báo cáo đồ án môn học bộ điều khiển nhiệt độ lò nhiệt sử dụng giải thuật pid

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.13 MB, 53 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCMKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ</b>

--- --- 

<b>BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC</b>

<b>BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT SỬDỤNG GIẢI THUẬT PID</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b><small>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc</small></b>

<b><small>THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHKHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬBỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG</small></b>

<i><small>TP.HCM, Tháng 6 năm 2023</small></i>

<b>2. Giảng viên hướng dẫn: Trần Đức Thiện</b>

<b>3. Tên đề tài: Bộ điều khiển nhiệt độ lò nhiệt sử dụng giải thuật PID4. Danh sách nhóm viết báo cáo:</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>Lời cảm ơn</b>

Nhóm chúng em xin được viết lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Trần Đức Thiện đã dành thời gian, kiến thức và tình cảm quý báu để hướng dẫn và đánh giá đồ án kỹ thuật của chúng em. Đây là một cơ hội quý giá để nhóm có thể học hỏi, trau dồi kiến thức và phát triển kỹ năng trong lĩnh vực mà mình đam mê.

Đồ án kỹ thuật này khơng thể hồn thành một cách thành cơng mà khơng có sự hướng dẫn và đóng góp chân thành của thầy. Từ những khóa học, buổi hướng dẫn cá nhân và những lời khuyên quý giá, thầy đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức sâu sắc và phương pháp làm việc chuyên nghiệp, giúp chúng em vượt qua các khó khăn và tiến bộ trong q trình thực hiện đồ án.

Cuối cùng, xin kính chúc thầy Trần Đức Thiện sức khỏe dồi dào, thành công trong sự nghiệp giảng dạy và nghiên cứu. Mong rằng những kiến thức và kinh nghiệm tuyệt vời của thầy sẽ được chia sẻ và truyền đạt cho thế hệ sinh viên tiếp theo.

Xin chân thành cảm ơn! Trân trọng

Phạm Tuấn Kiệt - Thái Văn Thanh Hồng

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>Mục lục</b>

Danh sách hình ảnh...5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN...7

1.1 Đặt vấn đề...7

1.2 Mục tiêu của đề tài...7

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...8

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước...8

1.5 Nội dung thực hiện...9

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT...10

2.1 Cơ sở lý thuyết về lò nhiệt...10

2.2 Lý thuyết về bộ điều khiển PID...11

2.2.1 Khái niệm...11

2.2.2 Phương pháp điều khiển...12

CHƯƠNG 3 . GIỚI THIỆU HỆ THỐNG...14

3.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống...14

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống...15

3.3 Nguyên tắc hoạt động...16

3.3.1 Mạch phát hiện điểm 0...17

3.3.2 Mạch kích Triac...19

3.4 Thiết bị sử dụng cho hệ thống...21

3.5 Giao diện người dùng – GUI...29

CHƯƠNG 4 . THI CƠNG MƠ HÌNH, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...49

5.1 Kết luận...49

5.2 Hướng phát triển...49

TÀI LIỆU THAM KHẢO...51

<b>Danh sách hình ảnh</b>

Hình 2.1. Bộ điều khiển PID Hình 2.2. Sơ đồ điều khiển hệ thống Hình 3.1. Sơ đồ khối

Hình 3.2. Sơ đồ mơ phỏng trên Proteus

Hình 3.3. Mạch phát hiện điểm 0 mơ phỏng trên Proteus Hình 3.4. Mạch phát hiện điểm 0 mơ phỏng dạng sóng Hình 3.5. Dạng sóng ngõ ra của mạch phát hiện điểm 0 Hình 3.6. Mạch kích Triac mơ phỏng trên Proteus Hình 3.7. Chu ký hoạt động của điện áp xoay chiều Hình 3.8. Quan hệ góc mở Triac và thời gian Hình 4.3. Hình ảnh bên ngồi lị nhiệt Hình 4.4. Hình ảnh bên trong lị nhiệt Hình 4.5. Giao diện TAB1

Hình 4.6. Giao diện TAB2 Hình 4.7. Giao diện TAB3

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Hình 4.8. Chương trình nhận dữ liệu từ Arduino gửi sang GUI Hình 4.9. Chương trình truyền dữ liệu từ GUI sang Arduino Hình 4.10. Kết quả thực nghiệm

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>Danh sách bảng</b>

Bảng 2.1. Điều khiển hệ thống phụ thuộc vào các thông số PID Bảng 3.1. Linh kiện trong hệ thống

Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật Arduino Uno Bảng 3.3. Sơ đồ chân của LM35 Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật LM35 Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật của đèn Bảng 3.6. Sơ đồ chân Moc3021 Bảng 3.7. Thông số kỹ thuật

Bảng 3.8. Thông số kỹ thuật OPTO PC817

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đề</b>

Vấn đề của đề tài "Điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID" là tìm hiểu và áp dụng phương pháp điều khiển PID vào hệ thống lò nhiệt để đạt được mục tiêu điều khiển nhiệt độ hiệu quả.

Lò nhiệt là một hệ thống điều khiển nhiệt độ thông qua việc điều chỉnh nguồn nhiệt đến một q trình hay một khơng gian nhất định. Việc điều khiển nhiệt độ chính xác trong lò là một yếu tố quan trọng trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như trong công nghiệp, nghiên cứu khoa học, y học, và nhiều lĩnh vực khác.

Phương pháp điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một phương pháp điều khiển phổ biến và mạnh mẽ trong ngành tự động hóa. Nó kết hợp ba thành phần cơ bản: tỷ lệ, tích phân và vi phân để tạo ra tín hiệu điều khiển phù hợp. Tín hiệu điều khiển này được tính tốn dựa trên sai số giữa giá trị đặt và giá trị đo của nhiệt độ, và được sử dụng để điều chỉnh nguồn nhiệt vào lò nhiệt.

Vấn đề của đề tài này là đảm bảo rằng hệ thống điều khiển PID đáp ứng đúng yêu cầu và đạt được hiệu suất tối ưu trong việc điều khiển nhiệt độ trong lò. Cần xác định và giải quyết các thách thức có thể phát sinh trong việc cài đặt và điều chỉnh hệ thống PID, bao gồm cân bằng giữa độ ổn định và thời gian phản hồi, phản hồi chậm, tác động nhiễu, và hiệu ứng tương tác giữa các thành phần PID.

Tóm lại, vấn đề của đề tài "Điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID" là nghiên cứu và áp dụng phương pháp điều khiển PID vào hệ thống lò nhiệt để đạt được sự ổn định và chính xác trong điều khiển nhiệt độ.

Xây dựng một bộ điều khiển nhiệt độ hiệu quả cho lị nhiệt, giúp duy trì nhiệt độ ổn định và chính xác trong q trình hoạt động. Phương pháp điều

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

khiển PID được áp dụng để cải thiện tính ổn định và độ chính xác của hệ thống điều khiển nhiệt độ, đồng thời giảm thiểu sai số điều khiển cho hệ thống.

Các mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

- Thiết kế và xây dựng bộ điều khiển nhiệt độ lò nhiệt sử dụng phương pháp PID.

- Đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển nhiệt độ, đảm bảo nhiệt độ được duy trì ổn định và chính xác trong suốt quá trình hoạt động. - So sánh hiệu quả và độ chính xác của hệ thống điều khiển nhiệt độ sử

dụng phương pháp PID so với phương pháp điều khiển cổ điển. - Đề xuất các cải tiến và phát triển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ sử

dụng phương pháp PID trong tương lai.

<b>1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu</b>

- Điều khiển nhiệt độ của lò nhiệt có cơng suất nhỏ.

- Lị nhiệt là mơ hình phi tuyến. Đặc trưng của lị nhiệt có đặc tính là khâu quán tính bậc cao, được xấp xỉ về khâu qn tính bậc nhất có khâu trễ pha.

<b>1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước</b>

Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước về đề tài "Bộ điều khiển nhiệt độ lò nhiệt sử dụng phương pháp PID" đã đạt được một số kết quả đáng chú ý. Đây là một lĩnh vực quan trọng trong ngành tự động hóa và điều khiển, nhằm điều chỉnh và duy trì nhiệt độ ổn định trong lị nhiệt.

Trong nước, cũng đã có một số nghiên cứu về bộ điều khiển nhiệt độ lò nhiệt sử dụng phương pháp PID. Các nghiên cứu này thường tập trung vào áp dụng PID truyền thống và tinh chỉnh thủ công các thông số PID để đạt được hiệu suất tốt. Một số phương pháp tinh chỉnh PID đã được đề xuất như phương pháp Ziegler-Nichols và phương pháp áp dụng thuật tốn thơng minh như thuật tốn tối ưu hóa và thuật tốn di truyền.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Ngoài nước nhiều nghiên cứu đã được tiến hành với mục tiêu nâng cao hiệu suất và độ chính xác của bộ điều khiển nhiệt độ lò nhiệt sử dụng phương pháp PID. Các phương pháp tối ưu hóa PID đã được áp dụng để cải thiện hiệu suất điều khiển và giảm đáng kể sai số. Một số nghiên cứu cụ thể đã tập trung vào việc cải thiện độ phân giải và tốc độ phản hồi của bộ điều khiển, tăng cường khả năng chống nhiễu và ổn định của hệ thống.

Ngoài ra, một số nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển dự báo, điều khiển phân tầng và điều khiển mơ hình hóa. Các phương pháp này có thể cung cấp khả năng dự báo và tương tác linh hoạt hơn với mơi trường lị nhiệt, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất và độ chính xác của hệ thống điều khiển nhiệt độ.

Thực hiện hệ thống lò nhiệt bằng phương pháp PID bao gồm các bước chính sau:

- Bước 1: Xác định mục tiêu điều khiển nhiệt độ: Đầu tiên, xác định mục tiêu nhiệt độ muốn đạt được trong lò nhiệt. Điều này sẽ được dùng làm tham số đầu ra để điều khiển.

- Bước 2: Xây dựng và cài đặt thuật tốn điều khiển PID: Dựa trên thơng số PID đã xác định, xây dựng thuật toán điều khiển PID.

- Bước 3: Xác định thông số PID: Xác định các thông số PID tối ưu cho hệ thống điều khiển.

- Bước 4: Điều chỉnh và hiệu chỉnh PID: Điều chỉnh và hiệu chỉnh các thông số PID để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

- Bước 5: Kiểm tra và đánh giá hiệu suất: Tiến hành kiểm tra và đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển PID trên lò nhiệt thực tế. Đo và so sánh nhiệt độ thực tế với mục tiêu nhiệt độ để đánh giá độ chính xác và ổn định của hệ thống.

<i>- Bước 6: Tinh chỉnh và tối ưu hóa: Dựa trên kết quả đánh giá, tinh chỉnh</i>

và tối ưu hóa hệ thống điều khiển PID để cải thiện hiệu suất.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<b>CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Cơ sở lý thuyết về lò nhiệt</b>

Lò nhiệt là một thiết bị sử dụng năng lượng điện để tạo ra nhiệt độ cao, thường được sử dụng trong các ứng dụng như sưởi ấm không gian, sấy khô hoặc chảo nhiệt. Nguyên lý hoạt động của lò nhiệt dựa trên chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt năng thông qua các thành phần điện tử như mạch kích triac và mạch phát hiện điểm 0. Điện năng từ nguồn điện sẽ được điều khiển và biến đổi thành nhiệt độ cao để đáp ứng yêu cầu của quá trình sưởi ấm hoặc làm nóng.

Một lị nhiệt thơng thường bao gồm các thành phần chính sau: - Nguồn điện: Lị nhiệt sử dụng nguồn điện để cung cấp năng lượng cho

quá trình sưởi ấm hoặc làm nóng. Nguồn điện thường là một nguồn AC (điện áp xoay chiều).

- Mạch điều khiển: Mạch điều khiển trong lị nhiệt có nhiệm vụ điều khiển cơng suất đầu ra và duy trì nhiệt độ mong muốn. Mạch điều khiển thường được xây dựng với sự kết hợp của các thành phần điện tử như mạch kích triac và mạch phát hiện điểm 0, cùng với vi xử lý để xử lý tín hiệu và thực hiện các thuật toán điều khiển.

- Thiết bị chuyển đổi: Thiết bị chuyển đổi, như mạch kích triac, được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng điện thông qua lị nhiệt. Mạch kích triac cho phép điều chỉnh cơng suất đầu ra bằng cách kiểm soát thời gian dẫn của điện trong một chu kỳ điện áp AC. Khi thời gian dẫn tăng, công suất đầu ra tăng và ngược lại.

- Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để đo và giám sát nhiệt độ trong lị nhiệt. Các loại cảm biến nhiệt độ thơng thường bao gồm các cảm biến điện trở, cảm biến nhiệt độ quang điện hoặc cảm biến nhiệt độ hồ quang.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<b>2.2 Lý thuyết về bộ điều khiển PID</b>

2.2.1 Khái niệm

Bộ điều khiển PID là một hệ thống điều khiển tự động được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và điều khiển quá trình. PID là viết tắt của Proportional-Integral-Derivative, đại diện cho ba thành phần chính trong hệ thống này là: khâu khuyếch đại (P), khâu tích phân (I), khâu vi phân (D).

<i>Hình 2.1. Bộ điều khiển PID</i>

Một hệ thống với bộ điều khiển PID cơ bản:

<i>Hình 2.2. Sơ đồ điều khiển hệ thống</i>

Trong đó:

SP: Giá trị đặt

e(t): Sai số (e = SP – PVht) u(t): Tín hiệu điều khiển PV: Giá trị hiện tại của hệ thống <small>PVh</small> : Giá trị hồi tiếp

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hàm truyền của bộ điều khiển PID số có dạng:

2.2.2 Phương pháp điều khiển

 <i>Trong đề tài này nhóm sử dụng phương pháp điều chỉnh thủ công đểđiều khiển</i>

Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là thiết đặt giá trị đầu tiên của K và K bằng không. Tăng dần K cho<small>idp</small> đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, sau đó K có thể được đặt tới<small>p</small> xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạp đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ". Sau đó tăng K đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý. Tuy nhiên,<small>i</small> K<small>i</small> quá lớn sẽ gây mất ổn định. Cuối cùng, tăng K nếu cần thiết, cho đến khi<small>d</small> vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu. Tuy nhiên, K quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố. <small>d</small>

<i>Bảng 2.1. Điều khiển hệ thống phụ thuộc vào các thông số PID</i>

<b>Thông số Thời gian</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>CHƯƠNG 3 . GIỚI THIỆU HỆ THỐNG3.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống</b>

Hệ thống "Điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID" là một ứng dụng của phương pháp điều khiển PID trong việc duy trì và điều chỉnh nhiệt độ của một lò nhiệt. Phương pháp PID (Proportional-Integral-Derivative) là một phương pháp điều khiển phổ biến và hiệu quả được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động.

Trong hệ thống "Điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID", mục tiêu là điều chỉnh nhiệt độ trong lò nhiệt để đạt được một giá trị đặt trước được xác định.

Khối xử lí chính sẽ được thực hiện trên bo mạch Arduino sử dụng vi điều khiển Arduino Uno. Trong hệ thống lò nhiệt, cảm biến nhiệt độ sử dụng để đo lường và cung cấp thông tin về mức nhiệt độ hiện tại. Thơng tin này sau đó được truyền cho bộ điều khiển để xử lý và đưa ra quyết định điều chỉnh góc mở của Triac với sự đồng bộ của mạch dị điểm 0 qua đó điều khiển nhiệt độ.

Hệ thống thiết kế một giao diện người dùng GUI dựa trên nền tảng Winform viết bằng ngôn ngữ C#. Giao diện người dùng này sẽ cung cấp cho người dùng về điều chỉnh các thông số PID, nhiệt độ đặt với vi điều khiển Arduino Uno đồng thời cũng nhận lại nhiệt độ, sai số, tín hiệu điều khiển từ Arduino Uno gửi về thông qua giao thức truyền thơng UART. Giao diện cịn cung cấp cho người dùng về biểu đồ của đáp ứng ngõ ra, sai sô, tín hiệu điều khiển thơng qua đó dễ dàng đánh giá được đáp ứng của hệ thống mà đưa ra các điều chỉnh về thông số PID.

Về giao thức truyền thông UART, giao thức này cung cấp một phương thức truyền thông đơn giản và đáng tin cậy, cho phép truyền dữ liệu giữa các thành phần của hệ thống. Những thông số lựa chọn như cổng COM, tốc độ truyền, data bit cũng sẽ được thiết lập trên giao diện người dùng – GUI.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

<b>3.2 Sơ đồ khối của hệ thống</b>

<i>Hình 3.2. Sơ đồ mô phỏng trên Proteus</i>

Chân A0 của Arduino nhận tín hiệu ADC thơng qua cảm biến LM35 được nối với mạch nguồn DC 12V để đọc nhiệt độ.

Chân PIN DIGITAL 7 được nối với chân 1 của mạch kích Triac, chân 2 của mạch Triac được nối vào GND.

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Ngõ ra của mạch phát hiện điểm 0 được nối vào chân DIGITAL 2, dùng trực tiếp nguồn 5V của Arduino để cấp nguồn cho mạch, chân transitor của OPTO được nối vào mass.

<b>3.3 Nguyên tắc hoạt động</b>

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống lò nhiệt dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt năng để tạo ra và duy trì một nhiệt độ mong muốn trong lị. Q trình hoạt động của hệ thống lị nhiệt có thể được mơ tả như sau:

 Nguồn cung cấp năng lượng sử dụng nguồn xoay chiều 220V.

 Mơi trường lị: dùng thùng xốp với kích thước 31cm x 21cm x 25cm để làm mơi trường lị chứa bóng đèn sợi đốt và cảm biến nhiệt. Kích thước hộp nhỏ đủ để đáp ứng được cho quá trình hoạt động của hệ thống.  Hệ thống điều khiển: sử dụng phương pháp điều khiển bằng PID

 Cảm biến nhiệt độ: Hệ thống lò nhiệt sử dụng cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ hiện tại trong lị. Cảm biến ở đây nhóm dùng LM35 gắn kết với bộ vi xử lý Arduino Uno để gửi tín hiệu về nhiệt độ hiện tại.

 Hệ thống điều chỉnh: Dựa trên tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, hệ thống điều khiển sẽ so sánh giá trị nhiệt độ hiện tại với giá trị đặc tính mục tiêu. Nếu có sai lệch, hệ thống điều khiển sẽ điều chỉnh góc mở Triac để giữ cho nhiệt độ trong lò ở mức mong muốn.

 Phản hồi và điều chỉnh: Q trình điều chỉnh được tiếp tục thơng qua phản hồi từ cảm biến nhiệt độ. Hệ thống điều khiển sẽ liên tục so sánh nhiệt độ hiện tại và nhiệt độ mục tiêu, và điều chỉnh nguồn cung cấp năng lượng hoặc mơi trường lị để duy trì nhiệt độ ổn định.

Quá trình này được lặp đi lặp lại để duy trì nhiệt độ mong muốn trong lị nhiệt. Các thơng số và thiết bị trong hệ thống lị nhiệt có thể được tinh chỉnh để đạt hiệu suất và đáp ứng tốt nhất cho quá trình nung hoặc xử lý nhiệt cụ thể.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Để hiểu rõ hơn vấn đề hoạt động của lò, chúng ta sẽ đi vào nguyên lý của từng khối mạch trong hệ thống

3.3.1 Mạch phát hiện điểm 0

<i>Hình 3.3. Mạch phát hiện điểm 0 mô phỏng trên Proteus</i>

Mạch phát hiện điểm 0 là một mạch điện được sử dụng để xác định thời điểm khi tín hiệu điện chuyển từ âm thành dương hoặc từ dương thành âm trong chu kỳ điện áp xoay chiều (AC). Nó sử dụng một cặp đầu dò để giám sát điện áp và phát hiện điểm zero crossing (điểm 0). Khi mạch phát hiện điểm 0 nhận được tín hiệu điện từ đầu dị, nó sẽ gửi một tín hiệu đến bộ điều khiển để đồng bộ hóa hoạt động của các thiết bị điện trong hệ thống.

<i>Nguyên lý hoạt động:</i>

 Khi cấp điện áp xoay chiều 220V qua cầu diode, ta thu được điện áp với bán kỳ dương dao động tần số f=50Hz, tức chu kỳ dao động là T=0.02s=20ms. Dòng điện qua cầu diode tới zener có V =4.7V. Khi<small>z</small> V<small>diode</small><V<small>z</small> thì điện áp chạy qua trở 470. Lúc này zener dẫn thuận và được xem như một diode bán dẫn bình thuờng. Cịn khi zener dẫn ngược thì được xem như một nguồn 4.7V cung cấp điện áp cho led trong OPTO PC817 phát sáng, kích dẫn chân 3 và 4 với nhau. Sau đó chân tín hiệu kết nối với vi điều khiển được nối xuống mass. Dựa vào điểm này, ta sử dụng ngắt ngoài của vi điều khiển để nhận biết tín hiệu đồng bộ của điện áp xoay chiều, tính góc mở của Triac. Q trình này lặp lại liên tục để phát hiện và thông báo về các điểm 0 trong tín hiệu điện xoay chiều.

 Nếu <small>VCD>5(V)⟹VED≈ 4.7(V )⟹</small> Led của OPTO sẽ sáng <small>⟹</small> Ngõ ra đưa vào Arduino là 0(V)

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

 Nếu <small>VCD<5(V )⟹ VED<4.7 (V )⟹</small> Led của OPTO khơng đủ dịng để sáng <small>⟹</small> Ngõ đưa vào Arduino lúc này là 5(V)

Tiến hành chạy mơ phỏng thu được các dạng sóng ngõ ra như Hình 3.5. Ở đây, nguồn cấp vào là 220V/50Hz, tại đầu ngõ ra sẽ có một nguồn DC 5V (như Hình 3.4). Khi mạch phát hiện được điểm 0, ta thấy trên Oscilloscope sẽ có xuât hiện xung tại ngõ ra, độ cao của xung cũng xấp xỉ 5V. Xung này sẽ đưa tín hiệu vào bộ điều khiển để nhận biết được

<i>Hình 3.4. Mạch phát hiện điểm 0 mơ phỏng trên proteus</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

3.3.2 Mạch kích Triac

<i>Hình 3.6. Mạch kích Triac mơ phỏng trên Proteus</i>

Mạch kích Triac sử dụng tín hiệu đầu vào từ các bộ điều khiển hoặc các cảm biến để kích hoạt Triac và điều khiển các thiết bị điện trong lị nhiệt. Nó giúp cho q trình hoạt động của lị nhiệt được tự động hóa hơn, tiết kiệm thời gian và giảm thiểu sự cố trong quá trình vận hành lị.

Tuy nhiên, việc sử dụng mạch kích tri ác cần phải được thực hiện cẩn thận và đảm bảo an tồn, bởi vì khi triac bị chập điện hoặc bị hỏng, nó có thể gây ra những rủi ro nghiêm trọng cho người và thiết bị trong lò nhiệt.

 Khi có tín hiệu điện áp từ vi điều khiển phát hiện được điểm 0 thì led của OPTO MOC3021 sẽ phát quang tạo hiện tượng hồ quang điện và kích dẫn chân 4 chân 6 vì thế sẽ có điện áp kích chân G của triac để đèn sáng

 Sự thay đổi của góc kích <small>α</small> quyết định cơng suất mở của triac. Khi góc kích <small>α</small> thay đổi thì điện áp đầu ra của triac cũng sẽ thay đổi. Góc kích <small>α=0</small> cơng suất đạt 100% triac mở hồn tồn, góc <small>α</small> lúc cơng suất đạt 50% triac mở một nửa, góc <small>α</small> lúc công suất đạt 0% triac ngưng dẫn. Ta điều khiển được góc kích khi tìm được điểm 0, tức là điểm giao nhau giữa chu kỳ âm và chu kỳ dương của điện áp xoay chiều. Quá trình được biểu thị ở Hình 3.6

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

<i>Hình 3.7. Chu kỳ hoạt động của điện áp xoay chiều</i>

Quan hệ góc mở triac với thời gian được mơ phỏng trong hình 3.7 bên dưới. Trong đó t là thời gia tương ứng với góc mở của triac, t là thời gian<small>12</small> xung kích của chân G để kích dẫn và t là khoảng thời gian mà dịng điện<small>3</small> đóng ngắt trong nữa chu kỳ. Trong thời gian t , tải không được cấp điện nên<small>1</small> ngõ ra bằng 0, sau thời gian t VDK cấp 1 xung làm cho dòng dương chạy<small>1</small> trong nửa chu kỳ đầu còn lại, sau khi hết nửa chu kỳ đầu thì triac ngưng hoạt đơng, ngõ ra bằng 0. Tại đây sau thời gian t , triac tiếp tục dẫn và dẫn dòng<small>1</small> trong nửa chu kỳ còn lại.

Dòng hiệu dụng được cấp cho bóng đèn tính bằng cơng thức:

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Tên linh kiện Thông số Số lượng Arduino Uno Điện áp hoạt động:

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

Triac BTA16 Điện áp cực đại: 600V

Dịng tối đa: 50A Cơng suất tiêu thụ:

<b> Thông số kỹ thuật chi tiết các linh kiện Vi điều khiển arduino uno</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

<i>Hình 3.9. Arduino Uno</i>

Arduino Uno được xây dựng với phần nhân là vi điều khiển ATmega328P, sử dụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz.

Với vi điều khiển này, tổng cộng có 14 pin (ngõ) ra/vào được đánh số từ 0 tới 13 (trong đó có 6 pin PWM, được đánh dấu ~ trước mã số của pin). Song song đó, có thêm 6 pin nhận tín hiệu analog được đánh kí hiệu từ A0 đến A5, 6 pin này cũng có thể sử dụng được như các pin ra/vào bình thường (như pin 0 - 13). Ở các pin được đề cập, pin 13 là pin đặc biệt vì nối trực tiếp với LED trạng thái trên board.

Trên board cịn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn.

Thông số kỹ thuật của Arduino board được tóm tắt trong bảng sau:

<i>Bảng 3.2. Thơng số kỹ thuật Arduino Uno</i>

Digital I/O pins 14 (trong đó: 6pin có khả năng băm

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O

LM35 là một cảm biến nhiệt độ tương tự, điện áp ở đầu ra của cảm biến tỷ lệ với nhiệt độ tức thời và có thể dễ dàng được xử lý để có được giá trị nhiệt độ bằng độ C.

Ưu điểm của LM35 là nó khơng u cầu bất kỳ hiệu chuẩn bên ngồi nào. Lớp vỏ cũng bảo vệ nó khỏi bị quá nhiệt. Chi phí thấp và độ chính xác cao.

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

Hình 3.10 cho thấy được hình dạng và sơ đồ chân của cảm biến

1 V<small>cc</small> hay +V<small>s</small> Chân cấp nguồn với điện áp từ 4V đến 30V 2 V<small>out</small> Chân lấy điện áp ra, điện áp ở chân này thay đổi

10mV/<small>° C</small>

<i>Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật của LM35</i>

Nhiệt độ thay đổi tuyến tính 10mV/<small>° C</small> Khoảng nhiệt độ đo được <small>−55 ° C đến 150°</small>

Độ tự gia nhiệt Thấp, khoảng 0.08<small>° C</small> trong khơng khí tĩnh

Trở kháng ngõ ra Nhỏ, 0.2<small>Ω</small> với dòng tải 1mA

<i>Nguyên lý hoạt động của cảm biến LM35:</i>

 Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị điện áp nhất định tại chân V (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ. Như vậy, bằng cách<small>out</small> đưa vào chân bên trái của cảm biến LM35 điện áp 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở chân giữa, bạn sẽ có được nhiệt độ (0-100ºC) tương ứng với điện áp đo được.

</div>