Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển và máy tính trong điều khiển và giám sát nhiệt độ sấy

mở đầu
1. Đặt vấn đề:
Trong những năm gần đây, thực hiện chính sách đổi mới của đảng, nên
kinh tế đất nớc có nhiều chuyển biến quan trọng, nghành nông nghiệp đã có
những bớc tăng trởng khá nhanh, đặc biệt là sản lợng của các loại nông sản nh:
lúa, ngô, đỗ Chính vì vậy bảo quản và chế biến cần phải đợc đặc biệt quan
tâm nhằm hạn chế quá trình hao hụt về chất lợng sản phẩm trong bảo quản,
nâng cao chất lợng sản phẩm.
Những yêu cầu này là mục tiêu lớn để chúng ta hớng tới một nền nông
nghiệp tiên tiến có sự quản lý trên quy mô lớn. Mặt khác khối lợng sản phẩm
làm ra trong một thời vụ là rất lớn và không thể tiêu thụ ngay tại thời điểm đó,
vì vậy công việc bảo quản sau thu hoạch đóng một vai trò hết sức quan trọng.
Đây là vấn đề bức xúc đợc nhiều ngời đầu t quan tâm nghiên cứu nhằm tìm ra
một biện pháp bảo quản tốt nhất, giảm thiểu những mất mát sau thu hoạch cho
ngời nông dân, đồng thời đảm bảo chất lợng cho sản phẩm phục vụ chế biến sau
này. Với đặc điểm địa lí nằm trên vùng nhiệt đới nóng ẩm, ma nhiều, có khi vào
mùa thu hoạc ma kéo dài hàng tuần với độ ẩm không khí nên tới 90-100% nên
không thể áp dụng các phơng pháp bảo quản truyền thống nh phơi nắng, hong
gió. Vì thế sấy là một biện pháp bảo quản hiệu quả mà còn làm tăng chất lợng
sản phẩm. Đặc biệt kỹ thuật sấy cò đợc áp dụng để chế biến rất nhiều sản phẩm
quý của việt nam nh mít, vải, nhã, chuối
Công nghệ sấy có đạt đợc hiệu quả hay không phụ thuộc dất lớn vào quy trình,
thời gian và nhiệt độ sấy. Sản phẩm nông nghiệp thì rất đa dạng, mỗi loại lại có
quy trình riêng. nhng một hệ thống sấy tốt lại là hệ thống có khả năng sấy đợc
nhiều lại nông sản và đáp ứng các quy trình thích hợp cho từng loại sản phẩm
chính vì thế chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:
"Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển và máy tính trong điều khiển và giám
sát nhiệt độ sấy"
2. Mục đích của đề tài
.............................................................................................................................
-1-

- Nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy nông sản
- Nghiên cứu cấu trúc và lập trình cho vi điều khiển, ứng dụng vi điều khiển
trong hệ thống sấy nông sản.
- Nghiên cứu hoạt động truyền nhận dữ liệu nối tiếp và sây dựng giao diện
điều khiển giám sát nhiệt độ của hệ thống sấy nông sản trên máy tính
3. Nội dung đề tài
- Tổng quan về sấy nông sản.
- Tổng quan về các họ vi điều khiển và lập trình ứng dụng điều khiển hệ
thống sấy.
- Tổng quan máy tính về truyền nhận dữ liệu nối tiếp. Thiết kết giao diện điều
khiển và giam sát nhiệt độ trên máy tính.
4. Phơng pháp nghiên cứu
Để thực hiện đợc nội dung đề tài nghiên cứu, chúng tôi tiến hành phơng
pháp nghiên cứu sau:
* Các kết quả nghiên cứu kế thừa:
- Kế thừa các công trình nghiên cứu của thế hệ trớc về cơ sở lý thuyết của
các phần mềm lập trình. Nh Assembly, CodevisionAVR, Orcad, Visual Basic,
phần mềm mô phỏng Matlab 7.0, ISIS 6 Professional.
- Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn.
* Định hớng nghiên cứu.
- Nghiên cứu phần mềm lập trình trên máy tính.
- Thay đổi phơng pháp lập trình để tìm ra phơng pháp đơn giản, dễ sử dụng
và hiệu quả kinh tế nhất.
- Xây dựng chơng trình điều khiển.
* Phơng pháp mô phỏng kiểm chứng:
- Chạy thử mô hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi của mô hình và lỗi của
chơng trình điều khiển, rồi từ đó hoàn thiện hệ thống.
.............................................................................................................................
-2-
Nội dung

Chơng1
Tổng quan chung về sấy nông sản

1.1. công nghệ sấy
Sấy là quá trình dùng nhiệt năng tách hơi nớc ra khỏi vật liệu. Quá trình
này có thể tiến hành làm bay hơi nớc tự nhiên bằng năng lợng mặt trời hay năng
lợng gió (còn gọi là quá trình phơi sấy tự nhiên) dùng phơng pháp này thì đỡ
tốn nhiệt năng nhng không chủ động và không thể điều khiển đợc nhiệt năng
theo yêu cầu kỹ thuật, năng suất thấp. Vì vậy trong kỹ thuật bảo quản và chế
biến nông sản mới ngời ta thờng áp dụng phơng pháp sấy nhân tạo, tùy theo ph-
ơng pháp truyền nhiệt, trong kỹ thuật sấy cũng chia ra các kỹ thuật nh:
- sấy đối lu: là phơng pháp sấy cho tiếp xúc chực tiếp vật liệu sấy với khí
nóng hay khói lò.
- Sấy tiếp xúc: là phơng pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc chực
tiếp với vật liệu sấy mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua
một vách ngăn.
- Sấy bằng tia hồng ngoại: là phơng pháp sấy dùng năng lợng của tia
hồng ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vạt liệu sấy.
- Sấy bằng dòng điện cao tần: là phơng pháp xấy dùng dòng điện cao tần
để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu sấy.
- Sấy thăng hoa: là phơng pháp sấy trong môi trờng có độ chân không rất
cao, nhiệt độ rất thấp nên ẩp tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ trạng
thái rắn thành hơi không qua trạng thái lỏng.
Ba phơng pháp sấy cuối ít đợc dùng trong công nghiệp nên gọi chung là phơng
pháp sấy đặc biệt.
Quá trình sấy là một quá trình có sự tham gia của pha rắn đồng thời với
quá trình nhiệt. đây là qúa trình nối tiếp, vận tốc của toàn bộ quá trình đợc quy
định bởi giai đoạn nào chậm nhất,
.............................................................................................................................
-3-

Ngoài ra tuỳ theo phơng pháp sấy mà nhiệt độ là yếu tố thúc đẩy hay cản trở
quá trình di truyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt vật liệu sấy. Trong
quá trình sấy thì môi trờng trong không khí ẩm xung quanh có ảnh hởng rất lớn
và trực tiếp đến vận tốc của quá trình sấy. Bởi vậy khi nghiên cứu tính toán hệ
thống sấy cần quan tâm tới các thông số sau:
- Độ ẩm tuyệt đối: Là tỷ số giữa lợng hơi nớc chứa trong hạt chia cho
khối lợng phần khô của hạt theo công thức:
100(%)
k
G
n
G
0
W
=
Trong đó: G
n
- Lợng nớc chứa trong vật (kg) chứa trong G
k
(kg) vật khô
tuyệt đối.
- Độ ẩm tơng đối: Là tỷ số khối lợng nớc chứa trong vật chia cho khối l-
ợng của vật:
100(%)
k
G
n
G
n
G

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

100(%)
100
0
W
0
W
W
+
=
- Độ chứa ẩm: Là khối lợng nớc tính bằng kg chứa trong 1kg vật khô
tuyệt đối. Độ chứa ẩm u đợc xác định theo công thức:

(kg/kg)
k
G
n
G
u

=
Nh vậy: W
0
= 100u(%).
Một đặc trng cơ bản nữa của nông sản dạng hạt là tính chất nhiệt vật lý
của nó. Tính chất này ảnh hởng trực tiếp lên quá trình sấy và tiêu hao nhiệt lợng
trong quá trình sấy. Tính chất nhiệt vật lý đợc biểu hiện thông qua giá trị nhiệt
dung riêng và hệ số dẫn nhiệt. Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm đợc xác định
theo công thức:
n
G
k
G
n
G
n
CG
k
C
C
+
+
=
(J/Kg.
0
C)
.............................................................................................................................
-4-

100

W
).
k
C
n
(C
k
CC
+=
Trong đó: C
k
, C
n
- nhiệt dung riêng của vật khô và nớc (J/Kg.
0
C)
G
k
, G
n
- khối lợng của vật khô và khối lợng nớc.
1.2. thiết bị sấy
Trên thực tế có rất nhiều thiết bị sấy hoạt động theo các nguyên tắc tách
ẩm khác nhau, nhng trên thực tế sản suất thì phơng pháp sấy đối lu đã đợc áp
dụng có hiệu quả nhất cho các máy sấy nông sản. chính vì thế chúng tôi tiến
hành nghiên cứu các thiết bị sấy theo phơng pháp sấy đối lu.
Sơ đồ nguyên lý quá trình sấy đối lu:
t
0
,d

0
,
0
t
1
,d
1
,
1
t
2
,d
2
,
2

Hình 1: Sơ đồ mô tả quá trình sấy đối lu
Trong đó: t
x
,d
x
,
x
lần lợt là nhiệt độ, lợng ẩm, thuỷ phần của dòng khí.
Phơng pháp sấy đối lu đợc phân thành hai nhóm phụ thuộc vào trạng
thái của hạt ẩm trong quá trình sấy. Nếu khối hạt sấy bất động còn quá trình sấy
đợc hình thành do dòng khí nóng chuyển động luồn lách giữa lớp hạt thì quá
trình này đợc gọi là sấy tĩnh. Ngợc lại, trờng hợp hạt sấy chuyển động ngợc
chiều với dòng khí sấy thì quá trình sấy đợc gọi là sấy động.
- Thiết bị sấy tĩnh thờng đợc thiết kế theo hai dạng là dạng hầm và dạng

cột:
.............................................................................................................................
-5-
Không khí nóng
mang ẩm
Buồng tạo
nhiệt
Buồng sấy
đối lưu
Không khí
Hình 2: Mô hình thiết bị sấy kiểu hầm
Hình 3: Mô hình thiết bị sấy kiểu cột
Trong những thiết bị sấy này, tác nhân sấy đi từ dới lên trên xuyên qua
lớp liệu. Quá trình luồn lách qua lớp liệu khí nóng sẽ truyền nhiệt lợng của
mình sang cho lớp liệu để đốt nóng nó và cho nớc bốc lên từ liệu sấy. Hơi nớc
bốc ra đợc dòng khí sấy cuốn theo và đa ra ngoài. Rõ ràng lớp liệu dới cùng sẽ
tiếp xúc với dòng khí sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp nên sẽ đợc đốt nóng
nhanh hơn và cũng khô nhanh hơn. Càng lên cao nhiệt độ của khí sấy càng
.............................................................................................................................
-6-
giảm còn độ ẩm càng tăng, vì vậy tốc độ đốt nóng của liệu càng chậm, vật liệu
sấy lâu khô hơn. Nh vậy nhợc điểm của những thiết bị sấy này là quá trình sấy
không đồng đều. Tuy nhiên u điểm của thiết bị sấy này là đợc tạo nên từ những
vật liệu đơn giản giá thành rẻ, thích hợp với quy mô hộ nông dân.
- Thiết bị sấy động gồm có thiết bị sấy mẻ và thiết bị sấy tuần hoàn. Sự
khác biệt chính là sự chuyển động đảo trộn của hạt liệu trong quá trình sấy, vì
vậy quá trình sấy là đồng đều. Khi sấy bằng thiết bị sấy mẻ, từng mẻ liệu đợc
sấy khô trớc rồi đến mẻ liệu khác. Sấy tuần hoàn thì ngợc lại, hạt liệu đợc ra vào
tuần hoàn đến khi nào khô đồng đều thì kết thúc quá trình sấy.
Sự khó khăn về mặt bằng sản xuất đã khiến cho những thiết bị sấy nhỏ

quy mô hộ gia đình nhiều khi cũng không thích ứng, cần thiết phải có những
thiết bị sấy quy mô lớn hơn mang kiểu dáng công nghiệp. Dới đây là hình ảnh
một số thiết bị sấy có quy mô công nghiệp ở Việt Nam và trên thế giới:
Hình 4. Thiết bị sấy kiểu băng tải
1 - Phễu đổ nhiên liệu 2 - Buồng sấy 3 - Băng tải
4 - Quạt đẩy 5 - Calorife 6 - Cửa xả nguyên liệu
7 - Cửa thoát khí thải
.............................................................................................................................
-7-
Hình 5. Thiết bị sấy kiểu thùng quay
1 - Thùng quay 2 - Lò sấy 3 - Buồng trung gian
4 - Cửa thoát khí thải 5 - Cửa xả nguyên liệu
Hình 6. Thiết bị sấy băng tải
1 - Phiễu chứa nhiên liệu 2 - Băng tải 3 - Buồng đốt
4 - Vít tải 5, 7 - Quạt hút 6 - Tờng chấn
.............................................................................................................................
-8-
Hình 7. Thiết bị sấy hạt theo chu kỳ
1 - Phiễu tiếp liệu 2 - Gàu tải 3 - Máy liên hoàn tách tạp chất
4 - Thiết bị sấy 5 - Vít tải 6 - Thiết bị phân phối hạt và xilo
7 - Xilo ủ thóc 8 - Xilo chứa hạt khô 9 - Băng tải
Trong điều kiện sản xuất hiện nay, có nhiều yếu tố trong sản xuất nh:
quy mô sản xuất và hình thức sản xuất đã có nhiều thay đổi, sản phẩm đa dạng
hơn, hội nhập, yêu cầu thị trờng cao hơn... đòi hỏi nền sản xuất nông nghiệp
của nớc ta phải có nhiều thay đổi để đáp ứng đợc nó. Lĩnh vực sấy nông sản
cũng không nằm ngoài sự thay đổi đó. Chúng ta cần có những hệ thống sấy quy
mô lớn, năng suất cao, hoạt động một cách tự động đa nông sản tới những chỉ
tiêu đợc yêu cầu... Đây cũng chính là nội dung và yêu cầu chúng tôi muốn hớng
tới trong đề tài này.
.............................................................................................................................

-9-
Chơng 2
Tổng hợp hệ thống sấy nông sản
2.1. xây dựng mô hình hệ thống sấy
Xây dựng mô hình toán học cho đối tợng điều khiển là bớc đầu tiên và
cũng là bớc quan trọng nhất để đi đến bài toán điều khiển. Để có thể xây dựng
đợc mô hình hệ thống ngời ta có hai phơng pháp:
- Phơng pháp lý thuyết
- Phơng pháp thực nghiệm.
Trong trờng hợp này, thông tin mô hình hệ thống đã đợc xác lập thông
qua những yêu cầu của đề tài. Mặt khác hệ thống thí nghiệm sấy đã đợc thiết kế
sẵn, vì vậy chúng tôi sử dụng phơng pháp thực nghiệm để khảo sát hệ thống
này, xây dựng mô hình động học cho hệ thống để rồi chọn ra bộ điều khiển hợp
lý cho hệ thống.
Mô hình sấy cho nh sau:
Hình 8: Mô hình sấy thí nghiệm
+ Quạt gió ly tâm + Buồng đốt
Điện áp cấp 220V - 50Hz Dây đốt Ni - Cr
Tốc độ 2850V/p Điện áp cung cấp 220V 50Hz
Công suất 240W Công suất 2KW.
.............................................................................................................................
-10-
2.2. Xác định đặc tính động học của hệ thống
Đối tợng ở đây là dòng khí sấy mang nhiệt độ. Khi cấp nguồn điện cho
sợi đốt, nhiệt độ của sợi đốt làm nóng luồng không khí do quạt thổi tới. Nhiệt
độ dòng khí tăng lên, nó tăng lên đến một nhiệt độ nào đó và không tăng nữa,
nó giữ ổn định ở nhiệt độ này. Nh vậy đối tợng của ta ở đây chính là đối tợng có
tính tự cân bằng.
Dạng tổng quát hàm truyền đạt của đối tợng có tính tự cân bằng đợc
mô tả nh sau:

W
dt
(s) = K
dt
W
0
(s) e
-

s
Trong đó:
K
dt
: Hệ số truyền của đối tợng,
: Thời gian trễ.
W
0
(s) =
1s
1n
a...
1n
s
1
a
n
s
0
a
1s

1m
b...
1m
s
1
b
m
s
0
b
+

++

+
+

++

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

Đặc tính đờng quá độ của hàm truyền nh Hình 9a.
+ Khâu quán tính bậc 2:
PT
2
: W(s) =
s)
2
Ts)(1
1
T(1
dt
K
++
Đặc tính đờng quá độ của hàm truyền PT
2
nh Hình 9b.
+ Khâu quán tính bậc n:
PT
n
: W(s) =
n
Ts)(1
dt
K
+
.............................................................................................................................
-11-