Ứng dụng vi điều khiển để điều khiển nhiệt độ khí sấy nông sản dạng hạt

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46

.............................................................................................................................
-1-


Phần 1
mở đầu
Việt Nam là đất nớc nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, quanh năm
ẩm ớt. Thiên nhiên đã u đãi cho chúng ta nhiều vùng đất thuận lợi cho phát
triển nông nghiệp. Hiện nay, tỷ trọng nông nghiệp trong nền kinh tế quốc dân
đã giảm nhng nó vẫn là một trong các động lực chính để phát triển kinh tế
đất nớc. Đảng và Nhà nớc luôn luôn đề ra những mục tiêu và chính sách
nhằm phát triển một nền sản xuất nông nghiệp hiện đại, vì vậy những năm gần
đây chúng ta đã dành đợc những thành tự to lớn trong sản xuất nông nghiệp:
đảm bảo ổn định lơng thực trong nớc, khối lợng xuất khẩu ngày càng tăng,
chất lợng sản phẩm xuất khẩu đợc nâng cao...
Nhu cầu lơng thực, thực phẩm trên thế giới ngày càng tăng, đi liền
với nó là những yêu cầu ngày càng khắt khe về chất lợng và an toàn của sản
phẩm. Những yêu cầu này là mục tiêu lớn để chúng ta hớng tới một nền nông
nghiệp tiên tiến có sự quản lý trên quy mô lớn. Mặt khác khối lợng sản phẩm
làm ra trong một thời vụ là rất lớn và không thể tiêu thụ ngay tại thời điểm đó,
vì vậy công việc bảo quản sau thu hoạch đóng một vai trò hết sức quan trọng.
Đây là vấn đề bức xúc đợc nhiều ngời đầu t quan tâm nghiên cứu nhằm
tìm ra một biện pháp bảo quản tốt nhất, giảm thiểu những mất mát sau thu
hoạch cho ngời nông dân, đồng thời đảm bảo chất lợng cho sản phẩm phục
vụ chế biến sau này.
Hầu hết các sản phẩm nông nghiệp ở dạng hạt nh: lúa, ngô, đỗ, đậu,

vừng... Phơng pháp bảo quản thông dụng nhất là sấy khô sản phẩm đến một
mức cần thiết. Trớc đây ngời dân hay sử dụng phơng pháp phơi nắng tự
nhiên hay sấy thủ công... Những phơng pháp này có nhợc điểm là năng suất
thấp, sản phẩm không nh ý muốn. Hiện nay đã có những thiết bị sấy có quy
mô lớn hơn; tuy nhiên cũng chỉ là các thiết bị cải tạo từ những thiết bị sấy thủ
công cũ, năng suất sấy có tăng nhng chất lợng không cao do con ngời vẫn
can thiệp vào toàn bộ quá trình sấy; hoặc là những thiết bị sấy quy mô công
nghiệp đợc nhập ngoại, đợc điều khiển tự động nhng rất đắt tiền, không



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46

.............................................................................................................................
-2-


phù hợp với túi tiền của ngời nông dân. Vậy vấn đề đặt ra là phải chế tạo
đợc những hệ thống, thiết bị sấy quy mô vừa và nhỏ, vừa có giá thành rẻ lại
có những tính năng tự động điều khiển hiện đại... Vấn đề này mang tính trách
nhiệm đối với những sinh viên nghành cơ điện chúng tôi. Do đó chúng tôi tiến
hành thực hiện đề tài: ứng dụng vi điều khiển để điều khiển nhiệt độ khí
sấy nông sản dạng hạt .
Mục đích và yêu cầu đặt ra của đề tài là thiết kế và lắp ráp mạch tự
động điều khiển nhiệt độ khí sấy sử dụng vi điều khiển họ AVR.
Nội dung của đề tài gồm sáu nội dung chính:
1. Tổng quan hệ thống sấy.
2. Tổng hợp hệ thống sấy nông sản dạng hạt.
3. Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ khí sấy.
4. Nghiên cứu phần lập trình cho mạch điều khiển.

5. Lắp ráp mạch và khảo sát.
6. Kết luận và đề nghị.














phần 2
Nội dung



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46

.............................................................................................................................
-3-



Chơng1:
Tổng quan chung về sấy nông sản dạng hạt

1. Các đặc trng cơ bản của nông sản dạng hạt

Nông sản dạng hạt là một trong những đặc trng, là sản phẩm chủ yếu
của sản xuất nông nghiệp. Nông sản dạng hạt có nhiều hình dáng, kích cỡ,
màu sắc và kiểu vỏ cứng, mềm khác nhau Tại thời điểm thu hoạch, lợng
ẩm trong hạt đã giảm xuống, tuy nhiên tỷ lệ vẫn còn rất lớn. ẩm trong hạt tồn
tại ở hai dạng: nớc tự do và nớc liên kết. Nông sản dạng hạt thuộc loại vật
liệu keo xốp mao dẫn có tính đàn hồi co giãn, khi hút ẩm thì trơng nở, khi
thoát ẩm thì co ngót, khi khô quá thì hạt trở nên giòn. Khi còn ở trên cây, hạt
hút ẩm từ môi trờng và nhận ẩm từ cây đa lên, ẩm này vừa ở dạng lỏng, vừa
ở dạng khí. Khi bị thấm ớt ẩm lỏng ngấm vào trong hạt, dời chuyển trong hạt
bằng cách thẩm thấu qua vách tế bào. ẩm liên kết trong hạt đợc chia thành ba
nhóm lớn: ẩm liên kết hoá học, ẩm liên kết hoá lý và ẩm liên kết cơ lý.
ẩm liên kết hoá học là thành phần ẩm liên kết với thành phần khô để
tạo thành một bộ phận trong thành phần hoá học của vật chất. Thành phần ẩm
này đảm bảo tính vững bền của hạt vì vậy quá trình sấy không tách loại ẩm
này ra khỏi hạt.
ẩm liên kết hoá lý có hai loại: liên kết hấp thụ và liên kết thẩm thấu.
Liên kết hấp thụ đợc sinh ra do lực hút của các phần tử bề mặt hạt với các
phần tử nớc trong môi trờng lớn hơn lực liên kết giữa chúng làm cho các
phần tử nớc từ môi trờng bị hút dính vào bề mặt hạt. Lực liên kết hấp thụ bị
yếu dần khi bề dày phân tử nớc bị hấp thụ tăng lên. Nếu độ ẩm của môi
trờng không khí không đổi thì đến một lúc nào đó quá trình hấp thụ sẽ bị
ngừng lại, áp suất hơi nớc trên bề mặt vật bằng áp suất hơi nớc trong không
khí. Lúc đó hạt ở trong trạng thái cân bằng ẩm với môi trờng. Độ ẩm cân
bằng ứng với trờng hợp không khí bão hoà hơi nớc đợc gọi là độ ẩm bão
hoà của hạt. Trong quá trình hấp thụ, nớc chuyển từ trạng thái hơi trong
không khí sang trạng thái lỏng trong hạt vì vậy nhiệt đợc toả ra, hạt có thể bị

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46

.............................................................................................................................
-4-


nén ép do tác dụng của lực liên kết giữa lớp ẩm bị hấp thụ và hạt. để tách ẩm
hấp thụ ra khỏi hạt phải cấp một nhiệt lợng cần thiết để ẩm chuyển từ dạng
lỏng sang dạng hơi thắng đợc lực hấp thụ bề mặt và bay vào môi trờng xung
quanh.
Liên kết thẩm thấu là mối liên hệ hoá lý giữa nớc với vật rắn khi có
sự chênh lệch nồng độ các chất hoà tan ở ngoài và trong tế bào. Quá trình
thẩm thấu không kèm theo hiện tợng toả nhiệt. Thực chất nớc thẩm thấu vào
trong tế bào không khác nớc bình thờng, không có các chất hoà tan bởi các
chất hoà tan không khuếch tán cùng với nớc vào trong tế bào. Năng lợng
liên kết thẩm thấu rất nhỏ.
Liên kết cơ lý giữa nớc và vật liệu hình thành do sức căng bề mặt
trong các mao dẫn hoặc trên các mao dẫn, hoặc trên các bề mặt ngoài của vật.
Mối liên kết cơ lý đợc chia làm ba loại: liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và
liên kết dính ớt. Liên kết cấu trúc giữa nớc và vật liệu là mối liên kết do quá
trình hình thành vật. Để tách nớc trong trờng hợp này có thể dùng phơng
pháp nén ép hoặc phơng pháp bay hơi. Liên kết mao dẫn là do nớc thâm
nhập vào các ống mao dẫn trong cấu tạo của vật khi bị nhúng nớc hay do
nớc ngng tụ trên bề mặt vật. ẩm mao dẫn đợc tách ra bằng cách bay hơi
hay bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn. Liên kết dính ớt là do nớc bám
dính vào bề mặt tự do. Liên kết dính ớt dễ tách ra khỏi vật bằng phơng pháp
cơ học hoặc phơng pháp sấy bay hơi.

Độ ẩm của hạt đ
ợc biểu diễn dới dạng sau:
- Độ ẩm tuyệt đối: Là tỷ số giữa lợng hơi nớc chứa trong hạt chia
cho khối lợng phần khô của hạt theo công thức:
100(%)
k
G
n
G
0
W =

Trong đó: G
n
- Lợng nớc chứa trong vật (kg) chứa trong G
k
(kg) vật
khô tuyệt đối.
- Độ ẩm tơng đối: Là tỷ số khối lợng nớc chứa trong vật chia cho
khối lợng của vật:



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-5-


100(%)
k

G
n
G
n
G
G
n
G
W
+
==

Trong đó: G = G
k
+ G
n
Khối lợng của vật (kg)

100(%)
100
0
W
0
W
W
+
=

- Độ chứa ẩm: Là khối lợng nớc tính bằng kg chứa trong 1kg vật
khô tuyệt đối. Độ chứa ẩm u đợc xác định theo công thức:

(kg/kg)
k
G
n
G
u =
Nh vậy: W
0
= 100u(%).
Một đặc trng cơ bản nữa của nông sản dạng hạt là tính chất nhiệt vật
lý của nó. Tính chất này ảnh hởng trực tiếp lên quá trình sấy và tiêu hao nhiệt
lợng trong quá trình sấy. Tính chất nhiệt vật lý đợc biểu hiện thông qua giá
trị nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt. Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm đợc
xác định theo công thức:
n
G
k
G
n
G
n
CG
k
C
C
+
+
=
(J/Kg.

0
C)

100
W
).
k
C
n
(C
k
CC +=

Trong đó: C
k
, C
n
- nhiệt dung riêng của vật khô và nớc (J/Kg.
0
C)
G
k
, G
n
- khối lợng của vật khô và khối lợng nớc.
Hệ số dẫn nhiệt đặc trng cho quá trình truyền nhiệt từ bề mặt vào tâm
hạt. Hệ số này phụ thuộc vào cấu trúc của hạt, độ ẩm và nhiệt độ của hạt. Đây
là thông số rất phức tạp và khó xác định, ảnh hởng trực tiếp lên quá trình sấy.
Tuy nhiên đây là hệ số dẫn nhiệt ít đợc quan tâm trong quá trình sấy tĩnh đối
lu với tốc độ dòng khí nhỏ, nghĩa là hệ số truyền nhiệt đối lu nhỏ và hạt

đợc xem tơng đơng nh vật mỏng.
2. Công nghệ sấy nông sản dạng hạt
Muốn bảo quản đợc lâu dài, phục vụ tốt cho việc chế biến sau này thì
hạt nông sản cần đợc sấy(làm khô) đến một độ ẩm phù hợp. Yêu cầu cơ bản



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-6-


của hạt nông sản sau khi sấy là phải đảm bảo đợc chất lợng cần thiết của hạt
sấy và khối hạt. Hạt sấy không bị rạn nứt ngầm trong hạt và đốt nóng quá mức
cho phép; đối với hạt để làm giống cho những vụ kế tiếp thì việc sấy lại có
những yêu cầu khắt khe hơn, nhất là về nhiệt độ. Hạt là cơ thể sống nên phần
phôi trong hạt chỉ có thể chịu đến một nhiệt độ nhất định, nếu nhiệt độ thân
hạt quá cao sẽ làm xấu đi quá trình nảy mầm và phát triển của mầm hạt sau
này, hoặc thậm chí có thể làm mất đi khả năng nảy mầm của hạt. Nguyên
nhân gây rạn nứt ngầm trong hạt là do ứng suất cơ nhiệt phát sinh giữa các
vùng trong hạt. ứng suất này xuất hiện khi tốc độ bốc hơi bề mặt hạt quá lớn
làm lớp bề mặt khô nhanh trong khi cờng độ di chuyển ẩm từ vùng trung tâm
ra mặt hạt quá nhỏ tạo ra sự chênh lệch lớn về độ ẩm trong hạt.
Đối với khối hạt yêu cầu cơ bản của quá trình sấy là phải đảm bảo sự
đồng đều độ ẩm trong khối hạt. Thông qua các tài liệu nghiên cứu khoa học ta
có đợc: độ ẩm bảo quản một số loại hạt và nhiệt độ đốt nóng cho phép cho
trong Bảng 1.

Bảng 1. Nhiệt độ đốt nóng cho phép và độ ẩm gới hạn
Tên nông sản Độ ẩm giới hạn Nhiệt độ đốt nóng hạt khi sấy (

0
C)
Lúa
Ngô
Đậu
Lạc
Vừng
Thầu dầu
13ữ13,5
13ữ13,5
11ữ12
8ữ9
7ữ8
6ữ7
35
50
30
50
50
50
Sấy là một trong những công đoạn quan trọng nhất của công nghệ sau
thu hoạch. Thực tế có hai phơng pháp sấy chính là: phơng pháp sấy tự nhiên
và phơng pháp sấy nhân tạo.

+ Phơng pháp sấy tự nhiên:
Nông sản sau khi đợc thu hoạch đợc đem ra phơi trực tiếp dới ánh
nắng mặt trời, hoặc gián tiếp qua các thiết bị sấy mặt trời. Nguồn bức xạ hồng

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-7-


ngoại từ mặt trời sẽ đốt nóng hạt nông sản và làm bay hơi ẩm có trong nông
sản. Phơng pháp này đã đợc sử dụng từ rất lâu và đến nay nó vẫn đợc sử
dụng nh là một phơng pháp chính ở nhiều vùng sản xuất nông nghiệp trên
cả nớc. Phơng pháp sấy tự nhiên có u điểm là nguồn năng lợng rất dồi
dào và rẻ tiền, thiết bị sấy đơn giản... do đó sẽ giảm đợc giá thành sản xuất.
Mặt khác phơng pháp sấy tự nhiên cũng có không ít nhợc điểm nh: tốn
diện tích sử dụng cho việc phơi nắng, nhiệt lợng sấy không liên tục và đồng
đều, phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên, khó có thể điều chỉnh lợng
nhiệt...

+ Phơng pháp sấy nhân tạo:
Để có thể làm khô một khối lợng lớn sản phẩm trong thời gian ngắn
và chủ động thực hiện quá trình sấy ở mọi điều kiện thời tiết, ngời ta sử dụng
phơng pháp sấy nhân tạo. Phơng pháp này đắt tiền hơn và phức tạp hơn
phơng pháp sấy tự nhiên, nhng nó là điều cần thiết để có đợc sản phẩm
đồng nhất đem ra thị trờng. Nguồn nhiệt lợng để thực hiện quá trình sấy
đợc tạo ra bằng nhiều phơng pháp khác nhau. Ngày nay, các thiết bị sấy
đợc chế tạo dựa trên một hay kết hợp nhiều phơng pháp sấy khác nhau.
Phơng pháp sấy đợc sử dụng rộng rãi nhất để sấy nông sản dạng hạt
là sấy đối lu. Phơng pháp sấy đối lu có tác nhân sấy là không khí nóng,
nhiệt lợng đợc truyền từ tác nhân sấy sang hạt sấy bằng phơng pháp đối
lu, năng lợng truyền nhiệt đối lu sẽ đốt nóng hạt và làm bốc hơi nớc từ bề
mặt hạt. Hơi nớc bốc ra từ hạt sẽ đợc dòng khí mang theo ra ngoài.

Sơ đồ mô tả quá trình sấy đối lu:

t
0
,d
0
,

0
t
1
,d
1
,

1
t
2
,d
2
,

2



Hình 1: Sơ đồ mô tả quá trình sấy đối lu
Không khí nóng
mang ẩm
Buồng tạo

nhiệt
Buồng sấy
đối lu
Không khí



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-8-


Trong đó: t
x
,d
x
,

x
lần lợt là nhiệt độ, lợng ẩm, thuỷ phần của dòng
khí.
Phơng pháp sấy đối lu đợc phân thành hai nhóm phụ thuộc vào
trạng thái của hạt ẩm trong quá trình sấy. Nếu khối hạt sấy bất động còn quá
trình sấy đợc hình thành do dòng khí nóng chuyển động luồn lách giữa lớp
hạt thì quá trình này đợc gọi là sấy tĩnh. Ngợc lại, trờng hợp hạt sấy
chuyển động ngợc chiều với dòng khí sấy thì quá trình sấy đợc gọi là sấy
động.
- Thiết bị sấy tĩnh thờng đợc thiết kế theo hai dạng là dạng hầm và
dạng cột:

Hình 2: Mô hình thiết bị sấy kiểu hầm



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-9-



Hình 3: Mô hình thiết bị sấy kiểu cột


Trong những thiết bị sấy này, tác nhân sấy đi từ dới lên trên xuyên
qua lớp liệu. Quá trình luồn lách qua lớp liệu khí nóng sẽ truyền nhiệt lợng
của mình sang cho lớp liệu để đốt nóng nó và cho nớc bốc lên từ liệu sấy.
Hơi nớc bốc ra đợc dòng khí sấy cuốn theo và đa ra ngoài. Rõ ràng lớp
liệu dới cùng sẽ tiếp xúc với dòng khí sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp nên sẽ
đợc đốt nóng nhanh hơn và cũng khô nhanh hơn. Càng lên cao nhiệt độ của
khí sấy càng giảm còn độ ẩm càng tăng, vì vậy tốc độ đốt nóng của liệu càng
chậm, vật liệu sấy lâu khô hơn. Nh vậy nhợc điểm của những thiết bị sấy
này là quá trình sấy không đồng đều. Tuy nhiên u điểm của thiết bị sấy này
là đợc tạo nên từ những vật liệu đơn giản giá thành rẻ, thích hợp với quy mô
hộ nông dân.
- Thiết bị sấy động gồm có thiết bị sấy mẻ và thiết bị sấy tuần hoàn. Sự
khác biệt chính là sự chuyển động đảo trộn của hạt liệu trong quá trình sấy, vì
vậy quá trình sấy là đồng đều. Khi sấy bằng thiết bị sấy mẻ, từng mẻ liệu đợc

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-10-


sấy khô trớc rồi đến mẻ liệu khác. Sấy tuần hoàn thì ngợc lại, hạt liệu đợc
ra vào tuần hoàn đến khi nào khô đồng đều thì kết thúc quá trình sấy.

Một số thiết bị sấy có quy mô lớn:

Sự khó khăn về mặt bằng sản xuất đã khiến cho những thiết bị sấy nhỏ
quy mô hộ gia đình nhiều khi cũng không thích ứng, cần thiết phải có những
thiết bị sấy quy mô lớn hơn mang kiểu dáng công nghiệp. Dới đây là hình
ảnh một số thiết bị sấy có quy mô công nghiệp ở Việt Nam và trên thế giới:



Hình 4. Thiết bị sấy kiểu băng tải

1 - Phễu đổ nhiên liệu 2 - Buồng sấy 3 - Băng tải
4 - Quạt đẩy 5 - Calorife 6 - Cửa xả nguyên liệu
7 - Cửa thoát khí thải

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-11-



Hình 5. Thiết bị sấy kiểu thùng quay

1 - Thùng quay 2 - Lò sấy 3 - Buồng trung gian
4 - Cửa thoát khí thải 5 - Cửa xả nguyên liệu



Hình 6. Thiết bị sấy băng tải
1 - Phiễu chứa nhiên liệu 2 - Băng tải 3 - Buồng đốt
4 - Vít tải 5, 7 - Quạt hút 6 - Tờng chấn




Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-12-



Hình 7. Thiết bị sấy hạt theo chu kỳ
1 - Phiễu tiếp liệu 2 - Gàu tải 3 - Máy liên hoàn tách tạp chất
4 - Thiết bị sấy 5 - Vít tải 6 - Thiết bị phân phối hạt và xilo
7 - Xilo ủ thóc 8 - Xilo chứa hạt khô 9 - Băng tải

Trong điều kiện sản xuất hiện nay, có nhiều yếu tố trong sản xuất nh:
quy mô sản xuất và hình thức sản xuất đã có nhiều thay đổi, sản phẩm đa dạng
hơn, hội nhập, yêu cầu thị trờng cao hơn... đòi hỏi nền sản xuất nông nghiệp
của nớc ta phải có nhiều thay đổi để đáp ứng đợc nó. Lĩnh vực sấy nông sản
cũng không nằm ngoài sự thay đổi đó. Chúng ta cần có những hệ thống sấy
quy mô lớn, năng suất cao, hoạt động một cách tự động đa nông sản tới
những chỉ tiêu đợc yêu cầu... Đây cũng chính là nội dung và yêu cầu chúng
tôi muốn hớng tới trong đề tài này.






Chơng 2:
Tổng hợp hệ thống sấy nông sản dạng hạt




Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-13-


Xây dựng mô hình toán học cho đối tợng điều khiển là bớc đầu tiên
và cũng là bớc quan trọng nhất để đi đến bài toán điều khiển. Để có thể xây
dựng đợc mô hình hệ thống ngời ta có hai phơng pháp:
- Phơng pháp lý thuyết
- Phơng pháp thực nghiệm.

Trong trờng hợp này, thông tin mô hình hệ thống đã đợc xác lập
thông qua những yêu cầu của đề tài. Mặt khác hệ thống thí nghiệm sấy đã
đợc thiết kế sẵn, vì vậy chúng tôi sử dụng phơng pháp thực nghiệm để khảo
sát hệ thống này, xây dựng mô hình động học cho hệ thống để rồi chọn ra bộ
điều khiển hợp lý cho hệ thống.
Thông tin hệ thống:

Hình 8: Mô hình sấy thí nghiệm
+ Quạt gió ly tâm + Buồng đốt
Điện áp cấp 220V - 50Hz Dây đốt Ni - Cr
Tốc độ 2850V/p Điện áp cung cấp 220V 50Hz
Công suất 240W Công suất 2KW.
1. Xác định đặc tính động học của hệ thống
1.1. Cơ sở lý thuyết
Để khảo sát hệ thống ta tác động vào hệ thống một xung nhiễu bậc
thang và quan sát đầu ra.



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-14-


Ngời ta chia đối tợng khảo sát ra làm hai loại cơ bản:
- Đối tợng có tính tự cân bằng là đối tợng có khả năng tự hiệu chỉnh
trở lại trạng thái cân bằng khi có nhiễu tác động phá vỡ cân bằng (đối tợng
tĩnh).
- Đối tợng không tự cân bằng là đối tợng không có khả năng trở lại
trạng thái cân bằng khi có nhiễu phá vỡ sự cân bằng của nó.

Đối tợng ở đây là dòng khí sấy mang nhiệt độ. Khi cấp nguồn điện
cho sợi đốt, nhiệt độ của sợi đốt làm nóng luồng không khí do quạt thổi tới.
Nhiệt độ dòng khí tăng lên, nó tăng lên đến một nhiệt độ nào đó và không
tăng nữa, nó giữ ổn định ở nhiệt độ này. Nh vậy đối tợng của ta ở đây chính
là đối tợng có tính tự cân bằng.
Dạng tổng quát hàm truyền đạt của đối tợng có tính tự cân bằng
đợc mô tả nh sau:
W
dt
(s) = K
dt
W
0
(s) e
-

s

Trong đó:
K
dt
: Hệ số truyền của đối tợng,


: Thời gian trễ.
W
0
(s) =
1s
1n

a...
1n
s
1
a
n
s
0
a
1s
1m
b...
1m
s
1
b
m
s
0
b
+

++

+
+

++

+

Trong thực tế khâu tĩnh có thể lấy một trong các dạng điển hình sau:
+ Khâu quán tính bậc nhất:
PT
1
: W(s) =
s
1
T1
Kdt
+

Đặc tính đờng quá độ của hàm truyền nh Hình 9a.
+ Khâu quán tính bậc 2:



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-15-


PT
2
: W(s) =
s)
2
Ts)(1
1
T(1

dt
K
++

Đặc tính đờng quá độ của hàm truyền PT
2
nh Hình 9b.
+ Khâu quán tính bậc n:
PT
n
: W(s) =
n
Ts)(1
dt
K
+

Đặc tính đờng quá độ của hàm truyền PT
n
nh hình 9b.

a, b,
Hình 9: đặc tính quá độ của hàm truyền
Ngoài ra còn có các mô hình Lag, và mô hình dao động bậc hai tắt
dần. Dạng hàm truyền của nó nh sau:
+ Mô hình Lag:
W(s) =
s
m
T1

s)
t
T(1
dt
K
+
+
(T
t
< T
m
)

+

Mô hình dao động bậc hai tắt đần:
W(s) =
2
q2qDs
2
s
2
kq
++
(0<D<1).


Xác định hằng số thời gian T
1
của PT

1
:
Mỗi một khâu có một phơng pháp xác định hằng số thời gian khác
nhau. Khâu có cấu trúc càng phức tạp thì việc xác định các thông số càng khó
h(t)
t
t
h(t



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-16-


khăn. Trong phạm vi đề tài này chỉ nêu lên cách xác định các thông số cho mô
hình PT
1
. Việc xác định các thông số (K
dt
, T
1
) của PT
1
đợc thực hiện qua các
bớc sau:
+ Kẻ tiếp tuyến với đờng đặc tính tại t = 0.
+ Xác định giao điểm của đờng tiếp tuyến đó với đờng tiệm cận
K

dt
= h(

).
+ Hoành độ của giao điểm vừa xác định chính là tham số T
1
cần tìm.
Nhợc điểm của phơng pháp này là phụ thuộc nhiều vào độ chính xác
việc kẻ tiếp tuyến. Nếu đặt sai tiếp tuyến tại 0 mà h(t) lại có hệ số khuếch đại
K
dt
lớn thì kết quả T
1
sẽ có sai số lớn. Để tránh đợc điều này ta đi từ hàm
truyền W(s), để có H(s) =
s
W(s)
rồi chuyển ngợc sang miền thời gian sẽ
đợc:
h(t) = k(1-
T
t
e

).
Nh vậy tại thời điểm T :
h(T) = k(1-e
-1
)

0.632*K.
Nói cách khác tại đúng thời điểm T hàm h(t) sẽ đạt 63.2% giá trị cực
đại. Vậy để xác định T thì sau khi tìm đợc K ta tính h(T) = 0.632*K rồi từ đó
suy ngợc lại T.
Trong nhiều trờng hợp không thể tạo ra đợc một nhiễu bậc thang
1(t), ngời ta có thể dùng tín hiệu là A*1(t). Khi đó hệ số khuếch đại của
mạch đợc tính nh sau:
K =
A
)h(

.
Hằng số thời gian đợc xác định từ h(T) = 0.632*h(

).
1.2. Xác định đặc tính động học hệ thống sấy
Thiết bị phục vụ cho việc khảo sát bao gồm:



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-17-


+ Hệ thống sấy thí nghiệm,
+ Đồng hồ bấm giây,
+ Nguồn điện 220V - 50Hz.
Cho đối tợng chịu tác động của một nhiễu A*1(t) - tức là đóng trực
tiếp nguồn 220V-50Hz vào dây toả nhiệt, quạt gió đợc bật trớc đó. Bấm thời

gian theo dõi nhiết độ dòng khí sấy. Các thông số đợc thể hiện trong Bảng 2.

Bảng 2: Thông số khảo sát hệ thống sấy thí nghiệm

Thời gian
(s)
Nhiệt độ
(
o
C)
Thời gian
(s)
Nhiệt độ
(
o
C)
Thời gian
(s)
Nhiệt độ
(
o
C)
2.155 1 22.20 20 64.8 31
3.78 2 24.55 21 71.1 32
5.47 4.5 26.82 22 77.14 33
8 7 29.71 23 85.125 34
9.79 9 33.27 24 93.12 35
11.76 11 37.11 25 98.97 36
13.38 13.5 41.76 26 107.82 37
15.19 15 46.75 27 116.03 38

16.89 16.5 51.14 28 125.89 39
18.68 17.5 54.55 29 138.55 39
20.41 19 57.87 30 ... ...

Từ bảng số liệu ta có đợc đờng đặc tính của hệ thống nh sau:



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-18-



Hình 10: Đặc tính của hệ thống sấy thí nghiệm
Nghiên cứu và tính toán của các nhà khoa học khẳng định: quá trình
nhiệt là quá trình có trễ. Cách đo thủ công mà ta tiến hành nh trên không thể
đo đợc chính xác thời gian trễ, do đó chỉ có thể lấy gần đúng thời gian trễ
bằng 2.15(s) (là thời gian khi bật máy đến khi bắt đầu có sự thay đổi nhiệt độ).
Để xác định đợc thông số của đối tợng ta dịch gốc đi một đoạn 2.15(s) và
nh đặc tính trên có thể coi đối tợng của chúng ta là mô hình PT
1
. Việc xác
định các thông số của nó theo lý thuyết đợc trình bày ở trên.
Ta có h(

) = 39 theo công thức: K =
1250
)h(

=
1250
39
= 0.0312.
Để tìm hằng số thời gian T ta tính : h(T) = 0.632*h(

) = 24.648
Suy ra: T = 36.0854(s).
Vậy hàm truyền của đối tợng là:
2.15.s
e
36.0854.s1
0.0312
(s)
dt
W

+
=




Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-19-


2. Xác định thông số cho bộ điều chỉnh
2.1. Cơ sở lý thuyết

Phần tổng hợp hệ thống trên đã tạo bớc đệm để chúng tôi đi đến chọn
độ điều chỉnh cho hệ thống. Để có thể chọn lựa đợc bộ điều khiển phù hợp ta
hãy xem xét một số chỉ tiêu sau:
a. Sai lệch tĩnh:
Sai lệch tĩnh xác định độ chính xác tĩnh của hệ. Sai
lệch tĩnh đợc tính theo định lý tới hạn:

lims.E(s)
0s
lime(t)
t
)e(
es
e

=

== .
b. Lợng quá điều chỉnh.
Lợng quá điều chỉnh đợc xác định bởi trị
số cực đại của hàm quá độ so với trị số xác lập của nó:

.100
)h(
)h(
max
h
%

=
.
c. Thời gian quá độ:
Thời gian quá độ T
qd
đợc xác định bởi thời điểm
mà hàm quá độ h(t) không vợt ra khỏi biên giới của miền giới hạn

quanh
trị số xác lập:

=

5%
)h(
.
d. Thời gian đáp ứng:
Thời gian đáp ứng T
m
xác định bởi thời điểm mà
hàm quá độ lần đầu tiên đạt giá trị xác lập
)h(
khi có quá điều chỉnh.
e. Thời gian có quá điều chỉnh:
Thời gian có quá điều chỉnh t

đợc
xác định bởi thời điểm hàm quá độ đạt cực đại.
f. Số lần giao động:
Số lần giao động N đợc tính bởi số lần mà hàm

quá độ dao động quanh trị số xác lập trong thời kỳ quá độ (0 <t<T
qd
).
Lợng quá điều chỉnh

, thời gian có quá điều chỉnh t

và số lần dao
động đặc trng cho tính chất suy giảm của quá trình quá độ. Thời gian quá độ
T
qd
và thời gian đáp ứng T
m
đặc trng cho tính tác động nhanh của hệ.
Những bộ điều chỉnh điển hình:
+ Bộ điều chỉnh tỷ lệ (P)



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-20-


a)
b)
c)
d)
e)
f)

e(t)
t


t


t


t


t


t


+ Bộ điều chỉnh tích phân (I).
+Bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI).
+Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD).
+Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID) là bộ điều chỉnh đợc kết hợp
từ ba bộ điều chỉnh khác nhau. Bộ điều chỉnh giản đơn nhất là bộ điều chỉnh
tỷ lệ (P). Tác dụng của nó nh một khâu khuếch đại với hệ số thay đổi đợc.
Thay đổi hệ số khuếch đại có thể làm thay đổi đợc sai lệch tĩnh nhng không
thể triệt tiêu đợc sai lệch tĩnh vì càng tăng hệ càng mất khả năng ổn định.
Tác dụng của phần tử tích phân (I) trong bộ điều chỉnh là triệt tiêu sai lệch
tĩnh. Vai trò của phần tử vi phân (D) là cải thiện qúa trình quá độ nếu xác định
đúng thông số của nó.

Sự ảnh hởng của các bộ điều chỉnh đối với sai lệch tĩnh e(t) đợc cho
trong hình sau:






Hình 11: Sai lệch tĩnh qua
các bộ điều chỉnh
a) Trờng hợp không có bộ điều chỉnh.
b) Bộ điều chỉnh tỷ lệ làm giảm sai lệch nhng không thể triệt tiêu vì
hệ số khuyếch đại không thể quá lớn.
c) Bộ điều chỉnh tích phân (I) có thể triệt tiêu sai lệch tĩnh.



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-21-


d) Bộ điều chỉnh tỉ lệ tích phân (PI) có thể thay đổi đợc tốc độ giảm
sai lệch.
e) Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD) cải thiện chất lợng động nhng
không triệt tiêu đợc sai lệch tĩnh.
f) Bộ điều chỉnh tỉ lệ vi tích phân (PID) kết hợp đợc các đặc điểm của
ba thành phần P, I, D.
Chọn bộ điều chỉnh của các hệ ổn định và có trễ
Ví dụ đối tợng có hàm truyền:

.s
.e
1
s.T1
1
K
G(s)

+
=



- Thời gian thuần trễ của đối tợng.
Nếu dùng bộ điều chỉnh PI ta có:
i
s.T
i
s.
T1
c
K(s)
c
G
+
=

Xét sơ đồ sau:

Thông thờng, thông số tối u đợc chọn là T

i
=T
1
và hệ hở có hàm
truyền:
.s
e
1
s.T
K
(s)G(s)
c
GW(s)

==
với K=K
0
.K
1
Môđun và pha nh đợc xác định nh ở Hình 12:
i
i
c
Ts
Ts
K
.
.1
+

1
.
1
.1 Ts
e
K
s
+



x
e
u y



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-22-




W(j

)

=
1

.T
K

2
.





=

Nếu độ dự trữ ổn định về biên độ
đợc chọn là 0,5 tơng ứng với góc dịch
pha:
2
.




=

Từ đó:

W(j


)

=


1
T
.
2
K

Với độ dự trữ ổn định trên ta chọn K sao cho:


1
T
.
4
1
.K
c
KK
=
.

2.2. Chọn bộ điều chỉnh và xác định thông số bộ điều chỉnh

Nh đã đợc chỉ ra ở trên, hàm truyền của đối tợng nh sau:
2,15.s
.e
136,0854.s
0,0312

(s)
dt
W

+
=
.
Ta chọn bộ điều chỉnh PI với các thông số sau:
T
i
=T
1
=36,08 (s).
422,44.
c
K
2,15
36,08
.
4
1
K
c
KK =


Vì hệ thống cũng không cần có sự tác động quá nhanh nên ta chọn:
K
c
= 400.

Nh vậy bộ điều chỉnh PI đợc chọn nh sau:
36,08.s
36,08.s1
400.(s)
c
W
+
=
.
Hình 12: Môđun và pha hệ hở



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-23-


Để thực hiện hàm này trong vi điều khiển ta phải tiến hành chuyển nó
về phơng trình sai phân.
Chọn thời gian trích mẫu là 1 giây, tiến hành rời rạc hoá theo phơng
pháp số Tustin ta có hàm truyền theo z nh sau (thay
1z
1z
.
T
2
s
+

= , với T là thời
gian trích mẫu):
1z
394,5405,5.
z
(z)
c
W


=

hay:
1z
394,5405,5.z
U(z)
Y(z)


=

Y(z)394,5.U(z)z)405,5.z.U(Y(z).z
394,5.U(z)z)405,5.z.U(Y(z)Y(z).
z
+=
=
(1)
Với Y(z) là tín hiệu ra rời rạc,
U(z) là tín hiệu vào rời rạc.
Theo tính chất dịch dịch hàm gốc: z

n
.Y(z)=Y(k+n) (2)
Thay (2) vào (1) ta có:
Y(k)394,5.U(k)1)405,5.U(k1)Y(k
++=+ .
Sau khi xác định đợc bộ điều khiển và thông số của nó ta tiến hành
khảo sát chúng.
Kết quả khảo sát đợc cho trong Hình 13:



Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-24-



Hình 13: Kết quả khảo sát hệ thống khi có bộ điều chỉnh
Với kết quả nh trên, khi có bộ điều chỉnh thời gian quá độ là 16(s).
Trong khi nếu không có bộ điều chỉnh thời gian để cho nó ổn định mất
khoảng 200(s). Độ sai lệch tĩnh khi có bộ điều chỉnh bằng 0. Bộ điều chỉnh
này đã đáp ứng đợc yêu cầu bài toán đề ra, vì vậy chúng tôi chọn bộ điều
chỉnh này để diều khiển hệ thống sấy.

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46
.............................................................................................................................
-25-


Chơng 3:

Giới thiệu chung về vi điều khiển, họ vi điều khiển
AVR và vi điều khiển ATMEGA8535


1. Tổng quan chung về vi điều khiển
1.1. Các họ vi điều khiển
Bộ vi điều khiển (Microcontroller) là một mạch tích hợp trên một chip,
có thể lập trình đợc với hệ thống tập lệnh để thực hiện một yêu cầu nào đó.
Bộ vi điều khiển đợc ra đời sau Bộ vi xử lý. Về thực chất thì Bộ vi điều khiển
là Bộ vi xử lý, nhng có thêm các mạch điện hỗ trợ, các thành phần I/O ngoại
vi và bộ nhớ ( bộ nhớ chơng trình và bộ nhớ dữ liệu)... đợc tích hợp cùng
nhau trên một bản mạch. Bộ vi điều khiển đầu tiên ra đời năm 1971, là bộ vi
điều khiển 4 bít TMS1000 của Công ty Texas Instruments. Sau khi dòng sản
phẩm này ra đời, nó đã đợc ứng dụng vào rất nhều lĩnh vực: sản xuất máy
tính bỏ túi, điều khiển lò vi sóng, sử dụng cho các bộ định thời công nghiệp.
Năm 1976, Công ty Intelligen Electronics (INTEL) cho ra đời thế hệ
đầu tiên của vi điều khiển 8 bít với tên gọi 8084. Trong bộ vi điều khiển này,
ngoài bộ vi xử lý trung tâm ngời ta tích hợp thêm các bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ

chơng trình, các cổng vào ra số, các bộ định thời... Đến năm 1980, thế hệ thứ
hai của bộ vi điều khiển ra đời, đó là vi điều khiển 8051. Hiện nay vi điều
khiển 8051 đợc sản xuất và sử dụng rộng rãi. Bên cạnh đó các công ty sản
xuất cũng phát triển cho mình những bộ vi điều khiển có tính năng đặc biệt
làm cho thị trờng vi điều khiển ngày càng phong phú và đa dạng.
Một số họ vi điều khiển thông dụng ngoài họ 8051 hiện nay:
+ Họ 68HC của Motorola,
+ Họ Z8 của Zilog,
+ Họ PIC của Microchip,
+ Họ H8 của Hitachi,
+ Họ AVR của Atmel,
+ Họ CY(PSOC) của Cypress Microsystem.