điều khiển ổn định nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển pi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI

Sinh viên thực hiện
Đoàn Hải Đăng

Cán bộ hướng dẫn
Ks. NGUYỄN VĂN KHANH

MSSV: 1091241
Nguyễn Thành Tâm
MSSV: 1091288
Lớp: Cơ Điện Tử - K35

Cần Thơ, tháng 05 năm 2013


BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
SVTH:

Đoàn Hải Đăng - MSSV: 109241
Nguyễn Thành Tâm - MSSV: 109288

Lớp:

Cơ – Điện tử Khóa 35

GVHD:

Ks. NGUYỄN VĂN KHANH

Tên đề tài:

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

Cán bộ hướng dẫn

Nguyễn Văn Khanh


BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1
SVTH:

Đoàn Hải Đăng - MSSV: 109241
Nguyễn Thành Tâm - MSSV: 109288

Lớp:

Cơ – Điện tử Khóa 35

GVHD:

Ks. NGUYỄN VĂN KHANH

Tên đề tài:

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI

Nhận xét của cán bộ phản biện:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Cán bộ phản biện 1


BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2
SVTH:

Đoàn Hải Đăng - MSSV: 109241
Nguyễn Thành Tâm - MSSV: 109288

Lớp:

Cơ – Điện tử Khóa 35

GVHD:

Ks. NGUYỄN VĂN KHANH

Tên đề tài:

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI

Nhận xét của cán bộ phản biện:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Cán bộ phản biện 2

LỜI CAM ĐOAN
Ngày nay, trong công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, nhiệt độ đóng vai trò rất
quan trọng. Nhiệt độ có thể được dùng để phục vụ cho nhiều nhu cầu khác nhau
trong công nghiệp và đời sống như: nhiệt độ lò sấy, lò ấp. Nên vấn đề điều khiển và
sử dụng nhiệt độ một cách hợp lí rất quan trọng. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài này để
làm luận văn cho mình.
Sau một thời gian thực hiện đề tài, chúng tôi đã hoàn thành được những mục
tiêu và yêu cầu đề ra. Mặc dù đã rất cố gắng, xong chắc chắn không thể tránh khỏi
những thiếu sót do bị hạn chế về kiến thức và thời gian thực hiện. Những nội dung
trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu biết và thành quả của chúng tôi đạt
được dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Văn Khanh.
Chúng tôi xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo
luận văn tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước
nào. Nếu không đúng sự thật, chúng tôi xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường.
Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2013
Nhóm sinh viên thực hiện

Đoàn Hải Đăng

Nguyễn Thành Tâm


LỜI CẢM ƠN
Có lẽ không một ai có thể quên được những mái trường mà mình đã đi qua
trong một thời thơ ấu cho đến lúc trưởng thành và chúng tôi không phải là một
ngoại lệ. Cứ sau mỗi chặng đường đi qua, chúng tôi lại thấy mình lớn hơn, vững
vàng hơn trong kiến thức và năng lực. Chặng đường vừa đi qua là chặng đường cuối
cùng của thời cắp sách đến trường đó là bốn năm dài, đầy cam go và thử thách dưới

mái trường Đại Học Cần Thơ. Nơi đây không chỉ đơn giản cung cấp cho chúng tôi
những kiến thức khoa học kỹ thuật mà quý hơn cả là đã thắp trong chúng tôi ngọn
lửa yêu khoa học và rèn luyện cho chúng tôi một nghị lực vững vàng để làm hành
trang bước vào đời.
Xin cảm ơn những mái trường mà chúng tôi đã đi qua suốt thời niên thiếu.
Chúng tôi xin cảm ơn và sẽ ghi nhớ mãi công ơn của tất cả thầy cô đã dìu dắt chúng
tôi từ những buổi học đầu cho đến ngày hôm nay.
Kính lời cảm ơn đến khoa Công Nghệ cùng các thầy cô của khoa, đã dành nhiều
tình cảm tốt đẹp cho chúng tôi và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng tôi học tốt.
Gởi đến thầy Nguyễn Văn Khanh lời ghi ơn vô vàn, người đã trực tiếp theo sát,
tận tình hướng dẫn chúng tôi trong suốt quá trình làm luận văn.
Bên cạnh đó gia đình còn là nguồn động lực to lớn về tinh thần lẫn vật chất giúp
cho chúng tôi bước đi trên con đường mà chúng tôi đã chọn. Xin chân thành cảm ơn
Cha, Mẹ đã hết sức động viên và giúp đỡ chúng tôi về mọi mặt trong suốt quá trình
làm luận văn.
Xin cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ và những ý kiến đóng góp của các bạn
trong lớp trong suốt quá trình làm đề tài.
Sau cùng là lời cảm ơn chân thành về những ý kiến đóng góp của quí thầy cô và
tất cả bạn đọc.
Cần Thơ, ngày……tháng……năm 2013
Nhóm sinh viên thực hiện


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................1
TỔNG QUAN .........................................................................................................1

1.1

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI.................................................................................1

1.2

LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ .............................................................1

1.2.1

Phương pháp thủ công .........................................................................1

1.2.2

Phương pháp hiện đại ..........................................................................2

1.3

MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI..................................................2

1.3.1

Mục tiêu đề tài .....................................................................................2

1.3.2

Phạm vi để tài ......................................................................................3

1.4

PHƯƠNG HƯỚNG GIẢI QUYẾT ............................................................3

1.5

CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO......................................................................4

CHƯƠNG 2 ............................................................................................................5
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................................5
2.1

TRUYỀN ĐỘNG XÍCH.............................................................................5

2.2

MẠCH ĐIỀU KHIỂN ................................................................................9

2.2.1

Vi điều khiển (MCUs) TMS320F28027...............................................9

2.2.1

C2000TM PiccoloTM LaunchPad Evaluation Kit..................................11

2.2.2

Vi điều khiển PIC16F887 ..................................................................15

2.2.3

Lập trình và giao tiếp với vi điều khiển..............................................17

2.3

BỘ ĐIỀU KHIỂN PID .............................................................................20

2.3.1

Tổng quan về bộ điều khiển PID.....................................................20

2.3.2

Thành phẩn tỉ lệ P...........................................................................20

2.3.3

Thành phẩn tích phân I ...................................................................22

2.3.4

Thành phẩn vi phân D ....................................................................24

2.3.5

Các bộ điều khiển tích hợp ............................................................. 26

2.3.6

Các phương pháp xác định tham số cho bộ điều khiển PID.............28

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

i

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ
2.4

Luận Văn Tốt Nghiệp

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ ...........................................................................33

2.3.1

Lịch sử phát triển:..............................................................................33

2.3.2

Phân loại cảm biến.............................................................................35

2.3.3

Cảm biến nhiệt độ RTD PT100:.........................................................38

2.5

ANALOG TO DIGITAL CONVERTER (ADC) ......................................40

2.5.1

Giới thiệu...........................................................................................40

2.5.2

Những khái niện cơ bản về chuyển đổi ..............................................40

2.5.3

Mối quan hệ giữa A & D ...................................................................41

2.5.4

Lấy mẫu và lượng tử hóa ...................................................................42

2.5.5

Độ phân giải và Bitrate ......................................................................44

2.5.6

Các phương pháp chuyển đổi AD ......................................................46

2.3.3

CHUẨN TRUYỀN THÔNG SPI ..........................................................47

2.3.4

CHUẨN TRUYỀN THÔNG NỐI TIẾP KHÔNG ĐỒNG BỘ ..............48

CHƯƠNG 3 ..........................................................................................................51
NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .........................................................51
3.1

PHẦN CƠ KHÍ ........................................................................................51

3.1.1

Thân máy...........................................................................................51

3.1.2

Khung sườn .......................................................................................52

3.1.3

Khay để các vỉ trứng..........................................................................54

3.2

PHẦN MẠCH ĐIỀU KHIỂN...................................................................57

3.2.1

Mạch xác định điểm không điện áp xoay chiều ..................................58

3.2.2

Mạch kích Triac.................................................................................61

3.2.3

Mạch giao tiếp cảm biến nhiệt điện trở RTD PT100 ..........................64

3.2.4

Mạch điều khiển đảo chiều động cơ ...................................................69

3.2.5

Mạch điều khiển công suất AC .........................................................71

3.3

PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN .....................................................................73

3.3.1

Chương trình Simulink của hệ thống..................................................73

3.3.2

Điều khiển công suất bằng vi điều khiển PIC16F887 .........................79

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

ii

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ
3.3.3
3.4

Luận Văn Tốt Nghiệp

Giao diện điều khiển:.........................................................................81

Phần thực nghiệm.....................................................................................83

3.4.1

Điều khiển công suất điện xoay chiều ................................................83

3.4.2

Điều khiển nhiệt độ trên mô hình lò ấp trứng..................................85

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

iii

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm

Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1:

Cấu tạo bộ truyền động xích ................................................................5

Hình 2.2:

Bộ truyền động xích.............................................................................6

Hình 2.3:

Hình biểu diễn bộ truyền động xích .....................................................8

Hình 2.4:

Hình thực tế và sơ đồ chân của TMS320F28027................................ 10

Hình 2.5:

Mạch dao động thạch anh của TMS320F28027 .................................11

Hình 2.6:

Hình thực tế của C2000TM PiccoloTM LaunchPad Evaluation Kit .......12

Hình 2.7:

Hình thực tế và sơ đồ chân PIC16F887 ..............................................16

Hình 2.8:

Mạch dao động thạch anh cho PIC16F887 .........................................17

Hình 2.9:

Giao diện lập trình matlab simulink ...................................................18

Hình 2.10:

Thư viện matlab simulink ............................................................... 18

Hình 2.11:

Giao diện chương trình Code Composer Studio.............................. 19

Hình 2.12:

Mô hình tổng quan hệ thống điều khiển PID...................................20

Hình 2.13:

Đồ thị đặc tính của thành phần tỉ lệ (P) ...........................................21

Hình 2.14:

Sơ đồ sai lệch hệ thống trong (P) ....................................................21

Hình 2.15:

Đồ thị đặc tính của thành phần tích phân (I) ...................................23

Hình 2.16:

Sơ đồ sai lệch hệ thống trong (I) .....................................................23

Hình 2.17:

Đồ thị đặc tính của thành phần tỉ lệ vi phân (D).............................. 25

Hình 2.18:

Sơ đồ sai lệch hệ thống (D)............................................................. 25

Hình 2.19:

Đồ thị đặc tính bộ điều khiển PID...................................................27

Hình 2.20:

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển .................................................28

Hình 2.21:

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID ...................................................28

Hình 2.22:

Đồ thị khâu bậc 1 hoặc cao hơn ......................................................29

Hình 2.23:

Đồ thị xấp xỉ về dạng quán tính bậc 1 có trễ ...................................29

Hình 2.24:

Sơ đồ hệ thống thay PID bằng khâu khuyếch đại Kth ......................30

Hình 2.25:

Đồ thị h(t) điều hòa.........................................................................30

Hình 2.26:

Nhiệt kế công tắc thủy ngân............................................................ 35

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

iv

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 2.27:

Cấu tạo cặp nhiệt điện ....................................................................35

Hình 2.28:

Nhiệt điện trở (Thermistor)............................................................. 36

Hình 2.29:

Hình thực tế cảm biến nhiệt độ PT100............................................38

Hình 2.30:

Biển diễn kết quả lấy mẫu của ADC ...............................................43

Hình 2.31:

Sơ đồ nguyên tắc làm việc của ADC...............................................46

Hình 2.32:

Kết nối SPI giữa 1 Matster và 3 Slave ............................................47

Hình 2.33:

Truyền dữ liệu giữa UART với USB ..............................................49

Hình 2.34:

So sánh truyền thông nối tiếp và song song ....................................49

Hình 3.1:

Thanh sắt dùng làm thân máy............................................................ 51

Hình 3.2:

Pass ghép hai thanh đứng với đế máy..................................................1

Hình 3.3:

Thân máy............................................................................................1

Hình 3.4:

Thanh nhôm chữ L 24x14x1 ...............................................................1

Hình 3.5:

Thanh nhôm vuông 19x12x1 (mm) .....................................................1

Hình 3.6:

Khung sườn của máy được lắp với thân máy.......................................1

Hình 3.7:

Thanh sắt vuông 19x9x1 (mm)..........................................................54

Hình 3.8:

Pass chữ L 80x45x1 ............................................................................1

Hình 3.9:

Thanh đỡ vỉ trứng .............................................................................55

Hình 3.10:

Khay để vỉ trứng ................................................................................1

Hình 3.11:

Cấu tạo của máy ấp ............................................................................1

Hình 3.12:

Sơ đồ khối mạch điện.......................................................................57

Hình 3.13:

Sóng hình sin điện áp xoay chiều 220V – 50Hz ............................... 58

Hình 3.14:

Sơ đồ nguyên lý mạch xác định điểm không điện áp xoay chiều ......59

Hình 3.15:

Tín hiệu ở hai đầu diode Zener xem trên oscilloscope ......................60

Hình 3.16:

Tín hiệu tại điểm zero xem trên oscilloscope....................................60

Hình 3.17:

Mạch xác định điểm 0 thi công ........................................................61

Hình 3.18:

Sơ đồ nguyên lý mạch kích Triac .....................................................62

Hình 3.19:

Điện áp đầu ra tại bóng đèn.............................................................. 63

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

v

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 3.20:

Mạch kích Triac thi công .................................................................63

Hình 3.21:

Sơ đồ cấu trúc và cách nối dây của PT100 .......................................64

Hình 3.22:

Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp cảm biến PT100 ............................. 66

Hình 3.23:

Mạch giao tiếp cảm biến PT100 thi công..........................................67

Hình 3.24:

Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H............................................................ 69

Hình 3.25:

Mạch cầu H thi công ........................................................................70

Hình 3.26:

Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển công suất AC............................... 71

Hình 3.27:

Mạch PIC16F887 thi công ............................................................... 72

Hình 3.28:

Chương trình điều khiển...................................................................73

Hình 3.29:

Chương trình đọc nhiệt độ từ ADC ..................................................73

Hình 3.30:

Chương trình chuyển đổi từ tín hiệu số thành điện áp một chiều ......74

Hình 3.31:

Chương trình lấy trung bình mẫu .....................................................74

Hình 3.32:

Chương trình chuyển đổi từ điện áp một chiều thành nhiệt độ ..........75

Hình 3.33:

Chương trình gửi dữ liệu lên máy tính..............................................75

Hình 3.34:

Bộ mã hóa tín hiệu thành chuỗi ASCII .............................................76

Hình 3.35:

Bộ điều khiển PI ..............................................................................76

Hình 3.36:

Khối Enabled SCI Receive............................................................... 77

Hình 3.37:

Khối Enabled PI...............................................................................77

Hình 3.38:

Chương trình gửi dữ liệu xuống PIC16F887 ....................................77

Hình 3.39:

Chương trình điều khiển động cơ .....................................................78

Hình 3.40:

Giao diện khi chưa hoạt động...........................................................81

Hình 3.41:

Giao diện khi chưa nhận dữ liệu.......................................................82

Hình 3.42:

Giao diện khi đang nhận dữ liệu.......................................................82

Hình 3.43:

Dạng sóng sin khi tạo trễ 7500us thu được trên oscilloscope............83

Hình 3.44:

Độ sáng của bóng đèn khi tạo trễ 7500us .........................................83

Hình 3.45:

Dạng song sin khi tạo trễ 2500us thu được trên oscilloscope............84

Hình 3.46:

Độ sáng của bóng đèn khi tạo trễ 2500us .........................................84

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

vi

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp
DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng thông số điện trở và tụ điện ứng với từng giá trị tần số khác nhau 11
Bảng 2.2: Dãy chân phía bên trái Kit .....................................................................13
Bảng 2.3: Dãy chân phía bên phải Kit....................................................................13
Bảng 2.4: Tác động của việc tăng một thông số độc lập.........................................32
Bảng 2.5: Thang đo nhiệt độ..................................................................................34
Bảng 2.6: Bảng giá trị điện trở của PT100 ............................................................ 39
Bảng 3.1: Bảng giá trị các điện trở được sử dụng trong mạch ................................ 65

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

vii

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

ABSTRACT
This final project presents a method to control the temperature using PI controller
(Proportional Integral contronller). A ADC converter (Analog to Digital Converter)
plays a role of reading temperature signal and transmit to PI controller. A PI
controller acts as a main controller to create a signal to control system. Filament
bulb is controlled by a “alternating current phase” technique. Experiments on a real
system indicated that the proposed controller is effective, system responses have

suitable rising and setting times with a little bit of overshoot and allowable steady
state errors. Besides, a graphical user interface has been designed in order to
supervising a system during working.
Keywords: PI controller, RTD PT100, Zero crossing detector, Analog to
Digital Converter
Title: Temperature Control Using PI Controller

TÓM TẮT
Luận văn trình bày một phương pháp điều khiển ổn định nhiệt độ sử dụng bộ điều
khiển PI (Proportional Integral controller). Một bộ chuyển đổi ADC (Anlog to
Digital Converter) có nhiệm vụ đọc tín hiệu nhiệt độ để đưa vào bộ điều khiển PI.
Bộ điều khiển PI giữ vai trò điều khiển chính, tạo tín hiệu điều khiển đối tượng. Đối
tượng điều khiển là nguồn nhiệt (Bóng đèn sợi đốt) được điều khiển bằng phương
pháp điều khiển góc pha điện xoay chiều. Kết quả thực nghiệm trên mô hình cho
thấy bộ điều khiển được đề xuất tỏ ra hiệu quả, đáp ứng của các thiết bị có thời gian
tăng và thời gian xác lập hợp lý, vọt lố không đáng kể và sai số xác lập nằm trong
khoảng cho phép. Ngoài ra, một giao diện được thiết kế để giám sát hệ thống trong
quá trình hoạt động.
Từ khóa: Bộ điều khiển PI, RTD PT100, Xác định điểm không, Chuyển đổi
tương tự - số

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

viii

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng này, năng lượng nhiệt đóng một
vai trò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công
nghệ khác nhau như nung nấu, sấy, ấp… Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng
này một cách hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết. Lò ấp, máy sấy được ứng dụng
rộng rãi trong công nghiệp và đời sống vì đáp ứng được nhiều nhu cầu thực tiễn đặt
ra. Ở mô hình máy ấp thì yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là kiểm soát được nhiệt
độ ở buồng ấp.
Việc kiểm soát nhiệt độ tưởng chừng rất đơn giản như cấp nguồn cho đèn dây
tóc ở các khu công nghiệp chăn nuôi, nhưng vấn đề trên phụ thuộc nhiều vào các
yếu tố như thời tiết, không gian, thời gian…
Với mong muốn là kiểm soát được nhiệt độ ở mức cố định mà không phụ thuộc
vào các yếu tố trên và có thể ứng dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt và công
nghiệp nên chúng tôi quyết định xin đề tài nghiên cứu cho luận văn của mình là
“Điều Khiển Ổn Định Nhiệt Sử Dụng Bộ Điều Khiển PI” thực nghiệm trên mô hình
máy ấp trứng.
1.2

LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Ngày nay, có rất nhiều phương pháp để điều khiển nhiệt độ như: phương pháp
thủ công, và các phương pháp hiện đại.

1.2.1 Phương pháp thủ công
Dùng nhiệt kế thủy ngân: sử dụng nước nóng đun bằng đèn dầu, nước nóng lưu
thông theo ống dẫn trong máy bằng cách đối lưu để cấp nhiệt cho trứng. Nhiệt kế
thủy ngân giống như cái công tắc cửa tủ lạnh, nếu nhấn lên nó thì cắt điện, thả ra thì
có điện, nên khi nhiệt độ lên cao, thủy ngân giãn ra đẩy pít tông thủy tinh chạy lên
chèn vào công tắc, ngắt điện, nguội thì ngược lại. Tuy nhiên do sai số nhiệt độ lớn
và có thể xảy ra sự cố là: khi nhiệt độ lò ấp dao động xung quanh nhiệt độ đặt thì
tiếp điểm thuỷ ngân làm rơ le đóng mở liên tục gây cháy tiếp điểm rơ le, nếu không
đóng mở liên tục thì nhiệt độ dao động quá lớn.
 Ưu điểm: công nghệ thủ công nên dễ chế tạo và sử dụng.
 Nhược điểm: sai số về nhiệt lớn.

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

1

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

1.2.2 Phương pháp hiện đại
Dùng điện trở hoặc đèn dây tóc để gia nhiệt và điều khiển nhiệt độ bằng vi xử
lý.
 Nguyên lý làm việc:
Cảm biến nhiệt độ (Nhiệt điện trở, cặp nhiệt,…) được để ở buồng ấp và gần với
bề mặt trứng. Cảm biến sẽ được nối với vi điều khiển. Khi nhiệt độ thay đổi thì tín

hiệu từ cảm biến truyền về vi điều khiển cũng sẽ thay đổi. Vi điều khiển sẽ nhận tín
hiệu sau đó xử lí tín hiệu và điều khiển công suất bộ phận gia nhiệt (Điện trở hoặc
đèn dây tóc) để có được nhiệt độ ổn định và sai số so với nhiệt độ mong muốn ở
mức cho phép.
 Ưu điểm: đo nhiệt độ từ cảm biến và điều khiển nhiệt độ ổn định, xử lí sai số
với mức thấp nhất có thể. Các máy ấp công nghiệp chủ yếu sử dụng phương
pháp này.
 Nhược điểm: cần kiến thức sâu và rộng về điện tử, đo lường cảm biến, cũng
như vi xử lý và lập trình.
Tóm lại: trong điều khiển nhiệt độ phương pháp thủ công là phương pháp dễ chế
tạo và sử dụng nhưng khả năng điều khiển không cao, sai số nhiệt độ là quá lớn.
Điều khiển nhiệt độ bằng vi điều khiển có khả năng đáp ứng cao hơn, nhiệt độ ổn
định nhưng do quán tính của nhiệt độ rất khó kiểm soát nên thời gian đáp ứng chưa
cao và độ vọt lố còn lớn chưa đáp ứng được các yêu cầu khi hệ thống cần độ chính
xác cao.
Mục tiêu: điều khiển ổn định nhiệt độ với khả năng đáp ứng nhanh, thời gian
tăng và thời gian xác lập hợp lý, vọt lố không đáng kể và sai số xác lập nằm trong
khoảng cho phép.
Vì vậy chúng tôi thực hiện đề tài “Điều Khiển Ổn Định Nhiệt Sử Dụng Bộ Điều
Khiển PI” nhằm mục đích thiết kế được một bộ điều khiển nhiệt độ có khả năng đáp
ứng nhanh, sai số nhỏ và độ ổn định cao.
1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
1.3.1 Mục tiêu đề tài
Thiết kế và thi công được bộ điều khiển ổn định nhiệt độ với phương pháp sử
dụng bộ điều khiển PI sao cho khả năng đáp ứng là nhanh nhất có thể, vọt lố không
đáng kể và sai số xác lập nằm trong khoảng cho phép.

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

2

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

Nắm rõ tính năng và cấu trúc C2000TM Piccolo TM LaunchPad Evaluation Kit.
Giao tiếp và lập trình khảo sát các tính năng cơ bản của C2000 TM Piccolo TM
LaunchPad Evaluation Kit thông qua công cụ Simulink được tích hợp trong phần
mềm Matlab 2012.
Kết nối C2000 TM Piccolo TM LaunchPad Evaluation Kit với máy tính, mạch điều
khiển công suất, mạch giao tiếp với cảm biến nhiệt điện trở RTD PT100, mạch điều
khiển đảo chiều động cơ.
Điều khiển tốt công suất điện xoay chiều.
Lập trình giao diện hướng tới việc giúp người dùng dễ dàng theo dõi cũng như
thiết lập các giá trị cài đặt ban đầu cho bộ điều khiển.
Thiết kế mô hình thực tế và vận hành ổn định.
1.3.2 Phạm vi để tài
-

Đề tài chỉ nghiên cứu trên bộ điều khiển PI.

-

Giới hạn nhiệt độ cài đặt chỉ có thể lên tới 45 độ .

-

Mô hình to, cồng kềnh.

1.4

PHƯƠNG HƯỚNG GIẢI QUYẾT

Bước 1: Tham khảo tài liệu về các bộ điều khiển nhiệt và mô hình lò ấp trứng từ
internet, tham khảo ý kiến của các anh khóa trước đã từng nghiên cứu qua. Tham
khảo các tài liệu C2000TM Piccolo TM LaunchPad Evaluation Kit (Kit), cách giao tiếp
với Kit và đặc biệt là cách lập trình trên Simulink trong phần mềm Matlab 2012.
Bước 2: Đưa ra các hướng giải quyết và chọn hướng giải quyết tối ưu nhất.
Bước 3: Thiết kế bản vẽ cơ khí cho mô hình.
Bước 4: Thiết kế phần khung cơ khí cho lò ấp trứng.
Bước 5: Lắp đặt motor và các quạt tản nhiệt và đèn dây tóc.
Bước 6: Thiết kế các mạch điều khiển công suất AC, mạch giao tiếp với cảm
biến nhiệt điện trở RTD PT100, mạch điều khiển đảo chiều động cơ, mạch nguồn.
Bước 7: Kết nối C2000TM PiccoloTM LaunchPad Evaluation Kit với các mạch
điều khiển công suất AC, mạch giao tiếp với cảm biến nhiệt điện trở RTD PT100,
mạch điều khiển đảo chiều động cơ.
Bước 8: Xây dựng giải thuật và viết chương trình.
Bước 9: Vận hành thử nghiệm và hiệu chỉnh.
GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

3

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm

Khoa Công Nghệ
1.5

Luận Văn Tốt Nghiệp

CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO
Bài báo cáo được trình bày gồm có 3 chương:
- Chương 1: trình bày các thông tin tổng quan như lịch sử giải quyết vấn đề,
mục tiêu, giới hạn đề tài và các phương hướng để giải quyết vấn đề.
- Chương 2: trình bày cơ sở lý thuyết trong đó bao gồm các phần như cơ khí,
mạch điện, phương pháp truyền dữ liệu SPI, SCI, bộ chuyển đổi ADC và bộ
điều khiển PID.
- Chương 3: trình bày nội dung nghiên cứu và kết quả thực ngiệm.

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

4

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

TRUYỀN ĐỘNG XÍCH

Truyền động xích:
 Cấu tạo:

Hình 2.1: Cấu tạo bộ truyền động xích
Cấu tạo chính của bộ truyền động xích (H 2.1) gồm: đĩa dẫn, đĩa bị dẫn, xích.
Ngoài ra, có thể có thêm bộ phận căng xích, bộ phận bôi trơn, hộp che. Có khi
dùng một xích để truyền động từ một đĩa dẫn sang nhiều đĩa bị dẫn.
 Nguyên lý hoạt động:
Xích là một chuỗi các mắt xích nối với nhau bằng bản lề. Xích truyền chuyển
động tải trọng từ trục dẫn sang trục bị dẫn nhờ sự ăn khớp của các mắt xích với
bánh răng trên đĩa xích (ăn khớp gián tiếp).
Trong bộ truyền các trục của bộ truyền xích song song nhau, và có thể có nhiều
bánh xích bị dẫn.
Ngoài ra trong bộ truyền xích có thể có bộ phận căng xích, bộ phận che chắn và
bộ phận bôi trơn.
 Phạm vi sử dụng:
Truyền công suất và chuyển động giữa các trục có khoảng cách xa, cho nhiều
trục đồng thời trong trường hợp n < 500 vòng/phút.
Công suất truyền thông thường N < 100kW
Tỉ số truyền i  6 khi v  2  6m / s
Và i  3 khi v  6  25m / s với hiệu suất   95  97 
Một số hình ảnh về bộ truyền động xích:

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

5

SVTH: Đoàn Hải Đăng

Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 2.2: Bộ truyền động xích
 Ưu điểm:
-

Có thể truyền động giữa hai trục song song cách nhau tương đối xa.

-

Kích thước nhỏ gọn hơn truyền động đai.

-

Không có hiện tượng trượt, tỉ số truyền trung bình ổn định.

-

Hiệu suất cao, có thể đạt 98% nếu được chăm sóc tốt và sử dụng hết khả
năng.

-

Lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ.

-

Có thể cùng một lúc truyền chuyển động từ một trục dẫn đến nhiều trục bị
dẫn.

 Nhược điểm:
-

Có tiếng ồn khi làm việc do va đập khi vào khớp.

-

Hạn chế sử dụng bộ truyền ở tốc độ cao.

-

Cần bôi trơn và chỉnh sức căng xích.

-

Nhanh mòn bản lề nhất là khi bơn trơn không tốt và làm việc ở nơi có
nhiều bụi.

-

Vận tốc tức thời của xích và đĩa bị dẫn không ổn định.

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

6

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

Thông số hình học chủ yếu của bộ truyền xích:
 Bước xích:
Bước xích (t) là thông số chủ yếu của bộ truyền xích. Bước xích càng lớn, khả
năng truyền lực càng tăng nhưng va đập càng nhiều. Do đó khi truyền động với tốc
độ cao thì chọn bước xích nhỏ.
Để tăng khả năng tải có thể tăng số dãy xích (xích ống con lăn) hoặc tăng chiều
rộng xích (xích răng).
Bước xích được tiêu chuẩn hóa, khi tính toán tra theo bảng tiêu chuẩn.
 Số răng đĩa xích
Thông thường Z1 < Z2, nếu sổ răng nhỏ thì xích mau bị mòn (vì góc xoay bản lề
lớn) và tải trọng động cũng như va đập tăng.
Do đó, ta hạn chế số răng nhỏ nhất. Thông thương khi v  2m / s  thì Z min  17 đối
với xích con lăn và xích ống và Z min  19 đối với xích răng, khi v  2m / s  thì
Z min  15  17

Tuy nhiên khi tăng Z1 thì số răng đĩa lớn Z2 cũng tăng lên làm cho xích dễ bị
tuột ra khỏi đĩa xích khi xích bị mòn.
Để tránh trật xích khi đĩa xích mòn, phải hạn chế số răng lớn nhất
Z max  100  120 (răng) đối với xích con lăn và Z max  120  140 (răng) đối với xích
răng.
Số răng đĩa xích nên lấy theo số lẻ vì khi đó mỗi số răng đĩa xích sẽ lần lượt ăn

khớp với tất cả các mắt xích, như vậy răng đĩa xích sẽ mòn đều hơn.
 Khoảng cách trục A
Khoảng các trục (A): khoảng cách giữa hai tâm của hai đĩa xích. Nó ảnh hưởng
tới góc ôm của xích và sự đập của bộ truyền
Khi xác định khoảng cách trục phải căn cứ vào điều kiện góc ôm   120O
Khi i  3 thì Amin 

De1  De 2
 30  50 
2

(mm)

(2.1)

 De1  De 2   9  i 
.

2

  10 

(mm)

(2.2)

Khi i  3 thì Amin  
Trong đó:

De1, De2 đường kính vòng đỉnh răng của đĩa dẫn và đĩa bị dẫn.

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

7

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

Do đó, nên chọn khoảng cách trục A  30  50t
 Xác định chiều dài xích L:
L = t.X

(2.3)

Với X: là số mắt xích.
 Số mắt xích:
Số mắt xích được chọn theo công thức:
2

Z  Z 2 2 A  Z 2  Z1  t
X 1


 .
t

2
 2  A

(2.4)

Phải qui tròn số mắt xích theo số chẵn gần nhất.

Hình 2.3: Hình biểu diễn bộ truyền động xích
Công thức tính các thông số của bộ truyền động xích :
Vận tốc trung bình:
V 

Z .t.n
m / s 
60.105

(2.5)

Tỉ số truyền:
i

n1 Z 2

n2 Z1

(2.6)

Khoảng các trục:
Amin 

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

De1  De 2
.x
2

8

(2.7)

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ
Trong đó:

Luận Văn Tốt Nghiệp

V: vận tốc (m/s)
t: bước xích (mm)
n: số vòng quay (vòng/phút)
Z: số răng
D: đường kính vòng chia
x: độ chùng xích x 

2.2

9i
10

MẠCH ĐIỀU KHIỂN

2.2.1 Vi điều khiển (MCUs) TMS320F28027
 Sơ lược về MCUs TMS320F28027:
MCUs là viết tắt của “Microcontrollers”, có thể nói là một máy tính nhỏ trên
một đơn vị mạch tích hợp có chứa một lõi xử lý, bộ nhớ, lập trình đầu vào/ra với
các thiết bị ngoại vi. Bộ nhớ chương trình theo dạng Nor Flash hoặc OTP Rom
thường tích hợp trên chip, cũng như một phần trên bộ nhớ Ram. Vi điều khiển được
thiết kế cho các ứng dụng nhúng, trái ngược với các bộ vi xử lý được sử dụng trong
các máy tính cá nhân hoặc các ứng dụng khác nói chung.
Vi điều khiển được sử dụng trong các thiết bị và sản phẩm có tính tự động hóa
như: hệ thống điều khiển động cơ xe ô tô, thiết bị cấy ghép trong y học, điều khiển
từ xa, máy văn phòng… Bằng việc giảm kích thước và chi phí so với các thiết kế có
sử dụng bộ vi xử lý riêng biệt, bộ nhớ, và đầu vào/ra của thiết bị làm cho vi điều
khiển có tính kinh tế hơn, kỹ thuật kiểm soát các thiết bị và quy trình tốt hơn.
Kỹ sư Gary Boone và Michael Cochran đã thành công trong việc tạo ra các vi
điều khiển đầu tiên vào năm 1971. Kết quả của công việc trên là vi điều khiển TMS
1000 đã được đưa ra thị trường vào năm 1974. Ngày nay, trên thị trường có rất
nhiều vi điều khiển khác nhau do nhiều hãng khác nhau sản xuất như: Intel,
Microchip, Texas Instrument (TI)… và TMS320F28027 là một trong những vi điều
khiển của hãng Texas Instruments sản xuất nhằm phục vụ cho nhiều mục đích khác
nhau.
 Đặc điểm nổi bật của TMS320F28027:
-

Tần số hoạt động lên đến 60MHZ.

-

Bộ nhớ hoạt động là Flash, OTP, SARam.

-

Chuẩn nối tiếp với thiết bị ngoại vi (SCI, SPI, I2C).

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

9

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

-

Mô đun điều biến độ rộng xung (ePWM).

-

Mô đun chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC).

-

Điều biến độ rộng xung với độ phân giải cao (HRPWM).

-

Tích hợp cảm biến nhiệt độ.

-

Điện áp ngõ vào là 3.3V

 Cấu tạo bên trong và bên ngoài TMS320F28027:

Hình 2.4: Hình thực tế và sơ đồ chân của TMS320F28027
TMS320F28027 có tất cả 22 chân xuất/nhập (GPIO) và không được đánh số
theo thứ tự. Ngoài chức năng xuất nhập thông thường, các port này còn có thể được
cấu hình theo nhiều chức năng khác được tích hợp sẵn bên trong vi điều khiển như
(ePWM, eCAP…).Với hai dải điện áp ứng với hai mức 0 và 1 là:
-

Từ -0.3V đến 0.8V ứng với mức 0

-

Từ 2V đến 3.63V ứng với mức 1

Các chân xuất/nhập (GPIO) chính là phương tiện mà vi điều khiển dùng để
tương tác với thế giới bên ngoài. Sự tương tác này rất đa dạng và thông qua quá
trình tương tác đó, chức năng của vi điều khiển được thể hiện một cách rõ ràng.

GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

10

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm


Khoa Công Nghệ

Luận Văn Tốt Nghiệp

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) của TMS320F28027 có tất cả
16 kênh nhưng chỉ có 14 chân riêng biệt để giao tiếp và đọc tín hiệu tương tự từ thế
giới bên ngoài còn lại 2 kênh ADCSOCB0 và ADCSOCA0 được tích hợp trùng với
chân xuất/nhập GPIO32 và GPIO33.
Các chân chú ý:
-

Chân 45, 46 (X1, X2) dùng để kết nối với thạch anh để tạo dao động
ngoài cho TMS320F28027

Hình 2.5: Mạch dao động thạch anh của TMS320F28027
Tùy theo tần số thạch anh sử dụng, chúng ta có thể chọn giá trị của điện trở và tụ
điện theo bảng 2.1
Bảng 2.1: Bảng thông số điện trở và tụ điện ứng với từng giá trị tần số khác nhau
FREQUENCE (MHz)

Rd (Ω)

CL1 (pF)

CL2 (pF)

5

2200

18

18

10

470

15

15

15

0

15

15

20

0

12

12

-

Các chân 32, 43 là các chân nguồn cung cấp cho TMS320F28027 (3.3V).

-

Các chân 33, 44 là các chân nối mass của TMS320F28027 (0V).

2.2.1 C2000TM PiccoloTM LaunchPad Evaluation Kit
C2000 Piccolo LaunchPad Evaluation Kit được thiết kế cung cấp một nền tảng
với chi phí thấp nhằm giúp mọi người tiếp cận vào thế giới lập trình điều khiển thời
gian thực trên vi điều khiển Piccolo C2000. C2000 Piccolo LaunchPad dựa trên nền
của chip Piccolo TMS320F28027 với các đặt điểm nổi trội như: bộ nhớ flash 64KB,
8 kênh PWM, eCAP, ADC 12 bit, I2C, SPI, UART, ... . Phần cứng của kit được tích
GVHD: Ks.Nguyễn Văn Khanh

11

SVTH: Đoàn Hải Đăng
Nguyễn Thành Tâm