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
HÀ NỘI, 2013Trường 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 iiLỜI 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.
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
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 viTrường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật viiDANH 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 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 xDANH 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
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
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
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
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
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
,
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
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 51c) 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
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
Copyright: Tài liệu đại học ©