điều khiển nhiệt độ lò sấy nông sản dạng hạt

MÔN ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN
Đề tài
Tìm hiểu phân tích và xây dựng hệ thống đo và
điều khiển nhiệt độ lò sấy nông sản dạng hạt
**************
Mục lục Trang
LỜI MỞ ĐẦU 2
CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ 3
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN
2.1-Yêu cầuđề tài 5
2.2- Các hướng giải quyết 5
2.3- Lý do lựa chọn cho thiết kế 9
2.4- Tính chọn thiết bị 9
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 19
3.1- Các kết quả đạt được 19
3.2- Các hạn chế khi thực hiện 20
3.3- Biện pháp khắc phục 20
CHƯƠNG 4: BÀI DỊCH TÀI LIỆU CẢM BIẾN 21
4.1- Bản tài liệu lí thuyết
4.2- Bản tài liệu sử dụng cảm biến
1
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người
đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ
công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Đặc biệt góp phần vào sự phát
triển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng
và phát triển đất nước. Trong đó muôn kĩ thuật vi điều khiển được phát triển mạnh mẽ
dựa trên những tiến bộ của công nghệ tích hợp các linh kiện bán dẫn và hệ lập trình
có bộ nhớ kết hợp với máy tính điện tử. Từ những thời gian đầu phát triển đã cho
thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định
thêm.Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng trừng như không

thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con
người.
Để góp phần làm sang tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn “
Đo lường và cảm biến” chúng em sau một thời gian học tập được các thầy , các cô
trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên ngành đồng thời được sự giúp đỡ nhiệt
tình của cô “ NGUYỄN THU HÀ ” chúng em đã “tìm hiều, phân tích và xây dựng
hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò xấy nông sản dạng hạt”.
Cũng với sự nỗ lực của cả nhóm nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm
của chúng em còn có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất
mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cô và các bạn nhằm đóng góp và
phát triển đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn!
2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ
1.1-Tiêu chuẩn sấy các loại hạt
Khi mới thu hoạch, hạt thường có độ ẩm cao, trung bình 20-22%. Một số loại
hạt thu hoạch vào mùa mưa ở nước ta, đọ ẩm lúc đầu của chúng có thể tới 34-40%>
Những hạt ẩm nếu không sấy kịp thời có thể bị thâm, chua, thối thậm chí có thể hư
hỏng hoàn toàn. Một số loại hạt như đậu tương, vừng phải sấy tới độ khô nhất định
mới tách, lấy hạt ra khỏi vỏ thuận lợi. Tất cả các loại hạt trước khi đưa vào kho bảo
quản, nhất thiết phải qua sấy tới độ ẩm an toàn.
a) Lúa mì
Yêu cầu: phải đảm bảo số lượng và chất lượng của gluten.
Đặc điểm: bắt đầu ở nhiệt độ từ 50ºC đã có sự thay đổi nhỏ về số lượng và chất lượng
của gluten. Vì vậy nhiệt độ sấy chỉ cho phép đến 50ºC.
b)Lúa, ngô
Nước thoát ra 200kg/tấn, lúa 33% ẩm độ xuống 16% ẩm độ. Lúa khô ráo vỏ
khoảng 20-22% ẩm độ, có màu vừa chuyển từ màu nâu đen qua màu vàng sáng, hạt
lúa cắn bên trong còn mềm. Lúa khô có thể xay chà và tồn trử được khoảng 14-16%

ẩm độ, hạt cắn kêu, dòn.
Lúa ướt từ 33% ẩm độ giảm xuống 20-22% ẩm độ có thể giảm nhanh trong
vòng 5 đến 8 phút nên có thể dùng nhiệt độ đến 80ºC để sấy.
Lúa ướt từ 20-22% ẩm độ giảm xuống 14-16% ẩm độ phải có thời gian nhất
định, thường giảm không quá 1,5% ẩm độ/1giờ, nếu giảm nhanh hơn hạt gạo bên
trong bị nứt. Nên trong thời gian này nhiệt độ sấy không quá 42ºC cho lúa giống, từ
45ºC trở xuống cho lúa ăn. Vận tốc gió xuyên qua lớp lúa sấy trung bình 10m/1
phút.Nếu ta biết được đặc tính của quạt, lò đốt, sinh lý của hạt lúa, ta có thể yên tâm
sấy ra được chất lượng cao, không bị tro, khói và nứt hạt lúa.
c) Các hạt họ đậu
3
Các hạt học đậu thường chứa một lượng khá lớn protein, phần lớn là tinh bột từ
46-52% và lipit từ 2-3%. Các hạt họ đậu rất nhạy cảm với sự tăng nhiệt độ nên
thường phải thực hiện nhiều giai đoạn sấy để giữ chất cho sản phẩm và nâng cao
năng suất máy sấy.
1.2- Sơ lược về hệ thống thiết kế
*Với yêu cầu của đề tài nhóm em chọn đối tượng sấy cụ thể là lúa.
Hệ thống sấy gồm: quạt, thiết bị gia nhiệt bằng điện, hệ thống điều khiển nhiệt độ và
nhà che.
-Nhà che cần rộng có mái che và thông thoáng.
Các thông số về kích thước của buồng sấy:
*Buồng sấy:
- Chiều rộng: 3m
- Chiều dài: 4m
- Chiều cao: 1,5m
- Gồm sàn đổ lúa sấy 18m
2
dung tích 18m
3
và buồng chứa khí nóng khô do quạt

thổi vào.
- Miệng lò rộng ở phía trên để hơi nước dễ dàng thoát ra trong quá trình sấy đồng thời
thuận tiện cho việc đổ nông sản vào sấy.
4
1,5m
4m
3m
- Thành lò được làm bằng vật liệu cách nhiệt để đảm bảo cho nhiệt độ sấy được ổn
định
- Quạt thổi khí của mỗi lò được lắp đặt trên khung bệ chắc chắn và có van để điều
chỉnh lưu lượng cho thích hợp. Phần kết nối ở mỗi đầu ra và vào của mỗi quạt
đều có ống giảm rung nhằm mục đích giảm tối thiểu sự rung động của quạt gió khi
làm việc với hệ thống.
- Thiết bị gia nhiệt là hệ thống dây mayso, cung cấp nhiệt cho lò sấy.
-Ngoài ra, còn có hệ thống cảm biến và vi mạch điều khiển nhiệt độ ở trong buồng
sấy.
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN
2.1 Yêu cầu đề tài
- Tìm hiểu phân tích và xây dựng hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò sấy nông sản
dạng hạt.
- Lựa chọn các cảm biến cần sử dụng cho hệ thống
- Cách lựa chọn và bố trí các thiết bị khác
- Sơ đồ khối của hệ thống
- Lựa chọn phương án điều khiển
- Đánh giá về sai số của hệ thống
- Hạn chế của bản thiết kế và cách khắc phục
* Giới hạn điều kiện:
- Thể tích lò 10m
3
– 20m

3
- Dải nhiệt độ làm việc từ 10ºC đến 80ºC
- Sai số của phép đo nhiệt độ là 2ºC
2.2- Các hướng giải quyết
5
Để thiết kế một hệ thống lò sấy nông sản ta có rất nhiều phương pháp.Dưới đây là
một số phương pháp mà chúng tôi cho là tối ưu nhất.
1
2.2.1-Phương pháp sấy kiểu tháp
a) Giới thiệu hệ thống
Hình 2.1-Hệ thống sấy kiểu tháp
Buồng sấy hình trụ hay hình lăng trụ để đứng (tháp). Vật liệu đổ và tháp từ phía trên.Khí nóng thổi vào từ phía
dưới hoặc cắt ngang chiều chuyển động của vật liệu. Tùy theo dạng vật liệu sấy và trạng thái ẩm của vật liệu mà có thể
sử dụng các phương pháp vận chuyển vật liệu khác nhau trong tháp.
Hệ thống điều khiển thông minh có khả năng tự điều chỉnh nhiệt độ sấy một cách tối ưu nhất đối với nhiên liệu
đốt.Người vận hành có thể dễ dàng chọn lựa chế
6
độ sấy cho phù hợp với mỗi loại nguyên liệu bằng cách nhấn nút chọn các chế độ.
-Hệ thống được điều khiển tự động sấy với trữ lượng nông sản lớn.
b) Ưu nhược điểm của hệ thống
*Ưu điểm
- Thiết kế vững chắc, độ bền vật liệu cao,dễ vận hành.
- Có thể sấy một trữ lượng nông sản lớn phù hợp với quy mô công nghiệp.
- Tiết kiệm nhân công.
- Tỷ lệ hao hụt thấp, tỷ lệ hạt gãy thấp, độ đồng đều cao, sản phẩm đầu ra đạt chất
lượng tốt.
- Hệ thống gầu tải, trục tải thiết kế tối ưu, đảm bảo hiệu quả hoạt động cao.
- Các động cơ điện vận hành hợp lý, giảm tối đa chi phí điện năng.
- Lò đốt thiết kế hiện đại, được điều khiển tự động đảm bảo hiệu suất cao, tiết kiệm
tối đa chất đốt.

*Nhược điểm
- Thiết kế cồng kềnh, khó chuyển dịch đi nơi khác
- Vì sử dụng chất đốt nên không thân thiện với môi trường
-Phụ thuộc nhiều vào nguồn nhiên liệu than, củi, chấu….
7
2.2.2-Phương pháp sấy kiểu vỉ ngang
a) Giới thiệu hệ thống
Hình 2.2-Hệ thống sấy vỉ ngang
Hệ thống thiết kết được trang bị cảm biến đo nhiệt độ kết hợp với vi sử lí để điều
khiển nhiệt độ và tốc độ quạt gió trong lò, cũng thông qua bảng điều khiển tự động
toàn bộ hoạt động của lò được giám sát trực quan bằng hệ thống đèn báo.
b) Ưu nhược điểm của hệ thống
*Ưu điểm
- Lò sấy được thiết kế dựa theo nguyên lí sấy đối lưu cưỡng bức thiết bị có kết cấu
đơn giản dễ lắp đặt được ứng dụng rộng rãi để sấy các loại nông sản dạng hạt như
ngô, lúa, đậu…
- Có hệ thống còi cảnh báo khi quá thời gian sấy
- Chi phí lắp đặt thấp,dễ vận hành và bảo trì
- Dễ thao tác phù hợp với trình độ lao động của các địa phương
- Tỉ lệ hao hụt thấp, sản phầm đầu ra chất lượng tốt
- Thân thiện với môi trường
8
*Nhược điểm
- Độ đồng đều về độ ẩm không cao nếu trong quá trình sấy không đảo
- Thời gian sấy lâu
2.3- Lý do lựa chọn thiết kế
Với chỉ tiêu “dễ lắp đặt-hiệu suất cao–giá thành rẻ” để phù hợp với người nông dân
nghèo nhóm em quyết định chọn thiết kế bằng phương pháp sấy kiểu vỉ ngang.
Thiết kế có ưu điểm là cấu tạo đơn giản với mức đầu tư thấp so với các loại lò sấy có
cùng công suất, có thể sấy được nhiều loại nông sản dạng hạt hoặc các loại vật liệu

khác.
Ngoài việc chi phí lắp đặt thấp thiết kế cũng có một số ưu điểm vượt trội như:
- Lắp đặt đơn giản
- Vận hành dễ dàng
- Đặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường
2.4- Tính chọn thiết bị
Sau khi phân tích và tìm ra hướng thiết kế, chúng ta tiến hành tìm hiểu và lựa chọn
các thiết bị trong hệ thống thiết kế.
2.4.1-Quạt gió
Ta sử dụng loại quạt hướng trục là loại đặc biệt với sức ép cao để gió xuyên qua lớp
lúa dầy 30-40cm. Thường dùng 2 quạt mỗi quạt lưu lượng 4m3/giây, đường kính quạt
750mm, quay 1.600 vòng /phút.
9
Hình 2.3- Quạt hướng trục
Đặc tính nổi trội của loai quạt này là: Lưu lượng lớn, cột áp cao, rất phù hợp cho hút
hoặc thổi không khí trong đường ống. Cánh quạt của quạt hướng trục được thiết kế
góc nghiêng, số cánh phù hợp và được cân bằng động 2 mặt nên chạy rất êm, không
rung hay kêu to
2.4.2- Động cơ
Động cơ kéo quạt công suất phải lớn hơn 16kw mã lực, có thể dùng động cơ 2 pha
hoặc 3 pha quay với tốc độ cao nhằm đẩy nhiệt đi khắp buống sấy và xuyên qua lớp
lúa dày.
10
Hình 2.4-Động cơ công suất lớn
2.4.3- Thiết bị gia nhiệt
Thường được sử dụng dây mayso.Dây may so là dây điện trở để biến năng
lượng điện thành nhiệt. Đây là loại dây có điện trở suất (rô) lớn, có độ bền nhiệt cao
và cứng về cơ học. Thường làm từ vonfram hoặc hợp kim của vonfram. Người ta có
thể cán dẹp, hoặc kéo thành sợi với các đường kính khác nhau tùy theo yêu cầu chế
tạo.Dây được sản xuất theo công nghệ nóng chảy rồi kéo như cán thép hoặc đúc

theokhuôn khi dây điện trở có kích thước lớn. Sử dụng điện trở đốt nóng công suất
lớn tạo nhiệt để dưa vào lò sấy.
11
Hình 2.5-Dây mayso
2.4.4- Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt độ trong buồng sấy, trên thị trường hiện nay có
rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ dưới đây là một số loại thông dụng:
Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện
áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Chúng cũng
không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh.
12
- Đặc điểm của cảm biến LM35
+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V
+Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/
0
C
+Độ chính xác cao ở 25
0
Clà 0.5
0
C
+Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải
Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55
0
C- 150
0
Cvới các mức điện áp ra khác nhau.
Xét một số mức điện áp sau:
Nhiệt độ -55
0

Cđiện áp đầu ra -550mV
Nhiệt độ 25
0
Cđiện áp đầu ra 250mV
Nhiệt độ 150
0
Cđiện áp đầu ra 1500mV
Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp. Đối với hệ thống
này thì đo từ 0
0
Cđến 150
0
C
-Sai số của LM35:
+Tại 0
0
C thì điện áp của LM35 là 10mV
+Tại 150
0
C thì điện áp của LM35 là 1.5V
Sai số của LM35là :± 2
0
C
Cảm biến PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 được cấu tạo
từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở
khi ở 00C là 100 Ω. Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một
nguồn ngoài ổn định.
-Đặc điểm:
+ có thể chịu được nhiệt độ cao
+ không bị oxy hóa khí nóng chảy

+ độ bền hóa học cao, tính dẻo tốt
-Dải nhiệt độ của PT từ 0
0
C -200
0
C. Trong thực tế người ta chế tạo và sử dụng dạng
chuẩn PT100 dải nhiệt độ từ 0
0
C - 100
0
C.
13
-Sai số của PT100 là: ± 1
0
C
Cảm biến AD 590 được thiết kế làm cảm biến nhiệt độ có tổng trở ngõ khá
lớn(10mΩ). Vi mạch đã được cân bằng bởi nhà sản xuất, khiến cho dòng mA ra
tương ứng với chuẩn nhiệt độ tuyệt đối K. Điện áp làm việc càng nhỏ càng tốt để
tránh hiện tượng tự gia nhiệt. Khi cấp điện áp thay đổi, dòng thay đổi ít.
Dải nhiệt độ của AD 590 từ -55
0
C tới 150
0
C
Điện áp hoạt động: 4-30 VDC
Dòng điện ra tỉ lệ: 1µA
Sai số của AD 590 là: ±0.5
0
C
*Quạt: Quạt hướng trục là loại đặc biệt với sức ép cao để gió xuyên qua lớp lúa dầy

30-40cm. Thường dùng 2 quạt mỗi quạt lưu lượng 4m3/giây, đường kính quạt
750mm, quay 1.600 vòng /phút.
*Động cơ: Động cơ kéo quạt công suất phải lớn
*Gia nhiệt: Dùng thiết bị làm nóng bằng dây may so
Theo yêu cầu của đề tài thì chúng em sử dụng cảm biến PT100, loại này đang
sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp hiện nay.Và chúng em lựa chọn đặt 1 cảm
biến nhiệt độ PT100, cảm biến được đặt như trong hình 2.2.
2.4.5 Hệ thống hẹn giờ và điều khiển nhiệt độ trong lò
14
Chúng ta sẽ ứng dụng vi sử lí để điều khiển nhiệt độ cụ thể ở mạch điều khiển
này ta dùng ATMEGA16L.
*ATMEGA16L
+ Điện áp hoạt động: 2,7-5,5VDC
+ Sơ đồ chân:
- VCC: là cấp nguồn +
- GND: nối đất
- AVCC: là chân cấp điện cho cổng A(Port A) và bộ biến đổi A/D, PC3, PC0,
ADC7, ADC6. Nó được nối nội bộ đến VCC ngay cả trong trường hợp ADC
không được sử dụng. Nếu ADC không được sử dụng, nó phải được nối với
VCC thông qua bộ lọc thông thấp. Cả PC6 và PC4 cũng xử dụng được điện áp
AVCC
- AREF: là chân tín hiệu tham chiếu Analog (tương tự) nối vào bộ biến đổi A/D.
- PORT A: đầu ra của bộ biến đổi A/D
- XTAL 1 và XTAL 2: chân vào ra của thạch anh tạo dao động
*LCD 2 dòng 16 kí tự:
15
+ Điện áp hoạt động từ 2,7-5VDC
+ Tần số hiển thị: 2MHz ở mức điện áp 5V
*Những linh kiện khác:
- 2 Tụ 2200uf 16V để lọc nguồn

- 1 IC ổn áp 5V: tạo điện áp 5V cấp cho mạch
- 1 tụ 47uf 16V: làm mạch reset
- 2 Tụ gốm 33pf: ổn định làm việc cho thạch anh
16
- 1 Tụ gốm 104pf: bảo vệ mạch tránh những thành phần tần số cao
- 1 Điện trở 4,7K và 1 điện trở 10K: nối chân 2 và chân 3 của DS18B20 và nối
với mạch reset
- Biến áp 20V-0,5A
- Thạch anh 8MHz
- Cầu diod dùng để biến nguồn xoay chiều từ biến áp thành 1chiều
17
Hình 2.6-Hệ thống hẹn giờ và còi hú khi quá thời gian sấy
- Hệ thống hẹn giờ và cảnh báo thời gian sấy, có thể cài đặt theo ý người sử dụng.
* Sơ đồ nguyên lí
18
Sơ đồ nguyên lý trên cấp nguồn cho mạch là nguồn AC từ 7 đến 24 V.
+3 chân cấp nguồn cho Chíp ATMEGA16L là những chân 10,11,31 không vẽ trên
sơ đồ (chân 10 được nối chân 30, chân 11 được nối với chân 31).
+Điện trở PULLUP có giá trị 4,7K.
+Tụ C3 có thể thay bằng tụ hóa 10uf.
+Có thể dung thạch anh 4MHz thay cho loại 8MHz.
- Tác dụng của các linh kiện:
+ pt100 cảm biến nhiệt độ từ buồng sấy để lấy tín hiệu nhiệt độ đưa vào vi xử lý.
+LCD giải mã và hiển thị nhiệt độ.
+ ATMEGA16L điều khiển tắt mở thiết bị theo nhiệt độ đã mặc định, điều khiển hiển
thị LCD.
+ Mạch ổn áp, tạo điện áp 5VDC cấp cho vi mạch.
+ Led đỏ gỉa lập máy làm tăng nhiệt độ.
+ Let xanh giả lập máy làm giảm nhiệt độ.
- Cảm biến nhiệt độ truyền tín hiệu nhiệt độ đọc được qua chân DQ(2) vào chân 34

của ATMEGA16L (ADC6) chân này là 1 trong 8 đầu vào của hệ thống biến đổi A/D
của ATMEGA16L, nhưng không cần biến đổi mà đưa thẳng vào khối xử lí trung tâm
(vì tín hiệu truyền của cảm biến nhiệt độ ở chân DQ là tín hiệu số), tín hiệu khi đưa
vào đây sẽ được CPU xử lí với điều kiên đã được lập trình sẵn. Sau đó tín hiệu sau
khi được xử lí tiếp tục đưa ra chân 26 (TDO-Test Data Out-kiểm tra dữ liệu ra), 27
(TDI-kiểm tra dữ liệu vào), 28 (TOSC1-Test ocsolltor-kiểm tra đầu vào của bộ tạo
dao động 2) vào D4, D5, D6, D7 của LCD để giải mã
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN
3.1-Kết quả đạt được
19
- Từ những phân tích và tính toán chi tiết ở trên chúng tối đã xây dựng được một lò
sấy nông sản dạng hạt với thể tích 15m
3
có thể sấy tối đa 3 tấn/ lần. Với ưu điểm dễ
vận hành và lắp đặt, giảm thiểu sức người trong quá trình sấy, tốc độ sấy nhanh, đảm
bảo chất lượng nông sản.
- Nhờ việc ứng dụng khoa học kĩ thuật tiên tiến vào sản xuất giúp giải quyết vấn đề
bảo quản nông sản sau khi thu hoạch.
- Đáp ứng được sự ổn định về nhiệt độ trong quá trình sấy, góp phần tiết kiệm điện
năng và bảo vệ môi trường.
- Tỉ lệ hao hụt thấp
3.2- Những mặt hạn chế
- Độ đồng đều của hạt sấy không cao nếu trong quá trình sấy không đảo
- Thiết kế tốn nhiều diện tích
- Khó cơ giới hóa
3.3- Biện pháp khắc phục
- Nên đảo hạt sấy từ 10-20 phút một lận để đảm bảo độ đồng đều của hạt sấy
- Tăng kích thước và quy mô của lò để có thể sấy được nhiều nông sản hơn
- Xây dựng thêm hệ thống đảo chiều gió để giảm chi phí cho lao động.
*Tài Liệu Tham Khảo

1. Giáo trình Đo lường điện và Cảm biến đo lường – NXB Giáo dục Việt Nam.
2.Điện công tử suất – Nguyễn Bính.
3.
4.
5.
20