Ứng dụng kỹ thuật vi điều khiển xây dựng hệ thống ổn định nhiệt độ lò nhiệt

HOÏC VIEÄN HAÛI QUAÂN KHOA VUÕ KHÍ DÖÔÙI NÖÔÙC ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TEÂN ÑEÀ TAØI ỨNG DỤNG KỸ THUẬT VI ĐIỀU KHIỂN XAÂY DÖÏNG HEÄ THOÄNG TÖÏ ÑOÄNG ÑIEÀU KHIEÅN NHIEÄT ÑOÄ LOØ NHIEÄT Nha Trang, Thaùng 6 Naêm 2011 HOÏC VIEÄN HAÛI QUAÂN KHOA VUÕ KHÍ DÖÔÙI NÖÔÙC ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TEÂN ÑEÀ TAØI ỨNG DỤNG KỸ THUẬT VI ĐIỀU KHIỂN XAÂY DÖÏNG HEÄ THOÄNG TÖÏ ÑOÄNG ÑIEÀU KHIEÅN NHIEÄT ÑOÄ LOØ NHIEÄT Ngöôøi höôùng daãn : Thöôïng taù – Nguyeãn Xuaân Phuù Hoïc vieân thöïc hieän : Ngoâ Ñaêng Hieàn – Lôùp KMP10 Nha Trang, Thaùng 6 Naêm 2011 LÔØI NOÙI ÑAÀU Ngaøy nay vôùi söï phaùt trieån cuûa coâng nghieäp vi ñieän töû, kyõ thuaät soá caùc heä thoáng ñieàu khieån daàn daàn ñöôïc töï ñoäng hoùa. Vôùi nhöõng kyõ thuaät tieân tieán nhö vi xửlí, vi maïch soá … ñöïôc öùng duïng vaøo lænh vöïc ñieàu khieån, thì caùc heä thoáng ñieàu khieåncô khí thoâ sô, vôùi toác ñoä xöû lí chaäm chaïp ít chính xaùc ñöôïc thay theá baèng caùc heä thoáng ñieàu khieån töï ñoäng vôùi caùc leänh chöông trình ñaõ ñöôïc thieát laäp tröôùc. Trong quaù trình saûn xuaát ôû caùc nhaø maùy, xí nghieäp hieän nay, vieäc ño vaø khoáng cheá nhieät ñoä töï ñoäng laø moät yeâu caàu heát söùc caàn thieát vaø quan troïng. Vì neáu naémbaét ñöôïc nhieät ñoä laøm vieäc cuaû caùc heä thoáng, daây chuyeàn saûn xuaát … giuùp ta bieátñöôïc tình traïng laøm vieäc cuûa caùc yeâu caàu. Vaø coù nhöõng xöû lyù kòp thôøi traùnh ñöôïc nhöõng hö hoûng vaø söï coá coù theå xaûy ra. Ñeå ñaùp öùng ñöôïc yeâu caàu ño vaø khoáng cheá nhieät ñoä töï ñoäng, thì coù nhieàu phöông phaùp ñeå thöïc hieän, nghieân cöûu khaûo saùt vi ñieàu khieån toâi nhaän thaáy raèng: öùng duïng vi ñieàu khieån vaøo vieäc ño vaø khoáng cheá nhieät ñoä töï ñoäng laø phöông phaùp toái öu nhaát. Ñöôïc söï giuùp ñôõ cuûa giaùo vieân höôùng daãn Thöôïng taù – Nguyeãn Xuaân Phuù ñaõ giuùp toâi nhieàu trong quaù trình tieán haønh thöïc hieän ñeà taøi “ÖÙng duïng vi ñieàu khieån xaây döïng heä thoáng oån ñònh nhieät ñoä loø nhieät” . Hoïc vieân Ngoâ Ñaêng Hieàn CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NHIỆT 1.1 – Giới thiệu Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau v.v... - Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật : + Sản xuất thép chất lợng cao + Sản xuất các hợp kim phe-rô + Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện + Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi + Sản xuất đúc và kim loại bột - Trong các lĩnh vực công nghiệp khác : + Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm + Trong các lĩnh vực khác, lò điện đửợc dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v... - Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con ngưưười một cách phong phú và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v... 1.2 - Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu Lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau : - Có khả năng tạo được nhiệt độ cao - Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao - Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ - Kín - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyễn vật phẩm - Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ 1.3 - Nhược điểm của lò điện - Năng lượng điện đắt - Yều cầu có trình độ cao khi sử dụng 1.4 - Nguyên lý làm việc của lò điện trở Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một l-ợng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ : Q=I2 RT Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J) I - Dòng điện tính bằng Ampe (A) R - Điện trở tính bằng Ôm T - Thời gian tính bằng giây (s) Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò : - Vật nung : Trường hợp này gọi là nung trực tiếp - Dây nung : Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là nung gián tiếp. Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản ( tiết diện chữ nhật, vuông và tròn ) Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liều để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò. Chương II : Vi điều khiển PIC16F877A và Cảm biến nhiệt DS18B20 2.1. Đặc tính của vi điều khiển PIC16F877A  Sử dụng công nghệ tích hợp cao RISC CPU.  Người sử dụng có thể lập trình với 35 câu lệnh đơn giãn.  Tất cả các câu lệnh đều được thực hiện trong một chu kỳ ngoại trừ một số lệnh rẽ nhánh được thực hiện trong 2 chu kỳ lệnh.  Tốc độ hoạt động là: -Xung đồng hồ vào DC 20MHz.  Chu kỳ thực hiện trong 200ns.  Bộ nhớ chương trình flash 8Kx 14words.  Bộ nhớ Ram 368x8bytes.  Bộ nhớ EFPROM 256x8 bytes. - Khả năng của bộ vi điều khiển này  Khả năng ngắt: lên tới 15 nguồn ngắt trong và ngắt ngoài.  Ngăn nhớ Stack đọc phân chia làm 8 mức.  Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc giám tiếp  Nguồn khởi động lại (POR).  Bộ tạo xung thời gian(PWRT) và bộ tạo dao động (OST).  Bộ đếm xung thời gian(WDT) với nguồn dao động trên chip nguồn dao động (RC) hoạt động đáng tin cậy.  Có mạch chương trình bảo vệ.  Phương thức cất giữ SLEEP.  Có bản lưa chọn dao động công nghệ CMOS FLASH/EFPROM nguồn mứa  thấp , tốc độ cao  Thiết kế hoàn toàn tĩnh.  Mạch chương trình nối tiếp có hai chân.  Xử lý đọc/ghi tới bộ nhớ chương trình.  Dải điện thế hoạt động rộng 2V đến 5.5V.  Nguồn sử dụng hiện tại 2.5mA.  Công suất tiêu thụ: <0.6mA với 5V, 4MHz.  20uA với nguồn 3V , 32KHz  <1uA với nguồn dự phòng. - Các đặt tính nổi bật của thiết bị ngoại vi trên chip  Timer0: 8 bit với bộ định thời , bộ đếm với hệ số tỉ lệ trước.  Timer1: 16 bit với bộ định thời , bộ đếm với hệ số tỉ lệ trước, có khả năng tăng trong khi ở chế độ SLEEP qua xung đồng hồ được cung cấp bên ngoài.  Timer2: 8 bit với bộ định thời , bộ đếm 8 bit với hệ số tỉ lệ trước , hệ số tỉ lệ sau.  Có 2 chế độ bắt giữ , so sánh, và điều chế độ rộng xung(PWM).  Chế độ bắt giữ với 16 bit, với tốc độ 12,5ns, chế độ so sánh với 16 bit tốc độ xử lý cực đại là 200ns, chế độ điều chế độ rộng xung với 10 bit.  Bộ chuyển đổi tin hiệu số sang tương tự với 10 bit.  Cổng truyền thông nối tiếp SSP và SPI phương thức chủ tớ và I2C  Bộ truyền nhận thông tin đồng bộ, dị bộ (USART/SCR) có khả năng hiện 9 bit địa chỉ .  Cổng phụ song song PSP với 8 bit mở rộng với RD , WR , CS điều k Sơ đồ và chức năng các chân Pic 16F877A 2.2 Sensor cảm biến nhiệt DS18B20 2.2.1 Giới thiệu Đây là loại cảm biến số của hảng Dallas chỉ cần kết nối với 1 chân duy nhất của vi điều khiển là có thể đọc được nhiệt độ. Có duy nhất 64 bit nối tiếp được lưu trong ROM. Nguồn nuôi từ 3.0V đến 5.5V Dãi nhiệt độ đo được từ : -550 C đến 1250 C. Với độ chính xác : +/ - 0.50 C. Thời gian chuyển đổi nhiệt độ lớn nhất là 750nS. Chính vì những lý do trên mà tôi chọn sensor này, để đảm bảo cho hệ thống làm việc 1 cách tin cậy và chính xác. 2.2.2 Phương pháp lập trình với Sensor DS18B20 Đối với loại Sensor này theo datasheet của Dallas 18B20 chúng ta có 1 thư viện mã nguồn mở để khai thác sensor này. Cơ bản của nó là đọc dữ liệu từ ROM của DS180B20 và lưu vào PIC. Trong chương trình tôi sử dụng thư viện ds18020.c đã được chỉnh sửa cho phù hợp với bài toán. Chương III : Giao tiếp với máy tính và LabView 3.1 Chuẩn truyền thông nối tiếp RS 232 RS-232 là một trong những chuẩn truyền thông được sử dụng phổ biến hiện nay bên cạnh hai chuẩn truyền thông khác là RS-442 và RS-485. Lúc đầu, RS-232 được xây dựng chủ yếu phục vụ trong ghép nối điểm – điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE Data Terminal Equipment), chẳng hạn như giữa hai máy tính, giữa máy tính và máy in, máy tính và modem… Ngày nay, mỗi máy tính cá nhân đều có một hoặc một vài cổng nối tiếp theo chuẩn RS-232 (cổng COM), có thể sử dụng để kết nối với các thiết bị ngoại vi hoặc các máy tính khác. Nhiều thiết bị công nghiệp cũng tích hợp cổng RS-232 phục vụ cho công việc lập trình hoặc tham số hóa. 3.2 Cấu tạo cổng RS-232 (cổng COM) Cổng RS-232 có ba loại giắc cắm khác nhau: dạng 9 chân DB – 9, dạng 25 chân DB – 25, và dạng 26 chân ALT – A. Trong đó, hai dạng DB – 9 và DB – 25 được sử dụng phổ biến hơn. Trong đề án này, loại DB – 9 được sử dụng vì nó khá phổ biến và được hỗ trợ cho hầu hết các máy tính ngày nay. Sơ đồ chân và ý nghĩa các chân được trình bày bên dưới. • TxD (Transmit Data): đường gửi dữ liệu • RxD (Receive Data): đường nhận dữ liệu • RTS (Request To Send): Yêu cầu gửi; bộ truyền đặt đường này lên mức • hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu. • CTS (Clear To Send): Xoá để gửi; bộ nhận đặt đường này lên mức hoạt • động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận dữ liệu. Chương trình truyền nhận tín hiệu được viết dựa trên phần mềm LabView. Máy tính thu nhận dữ liệu (giá trị lực theo thời gian) do người dùng nhập vào, rồi truyền xuống cho vi điều khiển PIC qua chân TxD. Sau đó, dữ liệu được nhận về từ chân RxD sẽ được xử lý và hiển thị lên màn hình đồ họa để so sánh, cho thấy độ đáp ứng của hệ thống. 3.3 Giao tiếp với vi điều khiển Khi thực hiện giao tiếp với vi điều khiển, ta phải dùng thêm mạch chuyển mức logic từ TTL RS232 và ngược lại. Các vi mạch thường sử dụng là MAX232 của Maxim hay DS275 của Dallas. Mạch chuyển mức logic mô tả như sau: 3.4. Tổng quan về LabView LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)- phòng thí nghiệm thực tế ứng dụng kỹ thuật : là môi trường phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình đồ hoạ. Labview sử dụng thuật ngữ học, các biểu tượng, các ý tưởng quen thuộc với các nhà kỹ thuật, các nhà khoa học và các kỹ sư. LabVIEW tích hợp hoàn toàn cho truyền thông phần cứng như GPIB, VXI, RS - 232, RS - 485, và phích cắm (plug in). LabVIEW còn có những thư viện sẵn để sự dụng những tiêu chuẩn phần mềm như TCP/IP nối mạng và ActiveX. Labview lµ mét ng«n ng÷ lËp tr×nh ®a n¨ng, gièng nh­ c¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh hiÖn ®¹i kh¸c. Labview gåm cã c¸c th­ viªn thu nhËn d÷ liÖu, mét lo¹t c¸c thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn, ph©n tÝch d÷ liÖu, biÓu diÔn vµ l­u tr÷ d÷ liÖu. Nã cßn cã c¸c c«ng cô ph¸t triÓn ®­îc thiÕt kÕ riªng cho viÖc nèi ghÐp vµ ®iÒu khiÓn thiÕt bÞ. Labview kh¸c víi c¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh th«ng th­êng ë ®iÓm c¬ b¶n lµ: c¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh kh¸c th­êng dïng trªn c¬ chÕ dßng lÖnh, trong khi ®ã Labview dïng ng«n ng÷ lËp tr×nh Graphical ®Ó tr¹o ra c¸c ch­¬ng tr×nh ë d¹ng s¬ ®å khèi 3.5 Ch­¬ng tr×nh giao tiÕp víi m¸y tÝnh - Giao diện chương trình - Code lập trình CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 4.1 Đặt vấn đề Lò nhiệt ở đây chính là tải bóng đèn sợi đốt 220VAC – 100W. điều khiển nhiệt chính là điều khiển điện áp xoay chiều đặt trên tải (bóng đèn). Bóng đèn là tải thuần trở nên điều khiển tương đối dễ hơn so với tải điện cảm hay động cơ. Có nhiều phương pháp để điều áp có thể điều khiển theo tuyến tính (góc mở), điều khiển theo xung (đóng ngắt) để đạt được nhiệt độ yêu cầu. Có thể dùng 2 IC Thysistor đấu ngược hoặc TRIAC để làm van đóng mở. Với yêu cầu của đề tài ở đây tôi dùng 1 IC TRIAC để làm van động lực, còn việc điều khiển việc mở van sử dụng optotriac MOC3020 và PIC16F877A. Phương pháp điều khiển tuyến tính (góc mở). 4.2 Điều áp xoay chiều một pha tải thuần trở Tại các thời điểm t1, t2 có xung điều khiển Triac sẽ dẫn. Nếu bỏ qua sự sụt áp trên các van bán dẫn thì đồ thị dạng điện áp tải có dạng như hình vẽ. Dòng điện tải đồng dạng với điện áp tải. Giá trị hiệu dụng của điện áp tải:         2 0 2 1 2 0 2 1d dsinU22 1du 2 1U              2 2sin1UdsinU21U 1 2 1d (2.1)   U t Giá trị hiệu dụng dòng điện tải:       2 2sin1 R UI 1d (2.2) Trong đó:  = t u1 : giá trị tức thời của điện áp lưới. Ud, Id : giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện tải. R : Giá trị điện trở của tải.  : góc mở của Triac Sơ đồ khối mạch điều khiển Trong đó, khâu đồng pha sử dụng khuếch đại thuật toán: Khâu đồng pha Vi điều khiển Khâu tính toán MOC3020 Uf TRIAC 4.3 Nguồn nuôi Ta cần tạo nguồn điện áp +/- 5V để cấp cho Op-amp 741, vi điều khiển và các IC. Ở đây tôi thêm nguồn đối +/- 12V để dùng khi cần thiết. 5 Thuật toán Điện áp xoay chiều 220VAC được qua biến áp đưa vào khâu đồng bộ (opamp 741) lấy ra tín hiệu hình vuông, xung này được đưa vào chân ngắt RB0 của PIC (đây chính là mạch detect zero crossing), tại hàm ngắt của PIC sẽ tính toán thời gian delay đảm bảo kích xung mở cho MOC3020. MOC3020 mở cũng chính là lúc Triac thông, thời điểm kích mở quyết định Tín hiệu đồng bộ điện áp ra tải. Việc điều nhiệt hoàn toàn được xử lý dưới PIC 1 cách tự động.  Lưu đồ thuật toán chung BEGIN NHẬP GIÁ TRỊ NHIỆT ĐỘ TỪ MÁY TÍNH PIC 16F877A COMPUTER LẤY GIÁ TRỊ NHIỆT ĐỘ TỪ PIC (SENSOR DS18B20) END RS232  Lưu đồ thuật toán xử lý nhiệt dưới PIC Đ BEGIN 1/ LẤY GIÁ TRỊ NHIỆT ĐỘ ĐẶT TỪ MÁY TÍNH 2/ LẤY GIÁ TRỊ NHIỆT ĐỘ TỪ SENSOR DS18B20 SO SÁNH 1 VÀ 2 1 > ? 2 S GIẢM GÓC MỞ TĂNG GÓC MỞ KEÁT LUAÄN Sau moät thôøi gian nghieân cöù vaø ñöôïc söï höôùng daãn nhieät tình cuûa thaày giaùo Nguyeãn Xuaân Phuù, ñeà taøi ñaõ hoaøn thaønh ñuùng tieán ñoä vaø ñaït ñöôïc nhöõng keát quaû sau :  Ñeà taøi cô baûn ñaõ ñaùp öùng ñöôïc yeâu caàu ñieàu khieån nhieät ñoä  Thaønh thaïo hôn kyõ naêng veà laäp trình cho vi ñieàu khieån, naém vöõng boä vi ñieàu khieån PIC16F877A  Noäi dung nghieân cöùu mang tính khoa hoïc, laøm quen vôùi phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc, ñaùp öùng ñöôïc giöõa vaán ñeà lyù thuyeát vaø thöïc haønh. Taïo ñöôïc moâi tröôøng nghieân cöùu cho hoïc vieân.  Do thôøi gian, kinh nghieäm, kieán thöùc coøn nhieàu maët haïn cheá neân saûn phaåm chöa mang tính thöïc tieãn cao. Höôùng phaùt trieån ñeà taøi  Xaây döïng heä thoáng ñieàu khieån nhieät coù caûnh baùo, vôùi toác ñoä ñaùp öùng nhanh  Nghieân cöùu öùng duïng Ethernet vaø maïng treân vieäc ñieàu khieån heä thoáng qua maïng Xin chaân thaønh caûm ôn ! TAØI LIEÄU THAM KHAÛO [1] Ñieän töû coâng suaát – Leâ Vaên Doanh [2] PIC16F877A datasheet [3] CCS User Manual [4] www.picvietnam.com [5] www.dientuvietnam.net PHỤ LỤC 1. Mạch Shematic và PCB detect zero crossing 2. Khối Nguồn 3. Mạch Moc3020 và TRIAC 4. Mạch cảm biến DS18B20 5. Mạch RS232 6. Giao diện chương trình và code 7. Code PIC #include #include #device *=16 adc = 8 #FUSES HS #FUSES PUT #FUSES NOPROTECT #FUSES NOBROWNOUT #FUSES NOLVP #FUSES NOCPD #FUSES NODEBUG #FUSES NOWDT #use delay (clock = 20M) #include #use fast_io(d) #use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6, rcv=PIN_C7,bits = 8) int1 flag1 = 1,flag = 0,flag2 = 0; unsigned int8 value =170,nhietdo,pre_temperature =20; unsigned int8 temperature; char ch; //-----------------DELAY ------------------------------ void delay(unsigned int8 time) { int8 j; if(time > 180) time = 180; for(j=0;j<time;j++) delay_us(50); } // -------------------/// ----------------------------- #INT_EXT void RB0() { delay(value); RD0 = 0; delay_ms(1); flag1=!flag1; RD0 = 1; if(!flag1) ext_int_edge(L_to_H); else ext_int_edge(H_to_L); clear_interrupt(INT_EXT); } // ------------------------------///------------------- #INT_RDA void RS232() { ch = getc(); nhietdo = (unsigned int8)ch; flag2= 1; } //--------------------------------///------------------ void main() { set_tris_d(0); set_tris_b(0x01); set_tris_e(0b100); portd = 0; enable_interrupts(GLOBAL); enable_interrupts(INT_RDA); enable_interrupts(INT_EXT); ext_int_edge(H_to_L); printf("HIENCLUBVN.TK"); while (!flag2);// cho den khi co lenh dat nhiet do while(1) { temperature = (unsigned int8)ds1820_read(); if ((temperature 130)) temperatre = pre_temperature ; else {pre_temperature = temperature; putc((char)temperature);} // Xu Ly Nhiet do : if(!flag) { value = 0; if(temperature == nhietdo) {value = 180; flag = 1;} } else { if(temperature > nhietdo) value = 180; else if(temperature < nhietdo) {value--;if(value<3)value = 3;} } } }