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:
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:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
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
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
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
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
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
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
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:
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
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:
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
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:
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
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
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
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 .
-
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
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.
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 2m / s thì Z min 17 đối
với xích con lăn và xích ống và Z min 19 đối với xích răng, khi v 2m / 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
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 50t
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
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
9i
10
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).
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)
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
Copyright: Tài liệu đại học ©