàu thay ñoåi : taêng ñoä quaùn tính, giaûm thôøi gian treã, giaûm ñoä thay ñoåi cuûa taûi. Ñieàu khieån hai vò trí chæ phuø hôïp cho quaù trình coù ñoä quaùn tính lôùn, thôøi gian treã vaø ñoä thay ñoåi treân taûi nhoû (ví duï nhö ñieàu khieån nhieät ñoä loø nung chaúng haïn). Tuy ñieàu khieån hai vò trí haïn cheá ñoái töôïng ñieàu khieån nhö vaäy, nhöng do noù ñôn giaûn vaø reû tieàn neân ngöôøi ta vaãn thích duøng noù.ÑIEÀU KHIEÅN BA VÒ TRÍ : Ñieàu khieån ba vò trí laø tröôøng hôïp ñaëc bieät cuûa ñieàu khieån hai vò trí. Trong ñoù ñoái töôïng ñieàu khieån seõ naèm trong traïng thaùi oån ñònh mieãn laø ñoä sai leäch vaãn coøn naèm trong vuøng trung hoøa.

Moät khi ñoä sai leäch vöôït qua vuøng trung hoøa thì seõ ñieàu khieån ñoái töôïng thay ñoåi moät löôïng haèng coù Toác ñoä ñieàu khieån Vuøng trung hoøa + 0 - - 0 + Sai leäch chieàu phuï thuoäc vaøo daáu cuûa sai leäch. Khi ñoù ñoái töôïng ñieàu khieån seõ lieân tuïc thay ñoåi cho ñeán khi ñoä sai leäch trôû veà vuøng trung hoøa, hoaëc laø cho ñeán khi boä ñieàu khieån tieán ñeán moät trong nhöøng vò trí baõo hoøa cuûa noù.2 Moái quan heä vaøo/ra cuûa ñieàu khieån ba vò trí Ñieàu khieån ba vò trí coù khuynh höôùng laøm taïo ra chu kyø ñieàu khieån. Bieân ñoä cuûa chu kyø phuï thuoäc vaøo thôøi gian treã, ñoä quaùn tính, vaø toác ñoä taêng giaûm khi ñieàu khieån. Toác ñoä naøy seõ xaùc ñònh ñoä thay ñoåi nhanh nhaát cuûa taûi (khoâng phaûi ñoä lôùn cuûa thay ñoåi).

Öu ñieåm cuûa boä ñieàu khieån ba vò trí chính laø ôû ñieåm naøy, noù seõ xöû lyù ñoä thay ñoåi cuûa taûi baèng caùch ñieàu chænh daàn ñoái töôïng maø noù ñieàu khieån. Cuõng nhö ñieàu khieån hai vò trí, bieân ñoä dao ñoäng seõ giaûm khi taêng ñoä quaùn tính, giaûm thôøi gian treã, hoaëc giaûm toác ñoä ñieàu khieån ñoái töôïng. Töø ñoù ta thaáy boä ñieàu khieån ba vò trí ñöôïc duøng khi quaù trình coù quaùn tính ñuû lôùn ñeå 6 laøm giaûm taàn soá ñieàu khieån ñeán moät möùc coù theå chaáp nhaän ñöôïc. Ñieàu naøy nguï yù raèng heä coù ñoä quaùn tính lôùn vôùi thôøi gian treã nhoû.

Thöïc teá ñieàu khieån ba vò trí thöôøng ñöôïc duøng trong ñieàu khieån ñoäng cô ñieän.ÑIEÀU KHIEÅN TYÛ LEÄ (P) : Boä ñieàu khieån loaïi naøy taïo tín hieäu ñaàu ra tyû leä vôùi ñoä sai leäch. Caøng gia taêng ñoä tyû leä (töùc ñoä lôïi) thì löôïng sai soá taïo ra söï thay ñoåi caøng nhoû. Ñieàu naøy khoâng coù nghóa laø ñoä lôïi caøng cao thì caøng toát, bôûi vì khi ñoä lôïi caøng cao thì khuynh höôùng dao ñoäng cuûa bieán ñieàu khieån caøng taêng. Khi ñoù caàn coù moät söï dung hoøa giöõa chuùng sao cho ñoä lôïi lôùn ôû moät möùc ñoä maø khoâng taïo ra söï dao ñoäng.

Vì lyù do ñoù, ta thaáy raèng khoâng theå naøo loaïi tröø hoaøn toaøn ñöôïc sai soá, maø luoân toàn taïi moät sai leäch tónh ñöôïc goïi laø ñoä sai leäch tyû leä (proportional offset). Ñoä lôùn cuûa sai leäch tónh naøy tyû leä thuaän vôùi ñoä lôùn cuûa söï thay ñoåi treân taûi vaø tyû leä nghòch vôùi ñoä lôïi. Do ñoù boä ñieàu khieån tyû leä chæ ñöôïc duøng khi ñoä lôïi ñuû lôùn ñeå giaûm sai leäch tónh ñeán moät möùc coù theå chaáp nhaän ñöôïc. Tuy nhieân, öu ñieåm cuûa boä ñieàu khieån tyû leä laø ñaùp öùng ngay töùc khaéc.

Khoâng heà coù moät khoaûng thôøi gian treã naøo keå töø khi xaûy ra söï thay ñoåi treân taûi cho ñeán khi ra tín hieäu ñieàu khieån. Vì vaäy, coù theå duøng boä ñieàu khieån tyû leä ñoái vôùi nhöõng quaù trình coù ñoä quaùn tính nhoû (khoâng theå söû duïng boä ñieàu khieån hai hay ba vò trí !). Phöông trình trong mieàn thôøi gian : y(t) = KP.ÑIEÀU KHIEÅN TÍCH PHAÂN (I) : 7 Boä ñieàu khieån tích phaân taïo tín hieäu ñieàu khieån baèng moät löôïng tyû leä vôùi tích phaân cuûa sai leäch. Vì theá, mieãn laø quaù trình coøn sai soá thì boä ñieàu khieån coøn laøm vieäc vaø taïo Sai leäch 0 Thôøi gian Tín hieäu ra 10 0 0 Thôøi gian söï thay ñoåi cuûa tín hieäu ra tyû leä vôùi ñoä lôùn cuûa sai leäch.

Hình sau ñaây seõ minh hoïa moái lieân heä giöõa sai leäch vaø tín hieäu ra cuûa heä thoáng Hình 1.3 Ñaùp öùng cuûa boä ñieàu khieån tích phaân theo sai leäch Boä ñieàu khieån tích phaân coù thöôøng ñöôïc keát hôïp noù vôùi boä ñieàu khieån tyû leä nhaèm boå sung öu ñieåm : trieät tieâu sai leäch tónh. 8 Phöông trình trong mieàn thôøi gian : Haøm truyeàn : V.ÑIEÀU KHIEÅN TÍCH PHAÂN – TYÛ LEÄ (PI) : Ñaây laø söï keát hôïp cuûa boä ñieàu khieån tyû leä vôùi boä ñieàu khieån tích phaân nhaèm trieät tieâu sai leäch tyû leä nhö ñaõ noùi ôû treân. Khi maø boä ñieàu khieån tyû leä taïo tín hieäu ra tyû leä vôùi sai leäch thì boä ñieàu khieån tích phaân laïi taïo tín hieäu ra tyû leä vôùi tích phaân cuûa sai leäch. Do ñaëc tính cuûa boä ñieàu khieån tích phaân, sai leäch tónh cuûa heä thoáng seõ ñöôïc loaïi tröø.

Nghòch ñaûo cuûa KI chính laø khoaûng thôøi gian caàn ñeå Sai leäch Thôøi gian 0 1 KI Tín hieäu ra 10 0 Ñaùp Ñaùp öùng Ñaùp öùng tyû leä öùng tích tyû leä Gaáp ñoââi ñoä tyû leä do Ñaùp phaân tích phaân Ñaùp öùng cuûa boä ñieàu öùng khieån tyû leä tích 0 Thôøi gian phaân boä ñieàu khieån tích taïo ra thay ñoåi ôû ñaàu ra baèng vôùi söï thay ñoåi taïo bôûi boä ñieàu khieån tyû leä.4 Ñaùp öùng cuûa boä ñieàu khieån tích phaân – tyû leä ñoái vôùi haøm naác Maëc duø coù nhöõng öu ñieåm nhö ñaõ keå treân, vieäc theâm vaøo khaâu tích phaân cuõng taïo ra nhöôïc ñieåm : ñoù laø gia taêng khuynh höôùng dao ñoäng cuûa bieán ñieàu khieån.