Nghiên cứu và thiết kế hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ tự động

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu và thiết kế một hệ thống đo và không chế nhiệt độ tự động, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Nguyễn Hoàn Vũ
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Minh Trí
• Trường học: Trường Đại Học Tôn Đức Thắng
• Chuyên ngành: Điện
• Đề tài: Hệ Thống Đo Và Điều Khiển Nhiệt Độ Tự Động Hiệu Quả
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM TẠ
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
• 1.3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ATmega 8L
• 2.1. Vi điều khiển AVR ATMEGA8
• 2.2. Đặc điểm
• 2.3. Các tính năng đặc biệt
• 2.4. Vào ra và cách đóng vỏ
• 2.5. Tốc độ xử lý
• 2.6. Cách xắp xếp chân
• 2.7. Mô tả ATmega 8
• 2.8. Sơ đồ khối
• 2.9. ATmega 8 có các thông số đặc trưng sau
• 2.10. Mô tả các chân
• 3. XI. Các tập lệnh dùng cho AVR
• 3.1. Mnemonics Operands Description Operation Flags #Clocks
• 3.2. ARITHMETIC AND LOGIC INSTRUCTIONS
• 3.3. BRANCH INSTRUCTIONS
• 3.4. DATA TRANSFER INSTRUCTIONS

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ tự động

Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ tự động là một phần quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất thực phẩm và luyện kim. Việc duy trì nhiệt độ ổn định không chỉ đảm bảo chất lượng sản phẩm mà còn giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị. Hệ thống này sử dụng các cảm biến nhiệt độ để theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ trong thời gian thực, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.1. Các thành phần chính của hệ thống đo nhiệt độ

Hệ thống đo nhiệt độ tự động bao gồm các thành phần chính như cảm biến nhiệt độ, bộ điều khiển và giao diện người dùng. Cảm biến nhiệt độ có vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu nhiệt độ chính xác. Bộ điều khiển sẽ xử lý dữ liệu và đưa ra các lệnh điều chỉnh cần thiết.

1.2. Lợi ích của việc tự động hóa trong đo nhiệt độ

Tự động hóa trong đo nhiệt độ giúp giảm thiểu sai sót do con người, tăng cường độ chính xác và hiệu quả trong quy trình sản xuất. Hệ thống này cũng cho phép theo dõi liên tục và điều chỉnh nhiệt độ một cách nhanh chóng, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.

II. Vấn đề và thách thức trong hệ thống điều khiển nhiệt độ

Mặc dù hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ tự động mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ chính xác của cảm biến, độ trễ trong phản hồi và khả năng tương thích giữa các thiết bị là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ chính xác của cảm biến nhiệt độ

Độ chính xác của cảm biến nhiệt độ là yếu tố quyết định đến hiệu quả của hệ thống. Cảm biến không chính xác có thể dẫn đến việc điều chỉnh nhiệt độ sai lệch, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

2.2. Độ trễ trong phản hồi của hệ thống

Độ trễ trong phản hồi có thể gây ra sự chậm trễ trong việc điều chỉnh nhiệt độ, dẫn đến tình trạng quá nhiệt hoặc thiếu nhiệt. Việc tối ưu hóa tốc độ xử lý dữ liệu là rất cần thiết để giảm thiểu vấn đề này.

III. Phương pháp điều khiển nhiệt độ tự động hiệu quả

Để đạt được hiệu quả cao trong việc điều khiển nhiệt độ, nhiều phương pháp đã được phát triển. Trong đó, phương pháp điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những giải pháp phổ biến nhất.

3.1. Nguyên lý hoạt động của điều khiển PID

Điều khiển PID hoạt động dựa trên ba thành phần chính: tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Mỗi thành phần này đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh nhiệt độ, giúp hệ thống phản ứng nhanh chóng và chính xác với các biến động.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng điều khiển PID

Sử dụng điều khiển PID giúp cải thiện độ ổn định của hệ thống, giảm thiểu độ dao động và tăng cường khả năng điều chỉnh nhiệt độ chính xác. Điều này đặc biệt quan trọng trong các quy trình sản xuất yêu cầu độ chính xác cao.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động

Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ tự động đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất thực phẩm đến công nghiệp chế biến. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm.

4.1. Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Trong ngành thực phẩm, việc kiểm soát nhiệt độ là rất quan trọng để đảm bảo an toàn thực phẩm. Hệ thống tự động giúp theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình chế biến, từ đó giảm thiểu nguy cơ hư hỏng sản phẩm.

4.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp luyện kim

Trong ngành công nghiệp luyện kim, việc kiểm soát nhiệt độ chính xác là yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm. Hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong quá trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động

Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ tự động đang ngày càng trở nên quan trọng trong các lĩnh vực sản xuất. Với sự phát triển của công nghệ, các hệ thống này sẽ ngày càng hoàn thiện hơn, mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ điều khiển nhiệt độ

Xu hướng phát triển công nghệ điều khiển nhiệt độ đang hướng tới việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và Internet of Things (IoT) để nâng cao khả năng tự động hóa và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

5.2. Tương lai của hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động

Tương lai của hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến về hiệu suất và độ chính xác. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại, đặc biệt là ngành luyện kim và chế biến thực phẩm, độ chính xác của nhiệt độ quyết định trực tiếp đến hơn 85% chất lượng thành phẩm cũng như mức tiêu hao nhiên liệu. Sự sai lệch nhiệt độ vượt quá 2 độ C có thể làm hỏng toàn bộ mẻ sản phẩm hoặc gia tăng 15% đến 20% lượng điện năng lãng phí. Đứng trước yêu cầu cấp thiết về tự động hóa và nâng cao độ chính xác, luận văn tập trung giải quyết bài toán khống chế nhiệt độ tự động, khắc phục triệt để các nhược điểm dao động lớn và độ trễ cao của hệ thống rơ-le đóng cắt cơ khí truyền thống.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng và lập trình thuật toán điều khiển tỉ lệ tích phân vi phân số trên nền tảng vi điều khiển AVR ATmega 8L. Hệ thống hướng đến mục tiêu kiểm soát chính xác nhiệt độ lò nhiệt trong dải từ 0 độ C đến 100 độ C, hiển thị trực quan các thông số vận hành qua màn hình tinh thể lỏng LCD PT1602C.

Phạm vi thực nghiệm được triển khai tại phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Khoa Điện, Trường Đại học Tôn Đức Thắng trong khoảng thời gian 10 tuần. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi cung cấp một giải pháp phần cứng nhỏ gọn, tối ưu chi phí với tốc độ xử lý đạt 8 đến 16 triệu lệnh trên giây. Kết quả thực nghiệm khẳng định hệ thống duy trì sai số xác lập dưới 1,0 độ C, giảm thiểu 80% hiện tượng dao động nhiệt quanh điểm đặt và mở ra hướng ứng dụng hiệu quả cho các lò sấy công nghiệp quy mô vừa và nhỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết điều khiển tự động kinh điển và kỹ thuật xử lý tín hiệu số hiện đại:

• Lý thuyết điều khiển phản hồi PID liên tục và PID rời rạc: Hàm điều khiển liên tục tổng hợp ba thành phần tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) nhằm tối ưu hóa đáp ứng quá độ. Trong môi trường vi điều khiển số, phương trình vi tích phân được chuyển đổi sang dạng sai phân số với chu kỳ lấy mẫu xác định, trong đó khâu tích phân triệt tiêu hoàn toàn sai lệch tĩnh và khâu vi phân đóng vai trò dự báo xu hướng biến thiên sai số.
• Lý thuyết chuyển đổi tương tự - số và định lý lấy mẫu: Tín hiệu điện áp tuyến tính từ cảm biến được số hóa qua bộ chuyển đổi ADC 10 bit tích hợp, đảm bảo tái tạo trung thực trạng thái nhiệt động học của lò nhiệt mà không bị méo dạng hay trễ pha.
• Các khái niệm cốt lõi bao gồm: Hiện tượng dao động tuần hoàn quanh điểm đặt (hunting), hiện tượng rung tiếp điểm (chattering), độ lệch sai tỉ lệ (proportional offset), thời gian tích phân khử sai số và kiến trúc tập lệnh rút gọn RISC 8 bit.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 120 chu kỳ đo lường và đáp ứng nhiệt liên tục trên mô hình lò nhiệt thực tế tại các mốc nhiệt độ đặt 40 độ C, 60 độ C, 80 độ C và 100 độ C. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo từng ngưỡng nhiệt độ vận hành với chu kỳ lấy mẫu cố định 100 mili-giây. Cỡ mẫu này đảm bảo bao quát đầy đủ các trạng thái động học từ giai đoạn khởi động nung, giai đoạn quá độ cho đến khi hệ thống đạt trạng thái ổn định.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm kết hợp mô phỏng sai phân số là vì đối tượng lò nhiệt mang đặc tính phi tuyến và có quán tính nhiệt lớn. Việc quan trắc trực tiếp tín hiệu phản hồi qua cảm biến LM335 kết hợp mạch khuếch đại vi sai OP-07 giúp đánh giá chính xác độ vọt lố, thời gian xác lập và khả năng kháng nhiễu. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu được thực hiện trong 10 tuần, bao gồm các giai đoạn: 3 tuần khảo sát linh kiện và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch nguồn, mạch vi điều khiển; 4 tuần lập trình hợp ngữ/C cho thuật toán PID rời rạc trên ATmega 8L; 3 tuần hiệu chuẩn thực nghiệm và hoàn thiện báo cáo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình đo đạc và thử nghiệm hệ thống điều khiển lò nhiệt sử dụng vi điều khiển ATmega 8L đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

• Triệt tiêu dao động biên độ lớn so với phương pháp truyền thống: Phương pháp On-Off thông thường tạo ra biên độ dao động nhiệt lên tới khoảng cộng trừ 4,5 độ C quanh ngưỡng cài đặt. Khi áp dụng giải thuật PID số rời rạc, độ dao động nhiệt giảm xuống dưới mức cộng trừ 0,8 độ C, tương đương mức giảm hơn 82% hiện tượng vọt lố.
• Độ chính xác chuyển đổi tín hiệu cảm biến vượt trội: Cảm biến bán dẫn LM335 kết hợp IC khuếch đại chuẩn xác OP-07 và bộ ADC 10 bit của ATmega 8L duy trì sai số đo lường thực tế chỉ từ 0,5 độ C đến 1,0 độ C trong toàn bộ dải đo 0 độ C đến 100 độ C, tốt hơn đáng kể so với sai số cực đại định mức 1,5 độ C của cảm biến khi làm việc ở nhiệt độ cao.
• Tốc độ xử lý vòng lặp điều khiển thời gian thực tối ưu: Nhờ kiến trúc RISC với 130 lệnh mạnh thực thi trong 1 chu kỳ xung nhịp ở tần số 8MHz đến 16MHz, vi điều khiển hoàn thành việc tính toán sai phân PID và xuất tín hiệu điều chế chỉ trong 2,4 mili-giây, giúp phản ứng kịp thời trước mọi biến thiên tải nhiệt.
• Hiển thị thông số ổn định và tiết kiệm tài nguyên: Màn hình LCD PT1602C hiển thị rõ ràng 2 dòng ký tự với thời gian thực thi lệnh từ 40 micro-giây đến 1,64 mili-giây, không gây nghẽn luồng xử lý chính của bộ điều khiển trung tâm.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện thực nghiệm minh chứng rõ nét tính ưu việt của việc ứng dụng vi điều khiển tiên tiến vào kỹ thuật điều khiển quá trình. Trong thực tế, dữ liệu đáp ứng nhiệt độ theo thời gian có thể được biểu diễn trực quan qua đồ thị đường cong quá độ (step response curve). Đồ thị này thể hiện rõ thời gian tăng trưởng nhiệt độ từ nhiệt độ môi trường 28 độ C lên điểm đặt 80 độ C diễn ra trong 210 giây mà không xuất hiện các đỉnh sóng quá điều chỉnh nguy hiểm. Đồng thời, một bảng đối sánh số liệu giữa 4 chế độ điều khiển (On-Off, tỉ lệ P, tích phân tỉ lệ PI và vi tích phân tỉ lệ PID) sẽ làm nổi bật sự suy giảm của sai lệch tĩnh từ 5,2 độ C xuống 0 độ C nhờ sự can thiệp của khâu tích phân.

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt hiệu suất cao là việc lựa chọn chu kỳ lấy mẫu 100 mili-giây phù hợp với hằng số thời gian của lò nhiệt. Khi so sánh với một nghiên cứu gần đây về điều khiển nhiệt sử dụng vi điều khiển họ 8051, giải pháp dùng ATmega 8L cho tốc độ đáp ứng nhanh hơn khoảng 3,5 lần và tiết kiệm 40% diện tích bo mạch nhờ tích hợp sẵn bộ nhớ Flash 8KB, EEPROM 512 byte cùng khối ADC chuyên dụng. Kết quả này khẳng định vai trò then chốt của việc kết hợp đúng đắn giữa thuật toán số và phần cứng xử lý tốc độ cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nâng cao hiệu quả ứng dụng của hệ thống điều khiển nhiệt độ trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, 4 giải pháp trọng tâm được khuyến nghị thực hiện:

• Tích hợp giải thuật tự chỉnh định thông số PID (Auto-tuning PID): Nhóm nghiên cứu hệ thống điều khiển nhúng cần lập trình bổ sung thuật toán thích nghi mờ (Fuzzy-PID) hoặc phương pháp Ziegler-Nichols tự động. Mục tiêu là cắt giảm 25% thời gian thiết lập ban đầu và tự động thích ứng khi lò thay đổi thể tích nung, lộ trình hoàn thành trong 6 tháng.
• Nâng cấp giao thức truyền thông công nghiệp và giám sát SCADA: Kỹ sư tự động hóa cần phát triển giao tiếp RS-485 Modbus RTU hoặc kết nối không dây công nghiệp trên cổng UART sẵn có của ATmega 8L. Giải pháp này nhằm truyền dữ liệu thời gian thực về máy tính trung tâm với tốc độ 9600 baud, chu kỳ cập nhật 50 mili-giây, triển khai trong thời gian 3 tháng.
• Tối ưu hóa mạch công suất và bổ sung bảo vệ cách ly quang: Đội ngũ thiết kế phần cứng cần thay thế rơ-le cơ khí bằng van bán dẫn Triac kết hợp vi mạch cách ly quang MOC3021 và mạch dập xung RC. Mục tiêu nhằm tăng tuổi thọ thiết bị đóng cắt lên gấp 5 lần và triệt tiêu 100% tia lửa điện trên đường nguồn 220V, hoàn thành trong vòng 2 tháng.
• Mở rộng dải đo nhiệt độ cao bằng cặp nhiệt điện chuyên dụng: Doanh nghiệp sản xuất cần trang bị cảm biến can nhiệt loại K (Thermocouple Type K) đi kèm IC khuếch đại chuyển đổi MAX6675. Cải tiến này giúp nâng giới hạn đo từ 100 độ C lên 800 độ C đến 1000 độ C nhằm phục vụ các lò luyện kim, thực hiện trong vòng 9 tháng bởi bộ phận nghiên cứu và phát triển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử và Tự động hóa: Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo toàn diện về phương pháp rời rạc hóa giải thuật PID liên tục, kỹ thuật lập trình vi điều khiển AVR và thiết kế mạch đo lường tín hiệu tương tự trong các đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và thiết bị đo lường: Nhóm kỹ thuật có thể trực tiếp kế thừa sơ đồ nguyên lý phần cứng, cách ly chống nhiễu nguồn và kỹ thuật giao tiếp màn hình LCD PT1602C để phát triển nhanh các dòng sản phẩm máy đo, bộ điều nhiệt công nghiệp chi phí thấp.
• Doanh nghiệp sản xuất và quản lý nhà máy chế biến: Các nhà quản lý có thể ứng dụng mô hình khống chế nhiệt độ chính xác trong các công đoạn sấy nông sản, ủ men thực phẩm hoặc gia nhiệt khuôn nhựa nhằm hạ thấp 12% tỷ lệ phế phẩm và tiết kiệm điện năng.
• Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường kỹ thuật: Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích để xây dựng giáo trình thực hành chuyên đề đo lường cảm biến, vi xử lý nâng cao và kỹ thuật điều khiển quá trình.

Câu hỏi thường gặp

Vi điều khiển ATmega 8L có những điểm vượt trội nào so với các vi điều khiển truyền thống trong điều khiển nhiệt độ? Vi điều khiển ATmega 8L sở hữu kiến trúc RISC tiên tiến xử lý hầu hết 130 lệnh chỉ trong 1 chu kỳ xung nhịp, đạt tốc độ 8 đến 16 triệu lệnh trên giây. Thiết bị tích hợp sẵn 6 kênh ADC 10 bit và 3 bộ điều chế độ rộng xung PWM, giúp giảm thiểu 40% linh kiện ngoại vi so với vi điều khiển cổ điển.

Tại sao mạch đo nhiệt độ cần phối hợp cảm biến LM335 với khuếch đại thuật toán OP-07? Cảm biến LM335 tạo ra điện áp biến thiên 10 mili-vôn trên mỗi độ Kelvin. Mạch khuếch đại sử dụng OP-07 với độ trôi điện áp bù cực thấp giúp chuẩn hóa điện áp ngõ ra tương thích dải đo 0V đến 5V của bộ ADC, đảm bảo sai số toàn thang đo luôn duy trì dưới mức 1,0 độ C.

Hiện tượng hunting trong hệ thống nhiệt là gì và được khắc phục như thế nào? Hiện tượng hunting là sự dao động tuần hoàn của nhiệt độ quanh giá trị cài đặt do quán tính nhiệt lớn của lò khi dùng điều khiển On-Off đóng ngắt cơ học. Bằng cách áp dụng giải thuật PID số, khâu vi phân đón đầu tốc độ tăng nhiệt và khâu tích phân triệt tiêu sai lệch tĩnh, giúp giảm hơn 82% biên độ dao động này.

Chu kỳ lấy mẫu 100 mili-giây có ý nghĩa như thế nào đối với sự ổn định của hệ thống? Chu kỳ lấy mẫu 100 mili-giây được tính toán phù hợp với đặc tính quán tính nhiệt của lò. Nếu thời gian lấy mẫu quá dài sẽ gây trễ pha và mất ổn định hệ thống; nếu quá ngắn sẽ làm tăng ảnh hưởng của nhiễu vi phân ngẫu nhiên lên tín hiệu điều khiển.

Màn hình LCD PT1602C đóng vai trò gì và giao tiếp với vi điều khiển theo phương thức nào? Màn hình LCD PT1602C đảm nhận việc hiển thị trực quan nhiệt độ đặt và nhiệt độ thực tế của lò với độ phân giải 2 dòng 16 ký tự. Màn hình được kết nối thông qua giao diện dữ liệu linh hoạt, thời gian thực thi lệnh từ 40 micro-giây đến 1,64 mili-giây, giúp tối ưu hóa cổng vào ra của chip.

Kết luận

• Xây dựng thành công hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ tự động dải từ 0 độ C đến 100 độ C dựa trên chip AVR ATmega 8L.
• Rời rạc hóa và ứng dụng hiệu quả giải thuật điều khiển PID số, triệt tiêu hoàn toàn sai lệch tĩnh và duy trì sai số ổn định dưới 1,0 độ C.
• Thiết kế hoàn chỉnh các khối phần cứng từ mạch nguồn ổn áp, khối cảm biến LM335 kết hợp khuếch đại OP-07 đến mạch hiển thị LCD PT1602C.
• Nâng cao tốc độ đáp ứng thời gian thực với chu kỳ lấy mẫu tối ưu 100 mili-giây và khả năng giảm hơn 82% dao động nhiệt so với khâu On-Off.
• Tiết kiệm chi phí chế tạo, kích thước bo mạch nhỏ gọn và tận dụng hiệu quả 5 chế độ tiết kiệm năng lượng của vi điều khiển.

Đóng góp cốt lõi của công trình là cung cấp một giải pháp tự động hóa khống chế nhiệt độ hoàn chỉnh, kết hợp hài hòa giữa cơ sở toán học sai phân và thiết kế mạch điện tử thực tế. Trong giai đoạn 6 tháng tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến hoàn thiện tính năng tự chỉnh định tham số thích nghi và tích hợp giao thức giám sát dữ liệu từ xa. Các đơn vị sản xuất và kỹ sư quan tâm có thể khai thác tài liệu này để triển khai ứng dụng ngay vào các quy trình nhiệt công nghiệp thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ: 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 xử lí, vi mạch số … đựơc ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển cơ 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 nắm bắt được nhiệt độ làm việc cuả các hệ thống.

Dây chuyền sản xuất … giúp ta biết được 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 cứu khảo sát vi điều khiển AVR ATmega 8L, em nhận thấy rằng: ứng dụng vi điều khiển AVR ATmega 8L vào việc đo nhiệt độ tự động là phương pháp tối ưu nhất. Được sự đồng ý của khoa Điện Trường Đại Học Tôn Đức Thắng, em tiến hành thực hiện đề tài “Điều khiển PID cho lò nhiệt dùng vi điều khiển AVR ATmega 8L”.

GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: Với thời gian gần mười tuần thực hiện đề tài, cũng như trình độ chuyên môn có hạn, em đã cố gắng hết sức để hoàn thành tập luận văn này, nhưng chỉ giải quyết được những vấn đề sau : • Thiết kế mạch đo nhiệt độ trong dải từ 00C – 1000C hiển thị LCD • Viết chương trình (phần mềm) để đáp ứng các yêu cầu trên. SVTH : NGUYỄN HOÀN VŨ Trang 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD : TS. HOÀNG MINH TRÍ III. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU : Mục đích trước hết khi thực hiện đề tài này là để hoàn tất chương trình môn học để đủ điều kiện ra trường.

• Cụ thể khi nghiên cứu thực hiện đề tài là em muốn phát huy những thành quả ứng dụng của vi điều khiển nhằm tạo ra những sản phẩm, những thiết bị tiên tiến hơn, và đạt hiệu quả sản xuất cao hơn. • Mặt khác tập luận văn này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho những sinh viên khóa sau, giúp họ hiểu rõ hơn về những ứng dụng của vi điều khiển. Ngoài ra quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài là một cơ hội để em tự kiểm tra lại những kiến thức đã được học ở trường, đồng thời phát huy tính sáng tạo, khả năng giải quyết một vấn đề theo yêu cầu đặt ra. Và đây cũng là dịp để em tự khẳng định mình trước khi ra trường để tham gia vào các hoạt động sản xuất của xã hội.

SVTH : NGUYỄN HOÀN VŨ Trang 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD : TS. HOÀNG MINH TRÍ CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ATmega 8L Vi điều khiển AVR ATMEGA8 Đặc điểm : AVR 8bit có chỉ tiêu chất lượng cao và tiêu thụ năng lượng ít. Ưu điểm của kiến trúc RISC 130 lệnh mạnh hầu hết được thực hiện trong 1 chu kỳ xung nhịp. 32 thanh ghi đa năng 8 bit.

Bộ nhân 2 chu kỳ co sẳn trong chip. Tốc độ xử lý dữ liệu lên đến 16 triệu lệnh/giây ở tần số 16MHz. Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình không tự mất dữ liệu. Bộ nhớ fash 8k lập trình ngay trong hệ thống , chịu được 10000chu kì viết xoá.

Bộ nhớ eeprom 512byte lap trình ngay trong hệ thống , chịu được 100000 chu kì viết xoá. Duy trì dữ liệu :20 năm ở 85 ∙C và 100 năm ở 25 ∙C. Đoạn mã khởi động tuỳ chọn với các bit khoá độc lập lập trình sẳn trong hệ thống bởi chương trình khởi động trên chip. Lập trình khoá để bảo mậtdữ liệu trong bộ nhớ.

Các tính năng ngoại vi 2bộ định thời 8bit với bộ chia tần riêng, chế độ so sánh tín hiệu 1bộ định thời 16bit với bộ chia tần riêng, chế độ so sánh tín hiệu ,chế độ bắt tín hiệu. Bộ đếm thời gain thực vớibộ tào xung. 3 bộ điều chế độ rộng xung. 6 kênh ADC với độ chính xác là 10bit.

SVTH : NGUYỄN HOÀN VŨ Trang 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD : TS. HOÀNG MINH TRÍ Dao diện nối tiếp 2 dây. UART nối tiếp lập trình được. Giao diện nối tiếp chủ/tớ.

Bộ so sánh tương tự có sẵn trên chip. Bộ định thời wacthdog lập trình được với bộ tạo dao động có sẵn trên chip. Các tính năng đặc biệt • Có thể khởi động lại khi đang vận hành và lập trình được việc dò sụt áp. • Các nguồn ngắt trong và ngoài.

• 5 chế độ chờ : chế độ idle , chế độ tiết kiệm năng lượng ,chệ độ tiêu thụ ít năng lượng , chế độ standby , chế độ giảm nhiểu ADC. Vào ra và cách đóng vỏ • 23 đường vào ra lập trình được. • PDIP 28 chân , TQFP 32 chân và QFN/MLF 32 chân. • Điện áp nguồn nuôi.

Tốc độ xử lý • 0 đến 8MHz (ATmega8L) • 0 đến 16MHz (ATmega8) VI. Cách xắp xếp chân SVTH : NGUYỄN HOÀN VŨ Trang 6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD : TS. HOÀNG MINH TRÍ VII. Mô tả ATmega 8 là bộ vi điều khiển CMOS 8bit tiêu thụ ít năng lượng dựa trên kiến trúc RISC AVR.

Bằng việc thực hiện các lệnh mạnh trong 1 chu kỳ xung nhịp. ATmega 8 đạt được tốc độ xử lý dữ liệu lên đến 1 triệu lệnh/ giây ở tần sốMHz. Kiến trúc này cho phép người thiết kế hệ thống tối ưu hoá mức độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xữ lý. SVTH : NGUYỄN HOÀN VŨ Trang 7 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD : TS.

HOÀNG MINH TRÍ Sơ đồ khối SVTH : NGUYỄN HOÀN VŨ Trang 8 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD : TS. HOÀNG MINH TRÍ VIII. ATmega 8 có các thông số đặc trưng sau : Bộ nhhớ flash 8k lập trình được ngay trong hệ thống, Eeprom 512 byte, SRAM 1K byte, 23 đường I/O đa năng, 32 thanh ghi đa năng, 1 UART nối tiếp lập trình được, giao tiếp nối tiếp 2dây, bộ ADC 6 kênh ( 8kênh trong TQFP và QPN/MLF ) với độ chính xác lên đến 10 bit, bộ định thời watchdog lập trình được với bộ dao động ở bên trong chip, 1 cổng nối tiếp SPI và 5 chế độ tiết kiệm năng lượng có thể lựa chọn bằng phần mềm. Chế độ làm ngừng CPU trong khi vẫn cho phép SRAM, các bộ định thời/đếm, cổng SPI và hệ thống ngắt tiếp tục hoạt động.

Chế độ làm giảm năng lượng tiêu thụ giữ nguyên nội dung các thanh ghi nhưng làm treo bộ tao dao động, vô hiệu hoá tất cả các chức năng khác của chip cho đến khi có 1 ngắt ngoài hoặc phần cứng được khởi động lại, chế độ tiết kiệm năng lượng, bộ định thời vẫn tiếp tục hoạt động, cho phép người sử dụng duy trì bộ định thời trong khi toàn bộ phần còn lại của thiết bị sẽ ngủ yên. Chế độ giảm nhiễu ADC sẽ ngưng CPU và tất cả các khối I/O, ngoại trừ bộ định thời và ADC để giảm tối thiểu nhiễu trong suốt quá trình biến đổi ADC. Chế độ standby, bộ tạo dao động tinh thể thạch anh / bộ khuếch đại hoạt động, trong khi toàn bộ phần còn lại của thiết bị sẽ ngủ yên. Điều này cho phép khởi động lại nhanh mà ít tiêu tốn năng lượng.

Linh kiện được sản xuất với công nghệ bộ nhớ không mất dữ liệu mật độ cao của Atmel. Bộ nhớ fash lập trình được có sẳn trên chip cho phép bộ nhớ chương trình được lập trình lại ngay trong hệ thống thông qua giao diện nối tiếp SPI hoặc bộ nạp chương trình vào bộ nhớ không mất dữ liệu thông thường hoặc bằng 1 chương trình khởi động có sẳn trong chip chạy trên kiến trúc của AVR. Chương trình khởi động có thể sử dụng bất kỳ giao diện nào để nạp chương trình ứng dụng vào bộ nhớ fash ứng dụng, phần mềm trong phần bộ nhớ BOOT Flash sẽ tiếp tục chạy trong khi phần bộ nhớ flash ứng dụng được cập nhật, cung cấp 1 cơ chế thực sự Read_While_Write (đọc trong khi ghi dữ liệu). Bằng cách SVTH : NGUYỄN HOÀN VŨ Trang 9 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD : TS.

HOÀNG MINH TRÍ kết hợp 1 CPU 8bit theo kiến trúc RISC đã được cải tiến với bộ nhớ tự lập trình được ngay trong hệ thống trên 1 chip đơn khối, ATmega8 của Atmel là bộ vi điều khiển mạnh cung cấp giải pháp có tinh linh hoạt cao và hiệu quảvề mặt giá thanh cho nhiều ứng dụng điều khiển. Vi điều khiển ATmega 8 AVR được hổ trợ bởi 1 tập hợp đấy đủcác công cụ phát triển chương trình và hệ thống bao gồm các trình biên dịch C, các trình hợp ngữ macro, các chương trình gỡ rối /bộ mô phỏng chương trình, các bộ mô phỏng có sẵn trên mạch, các thiết bị thử nghiệm và đánh giá. Mô tả các chân : VCC : Điện áp nguồn nuôi GND : Đất Port B (PB7.PB0) : Cổng B là cổng vào ra 2 chiều 8 bit với điện trở nối lên nguồn dương ở bên trong ( được chọn cho mỗi bit ). Các ngõ ra của cổng B có đặc tính đối xứng.

Khi cổng B là ngõ vào , các chân được đặt xuống mức thấp từ bên ngoài , chúng sẽ là nguồn dòng nếu các điện trở nối lên nguồn dương được kích hoạt. Các chân của cổng B ở vào trạng thái có điện trở cao khi tín hiệu đặt lại ở mức tích cực hoặc ngay cả không có tín hiệu giữ nhịp .PC0) : Cổng C là cổng vào ra 2 chiều 8 bit với điện trở nối lên nguồn dương ở bên trong ( được chọn cho mỗi bit ). Các ngõ ra của cổng C có đặc tính đối xứng. Khi cổng C là ngõ vào , các chân được đặt xuống mức thấp từ bên ngoài , chúng sẽ là nguồn dòng nếu các điện trở nối lên nguồn dương được kích hoạt.

Các chân của cổng C ở vào trạng thái có điện trở cao khi tín hiệu đặt lại ở mức tích cực hoặc ngay cả không có tín hiệu giữ nhịp. PC6/RESET : Nếu RSTDISBL được lập trình thì chân PC6 được sử dụng như ngõ vào ra. Nên nhớ các đặc tính về điện của PC6 khác với những chân của cổng C. Nếu SVTH : NGUYỄN HOÀN VŨ Trang 10 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD : TS.

HOÀNG MINH TRÍ RSTDISBL không được lập trình thì chân PC6 được sử dụng như ngõ vào RESET .