(123doc) - Do-An-Xay-Dung-He-Thong-Do-Nhiet-Do-Lo-Ap-Trung-Gia-Cam-Co-Code-Day-Du [PDF]

Zitiervorschau

Bộ Công Thương

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Cơ Khi --------

ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN Đề tài: Xây dựng hệ thống đo nhiệt độ lò ấp trứng gia cầm. Giáo viên hướng dẫn:

TS.Nguyễn Văn Trường

Thành viên nhóm:

Hà Nội, 2020

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I. Thông tin chung 1. Tên lớp: Cơ Điện Tử 3 Khóa: 13 2. Tên nhóm: STT: Họ và tên thành viên: Mã sinh viên: 1 Trần Minh Ngọc 2018605449 2 Vũ Xuân Trường 2018605392 3 Lộc Minh Tú 2018605390 II. Nội dung học tập 1. Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đo nhiệt độ lò ấp trứng gia cầm. 2. Hoạt động của sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mô hình hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống (L2.1) - Nội dung 4: Viết báo cáo 3. Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch và mô hình sản phẩm(nếu có). III. Nhiệm vụ học tập 1. Hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày …/…/…. đến ngày …/…/….). 2. Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh giá. IV. Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án 1. Tài liệu học tập: Giáo trình môn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều khiển. 2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng. KHOA/TRUNG TÂM

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. Nguyễn Anh Tú

TS. Nguyễn Văn Trường

2

MÔ TẢ KỸ THUẬT 1. Mô tả nhiệm vụ công nghệ Hệ thống có khả năng: - Đo và kiểm soát nhiệt độ trong lò ấp trứng - Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm liên tục theo thời gian thực trên màn hình led 7 thanh hoặc LCD. - Có chức năng lựa chọn giới hạn nhiệt độ trên và dưới để đưa ra cảnh báo khi giá trị nhiệt độ vượt ngoài khoảng cho phép. - Phát đi tín hiệu điều khiển bật, tắt đèn và quạt để tăng, giảm nhiệt độ khi nhiệt độ thay đổi vượt qua giá trị quy định 2. Cấu trúc thiết bị Thiết bị

Loại sử dụng

Cảm biến đo nhiệt độ trong lò ấp

Cảm biến nhiệt độ

Mạch chuyển đổi xử lí tín hiệu

ADC ngoài hoặc trong chíp

Bộ điều khiển

Viđiều khiển/ PLC/PC/Arduino

Hiện thị nhiệt độ tức thời

LCD /LED/Monitor

Phím chức năng nhập dữ liệu

Nút bấm / Màn hình chạm

Tín hiệu cảnh báo

Trên LCD/ Đèn/Còi

3. Đặc tinh kỹ thuật Thông số

Giá trị

Giới hạn đo nhiệt độ

Giới hạn đo với nhiệt độ từ 0oC-100oC

Sai số đo nhiệt Sai số 2% với độ C độ

3

4. Nội dung báo cáo - Bản vẽ T T

Tên bản vẽ

Khổ giấy

Số lượng

1

Bản vẽ sơ đồ hệ thống

A3

1

2

Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống

A3

1

- Báo cáo: Trình bày khổ giấy A4 theo quy định. Chương 1 Tổng quan về hệ thống 1.1. Giới thiệu chung 1.2. Các yêu cầu cơ bản 1.3. Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Chương 2 Xây dựng mô hình hệ thống 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 2.5. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (Nếu có) Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống 3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí 3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống Kết Luận.

4

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................7 Chương 1: Tổng quan về hệ thống............................................................................8 1.1. Giới thiệu chung..............................................................................................8 1.2. Các yêu cầu cơ bản..........................................................................................8 1.3. Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu............................................9 1.4. Ý nghĩa thực tiễn...........................................................................................9 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG..........................................10 2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.......................................................................10 2.2. Phân tích và lựa chọn cảm biến..................................................................10 2.3. Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển...........................................................14 2.4. Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu.............................................................21 2.5. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (Nếu có)............................................21 Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống............................................................23 3.1

Chế tạo các bộ phận cơ khí.........................................................................23

3.2

Chế tạo các bộ phận điện - điện tử..............................................................26

3.3

Xây dựng chương trình điều khiển.............................................................27

3.4

Thử nghiệm và đánh giá hệ thống...............................................................28

PHỤ LỤC................................................................................................................29 1. Code xây dựng hệ thống:...............................................................................29 2. Tài liệu tham khảo:........................................................................................31

5

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Sơ đồ khối của hệ thống.............................................................................10 Hình 2: Đo nhiệt độ dùng diode và transistor..........................................................12 Hình 3: Mạch đo của hệ thống................................................................................22 Hình 4: Mạch mô phỏng khi chưa có điện..............................................................22 Hình 5: Mạch mô phỏng khi nhiệt độ nằm dưới mức quy định..............................23 Hình 6: Mạch mô phỏng khi nhiệt độ nằm trong mức quy định.............................23 Hình 7: Mạch mô phỏng khi nhiệt độ nằm trên mức quy định...............................24 Hình 8: Cảm biến LM35..........................................................................................24 Hình 9: Arduino UNO R3 .......................................................................................25 Hình 10: LCD..........................................................................................................25 Hình 11: Quạt thông gió..........................................................................................26 Hình 12: Đèn ấp trứng.............................................................................................26 Hình 13: Nguồn tổ ong 12V....................................................................................26 Hình 14: Module Relay 5V.....................................................................................27 Hình 15: Mô hình sản phẩm....................................................................................27

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: So sánh thông số giữa LM35 và AD590....................................................13 Bảng 2: Thông số của Arduino UNO R3.................................................................16 Bảng 3: So sánh thông số một số loại vi điều khiển thông dụng hiện nay..............19 Bảng 4:Nhiệt độ hệ thống đo được so với nhiệt độ chuẩn......................................29

6

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học máy tính và điện tử đã hỗ trợ rất lớn đến sự ra đời và phát triển của công nghệ tự động. Công cuộc tự động hóa đã tạo ra một bước ngoặt trong quá trình sản xuất cũng như sinh hoạt của con người. Các máy móc dần dần thay thế sức lao động tay chân của con người, thực hiện các công việc phức tạp và tốn nhiều công sức thay cho con người với hiệu quả và khối lượng công việc rất cao. Công việc ấp trứng gia cầm vốn được làm thủ công yêu cầu phải thực hiện nhiều thao tác liên tục trong nhiều ngày đêm với sự giám sát chặt chẽ các yếu tố về nhiệt độ, độ ẩm, độ thông thoáng khí… Máy ấp trứng là sản phẩm tự động hóa tất yếu ra đời để thay thế con người trong công việc này. Với sự có mặt của kỹ thuật điện tử, chiếc máy ấp trứng không chỉ hoạt động độc lập và chính xác trong thời gian dài. Nó còn giao tiếp được với máy tính để giúp người giám sát nắm được các thông số cũng như cài đặt các yêu cầu một cách đơn giản. Xuất phát từ tính thực tiễn của một máy ấp trứng gà, trên cở sở các kiến thức đã có và ham muốn về lĩnh vực này, nhóm em xin chọn đề tài làm đồ án tốt nghiệp: “Xây dựng hệ thống đo nhiệt độ lò ấp trứng gia cầm”. Trên cơ sở những kiến thức đã học, đồ án sẽ tập trung tìm hiểu, nghiên cứu cơ chế làm việc cơ bản của 1 máy ấp trứng gia cầm. Đặc biệt, từ đó để thiết kế, chế tạo một mạch điện tử đơn giản với chức năng, nhiệm vụ và nguyên lí làm việc tương đồng với một máy ấp trứng gà tự động phù hợp với giá thành và điều kiện kinh tế trong nước, đặc biệt là khu vực nông thôn. Mặc dù chúng em đã cố gắng để hoàn thành đề tài xong không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em mong quý thầy cô thông cảm. Chúng em mong được đón nhận ý kiến đóng góp quý báu của thầy cô để đề tài nghiên cứu hoàn thiện hơn và có ý nghĩa thiết thực trong cuộc sống.

7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1. Giới thiệu chung - Dựa trên các yếu tố của việc ấp trứng tự nhiên do gia cầm thực hiện. Máy ấp trứng đưa ra các giải pháp kĩ thuật tương tự. Với các ưu thế hơn hẳn về sản lượng ấp cho một mẻ trứng. Trong đề tài này, em xin giới thiệu về cấu trúc tổng quát của máy ấp trứng được tổng kết sau quá trình tham khảo tài liệu. - Các loại trứng gia cầm khác có các yêu cầu khác nhau về nhiệt độ, độ ẩm và thời gian ấp nở. Về cơ bản, máy ấp trứng tự động gồm bốn khâu: nhiệt độ, đảo trứng, độ ẩm và thông gió, các thông số kỹ thuật đều được điều chỉnh bằng mạch bán dẫn và vi điện tử. Để có giống mạnh khoẻ, tỷ lệ nở cao, máy phải giải quyết được triệt để bốn khâu trên. - Khâu nhiệt đóng vai trò quan trọng nhất, quả trứng ấp không đủ nhiệt thì phôi sẽ không phát triển. Để giữ nhiệt, các vỏ máy được thiết kế dày và có chức năng cách ly tốt, góp phần lưu nhiệt khi mất điện. Trong máy có các hệ thống dây điện trở, có chức năng sinh nhiệt, mỗi dây có công suất tùy thuộc vào thể tích của lồng ấp. Để đóng, ngắt mạch điện và dây điện trở sinh nhiệt, có thể sử dụng rơle điện tử không tiếp điểm, dùng tri-ắc công suất lớn, bộ đóng ngắt hoạt động với độ tin cậy cao. - Khâu đảo trứng là khâu thứ hai trong quá trình ấp. Thông thường trứng được đảo vài giờ một lần, một lần kéo dài khoảng 10 phút. Việc đảo trứng thực hiện chậm vì tránh hiện tượng va đập làm hư trứng. Dàn đảo sẽ đảo với một góc không quá 60o hoặc thấp hơn tùy vào thiết kế của giá để trứng. - Một quả trứng bình thường chứa 6,5% đến 6,6% lượng nước. Trong quá trình tiếp nhiệt độ để phát triển thành con giống, lượng nước sẽ bị bay hơi dần. Máy ấp trứng phải có hệ thống cung cấp độ ẩm tự động và điều chỉnh được tuỳ ý. Thông thường máy ấp có giàn phun nước tự động để giữ cho độ ẩm không thay đổi tùy thuộc vào từng giai đoạn của trứng. - Thông gió là phần không thể thiếu trong quá trình ấp. Các quạt thông gió phải gắn với cửa chớp mở tự động mỗi khi quạt hoạt động. Việc gắn với cửa chớp là để đảm bảo việc cách ly với môi trường bên ngoài, đảm bảo việc giữ nhiệt. Việc thông gió có thể kết hợp với việc giảm nhiệt cho máy ấp.

1.2. Các yêu cầu cơ bản - Bảo đảm nhiệt độ thích hợp (37-39oC) và tương đối ổn định theo từng giai đoạn của mỗi đợt ấp. - Bảo đảm độ ẩm thích hợp (50-80%) và tương đối ổn định theo từng giai đoạn của mỗi đợt ấp. - Bảo đảm thông gió thoáng khí nơi tủ ấp. - Bảo đảm đảo trứng thường xuyên (1-3h 1lần). 8

1.3.

Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

a) Phương pháp - Phương pháp lý thuyết: + Nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ thông qua các tài liệu trên internet. + Tìm hiểu về mạch điều khiển, mô phỏng trên Proteus và cách kết nối với máy tính. + Đưa ra ý tưởng về các thông số và giá trị sẽ được hiển thị trên thanh LCD, LED. + Đề xuất và nghiên cứu về các linh kiện sẽ có trong mạch và các linh kiện bảo vệ. + Mô phỏng mạch trên ứng dụng Proteus. - Phương pháp thực nghiệm: + Dựa và tham khảo vào các mô hình tham khảo trên Internet để cải tiến thiết kế và mục đích sử dụng. b) Phạm vi đề tài và giới hạn nghiên cứu Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong các hộ gia đình để phục vụ sản xuất nông nghiệp.

1.4.

Ý nghĩa thực tiễn

Trên thực tế ở nước ta, nhiều loại máy ấp, máy nở hiện đại nhập vào từ Hà Lan, Bỉ, Mỹ, Hungari, Trung Quốc, tỷ lệ ấp nở trứng gà đạt trên 80% so với số trứng vào ấp. Công suất các loại máy từ ấp vài trăm quả trứng cho các gia đình, phòng thí nghiệm, đến loại máy to hàng nghìn, vạn, chục vạn quả cho các trạm ấp lớn, hầu hết là tự động. Một số cán bộ kỹ thuật đã tự đóng được máy ấp loại nhỏ và vừa bằng vật tư trong nước, chỉ nhập một số bộ phận quan trọng của nước ngoài, loại máy này có giá thành thấp hơn máy nhập. Quy trình ấp chủ yếu là điều khiển máy, đảm bảo chế độ nhiệt và chế độ ẩm, độ thông thoáng, đảo trứng . . . trong suốt 21 ngày ấp cho trứng gà. Trong khuôn khổ của một đề tài đồ án, nhóm thực hiện muốn xây dựng một sản phẩm gần gũi với thực tế cuộc sống và góp phần đưa những kĩ thuật hiện đại vào sản xuất nông nghiệp.

9

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Khối nguồn

Khối hiển thị Khối cảm biến

Khối sử lý trung tâm Khối cấp nhiệt

Chú thich:

Hình 1: Sơ đồ khối của hệ thống

Đường cấp nguồn điện cho thiết bị Đường truyền tín hiệu

2.2. Phân tich và lựa chọn cảm biến Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ. Tùy vào nhu cầu về tính chính xác, giá thành, mục đích sử dụng, môi trường xung quanh mà người ta sử dụng những cảm biến phù hợp. Có 5 loại cảm biến thường được dùng để đo nhiệt độ: - Cặp nhiệt điện (Thermocouple). - Nhiệt điện trở (RTD-resitance temperature detector). - Thermistor. - Bán dẫn (Diode, IC ,…).

10

- Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc (hỏa kế - Pyrometer). Dùng hồng ngoại hay lazer.  CẶP NHIỆT ĐIỆN (Thermocouples). - Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu. - Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV). - Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao. - Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao. - Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén… - Tầm đo: -100°C - 1400°C  NHIỆT ĐIỆN TRỞ (RTD - resitance temperature detector). - Cấu tạo: gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Niken, Patium… được quấn theo hình dáng của đầu to. - Nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa 2 đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt độ nhất định. - Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế. - Khuyết điểm: Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện. - Thường dùng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất… - Tầm đo: -200°C – 700°C  THERMISTOR - Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt… - Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi. - Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo. - Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp. - Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử. - Tầm đo: 50°C  BÁN DẪN - Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn. 11

- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. - Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản. - Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền. - Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử. - Tầm đo: -50°C - 150 °C  NHIỆT KẾ BỨC XẠ (còn gọi là hỏa kế - pyrometer). - Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học. - Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt. - Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo. - Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền. - Thường dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung. - Tầm đo: -54°C - 1000°C 2.2.1 Lựa chọn cảm biến Dựa vào đặc điểm của các loại cảm biến và các yêu cầu về lò ấp trứng. Chúng em lựa chọn cảm biến nhiệt bán dẫn với những đặc điểm phù hợp với yêu cầu để đo nhiệt độ trong lò ấp trứng như khoảng đo của cảm biến từ -55°C đến 150°C phù hợp để đo nhiệt độ từ 37°C đến 39°C và có sai số nhỏ, dễ sử dụng. Đối với các loại cảm biến khác thì có khoảng đo lớn, độ chính xác không cao, giá thành đắt nên không phù hợp với hệ thống đo nhiệt độ trong lò ấp trứng. a. Đo nhiệt độ dùng diode và transistor

V I

V I

Hình 2: Đo nhiệt độ dùng diode và transistor Sử dụng linh kiện bán dẫn là Diode hoặc transistor (nối B-C) phân cực thuận với dòng I không đổi. Điện áp giữa hai cực là hàm của nhiệt độ, không những phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào dòng điện cung cấp.

12

Người ta lợi dụng sự thay đổi tuyến tính của mối nối p-n đối với nhiệt độ để chế tạo ra các Diode và transistor chuyên dùng, làm cầu cảm biến nhiệt trong đo lường và khống chế nhiệt độ.

b. Đo nhiệt độ bằng cảm biến tích hợp (IC) - Giới thiệu Kỹ thuật vi điện tử cho phép chế tạo được những mạch kết nối gồm những transistor giống nhau được sử dụng để làm cảm biến đo nhiệt độ dựa vào việc đo sự khác biệt điện áp VBE dưới tác động của nhiệt độ. Các cảm biến này tạo ra các dòng điện hoặc điện áp tỷ lệ với nhiệt độ, với độ tuyến tính cao, nó vận hành đơn giản tuy nhiên phạm vi hoạt động chỉ giới hạn trong khoảng -50oC đến 150oC. - Nguyện lý chung của IC đo nhiệt độ. Là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện. Dựa vào đặc tính rất nhạy cảm của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với dòng điện tuyệt đối. Đo tín hiệu điện ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo. Sự tích cực của nhiệt độ tạo ra các điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn bằng sự phá vỡ các phần tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua các vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lỗ trống nhiệt làm cho tỷ lệ điện tử tự do và các lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ. Kết quả của hiện tượng này là dưới mực điện áp thuận, dòng thuận của mối nối p-n (trong diode hay transistor) sẽ tăng theo hàm mũ theo nhiệt độ. Cảm biến nhiệt bán dẫn có 2 loại phổ biến nhất là AD590 và LM35. Thông số

LM35

AD590

Ngõ ra

Điện áp

Dòng điện

Độ nhạy

10mV/oC

1A/oK

Nguồn cung cấp, dòng 400µA→500µA làm việc

Vcc=4V→30V

Sai số

0.25oC

4oK

Phạm vi sử dụng

-55°C đến 150°C

-55°C đến 150°C

Bảng 1: So sánh thông số giữa LM35 và AD590 Nhóm em quyết định sử dụng cảm biến LM35 để đo nhiệt độ trong hệ thống này. Với những thông số: Điện áp hoạt động: 4~20VDC 13

Công suất tiêu thụ: khoảng 60uA Khoảng đo: -55°C đến 150°C Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C Sai số: 0.25°C Kiểu chân: TO92 Kích thước: 4.3 × 4.3mm Cảm biến LM35 gồm 3 chân: Chân 1: Chân nguồn đầu vào Vcc Chân 2: Chân đầu ra Vout Chân 3: Chân nối GND

2.3. Phân tich và lựa chọn bộ điều khiển 2.3.1 Bộ điều khiển Một bộ vi điều khiển có thể so sánh với một máy tính độc lập nhỏ, nó là một thiết bị cực kỳ mạnh mẽ, có khả năng thực hiện một loạt các tác vụ được lập trình sẵn và tương tác với các thiết bị phần cứng bổ sung. Được đóng gói trong một mạch tích hợp nhỏ (IC) có kích thước và trọng lượng thường không đáng kể, nó đang trở thành bộ điều khiển hoàn hảo cho robot hoặc bất kỳ máy nào cần một số loại tự động hóa thông minh. Một bộ vi điều khiển duy nhất có thể đủ để quản lý một robot di động nhỏ, máy giặt tự động hoặc hệ thống bảo mật. Một số bộ vi điều khiển chứa bộ nhớ để lưu chương trình sẽ được thực thi và rất nhiều dòng đầu vào / đầu ra có thể được sử dụng để hoạt động chung với các thiết bị khác, như đọc trạng thái của cảm biến hoặc điều khiển động cơ. Một số loại vi điều khiển thông dụng hiện nay:  Vi điều khiển 8051 - Là vi điều khiển đơn tinh thể (không nhầm với CPU) kiến trúc Harvard - Được sản xuất với việc dùng công nghệ MOSFET. Các thông số kĩ thuật: - Một ALU 8-bit, một thanh tích lũy và một thanh ghi 8-bit, do đó nó là một vi điều khiển 8-bit. - bus dữ liệu 8-bit - có thể truy cập 8 bits dữ liệu trong một hoạt động. - bus địa chỉ 16-bit - có thể truy cập 216 vị trí nhớ 64kB (65536 vị trí) cho mỗi bộ nhớ RAM và ROM. - RAM trên chip - 128 bytes (bộ nhớ dữ liệu). - ROM trên chip - 4 kbytes (bộ nhớ chương trình). 14

- 32 chân I/O riêng biệt (4 nhóm mỗi nhóm 8 chân I/O) có thể được truy cập riêng rẽ. - Hai bộ định thời/đếm 16-bit.

Ưu điểm: - Cho phép biên dịch từ ngôn ngữ lập trình C - Giá thành hợp lí, dễ tích hợp, đơn giản và dễ sử dụng - Chúng ta có thể viết chương trình của mình theo ý muốn mà không còn hạn chế bởi các mạch điện tử tích hợp sẵn. Nhược điểm - Ra đời quá lâu rồi, ít các chức năng bên trong như các dòng chip mới. - Tính năng ADC rất quan trọng có mặt trong hầu hết các ứng dụng cũng không được tích hợp vào.  Vi điều khiển AVR - AVR là họ vi điều khiển 8bit theo công nghệ mới, với những tính năng rất mạnh được tích hợp trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC, nó mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8bit khác như PIC, Pisoc. Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng. - Nhắc tới AVR chúng ta không thể không nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới chính là dòng Arduino UNO. Ardunio Uno R3 là phổ biến nhất bởi vì nó phù hợp với những người mới bắt đầu tiếp xúc với vi điều khiển. Arduino UNO R3 là kit Arduino UNO thế hệ thứ 3, với khả năng lập trình cho các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh cho các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C). Giới thiệu Arduino Uno R3 Arduino Uno R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P. Phiên bản hiện tại của Arduino Uno R3 đi kèm với giao diện USB, 6 chân đầu vào analog, 14 cổng kỹ thuật số I / O được sử dụng để kết nối với các mạch điện tử, thiết bị bên ngoài. Trong đó có 14 cổng I/O, 6 chân đầu ra xung PWM cho phép các nhà thiết kế kiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch điện tử ngoại vi một cách trực quan. 15

Arduino Uno R3 được kết nối trực tiếp với máy tính thông qua USB để giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, MAC hoặc Linux Systems, tuy nhiên, Windows thích hợp hơn để sử dụng. Các ngôn ngữ lập trình như C và C ++ được sử dụng trong IDE. Ngoài USB, có thể dùng nguồn điện ngoài để cấp nguồn cho bo mạch. Các bo mạch Arduino Uno khá giống với các bo mạch khác trong các loại Arduino về mặt sử dụng và chức năng, tuy nhiên các bo mạch Uno không đi kèm với chip điều khiển FTDI USB to Serial. Có rất nhiều phiên bản bo mạch Uno, tuy nhiên, Arduino Nano V3 và Arduino Uno là những phiên bản chính thức nhất đi kèm với vi điều khiển Atmega328 8 bit AVR Atmel trong đó bộ nhớ RAM là 32KB. Khi tính chất và chức năng của nhiệm vụ trở nên phức tạp, thẻ nhớ SD Mirco có thể được kết nối thêm vào Arduino để lưu trữ được nhiều thông tin hơn. Một vài thông số của Arduino UNO R3 Vi điều khiển

ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động

5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30 mA

Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328) 16

Bảng 2: Thông số của Arduino UNO R3

Ưu điểm - Ưu điểm lớn nhất của Arduino là có thể sử dụng ngay - Một ưu điểm lớn khác của Arduino là thư viện các mẫu có sẵn trong phần mềm Arduino. - Các chức năng giúp đơn giản hóa công việc - Cộng đồng lớn - Giá thành rẻ, tốc độ nhanh, nhiều hỗ trợ - Có công suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp - Cấu trúc hiệu quả, trong khi vẫn đạt được thời gian xử lý nhanh hơn gấp 10 lần các vi điều khiển CISC thông thường khác. Nhược điểm  -

Cấu trúc bo mạch lớn Dễ sử dụng dẫn đến khó làm các mạch thông minh hơn Chi phí cao khi được áp dụng vào công nghiệp lớn Vi điều khiển ARM Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Advanced RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32bit và 64bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Chúng có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, vì vậy các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động.

Tinh năng -

Cấu trúc nạp / lưu trữ. Hỗ trợ tập lệnh trực giao. Thanh ghi lớn. Hầu hết các lệnh được thực hiện trong 1 chu kỳ CPU. Chiều dài mã máy cố định, do đó dễ dàng thực hiện đường ống hóa (pipeline)…

Ưu điểm -

Nhiều chức năng được tích hợp bên trong Có công suất cao, tiêu thụ điện năng thấp, dễ tích hợp, dễ sử dụng Tốc độ vận hành cao Bộ nhớ chương trình khá lớn Thị trường rất đa dạng 17

Nhược điểm - Khó sử dụng cho những người mới bắt đầu.  Vi điều khiển PIC - PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khả trình thông minh). - PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology. - PIC bởi nó được pát triển lâu đời và có rất nhiều dòng sản phầm cho bạn lựa chọn như dòng basic PIC 12 midrange là PIC16, high-end là PIC18, gần đây là DS Pic, với những ai quan tâm đến lập trình điều khiển từ xa thì có rf PIC... và trong mỗi dòng sản phẩm ấy lại có rất nhiều loại chip để đáp ứng mọi nhu cầu của người lập trình. Một số đặc tinh - 8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard có sửa đổi - FLASH và ROM có thể tuỳ chọn từ 256byte đến 256 Kbyte - Các cổng Xuất/Nhập (I/O ports) (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với logic 0 và logic 1) - 8/16 Bit Timer - Công nghệ Nanowatt - Các chuẩn Giao Tiếp Ngoại Vi Nối tiếp Đồng bộ/Không đồng bộ USART, AUSART, EUSARTs - Bộ chuyển đổi ADC Analog-to-digital converters, 10/12 bit - Bộ so sánh điện áp (Voltage Comparators) - Các module Capture/Compare/PWM - FLASH (dùng cho bộ nhớ chương trình) có thể ghi/xóa 10.000 lần (tiêu biểu) Ưu điểm - Ổn định, tích hợp nhiều chức năng, điện năng tiêu thụ thấp - Bộ nhớ chương trình khá lớn - Được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp bởi PIC được sản xuất hàng loạt, rất nhiều chủng loại để lựa chọn, dễ sử dụng. Nhược điểm - Giá thành cao. - Ít hỗ trợ các thư viện.

18

 So sánh ARM

AVR

8051

PIC

Băng thông

32 bit

8/32 bit

8 bit

8/16/32 bit

Giao thức truyền thông

UART, USART, SPI, I2C, LIN, CAN, USB, Ethernet, DSP, SAI, IrDA

SPI, I2C, CAN, USB, UART, USART, Ethernet

UART, USART, SPI, I2C

UART, USART, SPI, I2C, LIN, CAN, Ethernet

Tốc độ

1 chu kỳ/giờ

1 chu kỳ/giờ

12 chu kỳ/giờ

4 chu kỳ/giờ

Bộ nhớ

SDRAM, FLASH, EEPROM

SRAM, FLASH, EEPROM

ROM, SRAM, FLASH

SRAM, FLASH

ISA

RISC

RISC

CLSC

RISC

Điện năng tiêu thụ

Thấp

Thấp

Trung bình

Thấp

ARM v4, 5, 6, 7

Tiny, Atmega, Xmega

8051

PIC16, PIC17, PIC18, PIC24, PIC32

Kết nối

Lớn

Rất tốt

Lớn

Rất tốt

Nhà cung cấp

Apple, Nvidia, Qualcomm, Samsung Electronics và TI…

Atmel

NXP, Atmel, Silicon Labs, Dallas,Cyprus , Infineon…

Giá

Thấp

Trung bình

Rất thấp

Trung bình

LPC2148, ARM

Atmega8, 16, 32, Arduino…

AT89C51, P89v51, …

PIC18fXX8, PIC16f88X, PIC32MXX

Vi điều khiển phổ biến

Microchip Average

Bảng 3: So sánh thông số một số loại vi điều khiển thông dụng hiện nay 19

 Lựa chọn bộ điều khiển - Qua phân tích có thể thấy rằng bộ điều khiển Arduino Uno R3 phù hợp để thiết kế, Arduino thực hiện chương trình nhanh và đơn giản. Lập trình và giao tiếp với các thiết khác dễ dàng. Arduino rất dễ học phù hợp cho cả những người mới bắt đầu bởi vì nó tích hợp nhiều chức năng và cộng đồng sử dụng lớn. 2.3.2 Khối hiển thị Hiện nay để hiển thị nhiệt độ của lò ấp trứng có thể sử dụng các màn hình hiển thị như: LED 7 thanh, LCD. Trong đó, LCD là loại thiết bị hiển thị cấu tạo bởi các tế bào chứa tinh thể lỏng có khả năng thay đổi tính phân cực của ánh sáng và do đó thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua khi kết hợp với các kính lọc phân cực. Chúng có ưu điểm phẳng, chân thật và tiết kiệm năng lượng. LCD là loại chỉ thị thụ động, tiêu thụ năng lượng rất nhỏ và có tỉ số tương phản tôt. Ngoài ra còn có những tính chất thông dụng sau đây: + Không tự phát ra ánh sáng và phụ thuộc vào ánh sáng xung quanh và ánh sáng nền. + Có ánh sáng khuếch tán. + Hoạt động ở dạng trong suốt và phản chiếu. + Thông dụng nhất là loại Neumatic (NLC), loại chất lỏng này trong suốt. Khi được điện áp lớn sẽ xuất hiện những ion di chuyển xuyên qua phá vỡ cấu trúc thông thường dạng tinh thể. Vì vậy chất lỏng được phân cực trở nên chắn sáng, có màu đen đậm hơn so với xung quanh. Khi điện trường mất đi, chất lỏng trờ về dạng tinh thể cũ và trở nên trong suốt trở lại. + Cấu tạo cụ thể của LCD gồm có một vật liệu tinh thể lỏng NLC có bề dày khoảng 10 mm được kẹp giữa hai miếng thủy tinh. Mặt thủy tinh được phủ một lớp mỏng kim loại (oxide thiếc) cho ánh sáng xuyên qua, được dùng làm bản cực mặt trước, bản cực mặt sau cũng thực hiện như vậy. Còn loại LCD phản chiếu thì bản cực mặt sau cho phản chiếu ánh sáng. + Lớp vỏ LCD được cách điện và hàn kín lại. Thiết bị hiển thị LCD được sử dụng rất nhiều ứng dụng của vi điều khiển. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác. Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dẽ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao diện khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành 20

rẻ… Do vậy, nhóm em sử dụng LCD HD44780, đây là loại LCD được sử dụng phổ biến trong cả công nghiệp và đời sống. 2.3.3 Thiết bị cấp nhiệt a, Đèn ấp trứng Để cấp và làm ổn định nhiệt trong máy ấp, người ta dùng các thiết bị sau: Dây may so, đèn Halozen. Đèn halogen là một bóng đèn sợi đốt bao gồm một dây tóc vonfram được bọc kín trong một bóng đèn nhỏ gọn với một hỗn hợp của một khí trơ và một lượng nhỏ chất halogen như iốt hoặc brôm. -Ưu điểm: + Có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với đèn chứa khí thông thường + Chi phí thay thế thấp và tuổi thọ cao. +Dễ dàng lắp đặt cho hệ thống lò ấp + Gía thành hợp lí Do những ưu điểm trên chúng em quyết định sử dụng đèn Halozen cho hệ thống lò ấp. b, Quạt tản nhiệt Để giảm nhiệt độ lò ấp trứng khi nhiệt độ vượt quá mức quy định chúng em sử dụng quạt tản nhiệt 12V. 2.3.4. Khối nguồn a, Điện áp 220v 50 hz – 12v 50hz và nguồn điện áp 5V -Nguồn tổ ong 12V làm nhiệm vụ biến đổi điện áp 220v với tấn số 50hz thành điện áp 12v 50hz cấp cho các thiết bị -Nguồn điện áp 5V có nhiệm vụ cung cấp điện áp cho mạch điều khiển và mạch chỉnh lưu b, Module Relay 5V -Làm nhiệm vụ ổn định điện áp, nhận tín hiệu điều khiển từ cảm biến và điều khiển các thiết bị

21

2.4. Thiết kế mạch đo và xử lý tin hiệu

Hình 3: Mạch đo của hệ thống

22

2.5. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (Nếu có)

Hình 4: Mạch mô phỏng khi chưa có điện Khi nhiệt độ nằm dưới mức quy định:

Hình 5: Mạch mô phỏng khi nhiệt độ nằm dưới mức quy định 23

Khi nhiệt độ nằm trong mức quy định:

Hình 6: Mạch mô phỏng khi nhiệt độ nằm trong mức quy định Khi nhiệt độ nằm trên mức quy định:

Hình 7: Mạch mô phỏng khi nhiệt độ nằm trên mức quy định 24

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 3.1

Chế tạo các bộ phận cơ khi

-Cảm biến LM35:

Hình 8: Cảm biến LM35

-Arduino UNO R3 :

Hình 9: Arduino UNO R3 -LCD:

25

Hình 10: LCD

-Quạt thông gió:

Hình 11: Quạt thông gió -Đèn ấp trứng:

26

Hình 12: Đèn ấp trứng -Nguồn tổ ong 12V:

Hình 13:Nguồn tổ ong 12V -Module Relay 5V:

Hình 14: Module Relay 5V 3.2

Chế tạo các bộ phận điện - điện tử 27

Hình 15: Mô hình sản phẩm

3.3

Xây dựng chương trình điều khiển

Chương trình điều khiển được nhóm xây dựng: Start

Định nghĩa khởi tạo các chân, bit

Bóng đèn và quạt đang tắt

Khởi tạo hiển thị LCD 28

Đọc nhiệt độ đo được từ cảm biến LM35

Hiển thị nhiệt độ đo được lên LCD

Nhiệt độ nằm trong khoảng 37-39 ?

S

S Đ

Nhiệt độ > 39 ?

Bóng đèn tắt, quạt tắt

Đ

Nhiệt độ < 37 ?

Bóng đèn tắt, quạt bật

Đ Bóng đèn bật, quạt tắt

3.4

Thử nghiệm và đánh giá hệ thống

 Thử nghiệm hệ thống: STT

Nhiệt độ đo được

Nhiệt độ chuẩn

1

19.90

19

2

19.41

19

3

19.41

19

4

19.90

19

5

19.90

19

6

19.90

19

7

19.41

19

29

8

19.90

19

9

19.90

19

10

19.41

19

Nhiệt độ trung bình

19.71

19

Sai số

0.71

Bảng 4:Nhiệt độ hệ thống đo được so với nhiệt độ chuẩn  Đánh giá hệ thống  Hệ thống hoạt động khá tốt khi nhiệt độ môi trường thay đổi.  Hệ thống quạt thông gió và đèn ấp hoạt động tốt khi nhiệt độ thay đổi.  Do chất lượng của cảm biến LM35 dẫn đến sai số trong quá trình đo nhiệt độ thực tế. Relay có hiện tượng dật tạo xung điện dội ngược về hệ thống làm yếu hệ thống. Điện áp cung cấp cho cảm biến không ổn định. Ta có công thức tính nhiệt độ: Nhiệt độ =(5.0*reading*100.0/1024.0) dẫn đến sai số nhiệt độ hiển thị trên LCD gây ảnh hưởng đến việc điều khiển. Đây cũng là nhược điểm lớn nhất của hệ thống.  Hệ thống sử dụng 2 nguồn điện áp 5V và 12V gây rắc rối trong việc cấp nguồn cho hệ thống.  Cần cung cấp nhiệt độ cho cảm biến để điều khiển hệ thống. Hướng phát triển của hệ thống: Trong thực tế, hệ thống sẽ không bị ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường hệ thống quạt và đèn ấp điều khiển tự động nhiệt độ của lò ấp. Nguồn cấp cho hệ thống sẽ ổn định sẽ không gây ảnh hưởng đến quá trình đo và hiển thị nhiệt độ môi trường.

PHỤ LỤC 1. Code xây dựng hệ thống: #include #include // khai bao thu vien lcd sử dụng i2c LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); #define fan 13 #define lamp 12

// fan chân 13 //lamp số 12

void setup() 30

{ lcd.init();

// khoi tạo lcd

lcd.backlight();

// bật đèn lcd

pinMode(fan,OUTPUT); pinMode(lamp,OUTPUT); lcd.setCursor(5,0); lcd.print("DE TAI"); lcd.setCursor(2,1); lcd.print("LO AP TRUNG"); delay(1000); lcd.clear(); } void loop() { int reading = analogRead(A0); float temp = (5.0*reading*100.0/1024.0); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("LT: 37"); lcd.setCursor(10,0); lcd.print("HT: 39"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("T:"); if (temp>39) { lcd.setCursor(2,1); lcd.print(temp); 31

digitalWrite(fan,0); digitalWrite(lamp,1); lcd.setCursor(11,1); lcd.print(" HOT"); delay(100);

} else if (temp