Tìm hiểu phân tích và xây dựng hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò sấy nông sản

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BÀI TẬP LỚN
MÔN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN
GIÁO VIÊN HƯỚNG DÂN : NGUYỄN THU HÀ
HÀ NỘI, Ngày 6-6-2015
Đề tài
Tìm hiểu phân tích và xây dựng hệ thống đo và
điều khiển nhiệt độ lò sấy nông sản dạng hạt
***************
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ.
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN.
2.1- Yêu cầu đề tài .
2.2- Các hướng giải quyết .
2.3- Lý do lựa chọn cho thiết kế .
2.4- Tính chọn thiết bị.
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN.
3.1- Các kết quả đạt được .
3.2- Các hạn chế khi thực hiện .
3.3- Biện pháp khắc phục .
CHƯƠNG 4: BÀI DỊCH TÀI LIỆU CẢM BIẾN.
4.1- Bản tài liệu lí thuyết.
4.2- Bản tài liệu sử dụng cảm biến.
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!
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.
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.
- 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
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
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 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
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.
*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.
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.
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 theo khuôn khi dây
điện trở có kích thước lớn. Sử dụng điện trở đốt nóng công suất lớn tạo
nhiệt để dưa vào lò sấy.
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.
- 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 25ºC - 0.5ºC.
+Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải.
Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55ºC - 150ºC với các mức điện áp
ra khác nhau.
Xét một số mức điện áp sau:
Nhiệt độ -55 ºC điện áp đầu ra -550mV.
Nhiệt độ 25 ºC điện áp đầu ra 250mV.
Nhiệt độ 150 ºC điện 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 0C đến 150 ºC.
-Sai số của LM35:

+Tại 0 ºC thì điện áp của LM35 là 10Mv.
+Tại 150 ºC thì điện áp của LM35 là 1.5V.
Sai số của LM35là : ± 2 ºC.
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 0 ºC 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 ºC – 200 ºC. Trong thực tế người ta chế tạo và
sử dụng dạng chuẩn PT100 dải nhiệt độ từ 0 ºC – 100 ºC.
-Sai số của PT100 là: ± 1 ºC.
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 ºC tới 150 ºC.
Điện áp hoạt động: 4-30 VDC.
Dòng điện ra tỉ lệ: 1μA.
Sai số của AD 590 là: ±0.5 ºC
*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
Chúng ta sẽ ứng dụng vi sử lí để điều khiển nhiệt độ cụ thể ở mạch
điều khiển này ta dùng 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:
+ 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 .
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
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 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
- 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 15m3 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.