Đặt vấn đề Vấn đề thực phẩm bẩn là một hiện tượng phổ biến, đang diễn ra từng ngày: thịt có chất tạo nạc, rau có thuốc trừ sâu; làm đổ ruốc bằng hóa chất…Tuy là vấn đề không còn mới mẻ, lạ lẫm với bất cứ người nào nhưng ngày càng ở mức báo động cao gây ra những ảnh hưởng xấu về sức khỏe con người. Các phương pháp truyền thống như kết hợp thao tác bằng tay với các loại dung dịch rửa thông thường không còn đảm bảo loại bỏ hết các chất nguy hại có trong thực phẩm nữa. Phương pháp dùng sóng siêu âm tẩy rửa các chất nguy hại cho sức khỏe con người ra đời và đạt một số ưu điểm so với phương pháp truyền thống. Hiện nay phương pháp sử dụng sóng siêu âm để làm sạch thực phẩm đã có ở Việt Nam.
Tuy nhiên với giá thành khá cao thì khả năng ứng dụng rộng rãi là chưa khả thi. Do đó, nhóm quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm cho hộ gia đình”. Với xu hướng sử dụng những công nghệ không gây ô nhiễm môi trường, không gây ra tác động độc hại đến sức khỏe con người, các thiết bị tẩy rửa sử dụng sóng siêu âm là lựa chọn hàng đầu trong lĩnh vực làm sạch ở các ngành công nghiệp. Việc sử dụng năng lượng sóng siêu âm sẽ mang lại hiệu quả tẩy rửa vượt trội hơn so với các dung dịch tẩy rửa trước đây.
Mục tiêu Ngày nay vấn đề an toàn thực phẩm đang trở thành chủ đề nóng trong đời sống, vì vậy các phương pháp làm sạch thực phẩm đang trở thành chủ đề nghiên cứu nhiều hiện nay. Mong muốn của nhóm nghiên cứu là có thể ứng dụng các kiến thức đã học để thiết kế máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đồng thời có chi phí phù hợp để có thể áp dụng rộng rãi trong đời sống. Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu các máy rửa thực phẩm hiện có trên thị trường. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1 do an CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Căn cứ ưu khuyết điểm của các máy rửa thực phẩm hiện có trên thị trường đề xuất các thông số kỹ thuật, các tiêu chí kinh tế cho máy rửa cần thiết kế.
Thiết kế máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm. Việc thiết kế tập trung các nội dung: thiết kế mạch công suất, mạch lái, mạch xử lý trung tâm và phần mềm phát xung điều khiển. Giới hạn Dung tích máy rửa 5-10 lít, sử dụng biến tử phát sóng siêu âm với tần số (20 – 60) kHz, công suất 100 Watt. Điều khiển các khối dùng vi điều khiển pic 16f877.
Hệ thống điều khiển linh hoạt, cho phép người sử dụng cài đặt thông số cơ bản và một số chương trình cố định. Bố cục Chƣơng 1: Tổng Quan Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chƣơng 3: Tính Toán Và Thiết Kế. Chƣơng 4: Thi công hệ thống.
Chƣơng 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá. Chƣơng 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Nội dung các chương như sau: Chƣơng 1: Tổng quan. Chương này trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu, các nhiệm vụ, các giới hạn và hướng đi của đề tài phải thực hiện.
Chƣơng 2: Cơ sở thu ết. Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về sóng siêu âm, biến tử siêu âm, các loại máy rửa có trên thị trường, giới thiệu về vi mạch PIC 16F877 và biến áp xung. Chƣơng 3: T nh to n v thiết kế. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2 do an CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Nội dung chương này Đề cập đến các yêu cầu của kỹ thuật của máy rửa bằng sóng siêu âm và các tính toán, thiết kế và lựa chọn thiết bị.
Chƣơng 4: Thi công hệ thống. Chương này gồm các bước thi công hệ thống, thiết kế lưu đồ giải thuật cho hệ thống và hướng dẫn sử dụng hệ thống. Cuối mỗi công đoạn sẽ có các thông số kiểm tra để biết khả năng hoạt động của từng khối chức năng. Chƣơng 5: Kết quả nhận t v đ nh gi.
Chương này trình bày kết quả thực hiện, các nhận xét về ưu điểm, nhược điểm và đánh giá so với mục tiêu của đề tài. Chƣơng 6: Kết uận v hƣớng ph t triển. Chương này trình bày kết luận nghiên cứu đề tài và đề ra các giải pháp phát triển cho đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 do an CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
T nh chất căn bản của sóng Sóng siêu âm cũng là một sóng cơ và có các tính chất căn bản thông qua các thông số như tần số, bước sóng, … 2.1 Tần số Tần số của một sóng cơ học cũng chính là tần số dao động của các nguyên tử trong môi trường mà trong đó sóng truyền. Tần số biểu thị số chu kỳ trong một giây, ký hiệu của tần số là f, đơn vị là Hertz (Hz).2 Bước sóng Bước sóng thường ký hiệu λ là quãng đường mà sóng truyền được trong một chu kỳ T. Các nguyên tử cách nhau một bước sóng sẽ dao động cùng pha với nhau khi sóng truyền trong môi trường.3 Vận tốc sóng Tốc độ năng lượng được truyền giữa hai điểm trong môi trường bởi sự chuyển động của sóng được gọi là vận tốc sóng.4 Cơ chế truyền sóng Hình 2.1: Cơ chế truyền sóng [1] BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 do an CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sóng được phát đi từ nguồn theo phương truyền sóng sẽ tạo ra các vùng tần số cao và thấp xen kẽ nhau, đó là các vùng nén và vùng dãn. Các vùng này vì khác nhau về tần số nên cũng khác nhau về năng lượng mang theo.5 Đặc điểm sóng siêu âm Sóng âm là dao động của các hạt của chất rắn, lỏng, khí, đó là các chất đàn hồi.
Tùy theo dải tần mà người ta chia theo các vùng sau: Vùng hạ âm có tần số từ 1Hz đến 20Hz. Vùng âm tần có tần số từ 20Hz đến 20kHz. Vùng siêu âm có tần số từ 20kHz đến 100 MHz. Vùng cự siêu âm có tần số > 100MHz.6 Phân loại sóng siêu âm Trên cơ sở dao động của các hạt trong môi trường so với phương truyền sóng, sóng siêu âm được phân loại thành sóng dọc, sóng ngang [1].
Sóng dọc: Là phương dao động của các hạt song song với phương truyền sóng. Sóng ngang: Là phương dao của các hạt vuông góc với phương truyền sóng.7 Sự hấp thụ sóng siêu âm của môi trường truyền sóng Trong quá trình truyền sóng trong môi trường, cường độ sóng bị suy giảm dần do sự hấp thụ của môi trường và do sự tán xạ của sóng. Sự suy giảm phụ thuộc vào các yếu tố: Tính dẫn nhiệt, hệ số ma sát, tính không đồng nhất của môi trường và tần số của sóng. Năng lượng bị hấp thụ sẽ biến thành nhiệt trong môi trường truyền.
Đặc biệt khi kích thước các phần tử cấu tạo nên môi trường bằng hoặc lớn hơn bước sóng siêu âm thì sự hấp thụ tăng nhanh và biên độ sóng suy giảm nhanh chóng. Biến tử siêu âm 2.1 Vai trò và phân loại biến tử Biến tử siêu âm là linh kiện điện cơ, biến đổi trực tiếp năng lương điện có tần số siêu âm thành các xung cơ học có cùng tần số. Ngược lại một biến tử siêu âm cũng có khả năng biến đổi dao động cơ thành dao động điện có tần số tương ứng [2] [3]. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 do an CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Biến tử siêu âm [4] Theo hai chức năng đó, biến tử được chia thành biến tử thu sóng và biến tử phát sóng.
Biến tử phát sóng: Một dao động điện có tần số siêu âm sau khi được xử lý và khuếch đại đến mức cần thiết được đưa đến biến tử phát sóng, biến tử phát sóng sẽ biến đổi dao động điện thành dao động cơ lan truyền trong môi trường nhằm thực hiện một tính năng nào đó. Tùy theo vật liệu cấu tạo nên biến tử mà ta có biến tử áp điện hay biến tử từ giảo. Biến tử áp điện thường có công suất nhỏ, hoạt động ở vùng tần số cao. Ngược lại biến tử từ giảo thường được sử dụng trong thiết bị có công suất lớn, làm việc với tần số thấp [2] [3].
Biến tử thu sóng: Biến tử nhận các dao động cơ từ môi trường bên ngoài tác động lên bề mặt biến tử. biến tử sẽ biến đổi các dao dộng cơ học thành dao động điện có tần số tương ứng. Tín hiệu điện thu được sau khi được sử lý và khuếch đại đến mức cần thiết sẽ cung cấp cho các thiết bị chỉ thị, đo lường, cảnh báo. … Các biến tử thu sóng thường là các biến tử áp điện có độ nhạy cao.2 Biến tử áp điện a.
Hiệu ứng áp điện: Hiệu ứng áp điện là một hiện tượng vật lý được anh em nhà Curie nghiên cứu chi tiết vào năm 1880. Hiện tượng xảy ra như sau: Người ta tìm một loại chất hóa học có tính chất giống như gốm, nó có hai hiệu ứng thuận và nghịch nhưng khi tác động vào nó một điện trường thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại khi dùng lực tác động vào nó thì nó tạo ra dòng điện. Tóm lại nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại [2] [3]. Áp điện thuận nghĩa là khi tác động lực BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 do an CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT lên vật thì sẽ sinh ra điện.
Áp điện nghịch nghĩa là khi tác động hiệu điện thế vào vật thì sẽ sinh ra công biến dạng làm biến đổi lực.3: Hiệu ứng áp điện Theo hình 2.3b, ta thấy khi tác động vào vật một lực bên ngoài thì vật sẽ có một điện tích làm cho kim đỏ sang bên phải, đó là hiện tượng áp điện thuận. Ngược lại, theo hình 2.3a khi ta dùng nguồn điện để tác động vào vật, vật sẽ biến dạng lực làm cho hình dáng thay đổi từ nhỏ đến lớn. Ngày nay, hiện tượng áp điện được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hằng ngày như: máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm,… Nói một cách ngắn gọn thì hiệu ứng áp nghịch làm thay đổi hình dáng của vật liệu, với hiệu ứng điện ở tần số cao cho phép tạo nên âm thanh hoặc sóng siêu âm. Cấu tạo căn bản của biến tử áp điện Biến tử áp điện thường có cấu trúc cơ bản như trình bày ở hình 2.