Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Ứng dụng vi điều khiển để điều khiển nhiệt độ khí sấy nông sản dạng hạt
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 . -1- Phần 1 mở đầu Việt Nam là đất nớc nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, quanh năm ẩm ớt. Thiên nhiên đã u đãi cho chúng ta nhiều vùng đất thuận lợi cho phát triển nông nghiệp. Hiện nay, tỷ trọng nông nghiệp trong nền kinh tế quốc dân đã giảm nhng nó vẫn là một trong các động lực chính để phát triển kinh tế đất nớc. Đảng và Nhà nớc luôn luôn đề ra những mục tiêu và chính sách nhằm phát triển một nền sản xuất nông nghiệp hiện đại, vì vậy những năm gần đây chúng ta đã dành đợc những thành tự to lớn trong sản xuất nông nghiệp: đảm bảo ổn định lơng thực trong nớc, khối lợng xuất khẩu ngày càng tăng, chất lợng sản phẩm xuất khẩu đợc nâng cao . Nhu cầu lơng thực, thực phẩm trên thế giới ngày càng tăng, đi liền với nó là những yêu cầu ngày càng khắt khe về chất lợng và an toàn của sản phẩm. Những yêu cầu này là mục tiêu lớn để chúng ta hớng tới một nền nông nghiệp tiên tiến có sự quản lý trên quy mô lớn. Mặt khác khối lợng sản phẩm làm ra trong một thời vụ là rất lớn và không thể tiêu thụ ngay tại thời điểm đó, vì vậy công việc bảo quản sau thu hoạch đóng một vai trò hết sức quan trọng. Đây là vấn đề bức xúc đợc nhiều ngời đầu t quan tâm nghiên cứu nhằm tìm ra một biện pháp bảo quản tốt nhất, giảm thiểu những mất mát sau thu hoạch cho ngời nông dân, đồng thời đảm bảo chất lợng cho sản phẩm phục vụ chế biến sau này. Hầu hết các sản phẩm nông nghiệp ở dạng hạt nh: lúa, ngô, đỗ, đậu, vừng . Phơng pháp bảo quản thông dụng nhất là sấy khô sản phẩm đến một mức cần thiết. Trớc đây ngời dân hay sử dụng phơng pháp phơi nắng tự nhiên hay sấy thủ công . Những phơng pháp này có nhợc điểm là năng suất thấp, sản phẩm không nh ý muốn. Hiện nay đã có những thiết bị sấy có quy mô lớn hơn; tuy nhiên cũng chỉ là các thiết bị cải tạo từ những thiết bị sấy thủ công cũ, năng suất sấy có tăng nhng chất lợng không cao do con ngời vẫn can thiệp vào toàn bộ quá trình sấy; hoặc là những thiết bị sấy quy mô công nghiệp đợc nhập ngoại, đợc điều khiển tự động nhng rất đắt tiền, không Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 . -2- phù hợp với túi tiền của ngời nông dân. Vậy vấn đề đặt ra là phải chế tạo đợc những hệ thống, thiết bị sấy quy mô vừa và nhỏ, vừa có giá thành rẻ lại có những tính năng tự động điều khiển hiện đại . Vấn đề này mang tính trách nhiệm đối với những sinh viên nghành cơ điện chúng tôi. Do đó chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: ứng dụng vi điều khiển để điều khiển nhiệt độ khí sấy nông sản dạng hạt . Mục đích và yêu cầu đặt ra của đề tài là thiết kế và lắp ráp mạch tự động điều khiển nhiệt độ khí sấy sử dụng vi điều khiển họ AVR. Nội dung của đề tài gồm sáu nội dung chính: 1. Tổng quan hệ thống sấy. 2. Tổng hợp hệ thống sấy nông sản dạng hạt. 3. Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ khí sấy. 4. Nghiên cứu phần lập trình cho mạch điều khiển. 5. Lắp ráp mạch và khảo sát. 6. Kết luận và đề nghị. phần 2 Nội dung Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 . -3- Chơng1: Tổng quan chung về sấy nông sản dạng hạt 1. Các đặc trng cơ bản của nông sản dạng hạt Nông sản dạng hạt là một trong những đặc trng, là sản phẩm chủ yếu của sản xuất nông nghiệp. Nông sản dạng hạt có nhiều hình dáng, kích cỡ, màu sắc và kiểu vỏ cứng, mềm khác nhau Tại thời điểm thu hoạch, lợng ẩm trong hạt đã giảm xuống, tuy nhiên tỷ lệ vẫn còn rất lớn. ẩm trong hạt tồn tại ở hai dạng: nớc tự do và nớc liên kết. Nông sản dạng hạt thuộc loại vật liệu keo xốp mao dẫn có tính đàn hồi co giãn, khi hút ẩm thì trơng nở, khi thoát ẩm thì co ngót, khi khô quá thì hạt trở nên giòn. Khi còn ở trên cây, hạt hút ẩm từ môi trờng và nhận ẩm từ cây đa lên, ẩm này vừa ở dạng lỏng, vừa ở dạng khí. Khi bị thấm ớt ẩm lỏng ngấm vào trong hạt, dời chuyển trong hạt bằng cách thẩm thấu qua vách tế bào. ẩm liên kết trong hạt đợc chia thành ba nhóm lớn: ẩm liên kết hoá học, ẩm liên kết hoá lý và ẩm liên kết cơ lý. ẩm liên kết hoá học là thành phần ẩm liên kết với thành phần khô để tạo thành một bộ phận trong thành phần hoá học của vật chất. Thành phần ẩm này đảm bảo tính vững bền của hạt vì vậy quá trình sấy không tách loại ẩm này ra khỏi hạt. ẩm liên kết hoá lý có hai loại: liên kết hấp thụ và liên kết thẩm thấu. Liên kết hấp thụ đợc sinh ra do lực hút của các phần tử bề mặt hạt với các phần tử nớc trong môi trờng lớn hơn lực liên kết giữa chúng làm cho các phần tử nớc từ môi trờng bị hút dính vào bề mặt hạt. Lực liên kết hấp thụ bị yếu dần khi bề dày phân tử nớc bị hấp thụ tăng lên. Nếu độ ẩm của môi trờng không khí không đổi thì đến một lúc nào đó quá trình hấp thụ sẽ bị ngừng lại, áp suất hơi nớc trên bề mặt vật bằng áp suất hơi nớc trong không khí. Lúc đó hạt ở trong trạng thái cân bằng ẩm với môi trờng. Độ ẩm cân bằng ứng với trờng hợp không khí bão hoà hơi nớc đợc gọi là độ ẩm bão hoà của hạt. Trong quá trình hấp thụ, nớc chuyển từ trạng thái hơi trong không khí sang trạng thái lỏng trong hạt vì vậy nhiệt đợc toả ra, hạt có thể bị Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 . -4- nén ép do tác dụng của lực liên kết giữa lớp ẩm bị hấp thụ và hạt. để tách ẩm hấp thụ ra khỏi hạt phải cấp một nhiệt lợng cần thiết để ẩm chuyển từ dạng lỏng sang dạng hơi thắng đợc lực hấp thụ bề mặt và bay vào môi trờng xung quanh. Liên kết thẩm thấu là mối liên hệ hoá lý giữa nớc với vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hoà tan ở ngoài và trong tế bào. Quá trình thẩm thấu không kèm theo hiện tợng toả nhiệt. Thực chất nớc thẩm thấu vào trong tế bào không khác nớc bình thờng, không có các chất hoà tan bởi các chất hoà tan không khuếch tán cùng với nớc vào trong tế bào. Năng lợng liên kết thẩm thấu rất nhỏ. Liên kết cơ lý giữa nớc và vật liệu hình thành do sức căng bề mặt trong các mao dẫn hoặc trên các mao dẫn, hoặc trên các bề mặt ngoài của vật. Mối liên kết cơ lý đợc chia làm ba loại: liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính ớt. Liên kết cấu trúc giữa nớc và vật liệu là mối liên kết do quá trình hình thành vật. Để tách nớc trong trờng hợp này có thể dùng phơng pháp nén ép hoặc phơng pháp bay hơi. Liên kết mao dẫn là do nớc thâm nhập vào các ống mao dẫn trong cấu tạo của vật khi bị nhúng nớc hay do nớc ngng tụ trên bề mặt vật. ẩm mao dẫn đợc tách ra bằng cách bay hơi hay bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn. Liên kết dính ớt là do nớc bám dính vào bề mặt tự do. Liên kết dính ớt dễ tách ra khỏi vật bằng phơng pháp cơ học hoặc phơng pháp sấy bay hơi. Độ ẩm của hạt đợc biểu diễn dới dạng sau: - Độ ẩm tuyệt đối: Là tỷ số giữa lợng hơi nớc chứa trong hạt chia cho khối lợng phần khô của hạt theo công thức: 100(%)kGnG0W = Trong đó: Gn - Lợng nớc chứa trong vật (kg) chứa trong Gk (kg) vật khô tuyệt đối. - Độ ẩm tơng đối: Là tỷ số khối lợng nớc chứa trong vật chia cho khối lợng của vật: Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 . -5- 100(%)kGnGnGGnG W+== Trong đó: G = Gk + Gn Khối lợng của vật (kg) 100(%)1000W0WW+= - Độ chứa ẩm: Là khối lợng nớc tính bằng kg chứa trong 1kg vật khô tuyệt đối. Độ chứa ẩm u đợc xác định theo công thức: (kg/kg)kGnGu = Nh vậy: W0 = 100u(%). Một đặc trng cơ bản nữa của nông sản dạng hạt là tính chất nhiệt vật lý của nó. Tính chất này ảnh hởng trực tiếp lên quá trình sấy và tiêu hao nhiệt lợng trong quá trình sấy. Tính chất nhiệt vật lý đợc biểu hiện thông qua giá trị nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt. Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm đợc xác định theo công thức: nGkGnGnCGkCC++= (J/Kg.0C) 100W).kCn(CkCC += Trong đó: Ck, Cn - nhiệt dung riêng của vật khô và nớc (J/Kg.0C) Gk, Gn - khối lợng của vật khô và khối lợng nớc. Hệ số dẫn nhiệt đặc trng cho quá trình truyền nhiệt từ bề mặt vào tâm hạt. Hệ số này phụ thuộc vào cấu trúc của hạt, độ ẩm và nhiệt độ của hạt. Đây là thông số rất phức tạp và khó xác định, ảnh hởng trực tiếp lên quá trình sấy. Tuy nhiên đây là hệ số dẫn nhiệt ít đợc quan tâm trong quá trình sấy tĩnh đối lu với tốc độ dòng khí nhỏ, nghĩa là hệ số truyền nhiệt đối lu nhỏ và hạt đợc xem tơng đơng nh vật mỏng. 2. Công nghệ sấy nông sản dạng hạt Muốn bảo quản đợc lâu dài, phục vụ tốt cho việc chế biến sau này thì hạt nông sản cần đợc sấy(làm khô) đến một độ ẩm phù hợp. Yêu cầu cơ bản Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 . -6- của hạt nông sản sau khi sấy là phải đảm bảo đợc chất lợng cần thiết của hạt sấy và khối hạt. Hạt sấy không bị rạn nứt ngầm trong hạt và đốt nóng quá mức cho phép; đối với hạt để làm giống cho những vụ kế tiếp thì việc sấy lại có những yêu cầu khắt khe hơn, nhất là về nhiệt độ. Hạt là cơ thể sống nên phần phôi trong hạt chỉ có thể chịu đến một nhiệt độ nhất định, nếu nhiệt độ thân hạt quá cao sẽ làm xấu đi quá trình nảy mầm và phát triển của mầm hạt sau này, hoặc thậm chí có thể làm mất đi khả năng nảy mầm của hạt. Nguyên nhân gây rạn nứt ngầm trong hạt là do ứng suất cơ nhiệt phát sinh giữa các vùng trong hạt. ứng suất này xuất hiện khi tốc độ bốc hơi bề mặt hạt quá lớn làm lớp bề mặt khô nhanh trong khi cờng độ di chuyển ẩm từ vùng trung tâm ra mặt hạt quá nhỏ tạo ra sự chênh lệch lớn về độ ẩm trong hạt. Đối với khối hạt yêu cầu cơ bản của quá trình sấy là phải đảm bảo sự đồng đều độ ẩm trong khối hạt. Thông qua các tài liệu nghiên cứu khoa học ta có đợc: độ ẩm bảo quản một số loại hạt và nhiệt độ đốt nóng cho phép cho trong Bảng 1. Bảng 1. Nhiệt độ đốt nóng cho phép và độ ẩm gới hạn Tên nông sản Độ ẩm giới hạn Nhiệt độ đốt nóng hạt khi sấy (0C)Lúa Ngô Đậu Lạc Vừng Thầu dầu 13ữ13,5 13ữ13,5 11ữ12 8ữ9 7ữ8 6ữ7 35 50 30 50 50 50 Sấy là một trong những công đoạn quan trọng nhất của công nghệ sau thu hoạch. Thực tế có hai phơng pháp sấy chính là: phơng pháp sấy tự nhiên và phơng pháp sấy nhân tạo. + Phơng pháp sấy tự nhiên: Nông sản sau khi đợc thu hoạch đợc đem ra phơi trực tiếp dới ánh nắng mặt trời, hoặc gián tiếp qua các thiết bị sấy mặt trời. Nguồn bức xạ hồng Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 . -7- ngoại từ mặt trời sẽ đốt nóng hạt nông sản và làm bay hơi ẩm có trong nông sản. Phơng pháp này đã đợc sử dụng từ rất lâu và đến nay nó vẫn đợc sử dụng nh là một phơng pháp chính ở nhiều vùng sản xuất nông nghiệp trên cả nớc. Phơng pháp sấy tự nhiên có u điểm là nguồn năng lợng rất dồi dào và rẻ tiền, thiết bị sấy đơn giản . do đó sẽ giảm đợc giá thành sản xuất. Mặt khác phơng pháp sấy tự nhiên cũng có không ít nhợc điểm nh: tốn diện tích sử dụng cho việc phơi nắng, nhiệt lợng sấy không liên tục và đồng đều, phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên, khó có thể điều chỉnh lợng nhiệt . + Phơng pháp sấy nhân tạo: Để có thể làm khô một khối lợng lớn sản phẩm trong thời gian ngắn và chủ động thực hiện quá trình sấy ở mọi điều kiện thời tiết, ngời ta sử dụng phơng pháp sấy nhân tạo. Phơng pháp này đắt tiền hơn và phức tạp hơn phơng pháp sấy tự nhiên, nhng nó là điều cần thiết để có đợc sản phẩm đồng nhất đem ra thị trờng. Nguồn nhiệt lợng để thực hiện quá trình sấy đợc tạo ra bằng nhiều phơng pháp khác nhau. Ngày nay, các thiết bị sấy đợc chế tạo dựa trên một hay kết hợp nhiều phơng pháp sấy khác nhau. Phơng pháp sấy đợc sử dụng rộng rãi nhất để sấy nông sản dạng hạt là sấy đối lu. Phơng pháp sấy đối lu có tác nhân sấy là không khí nóng, nhiệt lợng đợc truyền từ tác nhân sấy sang hạt sấy bằng phơng pháp đối lu, năng lợng truyền nhiệt đối lu sẽ đốt nóng hạt và làm bốc hơi nớc từ bề mặt hạt. Hơi nớc bốc ra từ hạt sẽ đợc dòng khí mang theo ra ngoài. Sơ đồ mô tả quá trình sấy đối lu: t0,d0,0 t1,d1,1 t2,d2,2 Hình 1: Sơ đồ mô tả quá trình sấy đối lu Không khí nóng mang ẩm Buồng tạo nhiệt Buồng sấy đối lu Không khí Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 . -8- Trong đó: tx,dx,x lần lợt là nhiệt độ, lợng ẩm, thuỷ phần của dòng khí. Phơng pháp sấy đối lu đợc phân thành hai nhóm phụ thuộc vào trạng thái của hạt ẩm trong quá trình sấy. Nếu khối hạt sấy bất động còn quá trình sấy đợc hình thành do dòng khí nóng chuyển động luồn lách giữa lớp hạt thì quá trình này đợc gọi là sấy tĩnh. Ngợc lại, trờng hợp hạt sấy chuyển động ngợc chiều với dòng khí sấy thì quá trình sấy đợc gọi là sấy động. - Thiết bị sấy tĩnh thờng đợc thiết kế theo hai dạng là dạng hầm và dạng cột: Hình 2: Mô hình thiết bị sấy kiểu hầm Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 . -9- Hình 3: Mô hình thiết bị sấy kiểu cột Trong những thiết bị sấy này, tác nhân sấy đi từ dới lên trên xuyên qua lớp liệu. Quá trình luồn lách qua lớp liệu khí nóng sẽ truyền nhiệt lợng của mình sang cho lớp liệu để đốt nóng nó và cho nớc bốc lên từ liệu sấy. Hơi nớc bốc ra đợc dòng khí sấy cuốn theo và đa ra ngoài. Rõ ràng lớp liệu dới cùng sẽ tiếp xúc với dòng khí sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp nên sẽ đợc đốt nóng nhanh hơn và cũng khô nhanh hơn. Càng lên cao nhiệt độ của khí sấy càng giảm còn độ ẩm càng tăng, vì vậy tốc độ đốt nóng của liệu càng chậm, vật liệu sấy lâu khô hơn. Nh vậy nhợc điểm của những thiết bị sấy này là quá trình sấy không đồng đều. Tuy nhiên u điểm của thiết bị sấy này là đợc tạo nên từ những vật liệu đơn giản giá thành rẻ, thích hợp với quy mô hộ nông dân. - Thiết bị sấy động gồm có thiết bị sấy mẻ và thiết bị sấy tuần hoàn. Sự khác biệt chính là sự chuyển động đảo trộn của hạt liệu trong quá trình sấy, vì vậy quá trình sấy là đồng đều. Khi sấy bằng thiết bị sấy mẻ, từng mẻ liệu đợc Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 . -10- sấy khô trớc rồi đến mẻ liệu khác. Sấy tuần hoàn thì ngợc lại, hạt liệu đợc ra vào tuần hoàn đến khi nào khô đồng đều thì kết thúc quá trình sấy. Một số thiết bị sấy có quy mô lớn: Sự khó khăn về mặt bằng sản xuất đã khiến cho những thiết bị sấy nhỏ quy mô hộ gia đình nhiều khi cũng không thích ứng, cần thiết phải có những thiết bị sấy quy mô lớn hơn mang kiểu dáng công nghiệp. Dới đây là hình ảnh một số thiết bị sấy có quy mô công nghiệp ở Việt Nam và trên thế giới: Hình 4. Thiết bị sấy kiểu băng tải 1 - Phễu đổ nhiên liệu 2 - Buồng sấy 3 - Băng tải 4 - Quạt đẩy 5 - Calorife 6 - Cửa xả nguyên liệu 7 - Cửa thoát khí thải [...]... tĩnh khi có bộ điều chỉnh bằng 0 Bộ điều chỉnh này đã đáp ứng đợc yêu cầu bài toán đề ra, vì vậy chúng tôi chọn bộ điều chỉnh này để diều khiển hệ thống sấy -24- Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 Báo cáo tốt nghiệp Chơng 3: Giới thiệu chung về vi điều khiển, họ vi điều khiển AVR và vi điều khiển ATMEGA8535 1 Tổng quan chung về vi điều khiển 1.1 Các họ vi điều khiển Bộ vi điều khiển (Microcontroller)... bộ định thời Đến năm 1980, thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển ra đời, đó là vi điều khiển 8051 Hiện nay vi điều khiển 8051 đợc sản xuất và sử dụng rộng rãi Bên cạnh đó các công ty sản xuất cũng phát triển cho mình những bộ vi điều khiển có tính năng đặc biệt làm cho thị trờng vi điều khiển ngày càng phong phú và đa dạng Một số họ vi điều khiển thông dụng ngoài họ 8051 hiện nay: + Họ 68HC của Motorola,... bị sấy 5 - Vít tải 6 - Thiết bị phân phối hạt và xilo 7 - Xilo ủ thóc 8 - Xilo chứa hạt khô 9 - Băng tải Trong điều kiện sản xuất hiện nay, có nhiều yếu tố trong sản xuất nh: quy mô sản xuất và hình thức sản xuất đã có nhiều thay đổi, sản phẩm đa dạng hơn, hội nhập, yêu cầu thị trờng cao hơn đòi hỏi nền sản xuất nông nghiệp của nớc ta phải có nhiều thay đổi để đáp ứng đợc nó Lĩnh vực sấy nông sản. .. trình đợc với hệ thống tập lệnh để thực hiện một yêu cầu nào đó Bộ vi điều khiển đợc ra đời sau Bộ vi xử lý Về thực chất thì Bộ vi điều khiển là Bộ vi xử lý, nhng có thêm các mạch điện hỗ trợ, các thành phần I/O ngoại vi và bộ nhớ ( bộ nhớ chơng trình và bộ nhớ dữ liệu) đợc tích hợp cùng nhau trên một bản mạch Bộ vi điều khiển đầu tiên ra đời năm 1971, là bộ vi điều khiển 4 bít TMS1000 của Công ty... TMS1000 của Công ty Texas Instruments Sau khi dòng sản phẩm này ra đời, nó đã đợc ứng dụng vào rất nhều lĩnh vực: sản xuất máy tính bỏ túi, điều khiển lò vi sóng, sử dụng cho các bộ định thời công nghiệp Năm 1976, Công ty Intelligen Electronics (INTEL) cho ra đời thế hệ đầu tiên của vi điều khiển 8 bít với tên gọi 8084 Trong bộ vi điều khiển này, ngoài bộ vi xử lý trung tâm ngời ta tích hợp thêm các bộ... -25- Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Xuân Tài Tự động hoá 46 1.2 Họ vi điều khiển AVR Họ vi điều khiển AVR là một sản phẩm của Công ty Atmel mới đợc tung ra thị trờng trong những năm gần đây Đối với thị trờng Vi t Nam thì thực sự AVR còn rất mới Nằm trong số những thế hệ vi điều khiển ra đời sau cho nên AVR có những tính năng và cấu trúc hơn hẳn những loại vi điều khiển thế hệ cũ nh 8051 Những đặc tính nổi... đại f Số lần giao động: Số lần giao động N đợc tính bởi số lần mà hàm quá độ dao động quanh trị số xác lập trong thời kỳ quá độ (0 . dụng vi điều khiển để điều khiển nhiệt độ khí sấy nông sản dạng hạt . Mục đích và yêu cầu đặt ra của đề tài là thiết kế và lắp ráp mạch tự động điều khiển. chung về sấy nông sản dạng hạt 1. Các đặc trng cơ bản của nông sản dạng hạt Nông sản dạng hạt là một trong những đặc trng, là sản phẩm chủ yếu của sản xuất
