Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hệ thống khả trình trên chip (PSoC) điều khiển tự động nhiệt độ, độ ẩm trong chế biến bảo quản các loại rau quả, thực phẩm

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI




NGUYỄN THANH NINH




NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG
KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP (PSoC) ðIỀU KHIỂN
TỰ ðỘNG NHIỆT ðỘ, ðỘ ẨM TRONG CHẾ BIẾN
BẢO QUẢN CÁC LOẠI RAU QUẢ, THỰC PHẨM







LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT




HÀ NỘI, 2013

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI



NGUYỄN THANH NINH




NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG
KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP (PSoC) ðIỀU KHIỂN
TỰ ðỘNG NHIỆT ðỘ, ðỘ ẨM TRONG CHẾ BIẾN
BẢO QUẢN CÁC LOẠI RAU QUẢ, THỰC PHẨM






LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : Kỹ thuật ñiện
Mã số : 60.52.02.02
Người hướng dẫn : PGS. TRẦN MẠNH HÙNG

HÀ NỘI, 2013


Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật i

LỜI CAM ðOAN
Tôi xin cam ñoan, Luận văn này ñã ñược thực hiện và hoàn thành trongquá trình
khóa học tập, nghiên cứu của tôi tại Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội và
công tác tại Phòng thí nghiệm Cơ ñiện VILAS019dưới sự hướng dẫn khoa học
của PGS. TS. Trần mạnh Hùng- Trưởng Phòng Thí nghiệm Cơ ñiện VILAS019
thuộc Viện Cơ ñiện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch.
Tôi xin cam ñoan: Luận văn này ñã ñược thực hiện trong thời gian từ 2012 ñến
2013 là ñúng sự thực, không sao chép, công trình chưa ñược công bố.
Hà Nội, ngày tháng năm 2013


Nguyễn Thanh Ninh



Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ii


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến PGS. TS Trần Mạnh Hùng về
sự hướng dẫn tận tình, truyền ñạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm chuyên ngành
quý báu giúp tôi hoàn thành Luận văn. Tôi ñồng thời xin cảm ơn sự chỉ bảo ân
cần, ñóng góp ý kiến nhiệt tình của các Thầy Cô giáo Bộ môn Tự ñộng hóa,
Khoa Cơ ñiện trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội trong suốt quá trình học tập
nghiên cứu và thực hiện, hoàn thiện Luận văn cao học này.

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộphòng thí nghiệm Cơ ñiện VILAS019 -
Viện Cơ ðiện và Công Nghệ Sau Thu Hoạch, ñã giúp ñỡ tạo ñiều kiện thuận lợi
ñể tôi có thểsử dụng trang thiết bị thí nghiệm trong quá trình thực hiện luận văn
thuộc lĩnh vực khá mới mẻ và phức tạp ñược giao.
Do trình ñộ, các yếu tố khách quan và thời gian có hạn, Bản luận văn không
tránh khỏi có những thiếu sót và khiếm khuyết. Tôi rất mong nhận ñược nhiều ý
kiến ñóng góp của các thầy cô giáo và các bạn ñồng nghiệp ñể có thể hoàn thiện
và nâng cao hơn nữa chất lượng của Luận văn và hướng nghiên cứu sau này.

Hà Nội, ngày tháng năm 2013
Học viên



Nguyễn Thanh Ninh

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC

iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU x
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xii
PHẦN MỞ ðẦU 43
1. Tính cấp thiết của luận văn 43

2. Mục tiêu nghiên cứu 44
3. Nhiệm vụ và Nội dung nghiên cứu 44
Chương I - TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP (PSoC) ðIỀU
KHIỂN TỰ ðỘNG CÁC THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH BẢO QUẢN 46
1.1. Khái quát chung 46
1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước 46
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ PSoC 46
1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước 54
1.4. Kết luận 59
Chương II - PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 61
2.1 Phương pháp nghiên cứu và tiếp cận 61

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật iv

2.1.1 Xác ñịnh ñối tượng cần thử nghiệm và trang thiết bị hiện có, thông số kỹ
thuật phần cứng tích hợp và tích hợp hệ thống ño lường 61
2.1.2 ðo lường thử nghiệm/hiệu chuẩn các trang thiết bị ño lường có liên quan 63
2.1.3 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hệ thống khả trình trên Chip (PSoC) tích
hợp hệ thống ño lường ñiều khiển tự ñộng nhiệt ñộ, ñộ ẩm, các thành phần khí
O
2
; CO
2
trong chế biến bảo quản các loại rau quả, thực phẩm 63
2.2 ðánh giá chất lượng 64
2.3 Phương tiện nghiên cứu 64
Chương III - CƠ SỞ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHẦN CỨNG, PHẦN MỀM
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ðO LƯỜNG/ðIỀU KHIỂN TRÊN PSoC 67
3.1. Hệ thống lập trình trên chip PSoC (Programable System on Chip) 67

3.2 Phần mềm PSoC designer và ứng dụng 71
3.3 Phần mềm nạp chương trình cho chip PSoC Progammer 12.2.3 73
3.4 Phần mềm thiết kế mạch cứng Altium designer 6.9 73
3.5 Phần mềm lập trình giao diện Visual Basic 6.0 75
CHƯƠNG IV - THIẾT KẾ TÍCH HỢP CẤU TRÚC HỆ THỐNG ðO
LƯỜNG/ ðIỀU KHIỂN TRÊN PSOC 76
4.1 Cấu trúc và ñặc tính kỹ thuật chính của thiết bị 76
4.1.1 ðặc tính kỹ thuật chính 76
4.1.2 Cấu trúc của hệ thống thiết bị 77
4.2 Thiết kế hệ thống thiết bị ño lường giám sát/ñiều khiển ña kênh 78
4.2.1 Khái quát chung 78
4.2.2 Lựa chọn cấu hình hệ thống thiết bị ño ñiều khiển ña kênh PSoC 79

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật v

4.2.2.1 Khối ñiều khiển trung tâm 79
4.2.2.2 Khối hiển thị LCD 80
4.2.2.3 Khối khuếch ñại 47
4.2.2.4 Mạch truyền thông nối tiếp UART của hệ thống ño ña kênh 81
4.2.2.5 Mạch ñếm/thanh ghi 8 bit 81
4.2.2.6 Khối cửa vào nối với các ñầu ño/cảm biến 83
4.2.2.7 Khối cửa ra analog 83
4.2.2.8 Khối chuyển ñổi cửa ra ñiện áp-dòng ñiện 84
4.2.2.9 Mạch in và mạch giao diện 84
4.2.2.10 Sơ ñồ mạch in và hướng dẫn ñấu nối bo mạch thiết bị với các thiết bị
ngoai vi 90
4.3 Thiết kế giao diện và hiển thị dữ liệu ño và ñiều khiển trên PC 92
4.4 Kết quả thử nghiệm hệ thống thiết bị ño và ñiều khiển 92
4.4.1 Hệ thống thiết bị ño và ñiều khiển sau lắp ráp 92
4.4.2 ðo lường thử nghiệm/Hiệu chuẩn hệ thống thiết bị ño lường/ñiều khiển. 92

4.4.2.1 Các thiết bị sử dụng trong quá trình ðo lường thử nghiệm/Hiệu chuẩn 93
4.4.2.2 Kết quả thực hiện 94
4.5 Khả năng ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận văn vào thực tiễn 100
KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO 103
PHỤ LỤC 1:Minh họa chương trình ñiều khiển ño thu gom dữ liệu trên hệ
thống chip PSoC 105
PHỤ LỤC 2:Chứng chỉ hiệu chuẩn Hệ thống PSoC của luận văn 94

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật vi


Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 - Sơ ñồ khối của Sypress PSoC ñiển hình 49
Hình 1.2 - Hệ thống thiết bị CA, quy mô phòng thí nghiệm và Pilot 50
Hình 1.3 - Hệ thống ñiều khiển và giám sát trung tâm 51
Hình 1.4 - Hệ thống ñường ống và cơ cấu chấp hành ñiều khiển khí 51
Hình 1.5 - Mô hình thiết bị thí nghiệm CA ñiều chỉnh khí gián ñoạn thủ công 56
Hình 1.6 – Mô hình thiết bị thí nghiệm CA ña chức năng sử dụng sensor ño
nồng ñộ khí 56
Hình 1.7 - Sơ ñồ nguyên lý của thiết bị thí nghiệm CA ña chức năng 59
Hình 2.1 – Sơ ñồ khối của ñầu ño O2 62
Hình 2.2 - Cảm biến nhiệt ẩm SHT7x 62
Hình 2.3 - ðầu ño khí CO2 IR-700-CO2 và khí O2 DM-700-O2 của Detcon/USA 62
Hình 2.4 - Một số loại dụng cụ ño và sensor dạng số hóa với tín hiệu cửa ra:
(4÷20)mA: 63

Hình 2.5 - Bộ Kit phát triển CY8C Kit 001A 65
Hình 2.6 - Minh họa kết nối bộ nạp MiniProgr3 với Kit phát triển CY8C Kit 001A66
Hình 3.1 - Sơ ñồ cấu trúc chung của PSoC 68
Hình 3.2 - Các chíp PSoC với số chân khác nhau 69
Hình 3.3 - Các khối chức năng tương tự 69
Hình 3.4 - Các khối chức năng số 70
Hình 3.5 - Giao diện phần mềm PSoC designer 71

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật viii

Hình 3.6 - Giao diện chương trình PSoC designer 71
Hình 3.7 - Giao diện tạo một chương trình mới 71
Hình 3.8 - Giao diện lựa chọn chíp cho bài toán lập trình 72
Hình 3.9 - Các khối giao ñiện lập trình với PSoC Designer 5.0 pack 6 72
Hình 3.10 - Giao diện thiết lập các thuộc tính cho mỗi modun chức năng 72
Hình 3.11 - Giao diện thiết lập cổng và modun chức năng 72
Hình 3.12 - Giao diện dịch và build chương trình 73
Hình 3.13 - Giao diện chương trình PSoC Progammer 12.2.3 73
Hình 3.14 - Giao diện chương trình Altium designer 6.9 73
Hình 3.15 - Giao diện thiết kế mạch nguyên lý 74
Hình 3.16 - Giao diện thiết kế mạch in 74
Hình 3.17 - Giao diện tạo thư viện chân linh kiện schematic và PCB 74
Hình 3.18 - Giao diện phần mềm lập trình giao diện Visual Basic 6.0 75
Hình 4.1 - Sơ ñồ khối của thiết bị ño và ñiều khiển ña kênh 79
Hình 4.2 - Khối ñiều khiển trung tâm PSoC CY8C29566 79
Hình 4.3 - Sơ ñồ khối IC LCD bên ngoài HD44/780A của hãng Hitachi 80
Hình 4.4 - Sơ ñồ khối bộ khuếch ñại khả trình PGA (Programable Gate Array)80
Hình 4.5 - Sơ ñồ nguyên lý bộ truyền thông (UART) 81
Hình 4.6 - Mạch chuyển ñổi UART-USB 81
Hình 4.7 - Sơ ñồ khối của vi xử lý trung tâm PSoC CY8C29566 82

Hình 4.8 - Sơ ñồ sensor ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm SHT75 83
Hình 4.9 - Sơ ñồ của mạch thu thập 6 tín hiệu analog 83

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ix

Hình 4.10 - Sơ ñồ của mạch 8 tín hiệu ra analog 84
Hình 4.11 - Sơ ñồ mạch ñiện 2 cửa ra dạng dòng ñiện thống nhất hóa 84
Hình 4.12 - Bố trí các linh kiện, cửa vào/ra trên bo mach in của hệ thống 85
Hình 4.13 - Minh họa vị trí các Jumps vào ra trên bo mạch thiết bị 89
Hình 4.14 - Sơ ñồ nối tải với thiết bị ño ña kênh 8 cửa ra 90
Hình 4.15 - Sơ ñồ nối sensor với thiết bị ño ña kênh qua 6 cửa vào analog 90
Hình 4.16 - Sơ ñồ minh họa mặt trên mạch in của thiết bị 91
Hình 4.17 - Sơ ñồ minh họa mặt dưới mạch in của thiết bị 91
Hình 4.18 - Giao diện và hiển thị dữ liệu ño/ñiều khiển trên PC 92
Hình 4.19 - Bố trí bo mạch thiết bị ño trong hộp bảo vệ 92


Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật x


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 - ðiều kiện tối ưu bảo quản CA cho giống táo Golden Delicious ñược
trồng ở những nước khác nhau trên thế giới 51
Bảng 1.2 - ðiều kiện tối ưu bảo quản CA của một vài giống táo và lê ở Anh 52
Bảng 1.3 - ðiều kiện tối ưu bảo quản CA cho các loại rau quả ở Châu Âu 53
Bảng 1.4 - ðiều kiện và kết quả bảo quản CA ñối với mận, vải thiều và cam 55
Bảng 2.1 - Trang thiết bị sử dụng trong nghiên cứu triển khai 64
Bảng 4.1 - Thông số kỹ thuật chính của hệ thống thiết bị ño ñiều khiển ña kênh 78
Bảng 4.2 - Ký hiệu và chỉ dẫn các ổ nối vào ra (Jumps) trên bo mạc h Từ 86

Bảng 4.3 - Bảng mô tả chi tiết 86
Bảng 4.4 - Các trang thiết bị dùng trong quá trình thử nghiệm 94
Bảng 4.5 - Kết quả ño nhiệt ñộ trên kênh 1 95
Bảng 4.6 - Kết quả ño nhiệt ñộ trên kênh 2 95
Bảng 4.7 - Kết quả ño nhiệt ñộ trên kênh 3 96
Bảng 4.8 - Kết quả ño nhiệt ñộ trên kênh 4 96
Bảng 4.9 - Kết quả ño ñộ ẩm trên kênh 1 97
Bảng 4.10 - Kết quả ño ñộ ẩm trên kênh 2 97
Bảng 4.11 - Kết quả ño ñộ ẩm trên kênh 3 97
Bảng 4.12 - Kết quả ño ñộ ẩm trên kênh 4 98
Bảng 4.14 - Kết quả ño ñiện áp 1 chiều trên khối cửa vào (V-CH1) 99
Bảng 4.15 - Kết quả ño tần số trên khối cửa vào (FHz-CH8) 99

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật xi


Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật xii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
A/D Analog/Digital Khâu chuyển ñổi tương tự - số
API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng
ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển ñổi tương tự - số
CA Controlled Atmosphere ðiều chỉnh/kiểm soát khí
C
2
H
4
Ethylene Khí Etilen

CO
2
Cacbon Dioxide Khí cacbonic
CPU Central Processing Unit Bộ vi xử lý trung tâm
DAC Digital Analog Converter Bộ chuyển ñổi số - tương tự
EEPROM

Electrically Erasable
Programmable Read-Only
Memory
Chíp nhớ chức năng ñọc có thể
lập trình lại
D/A Digital/Analog Khâu chuyển ñổi số - tương tự
HD Hard Drive Ổ cứng
I2C Inter – Itergrated Circuit Chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây
INSAMP Instrumentation Amplifier Bộ khuyếch ñại vi sai
ISSP In System Serial Programming Chuẩn nối tiếp
IrDA Infrared Data Association Giao tiếp dữ liệu hồng ngoại
LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng
LED Light Emitting Diode ði ốt phát quang
N
2
Nitrogen Khí nitơ
O2 Oxygen Khí oxy
PPL Phase_Locked Loop Vòng ñiều khiển pha khép kín
PSoC Programmable System on Chip Hệ thống khả trình trên chip
PWM Pulse Width Modulation
Phương pháp ñiều chế ñộ rộng
xung
RAM Random Access Memory Bộ nhớ ñệm

SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh
SPI Society of the Plastics Industry Truyền thông nối tiếp ñồng bộ
UART
Universal Asynchronous
Receiver/Transmitter
Bộ truyền/nhận dữ liệu không
ñồng bộ
USB Universal Serial Bus
Chuẩn kết nối tuần tự ña dụng
trong máy tính

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật xiii



Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 43

PHẦN MỞ ðẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt ñới, gió mùa có ñiều kiện thổ nhưỡng thuận
lợi gieo trồng canh tácnhiều loại rau, hoa quả có giá trị kinh tế cao. Theo chương
trình quốc gia về sản xuất và xuất khẩu rau, hoa quả tươi - 2012 cả nước có trên
680 nghìn ha trồng cây ăn quả sản lượng ñạt trên 6,5 triệu tấn, với trên 765
nghìn ha trồng rau và hoa các loại sản lượng 9640,3 ngàn tấn. Tổn thất sau thu
hoạch ñối với sản phẩm rau, hoa, quả ở Việt Nam còn khá lớn, do vậy lựa chọn
công nghệ bảo quản, ứng dụng ño lường, ñiều khiển tối ưu quá trình bảo quản
phù hợp với mỗi loại sản phẩm vẫn là việc làm cần thiết, có ý nghĩa khoa học và
thực tiễn.
Hiện nay, các hệ thống thiết bị gia công chế biến và bảo quản rau quả, lương
thực thực phẩm trong sản xuất có nguồn gốc rất khác nhau, ñược nhập ngoại

ñồng bộ từ nước ngoài và chế tạo trong nước có hệ thống ño lường ñiều khiển
giám sát nhiệt ñộ ñộ ẩm ñồng bộ ñược chế tạo chủ yếu ñược nhập từ nước ngoài,
giá cả khác nhau tùy theo chất lượng và thương hiệu… hoặc không ñược trang
bị các thiết bị ñiều khiển tự ñộng (khá phổ biến là các thiết bị chỉ báo và ñiều
khiển bằng tay). Các thiết bị này chủ yếu ñược thiết kế chế tạo cho mục ñích sử
chuyên dụng (các tham số, cấu hình v.v. ñược ñịnh sẵn và lắp ñặt trong hệ thống
ño lường thử nghiệm không thể thay ñổi hay cải tiến khi cần nâng cấp sửa chữa,
thay ñổi các thông số công nghệ… Làm chủ ñược công nghệ thiết kế, với trang
thiết bị linh kiện nhập ngoại của các Hãng nổi tiếng thế giới mà vẫn tạo ñược
sản phẩm có tính ñặc thù của Việt Nam.
Phục vụ nghiên cứu triển khai và quản lý chất lượng, ñáp ứng nhu cầu ngày càng
cao về chất lượng sản phẩm rau quả, thực phẩm và nông sản hướng tới xuất
khẩu quy mô công nghiệp, ñòi hỏi phải tìm kiếm các giải pháp, trong ñó phát
triển ứng dụng công nghệ PSoC(Programmable System on Chip) có cấu hình
linh hoạt của các hãng hàng ñầu, tiếp thu các thành tựu khoa học công nghệ tiên
tiến, tích hợp hệ thống thiết bị ño lường ñiều khiển quá trình bảo quản chế biến

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 44

rau quả, nông sản là hướng ñi ñúng, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác sử
dụng các trang thiết bị hiện có và tăng cường năng lực nghiên cứu triển khai
trong nước là việc làm bức thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn hiện tại trước
mắt và trong tương lai.
Nghiên cứu lựa chọn giải pháp phần mềm, phần cứng (modul mở rộng) xây
dựng cấu trúchệ thống ño lường ñiều khiển ñiển hình các thông số nhiệt ñộ, ñộ
ẩm, các khí thành phần (O
2
, CO
2…
) trong bảo quản theo hướng ñối tượng dựa

trên nền công nghệ PSoC. Xây dựng hệ thống ñiều khiển thành phần không khí
CA (Controlled Atmosphere) v.v. tạo tiền ñề ứng dụng trong hệ thống ñiều khiển
tự ñộng mô hình bảo quản rau quả, thực phẩm nông sản vào sản xuất.
ðể ñáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm rau quả, thực phẩm
và nông sản, ñòi hỏi phải tìm kiếm các giải pháp, trong ñó “Nghiên cứu ứng
dụng công nghệ hệ thống khả trình trên chip (PSoC) ñiều khiển tự ñộng nhiệt
ñộ, ñộ ẩm v.v. trong chế biến bảo quản các loại rau quả, thực phẩm”là hướng
ñi ñúng, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng các trang thiết bị và tăng
cường năng lực nghiên cứu triển khai trong nước là việc làm bức thiết, có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn hiện nay.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Có ñược giải pháp kỹ thuật công nghệ, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống ño
ñộ ẩm, nhiệt ñộ, thành phần không khí trong môi trường bảo quản theo hướng
CA, sử dụng công nghệ PSoC, ñáp ứng phù hợp các nhu cầu ño lường ñiều
khiển tự ñộng ứng dụng trong các hệ thống thiết bị bảo quản chế biến nông sản
3. Nhiệm vụ và Nội dung nghiên cứu
ðể ñạt ñược mục tiêu của luận văn, cần thiết phải thực hiện tiếp các nội
dung sau:
1- Mở rộng tổng quan tình hình nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ
PSoC trong lĩnh vực ño lường ñiều khiển, lập trình nhúng các thuật toán ứng
dụng, tích hợp mạch ño lường ñiều khiển có cấu trúc linh hoạt trong và ngoài
nước, hình thành mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn theo hướng CA
trong các dây chuyền sản xuất bảo quản chế biến nông sản thực phẩm;

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 45

2- Nghiên cứu lựa chọn giải pháp phần mềm, phần cứng (modul mở rộng) xây
dựng cấu trúc hệ thống ño lường ñiều khiển ñiển hình dựa trên các trang thiết bị
và ñiều kiện hiện có, phù hợp với ñối tượng nghiên cứu ứng dụng trong bảo
quản “ñiều khiển thành phần không khí (CA)” v.v.;

3- Lựa chọn (nếu có thể: mua sắm một số) các phần tử chính: vi mạch (PSoC và
các linh phụ kiện, phần tử ngoại vi…), cảm biến/ñầu ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm, thành
phần không khí trong bảo quản chế biến v.v. Thiết kế chế tạo, lắp ráp mạch ño
lường nhiệt ñộ/ñộ ẩm, các thông số liên quan (thành phần không khí, lưu lượng
gió v.v.), hiệu chuẩn thiết bị ño phục vụñề tài luận văn;
4- Lập trình và tích hợp mô hình hệ thống (công nghệ PSoC) ño lường ñiều
khiển các thông số nhiệt ñộ, ñộ ẩm, thành phần khí O
2
, CO
2
, N
2
… và các
thông số liên quan. Phát triển ứng dụng trong hệ thống ñiều khiển tự ñộng
môi trường bảo quản sản xuất, trong dây chuyền chế biến bảo quản rau quả,
thực phẩm nông sản;
5- Thử nghiệm mô hình hệ thống (PSoC) ño lường ñiều khiển các thông số nhiệt
ñộ ñộ ẩm, thành phần không khí trong ñiều kiện phòng thí nghiệm;
6- Xử lý kết quả, viết Báo cáo khoa học và nghiệm thu luận văn.




Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 46

Chương I - TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG
DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG KHẢ TRÌNH TRÊN CHIP
(PSoC) ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG CÁC THÔNG SỐ
QUÁ TRÌNHBẢO QUẢN

1.1. Khái quát chung
Trong sản xuất gia công chế biến và bảo quản các sản phẩm nông nghiệp, ñòi
hỏi phải kiểm soát các thông số nhiệt ñộ, ñộ ẩm v.v. và thành phần không khí
bảo quản của quá trình/hệ thống trong giới hạn và ñộ chính xác xác ñịnh…
Trong các quá trình bảo quản, chế biến và sấy các loại hạt giống, sản phẩm rau
quả, gia vị thực phẩm v.v. nói chung chỉ có thể kéo dài thời gian và duy trì chất
lượng bảo quản khi kiểm soát ñược các yêu cầu về ñộ ẩm và nhiệt ñộ và nồng ñộ
các thành phần khítrong phạm vi thích hợp. Tương tự, môi trường trong các
phòng thí nghiệm ñặc thù, các khu nhà trồng hoa, cây cảnh hay sản xuất rau
sạch… cùng với các yếu tố khác như bón phân, ñiều tiết ánh sáng, không khí
v.v. nhiệt ñộ và ñộ ẩm cũng cần phải ñược giám sát, ñể ñiều chỉnh tạo môi
trường phù hợp với từng loại ñối tượng cây trồng trong quá trình sản xuất
Do các hệ thống thiết bị gia công chế biến và bảo quản rau quả, lương thực thực
phẩm trong sản xuất có nguồn gốc rất khác nhau, ñược nhập ngoại ñồng bộ từ
nước ngoài và chế tạo trong nước ñược trang bị các hệ thống ño lường ñiều
khiển giám sát các thông số quá trình như: nhiệt ñộ, ñộ ẩm v.v chế tạo trong
nước hoặc nhập ngọai, giá cả khác nhau theo chất lượng và thương hiệu, hoặc
không ñược trang bị các thiết bị ñiều khiển tự ñộng (chỉ có các thiết bị chỉ báo
và ñiều khiển bằng tay). Các tham số, cấu hình v.v. thường ñược ñịnh sẵn và lắp
ñặt trong hệ thống ño lường thử nghiệm không thể hoặc khó thay ñổi cải tiến khi
cần nâng cấp sửa chữa, chỉnh sửa các thông số công nghệ…
1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ PSoC
Từ những năn 1980, hệ thống lập trình trên Chip (PSoC) ñã ñược quan tâm
nghiên cứu phát triển và và ngày càng ñược ứng dụng rộng rãi trên thế giới như
các bộ ñiều khiển logic khả trình linh hoạt (có thể cấu trúc lại theo người thiết

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 47

kế). Các ứng dụng ña dạng ngày càng nhiều, là công cụ mạnh trong nghiên cứu

triển khai, ñiều khiển giám sát các hệ thống thiết bị dây chuyền bảo quản chế
biến trong thực tiễn [
HYPERLINK \l "WBo09"
1

,
HYPERLINK \l "ARo05"
2

].
Ở các nước tiên tiến, việc sử dụng PSoC ñã ñược các hãng có tên tuổi sử dụng
khá hiệu quả, các ứng dụng ña dạng ngày càng nhiều và là công cụ mạnh trong
nghiên cứu triển khai và ño lường ñiều khiển, giám sát các hệ thống thiết bị dây
chuyền sản xuất, bảo quản chế biến.
Từ những năm 1982, hãng “Cypress Semiconductor” là một trong các công ty ñi
ñầu trong lĩnh vực công nghệ ñiện tử, bán dẫn. Từ những năm 1986, “Cypress
Semiconductor” ñã thương mại hóa các sản phẩm như các các họ “Cypress
PSoC
TM
” có tính năng kỹ thuật ngày càng ñược hoàn thiện, cho phép thực hiện
các bài toán ño lường ñiều khiển và giám sát các thông số khác nhau khi PSoC
ñược tích hợp các mạch cảm biến ño lường tương thích (nhiệt ñộ, ñộ ẩm, nồng
ñộ khí CO
2,
O
2
…) và các thiết bị thừa hành thích hợp theo các yêu cầu ñặc thù.
Sản phẩm và công nghệ PSoC của hãng “Cypress” ñã ñược ứng dụng vào rất
nhiều các lĩnh vực âm thanh, hàng không vũ trụ và quốc phòng, ô tô, ñiện dân
dụng, tự ñộng hóa, trong các ngành công nghiệp, trang thiết bị, ánh sáng, y tế và

công nghệ thông tin… Hiện hãng ñang sở hữu trên 750 phát minh về các lĩnh
vực liên quan và các nhà máy sản xuất thiết kế các sản phẩm của hãng có mặt ở
nhiều nước trên thế giới[
HYPERLINK \l "ARo05"
2

] .
PSoC giới thiệu một khái niệm mới mẻ cho các ứng dụng vi ñiều khiển. So với
các vi ñiều khiển 8- bít tiêu chuẩn, các chip PSoC có thêm các khối tương tự và
số lập trình có khả năng lập trình ñược, cho phép việc thiết lập một số lượng lớn
các ngoại vi ñể mở rộng tính năng và nâng cao chất lượng hệ thống CITATION
ARo05 \l 1033 \m Cyp08 [
HYPERLINK \l "ARo05"
2

,
HYPERLINK \l "Cyp08"
3

] .
Các khối số chứa một số các khối số nhỏ hơn có khả năng lập trình ñược có thể
ñược cấu hình cho các ứng dụng khác nhau. Các khối analog ñược sử dụng cho
việc phát triển các thành phần analog như các bộ lọc tương tự, các bộ so sánh,
các bộ chuyển ñổi A/D-D/A…

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 48

Hiện nay, hãng Sypress cung cấp ba dòng họ PSoC khác nhau (PSoC 1, PSoC 2,
PSoC 3, 4 và PSoC 5 v.v.) cho phép lựa chọn, sử dụng linh hoạt và hiệu quả các
chip PSoC phù hợp với ứng dụng cụ thể tùy thuộc vào mức ñộ yêu cầu của bài

toán ño lường ñiều khiển khác nhau. Sự khác biệt giữa các họ PSoC là số lượng
và ñộ phân giải của các khối A/D có thể lập trình ñược, số lượng các hàm chức
năng, số cửa và loại hình tín hiệu vào/ra. Các họ vi ñiều khiển PSoC có thể có từ
4 ñến 16 khối số và từ 3 ñến 12 khối tương tự và nhiều hơn có khả năng lập
trình ñược CITATION Cyp08 \l 1033 \m htt [
HYPERLINK \l "Cyp08"
3

,

HYPERLINK \l "htt"
4

] .
Một trong các ưu ñiểm nổi trội của PSoC là cho phép gài ñặt thuật toán/cấu hình
ñiều khiển hệ thống theo yêu cầu của người thiết kế, và dễ dàng thay ñổi chúng
theo sự thay ñổi/phát triển của công nghệ chế biến, bảo quản rau quả nông sản
v.v. khi cần thiết, mà ñối với các hệ thống thiết bị chuyên dụng truyền thống
ñồng bộ, thông thường không thể thực hiện ñược việc cải tiến nâng cấp. ðó là vì
ở ñiều kiện nhất ñịnh, người thiết kế có thể can thiệp vào thuật toán ñiều khiển
Chip vi xử lý (Microproccessor) của PSoC. Như một máy ñiện toán, PSoC có
cấu trúc cơ bản cho trong Hình-1.1 CITATION ARo05 \l 1033 \m htt [

HYPERLINK \l "ARo05"
2

,
HYPERLINK \l "htt"
4

] .
Các khối chính như mạch dao ñộng, các bộ ñệm cửa vào/ra (I/O analog và số),
trong ñó các thành phần chính bao gồm:
- Bộ vi xử lý trung tâm (CPU) có chức năng ñọc/ghi và sao chép dữ liệu, thực
hiện các phép tính logic và phép tính số, và các phép tính phức tạp khác…
- Bộ nhớ Cache là bộ phận nằm gần hoặc ñược cấy bên trong và quyết ñịnh tốc
ñộ hoạt ñộng của CPU.
- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM (Random Access Memory) là bộ nhớ ñệm
cần thiết chứa các thông tin/dữ liệu tác nghiệm cho hoạt ñộng của CPU(Central
Processing Unit), cũng có ảnh hưởng lớn ñến tốc ñộ tính toán/xử lý số liệu của
PSoC.
- Ổ cứng HD (Hard Drive) là phần tử chứa các chương trình/dữ liệu không bị
xóa trong hệ thống. Có vai trò quyết ñịnh tốc ñộ hoạt ñộng của hệ thống.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 49


Hình 1.1- Sơ ñồ khối của Sypress PSoC ñiển hình
Nhờ sự trợ giúp của các công cụ/chương trình do hãng cung cấp, người thiết kế
có thể can thiệp vào thuật toán và cấu hình ñiều khiển của PSoC. Có thể chọn
cấu hình mạch ngoại vi phù hợp với các ứng dụng ño lường ñiều khiển cụ thể…
theo nhu cầu phát triển hệ thống.
Một trong các ñiểm mạnh, quan trọng cho mục ñích ño lường ñiều khiển của
PSoC là khả năng tăng cường các cổng vào/ra Analog và số ở các PSoC cỡ
trung và lớn, cho phép cấu trúc lại thời gian thực của các khối analog và số ñể có
thể thực hiện các chức năng ñiều khiển và thích nghi tốt hơn với môi trường
ñiều khiển CITATION WBo09 \l 1033 \m ARo05 \m Wil06 [
HYPERLINK \l
"WBo09"
1

,
HYPERLINK \l "ARo05"
2

,
HYPERLINK \l "Wil06"
5

] .
Sử dụng PSoC cho phép khai thác thiết kế mới và cải tạo nâng cấp các hệ thống
dây chuyền chế biến bảo quản rau quả, nông sản thực phẩm v.v. một cách hiệu
quả các trang thiết bị sẵn có, ño lường ñiều khiển, giám sát tình trạng hoạt ñộng
ñồng bộ của hệ thống nâng cao chất lượng sản phẩm, dễ dàng cấu trúc lại khi
cần thiết, tiết kiệm chi phí và công sức, ñặc biệt phù hợp cho công tác nghiên
cứu triển khai và thiết ñể ñạt ñộ chính xác và tin cậy cao cần thiết.
Ngày nay với trình ñộ phát triển về Khoa học và Công nghệ (KH & CN)ñặc biệt
về lĩnh vực kỹ thuật số, những kỹ thuật về ñiều khiển và tự ñộng hoá quá trình
ñã trở nên dễ dàng hơn mà ñạt ñược ñộ tin cậy và hiệu quả cao hơn so với những
kỹ thuật cơ nhiệt trước ñây. Nhiều sản phẩm về thiết bị CA ñã ñược ñưa ra thị
trường và ứng dụng rộng rãi với những tính năng hiện ñại của những Hãng nổi
tiếng trên thế giới. Nguyên tắc chung của hệ thống ñiều khiển và giám sát trên
cơ bản cùng nguyên lý kỹ thuật số, ñiểm khác biệt của các sản phẩm này là giải
pháp công nghệ và hệ thống cơ cấu chấp hành ñiều chỉnh. ðây cũng là bí quyết
công nghệ có giá trị « mềm » là khá cao trong cấu trúc giá thành của một hệ
thống thiết bị CA có thể ñược thiết lập nhờ công nghệ PSoC.
ðến nay, ở Mỹ và các nước tiên tiếnñã phát triển,thương mại hóa những hệ
thống thiết bị CA quy mô công nghiệp chủ yếu ứng dụng tại các tổng kho lưu

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 50

trữ, conatiner vận chuyển các nông sản thực phẩm có giá trị v.v. với kích thước
quy mô khác nhau.
Tại Anh quốc ñã sử dụng thiết bị bảo quản CA quy mô Pilot 20m
3
có giá thành
tương ñương 2 tỷ VNð (Hình 1.2).
Hệ thống thiết bị bảo quản bằng công nghệ CA hiện ñã ñược ứng dụng khá rộng
rãi ở các nước phát triển với ñối tượng rau, hoa, quả cho mục ñích thương mại.
Năm 2009, Hãng SCS Inc. (Mỹ) giới thiệu sản phẩm mới nhất trong Hình 1.3.
Trong hình 1.3a,b,c và 1.3d là những trang thiết bị phần cứng của hệ thống ñiều
khiển trung tâm như: PLC, có thể ñiều khiển nhiều kho CA ñồng thời nhờ các
modun mở rộng, thiết bị ñộng lực, máy tính, máy in ñồng bộ CITATION htt2
\l 1033 [
HYPERLINK \l "htt2"
6

] .
Các thông số công nghệ chính như nhiệt ñộ, ñộ ẩm, nồng ñộ O
2
, CO
2,
N
2
tuỳ
thuộc yêu cầu công nghệ bảo quản với ñối tượng sản phẩm cụ thể ñược nhập dữ
liệu vào phần mềm ñiều khiển ñã ñược lập trình sẵn.

Hình 1.2 -Hệ thống thiết bị CA, quy mô phòng thí nghiệm và Pilot

a) b)

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 51


c) d)
Hình 1.3 - Hệ thống ñiều khiển và giám sát trung tâm

Hình 1.4 - Hệ thống ñường ống và cơ cấu chấp hành ñiều khiển khí
Một số sản phẩm rau quả với mục ñích thương mại ñã ñược ứng dụng công nghệ
bảo quản bằng CA. Chế ñộ bảo quản CA phụ thuộc vào chủng loại giống, ñiều
kiện thổ nhưỡng và khí hậu ở từng khu vực, mùa vụ và thời ñiểm thu hái. Thống
kê kết quả nghiên cứu (Bảng 1.1) về chế ñộ tối ưu bảo quản bằng CA cho giống
táo Golden Delicious ñược trồng ở nhiều nước khác nhau trên thế giới
CITATION AKT96 \l 1033 [
HYPERLINK \l "AKT96"
7

] .
Bảng 1.1 -ðiều kiện tối ưu bảo quản CA cho giống táo Golden Delicious ñược

trồng ởnhững nước khác nhau trên thế giới
Xuất xứ Nồng ñộ O
2
(%)

Nồng ñộ CO
2
(%)
Nhiệt ñộ bảo
quản(
o
C)
Úc 1,5 1,0 0,0
Bỉ 2,0 2,0 0,5
Brazil 1,5 ÷ 2,5 3,0 ÷ 4,5 1,0÷ 1,5

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 52

Canada (Ontario) 2,5 2,5 0,0
Trung Quốc 2,0 ÷ 4,0 4,0 ÷ 8,0 5,0
Pháp 1,0 ÷ 1,5 2,0 ÷ 3,0 0,0÷ 2,0
ðức(Westphalia) 1,0 ÷ 2,0 3,0 ÷ 5,0 1,0÷ 2,0
Hà Lan 1,2 4,0 1,0
Israel 1,0 ÷ 1,5 2,0 -0,5
Slovenia 1,0 3,0 0,0
Nam Mỹ 1,5 1,5 -0,5
Tây Ban Nha 3,0 2,0 ÷ 4,0 0,5
Mỹ (New York) 1,5 2,0 ÷ 3,0 0,0
Mỹ (Washington) 1,0 ÷ 1,5 <3,0 1,0
Mỹ (Penn) 1,3÷2,3 0,0÷ 0,3 -0,5÷ 0,5

Mỗi nước và các tổ chức tư vấn thường ban bố ñưa ra danh sách riêng về chế ñộ
bảo quản bằng CA cho mục ñích thương mại (Bảng1.2) là kết quả cho một vài
giống táo, lê của Anh ñã ñược nghiên cứu và công bố bởi (East Malling). Với
chế ñộ bảo quản này còn ñược sử dụng cho bảo quản trên tàu chở hàng
container.
Bảng 1.2-ðiều kiện tối ưu bảo quản CA của một vài giống táo và lê ở Anh.
Chủng loại giống
Nồng ñộ O
2
(%)
Nồng ñộ CO
2
(%)
Nhiệt ñộ(
o
C)
Thời gian bảo
quản(tuần)
Bramley’s Seedling
10 ÷ 13
2
1
8 ÷ 10
6
5
4 ÷ 4,5
4 ÷ 4,5
4 ÷ 4,5
39
40

44
Cox’s Orange pippin

3
2
1,25
1
5
<1
<1
<1
3,5 ÷ 4
3,5 ÷ 4
3,5 ÷ 4
3,5 ÷ 4
20
23
28
30
Fiesta
2
1,25
<1
<1
3,5 ÷ 4
3,5 ÷ 4
27
40
Gala 2 <1 3,5 ÷ 4 23