Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò sấy đứng trong dây chuyền gạch ốp lát

(các thông số về độ ẩm, lượng nước đã đạt yêu cầu ) sẽ đưa sang khâu cân và phối trộn. Tại đây các nguyên vật liệu được phối trộn theo một tỷ lệ nhất định tuỳ thuộc vào yêu cầu đối với sản phẩm định sản xuất. Sau đó vật liệu đã phối trộn theo ống phun được đưa sang bộ phận tạo sản phẩm thô, bao gồm các phần như tạo hình dạng, sấy sơ bộ. Tiếp theo là đến phần tráng men và in hoa để tạo mẫu mã cho sản phẩm. Một dây chuyền tự động có nhiệm vụ đưa sản phẩm thô đến bộ phận tạo sản phẩm tinh. Bộ phận này có nhiệm vụ nung sản phẩm với nhiệt độ cao và tinh chế chúng bằng cách mài, đánh bóng. Sản phẩm sau khi qua bước này được đưa đến công đoạn kiểm tra, phân loại và bốc xếp. Những sản phẩm đạt chỉ tiêu về chất lượng sẽ được đóng gói, vận chuyển đến các kho hàng bằng chế độ tự động hoặc bán tự động. Dây chuyền sản xuất được tự động hoá cao nhờ áp dụng công nghệ mới của điều khiển vào quá trình sản xuất. Trong dây chuyền sản xuất này, ở công đoạn IV, gạch sau khi được ép có độ ẩm cao (6% ), để thực hiện việc tráng men và in hoa, cần phải được đưa vào lò sấy đứng để gạch có nhiệt độ và độ ẩm thích hợp (500C; 0,5% ). Dưới đây chúng ta sẽ khảo sát về lò sấy đứng. Hình 1.1: Sơ đồ khối dây chuyền sản xuất sản phẩm I.1- Mô tả các thông số kỹ thuật cơ bản và nguyên tắc điều khiển lò sấy đứng 1- Các thông số kỹ thuật cơ bản của lò sấy đứng Các thông số về kích thước của lò: + Chiều rộng tác dụng của lò: 2m. + Chiều dài tác dụng của lò: 4m. + Chiều cao tác dụng của lò: 8m. * Dải nhiệt độ sấy của lò trong quá trình sấy: từ 200C- 1400C. * Thời gian cấp nhiệt trong quá trình sấy: 1h. * Vật liệu sấy là gạch mộc. * Yêu cầu gạch sau khi sấy phải có độ ẩm 0,5% và nhiệt độ khoảng 500C. Công suất cung cấp cho lò trong quá trình sấy: Để làm bay hơi hoàn toàn 1Kg cần cung cấp lượng nhiệt 539Kcal. Để sấy khô 1Kg sản phẩm có độ ẩm 6% thì cần cung cấp nhiệt lượng 32,34Kcal. Trong 1h có 6.361,2Kg vật sấy đi vào lò sấy, để sấy khô chúng ta cần cung cấp nhiệt lượng 205.721Kcal. Thông thường hiệu suất của lò sấy chính là công suất của buồng phát nhiệt. Theo dự kiến nhiệt độ buồng phát nhiệt là 5000C, trong khi đó nhiệt độ tác nhân sấy theo yêu cầu công nghệ là 1400C. Do đó để có được nhiệt độ tác nhân sấy theo yêu cầu đặt ra thì phải cung cấp một lượng không khí có nhiệt độ bằng nhiệt độ của môi trường (200C ) phù hợp nào đó để hoà trộn vói nhiệt độ buồng phát nhiệt. Theo số liệu người ta đã tính được thì cần phải cung cấp một lượng không khí là 4000m3/ h. Vì nhiệt độ của tác nhân sấy để sấy sản phẩm trong lò sấy nhỏ nên người ta chọn phương pháp trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức bằng gió nóng, chuyển động bởi hệ thống quạt ly tâm. Đây là phương pháp thường được dùng trong lò công nghiệp. Từ lưu lượng gió yêu cầu (4000m3/ h ) ta chọn loại quạt N4, công suất cung cấp cho quạt là 2,2Kw (đây là loại quạt đã được tiêu chuẩn hoá ). 2- Hoạt động của quá trình sấy Theo hình 2-1.1 và hình 2-1.2, bên trong lò được chia làm hai phần chính đối ngược nhau và được nối với nhau bằng phần thứ ba, trong đó quạt VP (quạt chính ) làm việc. Mỗi phần được chia làm ba khu vực tách rời là kênh cung cấp, kênh tuần hoàn và kênh giữa (hay kênh chính ). Hình 2.1:Bố trí các van bên trong lò sấy đứng Hình2.2: Đường đi của khí bên trong lò sấy đứng Quạt VP làm việc theo kiểu ngược dòng, hệ đường ống chính được chia làm hai đường ống tách rời. Một trong hai đường ống cung cấp khí cho buồng đốt khí trực tiếp để tạo tác nhân sấy và sau đó cung cấp cho kênh đi xuống. Khí tuần hoàn với độ ẩm cao và nhiệt độ thấp chạy qua nhánh khác của đường ống để cung cấp khí cho kênh đối diện, ở đó vật liệu được đưa vào. Van SD được đặt sau quạt chính tách luồng khí từ quạt và dẫn vào một trong hai nhánh của đường ống, (còn gọi là van làm chệch hướng, như trên hình 2-1.2 ). Van SM trộn không khí từ buồng phát nhiệt tới và khí tuần hoàn trước khi dẫn luồng khí này tới kênh tương ứng. Các kênh này được trang bị các van đặc biệt kiểu lưới, chúng được đặt theo mặt phẳng thẳng đứng. Các lưới này của van có nhiều hình thù đặc biệt và truyền khí theo luồng mỏng song song với các lớp gạch làm tăng sự trao đổi nhiệt và cho phép đạt hiệu quả cao nhất. Không khí sau khi qua các rọ và thực hiện quá trình trao đổi nhiệt được hút ra các cửa tương ứng đặt tại phía cuối kênh dẫn rọ quay, sau đó dẫn đến quạt chính bằng kênh chính. Quạt thứ hai là VS, nhờ vào đường ống hút được đặt trong lỗ hút một phần khí thải và định lượng nó bằng các van cửa SCS (van phụ ) chuyển tới ống dẫn khí thải để thải đi. Phần khác của lượng khí thải hút từ phía dưới của lò sấy, khí này mang nhiều hơi nước nên được hút hết ra ngoài qua van chính SCP đặt ở phần chính của ống dẫn khí thải. Khí lạnh được bổ sung để hoà trộn vào kênh cung cấp qua cửa SEA đặt ở phía dưới quạt chính. Như vậy kênh tuần hoàn chỉ có khí nóng để làm nóng sơ bộ và sấy gạch, kênh cung cấp gồm hỗn hợp khí nóng và khí lạnh qua van cửa SVE. Khí này sau khi làm mát gạch được hút trở về kênh chính qua van cửa cho khí lần hai vào SVA hoặc được hút xuống cửa dưới của ống dẫn khí thải cũng góp phần để sấy gạch sơ bộ. Độ mở của các van được xây dựng bằng thực nghiệm. I.2- Nhiệm vụ và nguyên tắc làm việc của lò sấy đứng 1- Nhiệm vụ của lò sấy đứng Lò sấy đứng thực hiện quá trình đốt nhiên liệu dầu hoặc gas với không khí để sinh ra nhiệt năng. Năng lượng này dùng để sấy gạch để gạch ra có nhiệt độ và độ ẩm thích hợp. Do tính chất hấp thụ nhiệt của vật liệu mà việc cấp nhiệt phải theo một quá trình nhất định trong một khoảng thời gian nhất định đến khi đạt yêu cầu. Nói cách khác là tương ứng với từng vị trí của lò, nhiệt độ phải thích hợp với từng mục đích cụ thể. Với toàn bộ quá trình này, ta lập ra mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian và vị trí được một đường cong gọi là đường cong công nghệ. Như vậy để khống chế nhiệt độ tại một vị trí nào đó thậm chí tại một thời điểm nào đó, cần phải khống chế được nhiên liệu cung cấp để đốt. Đồng thời với việc cung cấp nhiên liệu cũng phải cung cấp lượng khí thích hợp, giả sử nếu không cung cấp đủ không khí thì sẽ dẫn đến hiệu suất đốt thấp 2- Nguyên tắc làm việc của lò sấy đứng Gạch liên tục được chuyển tới đầu vào của lò sấy đứng nhờ băng chuyền, chúng được xếp lần lượt vào các rọ, các rọ chuyển động theo thứ tự và đi tới đầu ra của lò. Việc trao đổi nhiệt cần thiết cho quá trình sấy dựa trên nguyên lý của sự đối lưu bằng khí nóng, khí chuyển động bởi hai quạt ly tâm và được đốt đến nhiệt độ cần thiết bởi một buồng đốt khí trực tiếp. Quá trình sấy của lò có thể được chia làm ba giai đoạn chính là làm nóng sơ bộ, sấy và làm ổn định: - Làm nóng sơ bộ (200C-1400C ): Trong giai đoạn này, gạch được đốt nóng từ từ bằng khí “tuần hoàn” thổi theo nhiều dòng mỏng song song với các tầng hay là các viên gạch. Sau giai đoạn này gạch được làm nóng lên đến nhiệt độ nào đó và giảm hơi nước đáng kể. - Giai đoạn sấy (1400C ): Khí nóng từ mỏ đốt được điều chỉnh nhiệt độ và lưu lượng đi vào các rọ và sấy theo cách phù hợp. Sau giai đoạn sấy, gạch được sấy nóng đến nhiệt độ cao, độ ẩm đạt đến mức yêu cầu. Giai đoạn làm ổn định (1400C- 500C ): Gạch sau khi được sấy nóng được làm giảm nhiệt độ từ từ đến mức yêu cầu cho tráng men nhờ hỗn hợp của khí nóng và khí lạnh. 3- Nguyên tắc điều khiển nguồn nhiệt Nguồn nhiệt cho hoạt động sấy được lấy từ một buồng đốt. Buồng này đốt dầu, có thể là gas, và không khí dưới dạng hỗn hợp, tức là dầu và không khí được phun vào nhờ áp lực tạo ra hỗn hợp kiểu khí “mù” làm cho quá trình đốt nhanh và đốt hết nhiên liệu. Nhiệt sinh ra làm nóng không khí. Không khí nóng được đẩy vào kênh tuần hoàn, một phần vào kênh cung cấp. Khí nóng từ các kênh này được hút vào các rọ quay và trao đổi nhiệt với gạch, thực hiện quá trình sấy. Nhiệt lượng phải được cung cấp đủ mức cần thiết tại từng vị trí. Mức này được tự động điều khiển nhờ bộ vi xử lý trung tâm (CPU). Tại từng vị trí của lò sấy có đặt các đầu đo nhiệt độ. Đầu đo cảm biến từ nhiệt thành điện, qua xử lý số liệu rồi đưa về CPU. Tại đây CPU so sánh vói giá trị định trước do người sử dụng yêu cầu (số liệu này được đưa vào qua các phím điều khiển). Từ sự so sánh này, CPU đưa ra tín hiệu điều khiển để đóng hay mở thêm các van dầu (hay khí gas) để cấp nhiên liệu cho phù hợp. Chương II XÂY DựNG BàI TOáN Và PHƯƠNG áN THIếT Kế Hệ THốNG ĐIềU KHIểN NHIệT Độ Lò SấY Đứng Từ việc khảo sát các công nghệ điển hình trong dây chuyền sản xuất gạch ốp lát Hà Nội, nhiệm vụ tiếp theo của bản đồ án này là đưa ra phương án xây dựng bài toán và thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò sấy đứng. 2.1- Thành lập bài toán Theo như chương một đã trình bày về các thông số cơ bản của lò sấy cùng các tính chất của vật liệu sấy, bài toán đặt ra cho hệ thống điều khiển nhiệt độ lò như sau: + Cho đường cong công nghệ của quá trình sấy của lò sấy( nó được xây dựng từ đường cong lý thuyết dựa vào thành phần vật liệu, yêu cầu gia nhiệt và thời gian cấp nhiệt… lập ra đường cong lý thuyết và được xác lập băng thực nghiệm hay bằng quá trình sản xuất ban đầu thành đường cong công nghệ) như hình 2.1 t(h) Vùng 2 Vùng 3 Vùng 1 tI tII tIII T0C 140 50 20 0 0.3 0.7 1 Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ của quá trình sấy Trong đó: t0- Nhiệt độ bề mặt vật liệu sấy t- Thời gian sấy * Yêu cầu bài toán đặt ra : Xác định nhiệt độ của lò sấy, mà cụ thể là nhiệt độ từng vùng trong lò sấy. Xây dựng các hệ điều khiển sao cho nhiệt độ mỗi vùng là ổn định với một nhiệt độ do yêu cầu công nghệ đặt ra. Xử lý các sự cố có thể xảy ra khi hệ thống đang làm việc, như sự cố về nguồn cung cấp, sự cố về hệ thống điều khiển. Do một nguyên nhân nào đó mà trong quá trình chuyển động của rọ sấy đưa gạch vào lò sấy nhờ hệ thống băng xích mà hệ thống băng xích này lại bị kẹt thì phải khắc phục như thế nào? Nếu khi gạch mộc đưa vào mà độ ẩm vượt quá mức cho phép thì phải làm thế nào? và làm thế nào để kiểm tra được độ ẩm của gạch trước khi đưa vào lò sấy? Vì trong bản đồ án này ta chỉ quan tâm đến bài toán kỹ thuật về điều khiển nhiệt độ lò sấy đứng. Cho nên có thể coi tốc độ đưa gạch vào của băng truyền và tốc độ chuyển động của băng xích đưa rọ sấy vào lò là không đổi, đồng thời độ ẩm của gạch đưa vào là đúng yêu cầu. Từ các yêu cầu đặt ra ở trên ta phải tìm một phương án thích hợp để thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ đáp ứng được các yêu cầu đặt ra của bài toán 2.2- Phương án giải quyết bài toán Trước tiên để đưa ra một phương án giải quyết bài toán ta cần quan tâm tới một số vấn đề như sau: Trong những lò nhiệt độ thấp dạng truyền nhiệt đối lưu chiếm vai trò chủ yếu, vì vậy cấu trúc lò khác với lò có nhiệt độ trung bình và cao. Trong lò nhiệt độ trung bình, vai trò truyền nhiệt đối lưu không lớn lắm và khi không có đối lưu cưỡng bức có thể bỏ qua. ở các lò có nhiệt độ cao trong mọi trường hợp phần truyền nhiệt đối lưu chiếm tỉ lệ nhỏ nên không cần tính. 2.2.1- Chọn phương pháp đo nhiệt độ lò Có hai phương pháp đo nhiệt độ: Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc và phương pháp không tiếp xúc. Phương pháp tiếp xúc: Thường sử dụng nhiệt kế điện trở và nhiệt kế cặp nhiệt. Phương pháp này thường được dùng để đo nhiệt độ thấp ( thường là <6000C á7000C), và nhiệt độ trung bình. - Phương pháp không tiếp xúc: Thường sử dụng đo nhiệt độ cao. Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khả năng lớn nhất. Việc lựa chọn phương pháp đo và cảm biến đo phụ thuộc phần lớn vào dải nhiệt độ đo và sai số do yêu cầu công nghệ đặt ra. Như vậy từ việc mô tả các thông số của lò, cũng như mục đích yêu cầu của bài toán ta lựa chọn phương pháp đo nhiệt độ của lò bằng phương pháp tiếp xúc với thiết bị đo là cặp nhiệt điện. Phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện hiện nay trong công nghiệp là rất phổ biến. + Nguyên lý của cặp nhiệt điện là dựa trên hiện tượng nhiệt điện, tức là nếu hai dây dẫn có bản chất khác nhau được nối với nhau ở hai đầu và nếu nhiệt độ hai dây dẫn này là khác nhau thì trong vòng dây dẫn sẽ xuất hiện dòng điện và được gọi là dòng nhiệt điện. + Cấu tạo của cặp nhiệt điện gồm hai dây hàn với nhau ở một đầu và được luồn vào ống để có thể đo được nhiệt độ cao hơn, với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt điện có thể làm bằng thép không rỉ. Để cách điện giữa hai dây, một trong hai dây được luồn vào ống sứ nhỏ. Nếu vỏ bằng kim loại cả hai đều được đặt trong ống sứ. Tuy nhiên khi đo sức điện động nhiệt điện bằng miliVônmet sẽ gây sai số, do đó để khắc phục sai số người ta thường sử dụng mạch cầu để bù. Sơ đồ có dạng như hình 2.2. Hình 2.2: Sơ đồ mạch cầu bù nhiệt độ Lúc đó dòng điện chạy qua chỉ thị có dạng: Trong đó: E- Sức điện động Rd- điện trở dây RT- Điện trở cặp nhiệt ngẫu Rdc- Điện trở của miliVônmet Điện áp rơi trên miliVonmet sẽ là: Các cặp nhiệt điện tiêu chuẩn: * Cặp nhiệt điện Crômen- Copen (XK): - Cặp nhiệt điện này có dây dương là Cromen: là hợp kim 89% Niken + 9,8% Crom + 1% Fe + 0,2% Mn. - Dây âm là Copen: là hợp kim (53á 54)% Cu + (47á 46)% Ni - Có đặc tuyến tương đối phi tuyến. Nếu nhiệt độ thay đổi từ 0á 1000C thì e = 0,069 mV/ 10C còn nếu thay đổi từ 500á 6000C thì e = 0,082 mV/ 10C. Giới hạn đo: + Nếu nhiệt độ đo ngắn hạn thì nhiệt độ cực đại tmax= 8000C + Nếu nhiệt độ đo dài hạn thì nhiệt độ cực đại tmax= 6000C ở đây dây đẫn bù của Cromen- Copen được chế tạo bằng chính bản thân nhiệt điện Cromen- Copen. * Cặp nhiệt điện Cromen- Alumen (XA) Cặp nhiệt điện này có dây dương là Cromen Dây âm là Alumen: Là hợp kim có 90% Ni+ 2% Al+ 2,5% Mn+ 1% Si+ 0,5% Fe Đặc tuyến có thể xem là tuyến tính Giới hạn đo: + Đo ngắn hạn: Nhiệt độ cực đại tmax= 13000C + Đo dài hạn nhiệt độ cực đại tmax= 11000C ở đây dây dẫn bù có hai loại là : + Một loại thường được chế tạo từ bản thân Cromen và Alumen + Một loại khác dây dương là đồng và dây âm là Constantan( là hợp kim chứa 60% Cu+ 40% Ni) * Cặp nhiệt điện Platinorodo- Platin (P P, Pt Rh) - Cặp nhiệt này có dây dương là hợp kim chứa 90% Pt + 10% Rh Dây âm chứa 100% Pt - Đặc tuyến là phi tuyến - Độ nhạy: + Nếu đo trong khoảng nhiệt độ từ 0á1000C thì e = 0,0064 mV/ 10C + Nếu đo nhiệt độ trong khoảng 900á 10000C thì e = 0,01 mV/ 10C Giới hạn đo : + Đo ngắn hạn thì nhiệt độ cực đại tmax= 8000C + Đo dài hạn thì nhiệt độ cực đại tmax= 8000C ở đây sử dụng dây đẫn bù với dây dương là đồng nguyên chất, dây âm là hợp kim với 99,4% Cu+ 0,6% Ni Trong bản đồ án này do nhiệt độ lò không cao khoảng 5000C, và yêu cầu của bài toán đặt ra là độ chính xác không cao và tuổi thọ của thiết bị nên ở đây ta chọn loại cặp nhiệt là Cromen- Alumen. 2.3.2- Phương pháp điều khiển nhiệt độ lò: Như phần trên ta đã trình bày, nguồn nhiệt cung cấp cho hoạt động sấy ở đây được lấy từ một buồng đốt. Buồng đốt này đốt gas và không khí dưới dạng hỗn hợp, gas được lấy từ bể chứa gas sau khi qua các van điều áp được đưa tới mỏ đốt. Nhiệt sinh ra làm nóng không khí. Không khí nóng được đẩy vào kênh tuần hoàn, một phần vào kênh cung cấp. Khí nóng từ các kênh này được hút vào các rọ quay và trao đổi nhiệt với gạch, thực hiện quá trình sấy. Biểu đồ chỉ thị nhiệt độ giúp nhà công nghệ nắm được quá trình sấy và có thể chủ động điều chỉnh được quá trình này( thay đổi nhiệt độ ở các vùng bằng cách thay đổi độ mở các van tương ứng) sao cho phù hợp với mục đích sấy. Sau khi điều chỉnh độ mở các van đã hợp lý, việc điều chỉnh nhiệt độ đến mức yêu cầu sẽ được điều chỉnh tự động nhờ CPU. ở đây CPU căn cứ vào nhiệt độ đặt: WORK SET POINT( Tw) và STOP SET POINT( Ts) để so sánh với nhiệt độ khí buồng đốt T0( BURNER AIR). Trong CPU sẽ luôn so sánh T0 và Tw để cung cấp đầu và khí cho quá trình đốt. Thực chất là quay CAM để đóng mở đường dầu hồi và van không khí. Nếu quá trình này bất thường nhiệt độ tăng quá hoặc giảm đến nhiệt độ Ts thì CPU cho dừng buồng đốt. Việc đốt và quá trình điều chỉnh tại một điểm được trình bày bằng các hình dưới đây: Main ON/ OFF CONTROLLED ON/ OFF CONTROL Temperature sensor Amplifier ADC ADC IN MICRO- COMPUTER Data bus MAINS- DEMO BOX From main HEATER Hình 2.3- Quá trình đốt và điều chỉnh nhiệt độ tại một điểm Hình 2.4- Điều khiển Rơle để mở van Chú thích: T1: Nhiệt độ đặt W: Độ rộng vùng nhiệt độ cho phép( sai lệch cho phép) T: Nhiệt độ thực tại thời điểm kiểm tra Như vậy từ sự phân tính các đặc điểm trên ta có thể mô tả sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ lò như sau: Buồng phát nhiệt KĐ KĐ đệm Lọc thông A/ D VXL Hệ điều chỉnh KĐ Lọc thông KĐ đệm KĐ đệm Lọc thông KĐ Lọc thông KĐ KĐ đệm Vùng 1 Vùng 2 Vùng 3 CT Phím Hình 2.5: Sơ đồ thống điều khiển nhiệt độ lò Theo như sơ đồ trên ta thấy trên các vùng của lò sấy có đặt các đầu đo nhiệt độ, các đầu đo này được nối với khối xử lý trung tâm và chỉ thị trên màn hình. Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ thu nhận các tín hiệu đo từ cặp nhiệt tại các vị trí khác nhau trên lò, các tín hiệu này sau khi qua bộ biến đổi A/ D được đưa về bộ điều khiển, tại đây bộ điều khiển có nhiệm vụ tính toán, so sánh và đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp cho quá trình sấy, thực chất là đóng mở Rơle để đóng mở các van tương ứng. Căn cứ vào các yêu cầu, chỉ tiêu, nhiệm vụ cụ thể mà ta rút ra các phương án thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ khác nhau cho từng hệ thống thực tế nào đó. Như vậy để đạt được số chỉ nhiệt độ tại các điểm đo có hai yếu tố: + Nguồn nhiệt phải đủ mức cần thiết. Mức này được tự động điều chỉnh nhờ bộ xử lý trung tâm. + Sự đóng mở các van tại vị trí sao cho hợp lý tức là lượng khí nóng, khí lạnh và việc thu hồi nhiệt tạo ra sự chênh lệch áp suất để đối lưu… * Các ưu điểm của phương pháp này là: Tín hiệu xử lý là tín hiệu số nên có độ chính xác cao. Việc tính toán nhiệt độ được thực hiện bằng phần mềm nên có tính linh hoạt và mềm dẻo hơn. Vi xử lí được sử dụng là 80C31, đây là loại vi xử lí đã được thương phẩm hoá trên thị trường việt nam và dễ tìm kiếm. Các vi mạch phụ trợ cũng đa dạng và dễ tìm kiếm. Họ vi xử lí 8051 (trong đó có cả 8031) có tập lệnh tương đối phong phú, trợ giúp nhiều lệnh cho người lập trình, giúp cho việc lập trình được đơn giản và dễ hiểu. Bộ vi xử lí này thuận tiện cho các hệ thống vừa và nhỏ. Chương III Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò sấy đứng Sau khi đã phân tích mục đích cũng như yêu cầu của hệ thống lò sấy, ta có thể thiết kế hệ thống này bao gồm các module như sau: + Module điều khiển trung tâm của hệ thống. + Module thu nhận và xử lý tín hiệu từ cặp nhiệt điện. + Module chỉ thị và phím điều khiển hệ thống, chương trình đang chạy có thể cho dừng lại bởi một sự cố, một nguồn ngắt ( ngắt cứng hay ngắt mềm). + Module cung cấp nguồn cho hệ thống. Trước khi đi vào thiết kế cụ thể từng phần, chúng ta tiến hành giới thiệu một số thiết bị chính sử dụng trong hệ thống. ở đây ta chỉ thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ của lò sấy, do đó ta chỉ giới thiệu về một số thiết bị chính mà ta cần quan tâm. 3-1- Giới thiệu về vi xử lí sử dụng trong mạch. A- Vi xử lí 80C31 1- Giới thiệu chung về bộ vi xử lí 80C31. Họ vi xử lý MCS- 51 là họ vi xử lý điển hình được đưa ra bởi hãng INTEl trong đó thì bộ vi xử lý 8051 lại là đại diện tiêu biểu nhất. Bên cạnh những thông số chung của họ vi xử lý MCS- 51 thì bộ vi xử lý 8051 có bộ nhớ chương trình (ROM) tương đối lớn, đến 4K byte, được tích hợp ngay trên chip, và do đó có thể hình thành trọn vẹn một máy tính. Bộ nhớ ROM bên trong của 8051/52 và 8751/52 khi chế tạo cũng như khi lập trình đều cho phép bảo vệ chống đọc ra. - Bộ vi xử lý 80C51 là bộ điều khiển 8 bit có bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu riêng biệt, có thể mở rộng tới 64Kbyte bộ nhớ chương trình và 64 Kbyte bộ nhớ dữ liệu. - Bộ vi xử lý 8031 thực chất cũng là bộ vi xử lý 8051 được chế taọ theo công nghệ CMOS nhưng nó không có bộ nhớ ROM bên trong, do đó để 8031 có thể làm việc ta phải đấu thêm một bộ nhớ ROM bên ngoài. Các đặc trung cơ bản của MCS- 51 cũng như của 8031 (8051). Đơn vị xử lý trung tâm 8 bit đã được tối ưu hoá để đáp ứng các chức năng điều khiển. Khối logic xử lý theo bit thuận tiện cho việc thực hiện các phép toán dạng Boole. Bộ tạo dao động giữ nhịp bên trong (đến 12MHz). Tập lệnh rất phong phú. Giao diện nối tiếp có khả năng hoạt động song công, đồng bộ (UART) có thể được tính địa chỉ một cách riêng biệt. Có 16 (32) đường dẫn vào/ ra hai hướng và từng đường dẫn có thể được định địa chỉ một cách riêng biệt. Có năm nguồn ngắt với hai mức ưu tiên. Dung lượng của bộ nhớ dữ liệu RAM bên ngoài có thể lên đến 64 Kbyte. Dung lượng của bộ nhớ chương trình ROM bên ngoài có thể lên đến 64 Kbyte. Dung lượng bộ nhớ RAM trong là 128 byte. Hai bộ đếm định thời timer/ counter 16 bit. Bus và khối định thời tương thích với các khối ngoại vi cho bộ vi xử lý khác của hãng như 8085/ 8088. Một cổng truyền tuần tự. Bốn cổng vào ra song song đa năng. Bên cạnh bộ nhớ RAM trong 8031 còn có vùng chứa các thanh ghi có chức năng đặc biệt (SFR) được tích hợp ngay trên chip cũng có dung lượng bộ nhớ bằng dung lượng bộ nhớ của RAM. Mặc dù vậy các thanh ghi đặc biệt cũng bao gồm cả thanh ghi A (acccumulator), thanh ghi phụ B, và thanh ghi từ trạng thái chương trình Program Status Word (PSW). Như vậy ở đây chúng ta thấy việc phân chia độc lập hai khối bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu là sử dụng cấu trúc Harvard. 2-Cấu trúc của bộ vi xử lý 80C31. Sơ đồ cấu trúc của bộ vi xử lý 8031. CPU( Central Processing Unit): là đơn vị xử lý quan trọng nhất của bộ vi xử lý bao gồm các thành phần sau: Thanh ghi tích lũy A( accumulator). Thanh ghi phụ B dùng cho phép nhân và phép chia. Đơn vị số học ALU( Arithmetic Logic Unit). Thanh ghi từ trạng thái chương trình PSW( Program Status Word). Bốn băng thanh ghi. Con trỏ ngăn xếp SP( Stack Pointer) cũng như con trỏ dữ liệu để định địa chỉ cho bộ nhớ dữ liệu bên ngoài. Ngoài ra ở đây còn có: bộ đếm chương trình PC (Program Counter), bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển thời gian và logic. Đơn vị xử lý trung tâm nhận trực tiếp xung nhịp từ bộ tạo dao động được lắp thêm vào, linh kiện phụ trợ có thể là một khung dao động bằng vật liệu gốm hoặc một bộ cộng hưởng bằng thạch anh. Ngoài ra còn có khả năng đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngoài vào. Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối logic ngắt ở bên trong. Các nguồn ngắt có thể là: các biến cố ở bên ngoài, sự tràn bộ đếm/ định thời (do cờ tràn được đặt lên) hoặc cũng có thể là giao diện nối tiếp . Sơ đồ cấu trúc của một bộ vi điều khiển 8 bit Quản lý bus ĐK ngắt Timer 2 Timer 0 CPU Bộ dao động Port 0 Cổng nối tiếp SFR RAM RAM FF 00 7F 00 Timer1 Port 2 Port 1 Port 3 PSEN ALE XTAL 1,2 Mở rộng trong 8032 Các ngắt ngoài Các sự kiện cần đếm Nguồn ngắt trong Đ/c thấp Đ/c /Dữ liệu cao RAM Timer2 Bộ vi xử lý 8051/8052 còn có một bộ nhớ chương trình bên trong với dung lượng 4/ 8 Kbyte trong khi bộ vi xử lý của 8031/8032 lại nhận được chương trình điều hành của nó từ một bộ nhớ chương trình bên ngoài. Bộ vi xử lý tiêu chuẩn có 128 byte RAM bên trong để có thể xắp xếp các dữ liệu và thông tin điều khiển. ở bộ vi xử lý 8032/ 52, bộ nhớ này đã được mở rộng lên đến 256 byte. Các bộ vi xử lý 8031/ 51 còn chứa hai bộ định thời (timer/ counter ) 16 bit, chúng cũng có thể được sử dụng như là một bộ đếm các sự kiện, trong khi ở các bộ vi xử lý 8032/ 52 lại có thêm một bộ định thời thứ ba. Bộ này có thể sử dụng trong các chế độ hoạt động khác nhau tuỳ theo cách lựa chọn trong phần mềm. Chính vì vậy mà các bộ vi xử lý này được sử dụng một cách rất đa năng Theo như sơ đồ trên thì ta thấy họ các MCS- 51 có bốn cổng song song 8 bit, hoạt động độc lập với nhau. ở các bộ vi xử lý 8051/52, các cổng này có thể được sử dụng cho những mục đích điều khiển rất đa dạng. Khi các bộ vi xử lý 8031/32 làm việc với bộ nhớ chương trình ở bên ngoài, cổng P0 dùng để truyền nửa dưới của các địa chỉ nhớ được sử dụng giống như dùng cho các dữ liệu 8 bit (địa chỉ dữ liệu thấp). Sau đó, qua cổng P2 sẽ diễn ra quá trình xuất ra nửa trên của các địa chỉ 8 bit( địa chỉ dữ liệu cao). Cổng P1 và P3 có chứa mỗi cổng vào/ ra 8 bit có thể sử dụng được cho những mục đích điều khiển khác nhau. ở cổng P3 còn có thêm các đường dẫn điều khiển dùng cho việc trao đổi dữ liệu với bên ngoài, để đấu nối giao điện nối tiếp cũng như các đường dẫn ngắt bên ngoài. Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ nhận không đồng bộ, làm việc độc lập với nhau. Bằng cách đấu nối các bộ đệm thích hợp, ta có thể hình thành một cổng nối tiếp RS- 232 đơn giản. Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt được trong một vùng rộng và được ấn định bằng một bộ định thời. Dưới đây là sơ đồ bố trí chân linh kiện của bộ vi xử lý 8031( 8051) Hình 3.1: Sơ đồ bố trí chân linh kiện vi xử lí 8031 Giải thích sơ đồ chân linh kiện: Chân Kí hiệu Chức năng 1 đến 8 P1.0 đến P1.7 Cổng giả hai hướng( quasi- bidirectional) P1 tự do sử dụng 9 RESET Lối vào Reset, khi hoạt động( activ) ở mức cao 10 đến 17 P3. 0 đến P3.7 Cổng giả hai hướng P3 Sắp xếp tất cả các đường dẫn với chức năng đặc biệt 18 19 20 XTAL2 XTAL1 Vss Lối ra của bộ dao động thạch anh bên trong Lối vào của bộ dao động thạch anh bên trong Nối mass 21 đến 28 P2. 0 đến P2. 7 Cổng giả hai hướng P2 Chức năng đặc biệt: các đường dẫn địa chỉ A8 đến A15 29 30 31 /PSEN ALE /EA Program Store Enable, xuất ra các xung dọc dùng cho bộ nhớ chương trình bên ngoài Address Latch Enable, xuất ra các xung điều khiển để lưu trữ trung gian các địa chỉ External Access; Khi được nối với mass là để làm việc với ROM bên ngoài 32 đến 39 P0. 7 đến P0. 1 Cổng hai hướng cực máng hở P0 hoặc bus dữ liệu hai hướng dùng cho ROM, RAM và thiết bị ngoại vi bên ngoài. Cũng chuyển giao cả 8 bit phía dưới của địa chỉ 40 Vcc Nguồn nuôi dương, +5V Lối vào / EA (chân 31) đóng vai trò quyết định xem liệu bộ vi xử lý làm việc với bộ nhớ chương trình bên trong hay bên ngoài. ở loại không có bộ nhớ ROM, chân này phải được nối với mass. Loại thông thường có thể làm việc tuỳ theo cách lựa chọn với ROM bên trong hay bên ngoài. Khi đang ở chế độ làm việc với bộ nhớ ROM trong, loại có chứa bộ nhớ ROM có thể truy nhập tự động lên bộ nhớ chương trình bên ngoài. 3- Tổ chức bộ nhớ a- Bộ nhớ RAM trong: 7F 30 2F 28 27 20 1 F 18 17 10 F 08 07 00 80 bytes of RAM (“scratch pad”) 16 bytes of bit- addressable RAM Bank 3 Bank 2 Bank 1 Bank 0 Bộ nhớ RAM trong (128 byte) của 8031 chứa các thanh ghi và các bit địa chỉ thanh ghi có chức năng như là bộ nhớ RAM đa năng được minh hoạ bằng hình sau đây: Theo như sơ đồ trên ta thấy bộ nhớ RAM trong có 128 byte, trong đó: 32 byte đầu tiên được chia thành bốn dải thanh ghi, mỗi dải thanh ghi gồm 8 thanh ghi riêng biệt được đánh số từ R0 đến R7. Bốn dải thanh ghi này được đánh địa chỉ từ 00 H đến FF H. Sau một lần đặt lại (reset ), ngăn xếp bắt đầu ở địa chỉ 08 và tăng dần lên phía trên với mỗi lần gọi chương trình con. Để có thể sử dụng các thanh ghi cao hơn, con trỏ ngăn xếp phải được đặt lên một giá trị thích hợp ở chỗ bắt đầu của một chương trình. 16 byte tiếp theo thuộc vùng địa chỉ có thể truy nhập tới từng bit được đánh địa chỉ từ 20H đến 2FH 80 byte tiếp theo được sử dụng tự do và vùng ngăn xếp. ở tất cả những SFR được bổ xung, nửa byte địa chỉ giá trị của nó có giá trị bằng 0 hoặc là 8 ( các địa chỉ byte 80h, 88h vv... cho đến F8 ) là địa chỉ được theo bit. Bởi vì phần lớn các SFR bao gồm từ nhưng bit riêng lẻ với các chức năng độc lập, nên sẽ rất thuận lợi khi cần đặt và đọc ra các bit điều khiển riêng lẻ. b- Các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR ( Special Function Registers) Các thanh ghi này nằm phía trên của vùng địa chỉ RAM trong có giá trị từ 80h đến FFh, vùng này có tổng số 41 thanh ghi nhưng trong đó có 15 thanh ghi là có thể được truy nhập tới từng bit. Các thanh ghi có chức năng đặc biệt bao gồm các thanh ghi điều khiển và các thanh ghi số liệu. Những chức năng có sẵn trên chip như: bộ Timers, cổng truyền tuần tự, và hệ thống ngắt interrupt, có một hay nhiều vùng dành cho các thanh ghi đặc biệt SFRs. Ví dụ như cổng nối tiếp được điều khiển bằng thanh ghi SCON. Trong khi đó số liệu thu thập được đọc ra hay ghi vào bằng thanh ghi SBUF. Những bit đặc biệt của thanh ghi SCON đặt những mode khác nhau của cổng nối tiếp. Thanh ghi SCON được coi như là thanh ghi điều khiển trong khi đó SBUF được gọi là thanh ghi số liệu. Những thanh ghi đặc biệt SFRs: DPTR, DPL, DPH, PCON, TMOD, TL0,TL1, TH0, TH1, và SBUF thì chỉ có thể được truy nhập tới từng byte, điều này nói lên rằng chúng chỉ có thể được đọc, viết và so sánh đầy đủ theo byte. Còn lại các thanh ghi đặc biệt khác như Acc, B, PSW, P0, P1, P2, P3, IE, IP, SCON, và TCON được truy nhập tới từng bit địa chỉ. Điều này có nghĩa là những bit riêng biệt có thể được đọc ra, viết vào và so sánh. Như vậy! RAM chia làm hai khối, mỗi khối có 128 byte: + Khối có địa chỉ thấp nằm trong khoảng từ 00 đến 7Fh có thể truy nhập bằng cách truy nhập trực tiếp tới từng địa chỉ hoặc bằng cách gián tiếp tới từng địa chỉ thông qua thanh ghi. + Khối có địa chỉ cao nằm trong khoảng từ 80h đến FFh cũng có 128 byte và chỉ có thể truy nhập gián tiếp tới từng bit địa chỉ thông qua thanh ghi. Cổng nối tiếp Cổng nối tiếp được điều khiển bởi thanh ghi SFR SCON (Serial Port Control). Số liệu truyền và nhận từ cổng nối tiếp được chọn kênh thông qua thanh ghi SBUF. Thanh ghi SBUF được chia làm hai phần: Một dùng để truyền đi và một để nhận. Truyền nối tiếp và nhận nối tiếp có thể được thực hiện đồng thời. Trong đó thông tin truyền nối tiếp được coi như là hoạt động song song hai chiều cùng một lúc Tốc độ truyền được tính bằng công thức sau: *) Thanh ghi điều khiển cổng truyền tuần tự SCON( Serial Port Control register) SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI RI (bit 0): Receive Interrupt Flag; Được đặt bởi phần cứng báo là đã nhận được tín hiệu và phải xoá bằng phần mềm. Dựng cờ RI tại bit thứ 8( bit cuối cùng) trong mode 0 hoặc trong quá trình gặp bit Stop ở những mode khác nhau trong bất kỳ lần phục vụ truyền tuần tự nào. TI (b._.