ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ LÒ ẤP TRỨNG

ĐỒ ÁN DO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp: 20211ME6052003
2.
Tên nhóm:
3.
Họ và tên thành viên:

Khóa:

II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo nhiệt độ lò ấp trứng gia
cầm sử dụng cảm biến nhiệt độ.
2. Hoạt động của sinh viên
- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống đo nhiệt độ (L1.1)
- Nội dung 2: Xây dựng mơ 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: Mơ hình sản phẩm và báo cáo thu hoạch.
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 13/9/2021 đến
ngày 2/12/2021).
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 mơn 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 CƠ KHÍ

TS. Nguyễn Anh Tú

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. Nguyễn Văn Trường


MƠ TẢ KỸ THUẬT
1. Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ

Hệ thống có khả năng:
- Đo và kiểm sốt nhiệt độ trong lò ấp trứng.
- Hiển thị nhiệt độ liên tục theo thời gian thực trên màn hình LCD.
- Có chức năng lựa chọn giới hạn nhiệt độ trên và dưới để đưa ra cảnh báo khi giá trị
nhiệt độ vượt ngồi 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 nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ LM35

Mạch chuyển đổi xử lí tín hiệu

ADC ngồi hoặc trong chíp

Bộ điều khiển

Vi điều khiển/ PLC/PC/Arduino

Hiện thị vị trí tức thời

LCD /LED/Monitor

Phím chức năng nhập dữ liệu

Nút bấm / Màn hình chạm

Tín hiệu cảnh báo

Trên LCD/ Đèn/Cịi

3. Đặc tính kỹ thuật
Thơng số

Giá trị

Giới hạn đo nhệt độ

Giới hạn đo với nhiệt độ từ 0oC-100oC

Sai số đo nhiệt độ

Sai số 2% với độ C

4. Nội dung báo cáo
- Bản vẽ
TT
1

Tên bản vẽ
Bản vẽ sơ đồ hệ thống

Khổ giấy

Số lượng

A3

1


2

Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống

- Báo cáo
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 mơ 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
Chương 3: Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống
3.1 Mơ hình hố và mơ phỏng bộ phận cơ khí
3.2 Mơ hình hố và mơ phỏng bộ phận điện - điện tử
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
Kết Luận.

A3

1


MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................... 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... 2
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... 2
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ............................................................ 4
1.1. Giới thiệu chung ................................................................................................ 4
1.2. Các yêu cầu cơ bản ............................................................................................ 4
1.3. Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu ................................................. 5
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 5
1.3.2 Phạm vi đề tài ............................................................................................... 5
1.3.3 Giới hạn nghiên cứu ..................................................................................... 5
1.4. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................ 6
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG .............................................. 6

2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.............................................................................. 6
2.2. Phân tích và lựa chọn cảm biến ......................................................................... 7
2.3. Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển ................................................................ 11
2.3.1 Bộ điều khiển .............................................................................................. 11
2.3.2 Khối hiển thị ............................................................................................... 18
2.3.3 Thiết bị cấp nhiệt ........................................................................................ 19
2.3.4 Khối nguồn ................................................................................................. 19
2.4. Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu .................................................................. 20
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ................................ 20
3.1. Mơ hình hố và mơ phỏng bộ phận cơ khí ...................................................... 20
3.2. Mơ hình hố và mơ phỏng bộ phận điện - điện tử ........................................... 21
3.3. Xây dựng chương trình điều khiển .................................................................. 27
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 28
PHẦN MỀM HỖ TRỢ .............................................................................................. 28
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 30
Code cho chương trình điều khiển .......................................................................... 30
1


Các bản vẽ cơ khí : .................................................................................................. 33

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2-1: Sơ đồ khối của hệ thống .......................................................................... 7
Hình 2-2: Cảm biến nhiệt độ LM35 ....................................................................... 11
Hình 2-3: Broad mạch Arduino Uno R3 ................................................................ 15
Hình 2-4: Sơ đồ mạch của hệ thống trên phần mềm Fritzing ................................. 18
Hình 3-1: Mơ phỏng sản phẩm trên phần mềm solidworks .................................... 19
Hình 3-2: Mạch mơ phỏng khi chưa có điện .......................................................... 22
Hình 3-3: Mạch mô phỏng khi nhiệt độ nằm dưới mức quy định ........................... 23
Hình 3-4: Mạch mơ phỏng khi nhiệt độ nằm trên mức quy định ............................ 23

Hình 3-5: Mạch mô phỏng khi nhiệt độ nằm trong mức quy định .......................... 24
Hình 3-6: Mạch mơ phỏng khi cảm biến một nhiệt độ bị lỗi .................................. 24
Hình 3-7: Lưu đồ thuật toán .................................................................................. 25

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1: Các loại cảm biến nhiệt độ thông dụng ................................................... 9
Bảng 2-2: Cảm biến nhiệt độ AD590 và LM35 ..................................................... 10
Bảng 2-3: Một số loại vi điều khiển thông dụng hiện nay ...................................... 13
Bảng 2-4: So sánh thông số một số loại vi điều khiển thông dụng hiện nay ........... 14
Bảng 2-5 : Thông số của Arduino UNO R3 ........................................................... 16
Bảng 3-1 : Một số linh kiện cần dùng .................................................................... 21

2


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 cơng nghệ tự động. Cơng 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 thơng thống khí,…
Máy ấp trứng là sản phẩm tự động hóa tất yếu ra đời để thay thế con người trong
cơng 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 cịn 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 : “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. Từ
đó 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 gia cầm 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 khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót, chúng em mong quý thầy cô thông cảm. Chúng em mong được đón
nhận ý kiến đóng góp q báu của thầy cơ để đề tài nghiên cứu hồn thiện hơn và có
ý nghĩa thiết thực trong cuộc sống.

3


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 thơng gió, các thơng 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 trị quan trọng nhất, quả trứng ấp khơng đủ nhiệt thì phơi sẽ
khơng 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 cơng 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 q trình ấp. Thơng 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 khơng q 60 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. Thơng
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.
Thơng gió là phần khơng thể thiếu trong q trình ấp. Các quạt thơng 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 mơi trường bên ngồi, đảm bảo việc giữ nhiệt. Việc thơng
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 (37-39 C) và tương đối ổn định theo từng
giai đoạn của mỗi đợt ấp.

4


Bảo đảm độ ẩm thích hợp (50-80%) và tương đối ổn định theo từng giai
đoạn của mỗi đợt ấp.
-

Bảo đảm thơng gió thống khí nơi tủ ấp.

-

Bảo đảm đảo trứng thường xuyên (1-3h 1lần).

1.3. Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết:
+ Nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ thơng 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:
+ Sử dụng các phần mền lập trình, mô phỏng để hỗ trợ như: MPLAB IDE,
Proteus, Arduino...
+ Dựa và tham khảo vào các mơ hình tham khảo trên Internet để cải tiến thiết kế
và mục đích sử dụng.
1.3.2 Phạm vi đề tài
- Được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp và trong các hộ gia đình để phục vụ
sản xuất nông nghiệp.
1.3.3 Giới hạn nghiên cứu
- Mô phỏng các mơ hình, lưu đồ thuật tốn và tính tốn điều khiển trên các mơ
hình với sự thay đổi linh hoạt các cơ cấu của hệ thống.
- Kích thước sản phẩm: Phù hợp, nhanh nhạy và đáp ứng đủ các yêu cầu kĩ thuật
đưa ra.
- Cấu tạo: Tiện lợi, dễ dàng di chuyển.

5

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, phịng 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, chế độ ẩm, độ
thơng thống, đảo trứng, . . . trong suốt 21 ngày ấp cho trứng gà.
Trong khuôn khổ của một đề tài đồ án, nhóm 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 nơng
nghiệp.

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

6


Đường cấp nguồn điện cho thiết bị
Đường truyền tín hiệu
2.2. Phân tích 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 ,…).

- Ngồi ra cịn có loại đo nhiệt khơng tiếp xúc (hỏa kế - Pyrometer). Dùng
hồng ngoại hay lazer.

Loại cảm biến

Cấu tạo và nguyên lý

Ưu điểm

Cấu tạo: Gồm 2 chất
liệu kim loại khác nhau, hàn
dính một đầu.

Nhược điểm

Nhiều
yếu tố ảnh

Nguyên lý: Nhiệt độ
hưởng làm sai
thay đổi cho ra sức điện động
- Bền, đo nhiệt số.
thay đổi (mV).
độ cao.
Độ nhạy
Thường dùng: Lị nhiệt,
khơng cao.
mơi trường khắc nghiệt, đo
nhiệt nhớt máy nén…
CẶP NHIỆT
ĐIỆN

Tầm đo: -100°C 1400°C.

7


NHIỆT ĐIỆN

Cấu tạo: gồm có dây
kim loại làm từ: Đồng, Niken, - Độ chính xác
Patium… được quấn theo
cao hơn cặp
hình dáng của đầu to.
nhiệt điện, dễ
sử dụng hơn,
Nguyên lý: Khi nhiệt
chiều dài dây

độ thay đổi điện trở giữa 2
đầu dây kim loại này sẽ thay không hạn
đổi, và tùy chất liệu kim loại chế.
sẽ có độ tuyến tính trong 1
khoảng nhiệt độ nhất định. Tầm đo: -200°C – 700°C

- Dải đo bé hơn
cặp nhiệt điện,
giá thành cao
hơn cặp nhiệt
điện.
.

TRỞ (RTD )
Cấu tạo: Làm từ hổn
hợp các oxid kim loại:
mangan,...
Nguyên lý: Thay đổi
điện trở.

THERMISTOR

Thường dùng: Làm các
chức năng bảo vệ, ép vào cuộn
dây động cơ, mạch điện tử.
khi nhiệt độ thay đổi.

8

- Bền, rẻ tiền,

dễ chế tạo..

-Dãy tuyến tính
hẹp.


Cấu tạo: Làm từ các
loại chất bán dẫn.
Nguyên lý: Sự phân
cực của các chất bán dẫn bị
ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

Rẻ tiền,
dễ chế tạo.

Độ
- Không chịu
nhạy cao,
nhiệt độ cao,
Thường dùng: Đo nhiệt chống nhiễu
kém bền.
độ khơng khí, dùng trong các tốt, mạch xử lý
thiết bị đo, bảo vệ các mạch
đơn giản.
điện tử.
BÁN DẪN

Tầm đo: -50°C 150°C.
Cấu tạo: Làm từ mạch
điện tử, quang học.

- Dùng trong
mơi trường
- Độ chính xác
khắc nghiệt,
khơng cao, đắt
không cần tiếp
tiền.
Thường dùng: Làm các xúc với môi
trường đo.
thiết bị đo cho lị nung.
Ngun lý: Đo tính
chất bức xạ năng lượng của
mơi trường mang nhiệt.

NHIỆT KẾ
BỨC XẠ (cịn
gọi là hỏa kế)

Tầm đo: -54°C 1000°C.
Bảng 2-1: Các loại cảm biến nhiệt độ thông dụng

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 khơng cao, giá thành đắt nên không phù
hợp với hệ thống đo nhiệt độ trong lị ấp trứng.
Cảm biến nhiệt bán dẫn có 2 loại chính :
a. Đo nhiệt độ dùng diode và transistor :
Sử dụng linh kiện bán dẫn là Diode hoặc transistor (nối B-C) phân cực thuận với

dịng I khơng 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.
9


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 dịng 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 dịng 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.
Thơng số
LM35
AD590
Ngõ ra

Điện áp

Dịng điện

Độ nhạy

10mV/oC

1A/oK

Nguồn cung cấp, dịng
làm việc

400µA→500µA

Vcc=4V→30V

Sai số

0.25oC

4oK

Phạm vi sử dụng

-55°C đến 150°C

-55°C đến 150°C

Bảng 2-2: Cảm biến nhiệt độ AD590 và LM35
Sau khi nghiên cứu kĩ lưỡng nhóm quyết định sử dụng cảm biến LM35 để đo
nhiệt độ trong hệ thống với các thông số sau:
Điện áp hoạt động: 4~20VDC
10


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
Hình 2-2: Cảm biến nhiệt độ LM35

2.3. Phân tích 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 khơng 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
thơng 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 thơng dụng hiện nay:
Tên bộ điều
khiển

Đặc tính cơ bản

Ưu điểm

11

Nhược điểm


Vi điều
khiển 8051

- Ra đời quá lâu
rồi, ít các
Cho phép biên
chức năng bên
Vi điều khiển 8- dịch từ ngôn ngữ lập
trong như các
bit. - RAM trên chip 128 trình C.
dịng chip mới.
bytes.
Giá thành hợp lí,
- Tính năng

ROM trên chip 4 dễ tích hợp, đơn giản và ADC rất quan
kbytes.
dễ sử dụng.
trọng có mặt
32 chân I/O riêng Chúng ta có thể trong hầu hết
các ứng dụng
biệt (4 nhóm mỗi nhóm viết chương trình của
8 chân I/O) có thể được mình theo ý muốn mà cũng không
truy cập riêng rẽ. - 2 bộ khơng cịn hạn chế bởi được tích hợp
vào.
định thời/đếm 16bit.
các mạch điện tử tích
hợp sẵn.

Một loại cấu trúc
vi xử lý 32 bit và 64 bit
kiểu RISC được sử dụng
rộng rãi trong các thiết kế
nhúng.
Tiết kiệm năng
lượng, vì vậy các bộ CPU
ARM chiếm ưu thế trong
các sản phẩm điện tử di
động.
Vi điều
Cấu trúc nạp / lưu
khiển ARM trữ. - Hỗ trợ tập lệnh trực
giao.
Thanh ghi lớn.
Hầu hết các lệnh

được thực hiện trong 1
chu kỳ CPU.

Nhiều chức năng
được tích hợp bên
trong.
Có cơng 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.

12

- Khó sử dụng
cho
những
người mới bắt
đầu.


8/16 bit CPU.
FLASH và ROM
có thể tuỳ chọn từ
256byte đến 256 Kbyte.
- 8/16 Bit Timer

Công nghệ
Nanowatt
Bộ chuyển đổi
Vi
điều ADC Analog-to-digital
khiển PIC
converters, 10/12 bit.
AVR là họ vi điều
khiển 8bit theo công
nghệ mới, với những tính
năng rất mạnh.
Chíp mạnh ngang
hàng với các họ vi điều
khiển 8bit khác như
PIC,..
Vi điều khiển
AVR tiêu biểu có dịng
mạch Arduino dùng để
lập trình.
Khả năng lập
trình cho các ứng dụng
điều khiển phức tạp.
Được trang bị cấu
hình mạnh cho các loại
bộ nhớ ROM, RAM và
Vi điều
Flash, ..
khiển AVR
Các chuẩn giao
( tiêu biểu là tiếp đa dạng như UART,

Arduino SPI, TWI (I2C).
Uno R3)

Ổn định, tích hợp
nhiều chức năng, điện
năng tiêu thụ thấp. - Bộ
Giá
nhớ chương trình khá
thành cao.
lớn
Ít hỗ trợ
Được sử dụng
các thư viện.
chủ yếu trong công
nghiệp.

Ưu điểm lớn
nhất của Arduino là có
thể sử dụng ngay.
Thư viện các
mẫu có sẵn trong phần
mềm Arduino.
Các chức năng
giúp đơn giản hóa cơng
việc.
Cộng đồng lớn. Giá thành rẻ, tốc độ
nhanh, nhiều hỗ trợ.
Có cơng 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.

Cấu
trúc bo mạch
lớn. - Dễ sử
dụng dẫn đến
khó làm các
mạch thơng
minh hơn.
Chi phí
cao khi được
áp dụng vào
công nghiệp
lớn.

Bảng 2-3: Một số loại vi điều khiển thông dụng hiện nay
13


14


So sánh thông các loại vi điều khiển
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

Giá

Thấp

Trung bình

Rất thấp

Trung bình

LPC2148, ARM

Atmega8, 16,
32, Arduino…

AT89C51,
P89v51, …

PIC18fXX8,
PIC16f88X,
PIC32MXX

Vi
điều
khiển

phổ
biến

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

Bảng 2-4: So sánh thông số một số loại vi điều khiển thơng dụng hiện nay

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
15


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.

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 ngồi. 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.
Arduino Uno R3 được kết nối trực tiếp với máy tính thơng 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 ngơn ngữ lập trình như C và C ++ được sử dụng trong IDE.
mạch.

Ngồi USB, có thể dùng nguồn điện ngoài để cấp nguồn cho bo

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.

16


Hình 2-3: Broad mạch Arduino Uno R3

Một vài thơng 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
17


SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328)

Bảng 2-5 : Thông số của Arduino UNO R3
2.3.2 Khối hiển thị
Hiện nay để hiển thị nhiệt độ của lị 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

tơt. Ngồi ra cịn có những tính chất thơng dụng sau đây:

18


+ 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.
⇒ 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 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
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 brơm.
-Ưu điểm:
+ Có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với đèn chứa khí thơng thường
+ Gía cả hợp lí, chi phí thay thế thấp và tuổi thọ cao.
+Dễ dàng lắp đặt cho hệ thống lò ấp
⇒ 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 220Vvới tấn số 50Hz thành điện
áp 12V 50Hz cấp cho các thiết bị.
- Module hạ áp 5V làm nhiệm vụ biến đổi điện áp 12V thành điện áp 5V cấp cho
Arduino, cảm biến,… b, Module Relay 5V 2 kênh
19


- Làm nhiệm vụ ổn định điện áp, nhận tín hiệu điều khiển từ cảm biến và điều khiển
các thiết bị.
2.4. Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

Hình 2-4: Sơ đồ mạch của hệ thống trên phần mềm Fritzing
(1): Nguồn 12V
(2): Module hạ áp 5V
(3): Arduino Uno R3
(4): Màn hình LCD HD44780 có tích hợp module chuyển đổi I2C
(5): Mdule Relay 2 kênh
(6): Cảm biến nhiệt độ LM35
(7): Quạt tản nhiệt 12V
(8): Đèn sấy

CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG
3.1. Mơ hình hố và mơ phỏng bộ phận cơ khí

- Tổng quan mơ hình hệ thống:
20


Hình 3-1: Mơ phỏng sản phẩm trên phần mềm solidworks

3.2. Mơ hình hố và mơ phỏng bộ phận điện - điện tử
Lựa chọn link kiện điện tử:
Tên linh kiện

Thông số cơ bản

Cảm biến nhiệt độ
LM35

Điện áp hoạt động:
4~20VDC .
Công suất tiêu thụ:
khoảng 60uA .
Khoảng đo: -55°C
đến 150°C.

21

Hình ảnh