TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
--------------------- ---------------------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG LÒ NUNG
NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI

Giáo viên hướng dẫn:

ThS. Nhữ Q Thơ

Nhóm sinh viên thực hiện:
Đỗ Cơng Duy

2019600451

Vi Văn Giang

2019600321

Đặng Hoàng Hà

2020608585

Hà Nội - Năm 2021


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp:

LT CĐ-ĐH CĐT 2 và ĐH CĐT 1
2. Tên nhóm: Nhóm 5
Họ và tên thành viên: Đỗ Công Duy
2019600451
Vi Văn Giang
2019600321
Đặng Hồng Hà 2020608585

Khóa: 15-14

II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống lò nung nhiệt điện trở kim loại
2. Hoạt động của sinh viên
- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)
- Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2)
- Nội dung 3: Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống (L2.1)
- Nội dung 4: Viết báo cáo
3. Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch và mơ hình sản phẩm (Nếu có)
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 13/09/2021 đến
ngày 24/12/2021).
2. Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh
giá.
IV. Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
1. Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều khiển.
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu
có): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng.
KHOA/TRUNG TÂM

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN


Ts. Nguyễn Anh Tú

ThS. Nhữ Quý Thơ


MƠ TẢ KỸ THUẬT
1. Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ
Hệ thống có khả năng:
- Giả lập tín hiệu điều khiển nhiệt độ bật /tắt lị, hiển thị trạng thái tín hiệu điều khiển
bằng đèn LED.
- Đo nhiệt độ trong lò.
- Hiển thị nhiệt độ trong lò liên tục theo thời gian thực trên màn hình LCD.
- Có chức năng lựa chọn giới hạn nhiệt độ trên và dưới để đưa ra cảnh báo khi giá
trị vượt ngoài khoảng cho phép.
2. Cấu trúc thiết bị
Thiết bị

Loại sử dụng

Cảm biến

Cảm biến nhiệt điện trở

Bộ điều khiển

Vi điều khiển

Hiện thị nhiệt độ lị


LCD

Phím chức năng nhập dữ liệu

Nút bấm số

Tín hiệu cảnh báo

Đèn

3. Đặc tính kỹ thuật
Thơng số
Giới hạn khoảng nhiệt
độ
Sai số đo

Giá trị
0-1200 độ C
5%


4. Nội dung báo cáo
- Bản vẽ
TT

Tên bản vẽ

Khổ giấy

Số lượng


1

Bản vẽ sơ đồ hệ thống

A3

1

2

Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống

A3

1

- Báo cáo
Chương 1 Tổng quan về hệ thống
1.1. Giới thiệu chung
1.2. Các yêu cầu cơ bản
1.3. Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
1.4 Ý nghĩa thực tiễn
Chương 2 Xây dựng mơ hình hệ thống
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
Chương 3: Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống
3.1 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ cơ khí

3.2 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ điều khiển
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
Kết Luận.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ...................................................... 1

1.1 Giới thiệu chung .................................................................................................. 1
1.2 Các vấn đề đặt ra ................................................................................................. 1
1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu ................................................... 2
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết................................................................... 2
1.3.2 Phương pháp mơ hình hóa mơ phỏng .............................................................. 3
1.3.3 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu ....................................................................... 3
1.4 Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................. 3
CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ............................................ 4

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ............................................................................... 4
2.1.1 Mơ hình hóa 3D của hệ thống .......................................................................... 4
2.1.2 Ngun lí làm việc ........................................................................................... 4
2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống.......................................................................................... 5
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến ........................................................................... 6
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển ................................................................. 11
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu .................................................................... 15
2.4.1 Thiết kế mạch đo ............................................................................................ 15
2.4.2 Xử lý tín hiệu .................................................................................................. 16

CHƯƠNG 3

MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG .......................... 17

3.1 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ cơ khí ................................................................. 17
3.2 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ điều khiển .......................................................... 20
3.3 Phương trình điều khiển .................................................................................... 23
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 26


TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 27
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 28
Code:........................................................................................................................ 28
Datasheet: ................................................................................................................ 30


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Mơ hình 3D của hệ thống ........................................................................... 4
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống.................................................................................... 5
Hình 2.3 Cấu tạo cặp nhiệt điện ................................................................................ 8
Hình 2.4 Nguyên lí cặp nhiệt điện ............................................................................ 9
Hình 2.5 Can nhiệt loại K........................................................................................ 10
Hình 2.6 Hình ảnh board mạch Arduino UNO R3 ................................................. 11
Bảng 2.1 Bảng thông số của Arduino UNO R3 ...................................................... 12
Hình 2.7 Hình ảnh vi điều khiển ............................................................................. 13
Hình 2.8 Hình ảnh các cổng của Arduino ............................................................... 14
Hình 2.9 Hình ảnh mạch đo trên Proteus ................................................................ 16
Hình 3.1 Thân của lị nung ...................................................................................... 17
Hình 3.2 Các bộ phận của lị nung 1 ....................................................................... 18
Hình 3.3 Màn LCD của lị nung .............................................................................. 19

Hình 3.4 Đèn báo hiệu trên lị nung ........................................................................ 19
Hình 3.5 Mơ hình lị nung hồn thiện ..................................................................... 20
Hình 3.6 Hệ thống khi bắt đầu khởi động ............................................................... 21
Hình 3.7 Cảnh báo trên màn LCD và đèn cảnh báo sáng ....................................... 22
Hình 3.8 Lị tắt, màn vẫn hiển thị cảnh báo và đèn sáng ........................................ 22
Hình 3.9 Lưu đồ thuật tốn ..................................................................................... 24
Hình 3.10 Sơ đồ cài đặt nhiệt độ giới hạn ............................................................... 25


LỜI NĨI ĐẦU
Lị nung nhiệt là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong
các quá trình công nghệ khác nhau nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và
các hợp kim khác nhau v.v... Lò nung nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực
kỹ thuật: Sản xuất thép chất lượng cao, nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện, nung các vật
phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi. Sản xuất đúc và kim loại bột trong các lĩnh
vực công nghiệp khác: Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò nung nhiệt được
dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm. Trong các lĩnh vực khác, lò nung
nhiệt được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu
lửa v.v... Lị nung nhiệt có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được
dùng phổ biến
Cảm biến nhiệt điện trở khi tiết xúc với nhiệt độ chúng sẽ thay đổi trạng thái,
cảm biến sử dụng nhiệt độ phát ra từ lò để phát hiện và điều chỉnh. Để góp phần vào
sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện nay, nhóm chúng em đã quyết định chọn cảm
biến nhiệt điện trở. Nhóm đã đưa ra ý tưởng “Xây dựng hệ thống lò nung nhiệt điện
trở kim loại”. Cảm biến nhiệt điện trở được đặt trong lò nung, để có thể đo được
nhiệt độ trong lị nung. Mơ hình sử dụng cảm biến nhiệt điện trở điều kiển bởi
ardunio và được mô phỏng trên phần mềm protues và hiển thị nhiệt độ trên màn hình
LCD, giúp ra có thể đo cũng như kiểm soát được nhiệt độ trong lị nung.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Cơ Điện Tử
của Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi và cung

cấp tài liệu để hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Đồng thời, nhóm em muốn gửi lời
cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn là thầy Nhữ Quý Thơ, thầy đã tận tình
hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi nhất và giúp đỡ nhóm trong suốt q trình thực
hiện đồ án mơn. Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã hỗ trợ và chia sẽ kinh
nghiệm cho nhóm trong thời gian qua. Cuối cùng nhóm em xin chúc thầy cơ và cùng
tồn thể các bạn trong lớp nhiều sức khỏe và thành công trong mọi công việc.
Xin chân thành cảm ơn!


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu chung
Lò nung là q trình trao đổi nhiệt giữa trong khơng gian lị xảy ra các sự
biến đổi về nhiệt. Ta có thể và cần khống chế được 2 quá trình: Thứ nhất là quá trình
truyền nhiệt từ nguồn nhiệt đến bề mặt vật nung. Thứ 2 là quá trình truyền nhiệt từ
mặt ngoài vào tâm 2 mặt nung hoặc từ trên xuống dưới. Tuy nhiên trong q trình
nung ta cịn phụ thuộc vào thời gian cũng như vật liệu nung.
Cảm biến nhiệt điện trở là thiết bị đóng vai trị rất quan trọng trong ngành
cơng nghiệp tự động hóa ngày nay. Nếu như khơng có cảm biến nhiệt điện trở thì rất
khó có thể đo được chính xác nhiệt độ ở dải nhiệt độ cao, cũng như điều chỉnh được
nhiệt độ mà ta muốn
Ngày nay cảm biến nhiệt điện trở được ứng dụng rất nhiều trong các ngành
công nghiệp cũng như trong cuộc sống hàng ngày như lò nung sản xuất sắt thép
trong công nghiệp hay bếp từ trong gian bếp của chúng ta,…Việc sử dụng cảm biến
giúp ta điều khiển được lượng nhiệt tỏa ra tránh việc cháy nổ gây nguy hiểm cho
người sử dụng.
Trong đề tài này nhóm sẽ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở, cảm biến phù hợp
với giới hạn nhiệt độ trong hệ thống lò nung ta có thể biết được nhiệt độ của lị qua

màn hình LCD. Khi đạt đến nhiệt độ giới hạn, lị nung sẽ tự động tắt và đưa ra tín
hiệu cảnh báo cho người sử dụng.
1.2 Các vấn đề đặt ra
Để giải quyết đề tài nhóm nghiên cứu cần giải quyết một số vấn đề như sau:
- Về phần đo lường: Hệ thống đo nhiệt độ và hiển thị trên màn hình LCD
chính xác và hạn chế sai số. Hệ thống đảm bảo kết cấu hợp lí, vững chắc và đạt hiệu
quả về kinh tế. Thiết kế lắp đặt 1 hệ thống có vật liệu đủ bền, dễ dàng kiểm tra bảo
dưỡng và thay thế các thiết bị khi hỏng hóc, đặc biệt có tính an tồn cao, dễ dàng sử
dụng.
1


- Về phần điều khiển: Hệ thống có tín hiệu cảnh báo khi giá trị nhiệt độ vượt
quá ngoài khoảng cho phép và sẽ tự động tắt lò nung. Khi ở nhiệt độ an tồn, hệ
thống sẽ đưa ra tín hiệu bật lị nung. Người sử dụng có thể điều khiển bằng nút bấm
bên ngồi. Hệ thống đảm bảo có thiết kế nhỏ gọn, các linh kiện dễ dàng tìm thấy
trên thị trường có vật liệu đủ bền, chịu được nhiệt độ cao, dễ dàng bảo dưỡng, thay
thế và giá thành phù hợp.
- Về phần mềm lập trình: Phần mềm lập trình Arduino ide lập trình trên máy
tính. Phần mềm lập trình chính xác, phổ biến, dễ dàng cho người mới tiếp cận, có
thể tích hợp với nhiều thiết bị, nhiều chương trình, có cấu trúc code dễ dàng và có
thư viện đầy đủ.
- Mơ hình hóa và mơ phỏng: Mơ hình hóa hệ thống cơ khí sử dụng những
phần mềm như Solidwork hay Inventor để thiết để thiết kế tồn bộ hệ thống. Mơ
phỏng và chạy thử nghiệm trên Proteus.
1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu qua các kênh thông tin, internet, qua các bài viết trong nước và
quốc tế về các ứng dụng của hệ thống lò nung nhiệt điện trở kim loại để áp dụng vào
thiết kế.

- Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính tốn, phân tích, xử lý số liệu xây
dựng mơ hình phù hợp với đề tài.
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, ứng dụng, viết chương trình điều khiển cho
Arduino.
- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết về cảm biến nhiệt điện trở kim loại, đặt ra các
vấn đề cần giải quyết từ đó xây dựng hệ thống.
- Dựa vào các kiến thức đã học trong các môn: Cơ sở hệ thống tự động, Cảm
biến và hệ thống đo, …

2


1.3.2 Phương pháp mơ hình hóa mơ phỏng
- Mơ hình hóa thiết kế hệ thống và mơ hình hóa thiết kế mạch điện sử dụng
các kiến thức lý thuyết để xây dựng mơ hình của hệ thống và mạch điện kết nối trên
phần mềm Proteus.
- Xây dựng, thiết kế phần điều khiển trên phần mềm arduino ide để xây dựng
code điều khiển cho hệ thống đúng yêu cầu bài toàn đặt ra.
1.3.3 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Với đề tài: “Xây dựng hệ thống lò nung nhiệt điện trở kim loại” nhóm nghiên
cứu đi sâu vào nghiên cứu những vấn đề chính sau đây:
- Tìm hiểu và tham khảo các mơ hình hồn chỉnh Hệ thống lị nung nhiệt
điện trở kim loại trên internet.
- Xây dựng thành công phần mềm lập trình Arduino ide trên máy tính và mơ
phỏng đúng trên Protues.
- Đối với đề tài “Xây dựng hệ thống lò nung nhiệt điện trở kim loại”, hệ
thống thiết kế lị nung có giới hạn khoảng nhiệt độ từ 0 độ C đến 1200 độ C. Lò nung
sử dụng cảm biến nhiệt điện trở.
- Sai số đo: không quá 5%.
1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Việc kiểm soát được nhiệt độ trong lị nung có vai trị rất quan trọng và rất
to lớn trong thực tế khi có thể giám sát được vật liệu nung và đưa ra cảnh báo khi
vượt quá khoảng nhiệt độ.
Hiểu được cách vận hành, hoạt động của lị nung. Đồng thời nắm bắt được
ngun lí và cách sử dụng cảm biến nhiệt điện trở, cách kết nối với mạch điều khiển,
hiển thị thông số nhiệt độ để đưa ra cảnh báo với người dùng.
Đề tài “Xây dựng hệ thống lò nung nhiệt điện trở kim loại” khi được áp dụng
vào thực tế sẽ kiểm soát được nhiệt độ của lò nung và đảm bảo chất lượng vật liệu
sau khi được nung và mang lại sự an toàn cho người sử dụng.
3


CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
2.1.1 Mơ hình hóa 3D của hệ thống
Dựa vào bài tốn đặt ra, ta mơ hình hóa hệ thống bằng phần mềm Solidworks:

Cụm 1

Hình 2.1 Mơ hình 3D của hệ thống

Cụm 2

Hệ thống gồm các chi tiết:
Cụm 1: Lị nung
Cụm 2: Điều khiển, xử lý tín hiệu, hiển thị và cảnh báo
+ Vi điều khiển

+ Nút bật tắt lò
+ Nút tăng giảm nhiệt độ
+ 1 đèn cảnh báo
+ 1 Màn LCD hiển thị trạng thái lò.
2.1.2 Nguyên lí làm việc
Lị được bật và bắt đầu nung kim loại, cảm biến nhiệt sẽ được đặt vào lò qua
lỗ hở được thiết kế sẵn.
4


Cảm biến nhiệt độ sẽ nhận tín hiệu nhiệt và truyền đến vi xử lý để xử lý thông
tin và thực hiện các thuật toán và hiển thị lên màn LCD.
Khi nhiệt độ trong lò vượt quá mức cho phép thì hệ thống sẽ tự động ngắt
nguồn điện cấp cho lò, và ngược lại khi nhiệt độ giảm tới mức cần thiết hệ thống sẽ
tự động cấp điện lại cho lò để tiếp tục hoạt động
2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống
Từ hệ thống mơ phỏng lị 3D trên ta có sơ đồ khối của hệ thống:
KHỐI
NGUỒN

KHỐI

KHỐI

CẢM

KHỐI

BIẾN


XỬ
LÝ

KHỐI CÀI

HIỂN THỊ

KHỐI CẤP
NHIỆT

ĐẶT

KHỐI
BÁO
HIỆU
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng của từng khối:

5


+ Khối nguồn: Có chức năng cung cấp nguồn ni cho tồn bộ mạch điện.
Nguồi ni thường duy trì ổn định ở mức +5V. Do yêu cầu cao của hệ thống các
nguồn nuôi thường được chế tạomột cách đặc biệt nhằm đem lại hiệu quả, và tính
ổn định cao.
+ Khối cảm biến: Khối cảm biến có chức năng đo nhiệt độ của lị và đưa tín
hiệu thu được đến khối vi xử lí.
+ Khối xử lí: Đọc giá trị từ cảm biến nhiệt độ, xuất giá gị hiển thị ra LCD
16x2 và tác động đến khối led báo hiệu, đồng thời cũng nhận tác động từ nút nhấn

để xử lý hệ thống tác động đến các khối hiển thị, khối báo hiệu.
+ Khối hiển thị: Có chức năng hiển thị trạng thái lò (nhiệt độ, nhiệt độ Min,
Max, lò bật hay tắt) lên LCD.
+ Khối cài đặt: Dùng để tác động lên tồn hệ thống có thể dừng hoạt động
hoặc khởi động lại theo ý muốn. Ngồi ra cịn dùng để khởi tạo giá trị giới hạn nhiệt
độ của lò theo ý muốn.
+ Khối báo hiệu: Dùng để cảnh báo trạng thái nhiệt vượt hoặc thấp hơn
ngưỡng cần thiết.
+ Khối cấp nhiệt: Dùng để cấp nhiệt độ cho hệ thống thay cho nhiệt độ của
lò nung ở thực tế.
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
Trong các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong số những đại lượng được
quan tâm nhiều nhất, do nhiệt độ có vai trị quyết định trong nhiều tính chất của vật
chất.
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được sử dụng rộng rãi, không những đo nhiệt
độ mà cịn đo các đại lượng khơng điện khác như tốc độ lưu chất, xác định nồng độ
và thành phần của chất khí...
Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ dựa trên q trình nhiệt (đốt
nóng, làm lạnh và trao đổi nhiệt) mà đại lượng đo là nhiệt độ. Khi nhiệt độ thay đổi
6


làm thay đổi tính chất vật lý của vật thể, các tính chất đó được sử dụng để chế tạo
các cảm biến nhiệt độ.
Trên thị trường tồn tại khá nhiều loại cảm biến dùng trong việc đo Nhiệt độ.
Tùy vào nhu cầu về tính chính xác, giá thành, mục đích sử dụng, mơi trường xung
quanh mà có những loại cảm biến đặc thù. Có 5 loại cảm biến nhiệt độ thường được
dùng:
+ Cặp nhiệt điện (Thermocouple).
+ Nhiệt điện trở (RTD-resitance temperature detector).

+ Thermistor.
+ Bán dẫn (Diode, IC, …).
+ Ngoài ra cịn có loại đo nhiệt khơng tiếp xúc (hỏa kế - Pyrometer). Dùng
hồng ngoại hay lazer.
=> Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, với yêu cầu đặt ra của hệ thống
cũng như khả năng tiếp cận, dễ dàng thay thế bảo trì, bảo dưỡng hệ thống, cảm biến
phù hợp nhất với lò nung nhiệt là cặp nhiệt điện khi có giải đo nhiệt độ phù hợp với
đề tài.
*Cặp nhiệt điện trở (Thermocouple)
- Cấu tạo:
Một cặp nhiệt điện sẽ có 5 bộ phận chính:

7


Hình 2.3 Cấu tạo cặp nhiệt điện

1- Measuring junction: đây là bộ phận quan trọng nhất của cặp nhiệt điện.
Phần này sẽ bao gồm 2 thanh kim loại có cấu tạo vật liệu khác nhau được hàn 1 đầu
với nhau.
2- Thermocouple wires: phần dây kết nối để nối giữa phần đo nhiệt độ và bộ
điều khiển.
3- Ceramic insulators: đây là phần sứ cách nhiệt được sử dụng để giữ dây
cặp nhiệt điện cách điện dọc theo toàn bộ chiều dài của đầu dò.
4- Protective sheath: đây là phần vỏ bảo vệ bên ngồi của cặp nhiệt điện.
Thơng thường lớp vỏ này được làm bằng inox đối với nhiệt độ 1200 độ C trở xuống.
Còn đối với các loại cặp nhiệt điện có thang đo cao hơn 1200 độ C thì lớp vỏ này
được làm bằng sứ.
5- Connection head: phần này sẽ chứa dây kết nối của cặp nhiệt điện. Khi ta
dùng các bộ chuyển đổi cặp nhiệt điện ra 4-20mA thì sẽ được cho vào đây.

- Ngun lí hoạt động:
Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên một nguyên lý được gọi là hiệu ứng
Seebeck. Hiệu ứng Seebeck được phát hiện bởi nhà vật lý học người Đức Thomas
Johann Seebeck vào năm 1821. Theo ông, khi điểm kết nối của 2 dây được đặt vào
8


nơi có các nhiệt độ khác nhau, ở đó sẽ tạo ra sư dịch chuyển của các electron do đó
sẽ tạo ra một điện áp nhỏ tại đầu 2 dây hở. Điện áp này phụ thuộc vào nhiệt độ và
vật liệu của dây dẫn được sử dụng.
Để hiểu rõ hơn về nguyên lý cặp nhiệt điện, ta hãy cùng xem hình sau:

Hình 2.4 Ngun lí cặp nhiệt điện

Theo hình trên, 2 dây của cặp nhiệt điện sẽ được hàn vào nhau tại 1 điểm là
điểm nóng (hot junction) tức là nơi dùng để đo nhiệt độ. Phần tiếp theo chính là điểm
lạnh (cold junction) là nơi mà nhiệt độ đã được biết trước. Khi người ta đưa điểm
nóng vào nơi cần đo nhiệt độ, người ta thấy rằng khi nhiệt độ tại đây tăng lên thì
điện áp tại điểm lạnh cũng sẽ tăng khơng tuyến tính. Khi người ta đo được điện áp
tại điểm lạnh, ta sẽ tính ra được nhiệt độ tại điểm nóng.
Các loại cặp nhiệt điện được dùng phổ biến hiện nay: Cặp nhiệt điện trở loại
K, loại J, loại T, loại E, loại N, loại S, loại R và loại B.
Trong đó, cặp nhiệt điện loại K là loại cặp nhiệt điện phổ biến nhất. Chúng
có giá thành thấp, độ chính xác cao, đáng tin cậy và có phạm vi nhiệt độ rộng.
Đầu dị nhiệt độ loại K thực chất là tên gọi khác hay dùng của cảm biến nhiệt
độ can K, hay can nhiệt K, thermocouple loại K. Chúng có cấu tạo từ cặp kim loại
Nickel-Chromium / Nickel-Alumel.

9



Hình 2.5 Can nhiệt loại K

Thơng số kỹ thuật can nhiệt K:
+ Nhiệt độ làm việc -80°C đến +1200°C.
+ Độ chính xác ở class 2
+ Tiêu chuẩn bảo vệ IP54
+ Thời gian phản hồi nhanh
+ Tín hiệu output dạng mV
+ Hình dáng: Có loại dây hoặc loại củ hành.
Ưu/ nhược điểm của can nhiệt loại K:
+ Ưu điểm:
- Can nhiệt K có dải đo nhiệt độ rộng, lên đến 1200°C. Nếu ngồi phạm
vi này, chúng ta có thể sử dụng thermowell để bảo vệ đầu dị.
- Có nhiều chiều dài, đường kính và loại ren khác nhau, dễ chọn lựa.
- Phù hợp với nhiều ứng dụng mà cảm biến nhiệt độ Pt100 khơng đo
được.
- Tín hiệu ra dạng điện áp mV, có thể phù hợp với nhiều thiết bị đọc.
Hoặc có thể chọn bộ chuyển đổi tín hiệu để lấy tín hiệu 4-20mA ở đầu ra.
+ Nhược điểm:
- Tín hiệu phản hồi chậm.
- Phải đấu đúng loại dây, có phân biệt chân (+) và chân (-).
10


Can nhiệt loại K hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu mà đề tài đưa ra.
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
Vì hệ thống cần một vi điều khiển nhỏ gọn có khả năng tính tốn chính xác
và ra kết quả ngay lập tức với sai số thấp nhất vì thế phải cần một board mạch xử lý
đáp ứng đầy đủ các yếu tố của sản phẩm đã đề ra. Board mạch Arduino UNO R3 là

một board mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Atmega328 được
ứng dụng để học và làm các ứng dụng nhúng đơn giản. Board mạch có 1 đầu USB
Plug kết nối với máy tính để gửi lệnh hoặc nhận tín hiệu từ Arduino. Để lập trình 1
cách dễ dàng, ta sử dụng phần mềm Arduino IDE (Intergrated Development
Environment).

Hình 2.6 Hình ảnh board mạch Arduino UNO R3

Bảng thơng số của Arduino UNO R3:

11


Vi điều khiển

ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động

5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng


7-12V DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30 mA

Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi

bootloader

SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328)
Bảng 2.1 Bảng thông số của Arduino UNO R3

*Vi điều khiển
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều
khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo
nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD, …

12


Hình 2.7 Hình ảnh vi điều khiển

*Năng lượng
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp
nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường
thì cấp nguồn bằng pin vng 9V là hợp lí nhất nếu bạn khơng có sẵn nguồn từ cổng
USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO.
*Các chân năng lượng:
- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn
dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được

nối với nhau.
- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực
dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được
đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn
5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là cấp nguồn.
- RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương
với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
*Bộ nhớ:
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
13


- 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong
bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ
được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ
này đâu.
- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai
báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ
nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ
mà bạn phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
-1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu
của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên
SRAM.
*Các cổng vào/ ra:

Hình 2.8 Hình ảnh các cổng của Arduino


Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ
có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi
chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328
(mặc định thì các điện trở này khơng được kết nối).
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
(receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác
14


thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na chính là kết nối
Serial khơng dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này
nếu không cần thiết.
- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với
độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm
analogWrite(). Nói một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này
từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngồi các
chức năng thơng thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức
SPI với các thiết bị khác.
- Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu
10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF
trên board, có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức
là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì có thể dùng các chân analog để đo điện áp
trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.
- Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác.
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
2.4.1 Thiết kế mạch đo

Từ sơ đồ khối ta xây dựng mạch kết nối hệ thống trên phần mềm Proteus.

15


Hình 2.9 Hình ảnh mạch đo trên Proteus

2.4.2 Xử lý tín hiệu
- Tín hiệu thu về sẽ được xử lý trên Arduino UNO R3 thơng qua việc lập
trình trước cho vi điều khiển trên phầm mềm arduino IDE.
- Các tín hiệu cần xử lý: tín hiệu đưa về từ cảm biến cặp nhiệt và nút bấm
điều chỉnh nhiệt độ giới hạn từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển tới LCD.

16


CHƯƠNG 3

MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG

3.1 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ cơ khí
Mơ phỏng 3D thực tế hệ thống
Các bộ phận của lò nung nhiệt:
- Vật liệu vỏ cấu tạo bằng thép cán nguội.
- Vật liệu buồng sợi đa tinh thể chịu nhiệt chất lượng cao.
- Kích thước buồng làm việc (WxDxH) mm: 250 x 350 x 160.
- Kích thước ngồi (WxDxH) mm: 530 x 590 x 640.

Hình 3.1 Thân của lị nung


- Bản lề bằng thép khơng gỉ kích thức 30x30x2 mm.
- Cửa lị nung vật liệu vỏ cấu tạo bằng thép cán nguội, vật liệu buồng sợi đa
tinh thể chịu nhiệt chất lượng cao.
- Nút nhấn làm bằng nhựa kích thức Ø22mm.

17