CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG NHệNG
1.1.1 Sự ra đời của hệ thống nhúng
Hệ thống nhúng (embedded system) là một hệ thống tự trị được tích hợp vào môi trường hoặc hệ thống mẹ, bao gồm cả phần cứng và phần mềm Chúng phục vụ cho các ứng dụng chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, tự động hóa, quan trắc và truyền tin Đặc điểm nổi bật của các hệ thống nhúng là tính ổn định cao và khả năng tự động hóa mạnh mẽ.
Hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện các chức năng chuyên biệt, khác với máy tính đa chức năng như máy tính cá nhân Chúng chỉ thực hiện một hoặc vài nhiệm vụ cụ thể, đi kèm với yêu cầu riêng và sử dụng phần cứng chuyên dụng Việc tối ưu hóa cho những nhiệm vụ nhất định giúp giảm kích thước và chi phí sản xuất, đồng thời cho phép sản xuất hàng loạt với số lượng lớn Hệ thống nhúng rất đa dạng, từ thiết bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kỹ thuật số và máy chơi nhạc MP3, đến các sản phẩm lớn như đèn giao thông và hệ thống kiểm soát năng lượng hạt nhân Độ phức tạp của hệ thống nhúng cũng rất khác nhau, có thể chỉ với một vi điều khiển đơn giản hoặc phức tạp với nhiều đơn vị và thiết bị ngoại vi trong một lớp vỏ máy lớn.
Các thiết bị PDA và máy tính cầm tay có những đặc điểm tương tự với hệ thống nhúng, như hệ điều hành và vi xử lý điều khiển Tuy nhiên, chúng không phải là hệ thống nhúng thực sự vì là thiết bị đa năng, cho phép sử dụng nhiều ứng dụng và kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi.
Hệ thống nhúng đầu tiên, Apollo Guidance Computer, được phát triển bởi Charles Stark Draper tại MIT Năm 1961, máy hướng dẫn Autonetics D-17 trở thành hệ thống nhúng sản xuất hàng loạt đầu tiên, sử dụng bóng bán dẫn và đĩa cứng để lưu trữ dữ liệu Khi Minuteman II đi vào sản xuất năm 1996, D-17 đã được thay thế bằng máy tính mới sử dụng mạch tích hợp Thiết kế chính của máy tính Minuteman cho phép lập trình lại thuật toán, nâng cao độ chính xác của tên lửa, đồng thời kiểm tra tên lửa và giảm trọng lượng cáp điện cũng như đầu nối.
Từ những năm 1960, hệ thống nhúng đã có sự phát triển mạnh mẽ về giá cả và khả năng xử lý Bộ vi xử lý đầu tiên dành cho người tiêu dùng, Intel 4004, được phát minh để phục vụ cho máy tính điện tử và các hệ thống nhỏ, nhưng vẫn cần chip nhớ ngoài và hỗ trợ khác Đến cuối những năm 1970, các bộ xử lý 8 bit đã được sản xuất, tuy nhiên, chúng vẫn phụ thuộc vào chip nhớ bên ngoài.
Vào giữa thập niên 80, kỹ thuật mạch tích hợp phát triển mạnh mẽ, cho phép nhiều thành phần được tích hợp vào một chip xử lý, dẫn đến sự ra đời của các vi điều khiển Với giá thành thấp, vi điều khiển trở nên hấp dẫn cho việc xây dựng các hệ thống chuyên dụng, tạo ra một làn sóng bùng nổ trong số lượng hệ thống nhúng trên thị trường Nhiều chip xử lý đặc biệt xuất hiện với các giao diện lập trình đa dạng, thay thế cho kiểu song song truyền thống Đến cuối những năm 80, hệ thống nhúng đã trở nên phổ biến trong hầu hết các thiết bị điện tử và xu hướng này vẫn tiếp tục cho đến ngày nay.
Hệ thống nhúng được định nghĩa là một hệ thống thực hiện các chức năng đặc biệt với sự hỗ trợ của vi xử lý.
Không có hệ thống nhúng nào chỉ có phần mềm
1.1.2 Đặc điểm và ứng dụng của hệ thống nhúng
1.1.2.1 Đặc điểm của hệ thống nhúng
Hệ thống nhúng thường không phải là một khối riêng biệt mà là một hệ thống phức tạp nằm trong thiết bị mà nó điều khiển
Các hệ thống nhúng thường có phần cứng và phần mềm bị giới hạn hơn so với máy tính cá nhân, với những hạn chế về khả năng xử lý, tiêu thụ điện năng, bộ nhớ và chức năng phần cứng Phần mềm trong các hệ thống này thường hỗ trợ ít ứng dụng và có thể bị thu gọn tính năng hoặc không có hệ điều hành Tuy nhiên, hiện nay, các hệ thống nhúng đã được cải thiện đáng kể với thiết kế phức tạp và tính năng phong phú hơn Phần mềm của chúng, được lưu trữ trên các bộ nhớ ROM và Flash, được gọi là Firmware.
Hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên biệt, khác biệt với máy tính cá nhân và siêu máy tính có khả năng thực hiện nhiều chức năng phức tạp Sự chuyên dụng này không chỉ nâng cao tính dễ sử dụng mà còn giúp tiết kiệm tài nguyên Hệ thống cũng có khả năng cảm nhận môi trường thông qua các cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và trọng lượng, sử dụng tín hiệu điện để phát hiện nhiễu điện từ.
Tác động trở lại môi trường (hú còi báo động khi phát hiện khói trong tòa nhà…)
Tốc độ tương tác phải đáp ứng thời gian thực (hệ thống còi báo hỏa, hệ thống chống trộm trên ô tô,…)
Hệ thống nhúng có thể không cần giao diện người dùng phức tạp như máy tính cá nhân Thay vào đó, chúng thường sử dụng các thiết bị đơn giản như LCD nhỏ, Joystick, LED, và nút bấm, đi kèm với menu đơn giản Hiện nay, việc kết nối đến hệ thống nhúng qua giao diện Web giúp giảm chi phí cho màn hình, đồng thời vẫn đảm bảo khả năng hiển thị và nhập liệu thuận tiện qua mạng và máy tính khác.
Các thiết bị nhúng yêu cầu cao về chất lượng, tính ổn định và độ tin cậy, vì lỗi trong hệ thống có thể gây ra tai nạn nghiêm trọng như trong điều khiển máy bay, tên lửa hay ô tô Một số lỗi có thể không sửa chữa được, như trên vệ tinh nhân tạo, trong khi việc sửa chữa có thể tốn kém đáng kể Do đó, quy trình kiểm tra và kiểm thử trong phát triển hệ thống nhúng cần phải rất cẩn thận Đối với các hệ thống yêu cầu độ tin cậy cao, việc trang bị hệ thống dự phòng là điều cần thiết.
1.1.2.2 Các ứng dụng của hệ thống nhúng
Với những ƣu điểm vƣợt trội của mình thì hệ thống nhúng đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực nghiên cứu và tự động
Một số ví dụ điển hình về hệ thống nhúng
Các hệ thống dẫn đường trong không lưu, hệ thống định vị toàn cầu, vệ tinh Các thiết bị gia dụng: tủ lạnh, lò vi sóng, lò nướng,…
Các thiết bị kết nối mạng: router, hub, gateway,…
Các thiết bị văn phòng: máy photocopy, máy fax, máy in, máy scan,…
Các thiết bị y tế: máy thẩm thấu, máy điều hòa nhịp tim,…
Các máy trả lời tự động
Dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp, robots
Hình 1.1 Một số thiết bị nhúng thông dụng
Mỗi hệ thống nhúng đều có một kiến trúc thổng thể nhƣ sau:
Hình 1.2 Kiến trúc tổng thể của hệ thống nhúng Hardware
Vi xử lý, bộ nhớ, tụ điện, điện trở, mạch tích hợp, bảng mạch in, connector,
… Tất nhiên, đây là thành phần bắt buột phải có cho tất cả các hệ thống nhúng Nói thêm về bộ vi xử lý trong Hệ thống nhúng:
Bộ vi xử lý được thiết kế đặc biệt, tập trung vào phần xử lý chính và cho phép linh hoạt thay đổi các thành phần ngoại vi.
Vi điều khiển :Đƣợc tích hợp các thành phần ngoại vi trên chip để giảm kích thước hệ thống
SoC (Hệ thống trên Chip) là một vi mạch tích hợp cao, hỗ trợ xử lý đa nhân và nhiều giao tiếp trên cùng một chip, giúp rút ngắn thời gian thiết kế hệ thống Nó có thể được sử dụng như một mạch tích hợp cho ứng dụng cụ thể (ASIC) hoặc mạch logic khả trình (FPGA).
Không bắt buộc phải có
Device driver: UART, Ethernet, ADC…
Hệ điều hành nhúng: eCos, ucLinux, VxWorks, Monta Vista Linux, BIOS, QNX…
Quản lý bộ nhớ, quản lý tiến trình, quản lý chia sẽ tài nguyên
Có thể tái sử dụng trên một hệ thống nhúng khác
Không bắt buộc phải có
Quyết định hành vi (chức năng) của một hệ thống nhúng
Khó tái sử dụng trên một hệ thống nhúng khác
1.1.2.4 Tình hình phát triển và các thiết bị nhúng
Hệ thống nhúng là sự kết hợp tối ưu giữa phần cứng và phần mềm, thường hoạt động trong thời gian thực và có những yêu cầu khắt khe về bộ nhớ, chi phí và độ tin cậy Chúng rất đa dạng về kích thước và khả năng tính toán, đồng thời phải hoạt động hiệu quả trong môi trường khắc nghiệt với độ ẩm và rung lắc cao Ví dụ điển hình bao gồm các hệ thống điều khiển máy diesel cho tàu biển và thiết bị cảnh báo cháy nổ trong hầm lò Các hệ thống nhúng lớn thường được kết nối mạng, như trong máy bay và tàu vũ trụ, nơi nhiều mạng nhúng phối hợp để kiểm soát hoạt động Trong ô tô hiện đại, có hơn 80 nút mạng kết nối các cảm biến và cơ cấu chấp hành, đảm bảo an toàn và sự thoải mái cho người sử dụng.
Thiết kế hệ thống nhúng là sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm, trong đó phương pháp truyền thống thường xác định các chức năng của phần mềm và phần cứng trước, sau đó thiết kế độc lập cho từng khối Hiện nay, các hệ thống tự động hóa thiết kế (CAD) chủ yếu tập trung vào phần cứng, nhưng với sự phát triển của công nghệ như vi xử lý, DSP, mạng và các chuẩn giao thức, xu hướng thiết kế hệ nhúng đang yêu cầu sự linh hoạt hơn trong việc phối hợp giữa phần cứng và phần mềm Để đạt được thiết kế tối ưu, quá trình phát triển phần mềm và phần cứng cần phải được liên kết chặt chẽ và có khả năng điều chỉnh sau mỗi lần thử nghiệm chức năng Thiết kế hệ thống nhúng đòi hỏi kiến thức đa ngành về điện tử, xử lý tín hiệu, vi xử lý, điều khiển và lập trình thời gian thực.
GIỚI THIỆU VỀ MÁY TÍNH NHệNG RAPSBERRY PI3
Raspberry Pi là một thẻ card được cắm trên bo mạch máy tính, được phát triển bởi các nhà phát triển ở Anh Nó đã được cải tiến thành một bo mạch đơn, hoạt động như một máy tính mini, nhằm mục đích giảng dạy môn khoa học máy tính tại các trường trung học.
Raspberry Pi Foundation là một tổ chức phi lợi nhuận với mục tiêu phát triển hệ thống mà nhiều người có thể sử dụng cho các công việc tùy chỉnh khác nhau.
Hình 1.5 Card cắm trên bo máy tính
Hình 1.6 Bo mạch phát triển lên thành một máy tính mini
Raspberry Pi 3 là một máy tính mini giá 35$ chạy hệ điều hành Linux, ra mắt vào tháng 2 năm 2012 Sản phẩm này được phát triển bởi tiến sĩ Eben Upton tại đại học Cambridge với mục tiêu cung cấp một chiếc máy tính giá rẻ cho học sinh, giúp họ dễ dàng tiếp cận và khám phá công nghệ thông tin Ban đầu, ông chỉ hy vọng bán được 1000 bo mạch cho các trường học, nhưng bất ngờ thay, Raspberry Pi đã bán hơn một triệu bo mạch chỉ trong chưa đầy một năm, chứng tỏ sức hút và thành công vượt ngoài mong đợi.
Raspberry Pi có giá chỉ 35$, là một bo mạch mạnh mẽ có khả năng thực hiện nhiều ứng dụng hàng ngày như lướt web, học lập trình, xem phim HD, và thậm chí là những dự án sáng tạo như điều khiển robot hay xây dựng nhà thông minh.
Raspberry Pi sử dụng hệ điều hành Linux, cho phép thực hiện hầu hết các tác vụ tương tự như trên máy tính Windows, với ưu điểm nổi bật là hoàn toàn miễn phí.
Raspberry Pi được trang bị 40 ngõ GPIO, cho phép kết nối và điều khiển các thiết bị thực tế như đèn, động cơ và GPS Nhiều ứng dụng nhà thông minh hiện nay đã sử dụng Raspberry Pi làm bộ điều khiển trung tâm.
Raspberry Pi là một thiết bị nhỏ gọn, chỉ bằng kích thước thẻ ATM và nặng khoảng 50 gram Khi kết nối với tivi, nó có thể trở thành một thiết bị giải trí thông minh, hoặc khi kết nối với màn hình, bàn phím và chuột, nó có thể hoạt động như một máy tính thực thụ Cộng đồng người dùng Raspberry Pi đang phát triển nhanh chóng, với hầu hết các thắc mắc được giải đáp kịp thời và hàng ngàn dự án cùng ý tưởng sáng tạo sẵn có.
Raspberry Pi, với những ưu điểm độc đáo, đã vượt ra ngoài môi trường học đường và trở thành thiết bị ưa chuộng của nhiều người đam mê điện tử và lập trình Sự thành công của nó đã đánh dấu một bước phát triển mới trong lĩnh vực tin học, giúp đưa máy tính và cảm hứng lập trình đến gần hơn với mọi người.
1.2.2 Các phiên bản của Raspberry Pi
Raspberry Pi ra mắt lần đầu vào tháng 2 năm 2012 và đã trải qua nhiều phiên bản nâng cấp phần cứng, phục vụ cho những mục tiêu khác nhau Các phiên bản được phát hành theo thứ tự là: Pi A, Pi A+, và Pi.
1 B → Pi 1B+ → Pi 2B → Pi Zero → Pi 3B
Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng của bạn như tốc độ, khả năng kết nối, giá cả và ứng dụng, bạn có thể chọn các sản phẩm Raspberry phù hợp Đối với nhu cầu lập trình và nghiên cứu thông thường, Raspberry là lựa chọn đơn giản và hiệu quả.
Raspberry Pi đáp ứng tốt nhu cầu của lập trình viên và còn phù hợp cho giải trí, cho phép xem phim HD chuẩn 1080p Chiếc máy tính mini này tiết kiệm điện và đã được người dùng kiểm chứng khả năng hoạt động liên tục 24 giờ Trong dự án này, tôi đã chọn mẫu Raspberry Pi 3B.
• Video: HDMI hỗ trợ phiên bản 1.3/1.4 và Composite RCA (PAL và NTSC)
• Audio: Cổng ra 3.5 và HDMI
• Camera: Connector 15-pin MIPI Camera Serial Interface (CSI-2)
• Display: Connector Display Serial Interface (DSI)
1.2.3 Cấu tạo của máy tính nhúng Raspberry Pi 3
Raspberry Pi là một dòng máy tính với kích thước chỉ bằng thẻ tín dụng, được phát triển bởi Raspberry Pi Foundation tại Anh Mục tiêu của nó là thúc đẩy giảng dạy khoa học máy tính cơ bản trong các trường học và hỗ trợ các nước đang phát triển.
Raspberry Pi sản xuất bởi 3 OEM: Sony, Qsida, Egoman Và đƣợc phân phối chính bởi Element14, RS Components và Egoman
Dự án Raspberry Pi ban đầu được thiết kế để tạo ra một máy tính giá rẻ cho sinh viên có khả năng lập trình Tuy nhiên, Raspberry Pi đã thu hút sự quan tâm từ nhiều đối tượng khác nhau Đặc điểm nổi bật của Raspberry Pi là được xây dựng dựa trên bộ xử lý SoC.
Broadcom BCM2835 là một chip xử lý di động mạnh mẽ với kích thước nhỏ, thường được sử dụng trong điện thoại di động Chip này tích hợp CPU, GPU, bộ xử lý âm thanh/video và nhiều tính năng khác trong một thiết kế tiết kiệm điện năng Mặc dù Raspberry Pi không thể thay thế hoàn toàn hệ thống máy tính để bàn hoặc laptop và không hỗ trợ chạy Windows do cấu trúc ARM của BCM2835, nó vẫn có thể hoạt động với Linux, cung cấp các tiện ích như lướt web và môi trường Desktop Raspberry Pi là một thiết bị đa năng, lý tưởng cho các hệ thống điện tử, dự án DIY và thiết lập hệ thống tính toán giá rẻ cho việc học lập trình.
Hình 1.8 Cấu trúc của Raspberry pi 3
Raspberry Pi 3 Model B, ra mắt vào tháng 2 năm 2016, là thế hệ thứ 3 và mới nhất của dòng sản phẩm Raspberry Pi Mẫu máy này có nhiều cải tiến đáng chú ý về cấu hình, mang đến hiệu suất tốt hơn cho người dùng.
CPU 64 bit quad-core bộ vi xử lý ARM Cortex A53, tốc độ 1.2GHz gấp 10 lần so với thế hệ đầu tiên
Tích hợp Bluetooth 4.1 ( sở hữu tính năng tiết kiệm năng lƣợng BLE)
Broadcom là nhà sản xuất chip (SoC) cho Raspberry Pi 3, với tên mã BCM2837, các bạn có thể xem trên board mạch So với đàn em trước Raspberry Pi
2, từ nay mình gọi tắt Raspberry Pi là Raspi nhé, Raspi 3 mang theo những gì đàn em Raspi 2 có bao gồm:
GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM AM2315
Hình 1.22 cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Am2315
Cảm biến độ ẩm điện dung AM2315 là một thiết bị kỹ thuật số tích hợp cảm biến nhiệt độ DS18B20 và cảm biến độ ẩm, với vi điều khiển bên trong thực hiện các phép đo và cung cấp giao diện I2C đơn giản cho việc đọc dữ liệu Thiết kế của cảm biến này nổi bật với khung hộp đẹp và khung lắp, mang lại độ tin cậy cao và ổn định lâu dài Khi sử dụng cảm biến AM2315 với i2cdetect trên Raspberry Pi hoặc I2CTest trên Arduino, cần lưu ý rằng thiết bị có chế độ ngủ và cần được đánh thức trước khi hoạt động.
Dòng điện tối đa sử dụng: 10mA
Đọc độ ẩm từ 0 -100% sai số 2%
Đọc nhiệt độ từ -20-80 độ C với sai số 0.1 độ C
Kích thước: đường kính 16mm dài 98mm
Các bạn có thể tìm hiểu kỹ Datasheet AM2315 hơn tại trang chính thức của thiết bị: http://www.aosong.com/asp_bin/Products/en/AM2315.pdf
Ngoài ra, các bạn cũng có thể sử dụng một số cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm khác nhƣ DHT11, DHT22…
Để kết nối cảm biến AM2315 với Raspberry Pi, hãy nối dây đỏ vào chân 5V (hoặc 3.3V), dây đen xuống đất, dây vàng vào chân SDA I2C và dây trắng vào chân SCL I2C Lưu ý rằng cảm biến không cho phép thay đổi địa chỉ I2C, nhưng bạn có thể sử dụng SwitchDoc Labs 4 Channel I2C Mux để hỗ trợ nhiều thiết bị trong một dự án Ngoài ra, 4 kênh I2C Mux cũng có thể chuyển đổi bus I2C 3.3V của Raspberry Pi sang 5.0V.
Hai điện trở 10Kohm đƣợc nối vào trên 2 bus I2C đƣợc yêu cầu để sử dụng để kết nối từ các đường SDA và SCL đến dây nguồn.
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỔI KHÍ LẠNH BẰNG SÕ NÓNG LẠNH TEC12706AJ
Hình 1.24 cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Am2315
Hệ thống thổi khí lạnh sử dụng sò nóng lạnh TEC12706 bao gồm 4 sò nóng lạnh hiệu suất cao TEC12706AJ được lắp ráp thành khối trụ kín, kèm theo quạt thổi khí lạnh ra ngoài từ mặt đáy Hệ thống này sử dụng hai tản nhiệt bằng nước kích thước 40x80mm, lắp đặt ở hai bên hông và có bơm để duy trì tuần hoàn nước, giúp nâng cao hiệu quả tản nhiệt trong quá trình hoạt động.
Hệ thống thổi khí lạnh TEC12706 được thiết kế nhỏ gọn, chắc chắn và bền bỉ, dễ dàng lắp đặt, phù hợp cho các mô hình hoặc không gian nhỏ và vừa.
Quạt thổi khí tốc độ cao ở mặt đáy
Tản nhiệt bằng nhôm, thép không gỉ, kích thước: 40x80mm nối tuần hoàn
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ
2.1.1 Khái niệm về nhiệt độ:
Nhiệt độ phản ánh cường độ chuyển động của các nguyên tử và phân tử trong vật chất, với sự khác biệt tùy thuộc vào trạng thái (rắn, lỏng, khí) Trong trạng thái lỏng, các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng, dẫn đến việc chất lỏng không có hình dạng cố định Ngược lại, trong trạng thái rắn, các nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng mà không dịch chuyển xa Các chuyển động này được gọi là chuyển động nhiệt Khi có sự tương tác với môi trường bên ngoài mà không sinh công, quá trình trao đổi năng lượng này được gọi là sự truyền nhiệt, tuân theo nguyên lý bảo toàn năng lượng.
Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Trong trạng thái rắn, quá trình truyền nhiệt chủ yếu diễn ra qua dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt Đối với chất lỏng và khí, ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt, còn có sự truyền nhiệt bằng đối lưu, là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt thông qua việc di chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau do chênh lệch về tỉ trọng.
Từ xa xưa, con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ của nó thông qua việc đo và xác định nhiệt độ bằng các đơn vị đo phù hợp với từng thời kỳ.
Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ được xác định theo từng khu vực và giai đoạn phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay, chúng ta chủ yếu sử dụng ba thang đo nhiệt độ chính.
Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )
Ba thang đo nhiệt độ phổ biến hiện nay là Fahrenheit, Celsius và Kelvin Trong đó, thang đo Kelvin (K) được công nhận là một trong bảy đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc tế (SI) Công thức chuyển đổi giữa các thang đo này là T(0F) = T(0K) – 459,67, cho phép chúng ta đánh giá và so sánh nhiệt độ một cách chính xác.
C Sơ lược về phương pháp đo nhiệt độ:
Nhiệt độ là đại lượng được đo gián tiếp thông qua các đặc tính vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ Hiện nay, có nhiều nguyên lý cảm biến nhiệt độ như nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, và phương pháp quang dựa trên phổ bức xạ nhiệt Có hai phương pháp đo chính: phương pháp tiếp xúc cho dải nhiệt độ thấp và trung bình, sử dụng thiết bị như nhiệt điện trở và cặp nhiệt; và phương pháp không tiếp xúc cho dải nhiệt độ cao, với các thiết bị như cảm biến quang và hoả quang kế.
2.1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
A Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở:
Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ dựa vào sự thay đổi điện trở của một số kim loại theo nhiệt độ Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của kim loại cũng biến đổi, từ đó cho phép chúng ta đo được nhiệt độ cần xác định.
Nhiệt điện trở được sử dụng trong các thiết bị đo nhiệt độ với dòng phụ tải nhỏ, nhằm đảm bảo rằng nhiệt năng sinh ra từ dòng điện trở không vượt quá nhiệt năng nhận từ môi trường thí nghiệm.
Vật liệu chuyển đổi trong nhiệt điện trở cần có hệ số nhiệt độ cao và ổn định, cùng với điện trở suất lớn để đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt.
Trong công nghiệp nhiệt điện trở đƣợc chia thành nhiệt điện trở kim loại và nhiệt điện trở bán dẫn
B Nhiệt điện trở kim loại:
Quan hệ giữa nhiệt điện trở và nhiệt độ là tuyến tính, cho thấy tính lặp lại cao, điều này giúp thiết bị có cấu tạo đơn giản Nhiệt điện trở kim loại thường có dạng dây hoặc màng mỏng, với điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ Điện trở kim loại được chia thành hai loại.
-Kim loại thường (Cu, Ni…)
Platin được sản xuất với độ tinh khiết cao, giúp nâng cao độ chính xác của các đặc tính điện trở Với tính chất trơ về mặt hóa học và ổn định tinh thể, platin hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ rộng Thêm vào đó, platin có tính lặp lại rất cao, với sai số ngẫu nhiên thấp dưới 0,01% và độ sai khác chỉ 0,01 độ C.
Niken có độ nhạy cao hơn Platin, nhưng tính chất hóa học của Niken khiến nó dễ bị oxy hóa khi nhiệt độ tăng, do đó dải nhiệt độ làm việc của Niken bị hạn chế.
Nhiệt điện trở 2500C có giá thành rẻ và đáp ứng tốt về mặt kỹ thuật, nên thường được sử dụng Đồng được ưa chuộng nhờ vào độ tuyến tính cao khi thay đổi nhiệt độ, tuy nhiên, hoạt tính hóa học lớn của đồng giới hạn dải nhiệt độ làm việc dưới 180 0C Để đạt độ nhạy cao, nhiệt điện trở cần có điện trở lớn, điều này yêu cầu giảm tiết diện và tăng chiều dài dây Các nhiệt điện trở kim loại thường có điện trở khoảng 100Ω ở 0 0C, và các loại có trị số lớn thường được sử dụng để đo ở nhiệt độ thấp nhằm đạt độ nhạy cao Đối với ứng dụng công nghiệp, nhiệt điện trở cần có vỏ bọc chắc chắn, chịu va chạm và rung động mạnh Đối với bạch kim, mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ trong khoảng từ 0 - 660 0C được biểu diễn bằng một công thức cụ thể.
Trong đó Ro là nhiệt độ ở 00C Đối với bạch kim tinh khiết thì: A = 3,940.10-3/ 0C
Trong khoảngtừ -190 - 00C thì quan hệ giữa điện trở của bạch kim với nhiệt độ có dạng: Rt = { 1+At+Bt2+C(t-100)3
Trong đó C = -4,10.10-12/ 0C Đối với đồng ta có công thức: Rt = Ro(1+αt)
Trong đó: Ro - điện trở ở nhiệt độ 00C α - hệ số nhiệt độ đối với khoảng nhiệt độ bắt đầu từ 00V bằng 4,3.10-3/0C
Trong khoảng nhiệt độ từ -500C - 1500C Loại này có thể dùng đƣợc trong các môi trường có độ kiềm và khí ăn mòn
Trong thực tế có loại nhiệt điện trở TCM-0879-01T3 bằng đồng công thức mô tả: Rt = 50(1+4,3.10-3T) (Ω)
C Nhiệt điện trở bán dẫn:
Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo từ hỗn hợp các oxit kim loại như CuO và MnO Đặc điểm nổi bật của một số nhiệt điện trở bán dẫn là mối quan hệ Rt = A.e^(B/T).
Trong đó A: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bấn dẫn, kích thước và hình dạng của vật
B: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn T: Nhiệt độ Kenvin của nhiệt điện trở
Nhược điểm chính của nhiệt điện trở bán dẫn là hệ số phi tuyến giữa điện trở và nhiệt độ, điều này gây khó khăn trong việc thiết lập thang đo tuyến tính và dễ dẫn đến nhầm lẫn giữa các nhiệt điện trở trong quá trình sản xuất hàng loạt.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ ẨM
2.2.1 Khái niệm chung Độ ẩm (thủy phần) là hàm lượng nước tự do có trong mẫu
Biết đƣợc độ ẩm là một điều quan trọng trong công tác phân tích giá trị dinh dƣỡng và chất lƣợng thực phẩm
Về phương diện dinh dưỡng: độ ẩm càng cao, chất lượng dinh dưỡng càng thấp và ngƣợc lại
Về phương diện xác định chất lượng thực phẩm và khả năng bảo quản thực ph
2.2.2 Đo độ ẩm bằng phương pháp sấy khô
Sử dụng sức nóng để làm bay hơi hoàn toàn hơi nước trong mẫu thực phẩm Sau đó, cân trọng lượng của mẫu trước và sau khi sấy khô để tính toán phần trăm nước có trong thực phẩm.
Dụng cụ vật liệu và thuốc thử
- Tủ điều chỉnh đƣợc nhiệt độ (1000C – 1050C)
- Bình hút ẩm phía dưới để chất hút ẩm (CaCl2, Na2SO4 khan, H2SO4 đậm đặc hoặc Silicagen …)
- Đũa thủy tinh đầu bẹt, dài khoảng 5 cm
- Na2SO4 hoặc cát sạch
Để chuẩn bị cát, trước tiên cần đổ cát qua dây có lỗ đường kính 4 – 5mm Sau đó, rửa cát bằng nước máy và tiếp tục rửa bằng HCl bằng cách trộn acid với cát (tỉ lệ một phần acid một phần cát) Để hỗn hợp này qua đêm, sau đó rửa cát bằng nước máy cho đến khi hết acid (kiểm tra bằng giấy quỳ) Cuối cùng, rửa cát bằng nước cất, sấy khô, và lọc qua dây có lỗ đường kính 1 – 1,5 mm trước khi nung ở lò nung ở nhiệt độ 550 độ C.
6000C để loại chất hữu cơ Giữ cát trong lọ đậy kín
Để thực hiện thí nghiệm, bạn cần chuẩn bị một cốc thủy tinh chứa từ 10 đến 20g cát sạch và một đũa thủy tinh bẹt đầu Tiến hành sấy cốc ở nhiệt độ 100 – 103°C cho đến khi trọng lượng không thay đổi Sau đó, để cốc nguội trong bình hút ẩm và cân trọng lượng chính xác đến 0,0001g.
Sau đó cho vào cốc khoảng 10g mẫu Cân tất cả ở cân phân tích với độ chính xác nhƣ trên
Dùng que thủy tinh trộn đều thuốc thử với cát Dàn đều thành lớp mỏng
Đặt tất cả nguyên liệu vào tủ sấy ở nhiệt độ 100 – 1030C và sấy liên tục cho đến khi trọng lượng không thay đổi, thường kéo dài tối thiểu 6 giờ Trong quá trình sấy, mỗi giờ sử dụng đũa thủy tinh có đầu bẹt để nghiền nhỏ các phần vón cục, sau đó dàn đều và tiếp tục sấy.
Sấy xong, làm nguội trong bình hút ẩm (20 -25 phút) và đem cân ở cân phân tích với độ chính xác nhƣ trên
Cho mẫu vào tủ sấy ở nhiệt độ 100 – 1030C trong 30 phút, sau đó để nguội trong bình hút ẩm trong khoảng 20 - 25 phút Tiến hành cân mẫu cho đến khi trọng lượng không thay đổi, với yêu cầu rằng kết quả giữa hai lần cân liên tiếp không được chênh lệch quá 0,5mg cho mỗi gam mẫu thử.
Để tính độ ẩm theo phần trăm, bạn có thể sử dụng công thức sau: X = (m1 – m2) * 100 / (m1 - m) Trong đó, m là trọng lượng của cốc cân, cát và đũa thủy tinh (g); m1 là trọng lượng của cốc cân, cát, đũa thủy tinh và mẫu trước khi sấy (g); và m2 là trọng lượng của cốc cân, cát, đũa thủy tinh và mẫu sau khi sấy (g).
Sai lệch giữa hai lần xác định song song không đƣợc lớn hơn 0,5% Kết quả cuối cùng là trung bình của 2 lần lặp lại song song
Trong trường hợp cần thiết, có thể áp dụng phương pháp sấy ở nhiệt độ 130°C trong 2 giờ hoặc sử dụng phương pháp sấy chân không ở nhiệt độ thấp Đối với mẫu lỏng, cần tiến hành bốc hơi nước trong nồi cách thủy cho đến khi khô trước khi đưa vào tử sấy.
Trong trường hợp không có cốc thủy tinh có nắp kín, có thể dùng cốc kim loại (nhôm) hay chén sứ
Khi sấy mẫu, có thể xảy ra sai số làm tăng độ ẩm do các chất bay hơi như tinh đầu, cồn, và acid bay hơi cùng với nước Ngoài ra, các hợp chất chứa đường và đạm có thể phân giải thành furfurol và amoniac, dẫn đến việc giảm tỷ lệ thủy phần trong mẫu.
Cũng có thể cho kết quả sai số do một số thành phần bị oxy hóa khi gặp không khí ở nhiệt độ cao (nhƣ mẫu có nhiều chất béo)
2.2.3 Đo độ ẩm bằng phương pháp chưng cất kín với một dung môi hữu cơ
Dùng một loại dung môi hữu cơ có 3 đặc tính:
- Có nhiệt độ sôi cao hơn nước một chút
- Không trộn lẫn với nước
Khi đun sôi dung môi hữu cơ đã trộn với mẫu, dung môi sẽ bốc hơi và kéo theo nước trong mẫu Khi gặp lạnh, dung môi và nước sẽ ngưng tụ ở ống đo, tạo thành hai lớp riêng biệt Để tính phần trăm nước có trong mẫu, ta đọc thể tích nước lắng ở phía dưới.
Dụng cụ vật liệu và thuốc thử
Dụng cụ cất cất để xác định độ ẩm bao gồm các bộ phận được lắp ráp bằng mối nối nhám hoặc nút lie (liege) kín Cần tránh sử dụng nút cao su vì cao su có khả năng hòa tan trong dung môi hữu cơ.
- Bi thủy tinh hoặc đá bọt
- Toluol (toluen) tinh khiết (độ sôi: 1100C) hoặc xylen tinh khiết (độ sôi: 138
Tùy thuộc vào độ ẩm của mẫu thử, hãy cân khoảng 5-10g mẫu trong chén cân khô bằng cân kỹ thuật có độ chính xác 0,01g để giải phóng 2-3ml nước Sau đó, cho mẫu thử vào bình chứa sẵn khoảng 50ml toluen và tráng chén cân hai lần bằng toluen, rồi đổ toluen đó vào bình Tiếp theo, thêm toluen vào bình cho đến khi đạt khoảng 100-150ml và cho thêm vài viên bi thủy tinh hoặc đá bọt vào.
Lắp máy cất và mở nước vào máy sinh hàn Đun cho toluen sôi mạnh để bốc hơi và kéo theo phần nước trong mẫu, sau đó ngưng tụ trong ống đo có khắc vạch Tiếp tục đun cho đến khi mực nước trong ống đo ổn định Nếu có giọt nước đọng trên thành ống, sử dụng ống thủy tinh mảnh để đưa giọt nước xuống.
Trong ống đo, nước và toluen chia thành hai phần rõ rệt, nước ở phía dưới và toluen ở phía trên, sau khi để nguội đọc thể tích trong ống đo
Tính k t qu Độ ẩm theo phần trăm tính theo công thức: X = m x 100/m0
X: phần trăm độ ẩm m: trọng lượng nước trong ống đo (g) m0: trọng lượng mẫu đem phân tích (g)
Vì thể tích và trọng lượng nước gần bằng nhau nên có thể coi số gam nước cũng tương đương với số ml nước
Khi toluen hoặc xylen có lẫn nước, cần lắp máy và tiến hành chưng cất dung môi mà không có mẫu thử cho đến khi lượng nước trong ống đo không thay đổi Sau đó, để nguội và đọc thể tích trong ống đo; tiếp theo, cho thuốc thử vào dung môi và thực hiện như trên Cuối cùng, thể tích đọc được phải trừ đi thể tích nước có trong dung môi trước khi tính kết quả.
Đối với thực phẩm hòa tan trong dung môi như dầu mỡ, những thực phẩm nhẹ hơn sẽ nổi lên trên bề mặt khi sôi, như bột, và những thực phẩm như khoai, ngô có thể đun lâu mà không bị phá hủy Tuy nhiên, với các thực phẩm như mứt, mật, siro, phomat, dễ dính vào thành bình và có nguy cơ cacbon hóa khi đun, cần chú ý thêm khoảng 30 – 40g cát sạch vào bình Cát sẽ được trộn đều với thực phẩm để tạo thành khối rỗng, giúp ngăn không cho thực phẩm dính vào thành bình và không làm chúng đóng vón, đồng thời cát lắng xuống sẽ bảo vệ thực phẩm khỏi lửa trực tiếp.
2.2.4 Đo độ ẩm bằng phương pháp Karl Fischer
Dựa trên độ mất màu của iot Ở nhiệt độ thường, iot kết hợp với nước và SO2 thành HI không màu, theo phản ứng:
Dựa vào sự mất màu của dung dịch iot, chúng ta có thể xác định phần trăm nước có trong mẫu Phản ứng này là phản ứng thuận nghịch, và để điều chỉnh phản ứng theo một chiều, Fischer đã thực hiện trong môi trường có piridin.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
2.3.1 Điều khiển kiểu đóng – ngắt (ON-OFF)
Hệ thống điều nhiệt đơn giản cho lò điện bao gồm rơ le nhiệt (thermostat) và khởi động từ Điện thế V2 cung cấp cho dây đốt lò điện thông qua khởi động từ SW1 Khi khởi động từ đóng, lò sẽ được cấp điện, và khi khởi động từ ngắt, lò sẽ ngừng hoạt động Cuộn điều khiển của khởi động từ nhận điện V1 qua tiếp điểm của rơ le nhiệt đặt trong lò, thường sử dụng nguồn V(~220VAC) chung cho cả V1 và V2.
Rơ le nhiệt trong quá trình điều khiển nhiệt sẽ tự động đóng ngắt khi nhiệt độ lò vượt quá hoặc thấp hơn giá trị cài đặt Điều này giúp khởi động từ thực hiện việc cấp hoặc ngắt điện cho dây đốt lò Hệ thống điều khiển này hoạt động theo kiểu đóng - ngắt (ON-OFF).
Do quán tính trong quá trình nhiệt, khi ngắt điện lò, nhiệt độ vẫn tiếp tục tăng thêm một giá trị nhất định, và khi cấp điện trở lại, nhiệt độ lại giảm (hình 8) Nhiệt độ trong lò dao động xung quanh giá trị trung bình, với biên độ dao động tăng lên khi mức độ mất nhiệt gia tăng Phương pháp điều khiển ON-OFF cho thấy độ dao động nhiệt độ điều khiển từ 2% đến 10%, tùy thuộc vào mức độ mất nhiệt.
Chế độ ON/OFF hoạt động đơn giản: bộ điều khiển sẽ kích hoạt đầu ra khi nhiệt độ môi trường vượt quá giá trị cài đặt, có thể tác động trong dải trễ nếu người dùng đã thiết lập Thông thường, chế độ này tương ứng với đầu ra điều khiển dạng Role.
Chế độ điều khiển ON/OFF thường được áp dụng trong các hệ thống điều khiển nhiệt quy mô lớn nhờ vào khả năng duy trì độ quá nhiệt cao và ít thay đổi nhiệt độ Ví dụ về ứng dụng của phương pháp này bao gồm hệ điều khiển lò nhiệt, tủ lạnh và quạt.
2.3.2 Điều khiển kiểu tương tự
Hệ thống điều nhiệt điện tử khác biệt so với nguyên tắc điều khiển ON-OFF thông qua khởi động từ, cho phép điều khiển liên tục quá trình đốt lò bằng khoá điện tử Lò được điều khiển đốt bằng các xung điện với chu kỳ điều khiển linh hoạt, tùy thuộc vào nhiệt độ hiện tại của lò Khi lò chưa đạt nhiệt độ đặt, chu kỳ xung đốt sẽ ngắn, và khi nhiệt độ gần đạt mức yêu cầu, chu kỳ đốt sẽ thưa dần Trong trạng thái dừng, khi nhiệt độ lò bằng nhiệt độ đặt, thiết bị sẽ cung cấp nhiệt cho lò tương ứng với lượng nhiệt thất thoát từ môi trường và trong quá trình gia công sản phẩm.
Có thể thấy nguyên tắc điều khiển này thuộc kiểu PID trong đó chứa các kiểu điều khiển
- Tác động điều khiển tỷ lệ với sai lệch nhiệt độ (P)
- Tác động điều khiển liên tục khi có sai lệch nhiệt độ (I)
- Tác động điều khiển tỷ lệ với tốc độ sai lệch nhiệt độ (D)
Do vậy, phương pháp điều nhiệt này có độ chính xác cao (~ 1%) so với phương pháp điều khiển ON-OFF
Hệ điều khiển nhiệt bao gồm các mảng chức năng :
- Cảm biến nhiệt loại cặp nhiệt điện (Thermocouple) : kiểu J hoặc K , có thông số kỹ thuật cho trong bảng
Bộ khuếch đại thế đo trên IC A1 bao gồm hai biến trở quan trọng: P2 (OFFSET-MEAS) cho phép điều chỉnh điểm "0" của thang đo, và P1 (GAIN-MEAS) cho phép điều chỉnh hệ số khuếch đại của bộ đo Đặc biệt, bộ khuếch đại này cung cấp giá trị thế ra (Cm) âm.
Bộ khuếch đại thế đặt (SP) trên IC A2 bao gồm các biến trở P4 và P5, cho phép điều chỉnh điểm "0" và hệ số khuếch đại của thang đặt Biến trở P3 được sử dụng để thiết lập nhiệt độ lò sau khi đã tiến hành chuẩn nhiệt Bộ khuếch đại này cung cấp giá trị thế ra (SP) âm.
- Bộ đo nhiệt độ là bộ đo thế hiện số (Digital Voltmeter), xây dựng trên ADC
10 bits, cho phép chỉ thị trên LED 7 đoạn với 31/2 số hạng (Digits), cho phép chỉ thị nhiệt độ tới 1999 oC
- Bộ đo có thể đo nhiệt độ của lò hoặc nhiệt độ đặt, tuỳ thuộc vào vị trí công tắc SW1 - MEAS hoặc SET
Bộ khuếch đại giá trị sai lệch (e) trên IC A3 cho phép khuếch đại hiệu số giữa thế đặt SP và thế đo Cm để tạo ra tín hiệu điều khiển phần công suất Thế ra của bộ khuếch đại được tính bằng công thức k.e = k (SP - Cm), trong đó giá trị k có thể được điều chỉnh thông qua P6 - Dải tỷ lệ - PROP BAND.
Khi nhiệt độ lò vượt quá mức đặt, bộ khuếch đại đo A1 sẽ tạo ra tín hiệu âm tại lối vào dương A3, thấp hơn so với tín hiệu từ bộ khuếch đại đặt A2 Sự chênh lệch này từ A3 sẽ dẫn đến thế âm ở lối ra qua A4, làm cho Q3 bị cấm, ngắt tín hiệu kích cho Triac TR1 và dừng quá trình đốt lò.
Khi nhiệt độ lò thấp hơn mức đặt, điện áp đầu ra từ bộ khuếch đại đo A1 tác động vào đầu vào dương A3 sẽ thấp hơn điện áp từ bộ khuếch đại đặt A2 Bộ khuếch đại giá trị sai lệch A3 sẽ tạo ra điện áp dương, qua A4-A, cho phép mở Q3, từ đó kích hoạt Triac TR1 dẫn điện, cung cấp năng lượng cho lò.
Việc điều khiển đốt lò được thực hiện đồng bộ thông qua các máy phát xung, trong đó máy phát xung đa hài tần số 1kHz chuyển đổi tín hiệu điều khiển từ đầu ra A3, A4 thành chuỗi xung 1kHz Chuỗi xung này tác động qua Q3 để kích thích TR1 thông qua biến thế cách ly.
Máy phát xung răng cƣa đối xứng với tần số thấp (~ 10sec) , tác động vào lối vào âm A4, biến đổi thế điều khiển từ lối ra A3 thành các xung
2.3.3 Điều khiển số với bộ vi x lý
Hệ điều khiển số sử dụng bộ vi xử lý có cấu trúc hoàn toàn khác với hệ thống điều khiển tương tự được mô tả ở trên
Thiết bị điều khiển trung tâm bao gồm bộ vi xử lý (CPU), bộ nhớ dữ liệu và chương trình (ROM-RAM), cùng với các thiết bị vào ra Tất cả hoạt động của hệ thống được điều khiển bởi CPU dựa trên chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ ROM.
Cảm biến đo nhiệt độ kết nối với bộ biến đổi tương tự số (ADC) trong khối vào/ra tương tự, chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành mã số và lưu trữ vào bộ nhớ RAM CPU sẽ so sánh mã số này với giá trị từ bàn phím, xử lý kết quả và phát tín hiệu số để điều chỉnh độ rộng công suất đốt lò.
Kiểu điều khiển PID có thể được lựa chọn thông qua phần mềm, cho phép người dùng điều khiển các thiết bị ngoại vi một cách linh hoạt Hệ thống hỗ trợ cả chế độ điều khiển ON/OFF và điều khiển tương tự, mang lại sự tiện lợi trong việc quản lý và điều chỉnh các thiết bị.
2.3.4 Giới thiệu chế độ điều khiển PID
PID-Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân ) là 1 thuật ngữ để chỉ cơ chế điều khiển vòng phản hồi
- Ƣu điểm: điều khiển với độ chính xác cao, tiết kiệm năng lƣợng tối đa, đảm bảo sự ổn định của hệ thống
- Nhược điểm: thuật toán điều khiển phức tạp, đòi hỏi người sử dụng có trình độ và kinh nghiệm
