Điều khiển nhiệt độ số 8051

Phần này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc điều khiển nhiệt độ chính xác trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là luyện kim và chế biến thực phẩm. Chất lượng sản phẩm phụ thuộc rất lớn vào khả năng kiểm soát nhiệt độ ổn định. Vì lý do này, luận văn tập trung vào thiết kế một hệ thống điều khiển nhiệt độ số nhằm giải quyết vấn đề này và được chọn làm đề tài tốt nghiệp. Tác giả cũng đề cập đến việc tận dụng kiến thức đã học kết hợp với nghiên cứu để hoàn thành luận văn, coi đây là thành quả của quá trình học tập và bước đệm quan trọng trước khi ra trường. Tóm lại, mục tiêu chính của luận văn là thiết kế một hệ thống điều khiển nhiệt độ số hiệu quả và chính xác cho ứng dụng công nghiệp.

Phần này giới thiệu khái quát về hệ thống điều khiển tự động hiện đại, đặc biệt chú trọng vào hệ thống điều khiển số. Hệ thống điều khiển tự động ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và thường bao gồm nhiều mạch điều khiển tương tác với nhau. Trong các nhà máy hiện đại, việc truyền và xử lý số liệu đóng vai trò quan trọng, và hệ thống điều khiển số, đặc biệt khi kết hợp với máy tính, cho phép thực hiện công việc này một cách hiệu quả và tiện lợi. Hệ thống điều khiển số được đề cập đến như một công cụ và nền tảng quan trọng để phân tích và tổng hợp các hệ thống điều khiển khác nhau, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như điều khiển robot, máy móc, hệ thống thông tin liên lạc, và giám sát quy trình công nghệ. Tuy nhiên, phần này cũng chỉ ra những nhược điểm của hệ thống điều khiển số, bao gồm sự cần thiết của bộ chuyển đổi ADC và DAC, độ trễ, và độ chính xác tiềm tàng thấp hơn so với hệ thống điều khiển tương tự, nhưng bù lại hệ thống số có ưu điểm về độ bền, độ tin cậy, tính mềm dẻo và khả năng chống nhiễu tốt hơn. Hệ thống điều khiển số còn cho phép xây dựng các giải pháp mềm dẻo, dễ dàng thay đổi và bảo trì.

Phần này đề cập đến các phương pháp điều khiển nhiệt độ khác nhau, bao gồm phương pháp sử dụng rơle đơn thuần, rơle kết hợp với thyristor, và điều chỉnh thông qua thay đổi điện trở của lò hoặc cường độ dòng điện. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp sử dụng rơle đơn giản nhưng không chính xác và độ tin cậy thấp. Phương pháp kết hợp rơle và thyristor cải thiện khả năng điều chỉnh nhưng vẫn không liên tục. Việc điều chỉnh thông qua thay đổi điện trở hoặc cường độ dòng điện cũng được đề cập, nhưng phương pháp điều chỉnh thông qua điện trở ít được ưa chuộng do tính không liên tục và hạn chế về phạm vi điều khiển. Cuối cùng, phần này nhấn mạnh vai trò của vi xử lý (microprocessor) và vi điều khiển (microcontroller) trong việc thực hiện quá trình điều khiển một cách nhỏ gọn và đơn giản, góp phần giải quyết các vấn đề phức tạp trong lĩnh vực điều khiển nhiệt độ. Việc sử dụng máy tính trong hệ thống điều khiển số được xem là không thể thiếu để thu thập, xử lý, lưu trữ, hiển thị và điều khiển dữ liệu, đồng thời giám sát và cảnh báo các sự cố.

Đoạn văn này nhấn mạnh sự phát triển của các hệ thống điều khiển công nghiệp phức tạp với yêu cầu ngày càng cao về chất lượng và hiệu suất. Việc ứng dụng các bộ điều khiển số được xem là cần thiết để đáp ứng những yêu cầu này, đem lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế lớn. Hệ thống điều khiển số không chỉ là công cụ mà còn là nền tảng quan trọng trong việc phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển. Nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều quy trình sản xuất, bao gồm điều khiển robot, máy công cụ, hệ thống thông tin liên lạc, thu thập dữ liệu, và giám sát các quá trình công nghệ. Sự phát triển của hệ thống điều khiển số đã cho phép việc truyền và xử lý số liệu trong các khâu của hệ thống được thực hiện một cách tiện lợi và hiệu quả, đặc biệt khi kết hợp với máy tính. Việc mã hóa dữ liệu trong hệ thống số giúp giảm thiểu mất mát thông tin và tăng khả năng chống nhiễu.

Phần này trình bày cả ưu điểm và nhược điểm của hệ thống điều khiển số. Về ưu điểm, việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển số làm tăng độ bền vững, độ tin cậy, độ mềm dẻo, và tốc độ điều khiển. Hệ thống cho phép chống nhiễu tốt, xây dựng các phương án linh hoạt và dễ dàng thay thế thiết bị hay chương trình. Việc trao đổi thông tin giữa người và máy được đơn giản hóa, cho phép điều khiển linh hoạt hơn. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển số cũng có những hạn chế. Việc sử dụng bộ biến đổi ADC và DAC làm phức tạp hệ thống. Ngoài ra, hệ thống có độ trễ ít nhất là một chu kỳ lấy mẫu. Hơn nữa, việc trao đổi thông tin chỉ diễn ra ở các thời điểm gián đoạn, dẫn đến độ chính xác về nguyên tắc thấp hơn so với hệ thống điều khiển tương tự. Một điểm cần lưu ý là nhiệt độ trong buồng lò không hoàn toàn đồng đều và cặp nhiệt cũng có quán tính, dẫn đến việc xác định nhiệt độ phụ thuộc vào vị trí đặt cảm biến. Cuối cùng, biến thiên nhiệt độ lò có tính tự cân bằng, có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống điều khiển.

Phần này nhấn mạnh vai trò không thể thiếu của máy tính và hệ vi xử lý trong hệ thống điều khiển số. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập, xử lý, lưu trữ, hiển thị và điều khiển thông tin. Ngoài ra, chúng còn có chức năng giám sát, cảnh báo và báo động khi hệ thống gặp sự cố. Tóm lại, việc ứng dụng máy tính trong hệ thống điều khiển đã giúp giải quyết các vấn đề phức tạp trong lĩnh vực điều khiển, cải thiện hiệu quả và độ chính xác của quá trình.

Phần này giới thiệu bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) – một bộ điều khiển kinh điển và được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hệ thống. Mặc dù có những phương pháp hiện đại hơn như hồi tiếp trạng thái, bộ điều khiển PID vẫn được ưa chuộng nhờ tính đơn giản và hiệu quả. Bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần: tỉ lệ (P), tích phân (I), và vi phân (D), mỗi thành phần ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Việc lựa chọn tham số phù hợp cho ba thành phần này là rất quan trọng để đạt được chất lượng mong muốn. Bộ điều khiển PID số được mô tả có 2 điểm cực (0 và 1) và tối đa 2 điểm zero. Tuy nhiên, việc tìm ra bộ tham số PID tối ưu cho một hệ thống cụ thể vẫn là một thách thức, vì chưa có phương pháp tổng quát và chính xác. Các phương pháp hiện tại chỉ cho phép xác định tương đối các thông số, đòi hỏi quá trình tinh chỉnh thủ công để đạt được chất lượng mong muốn. Việc tinh chỉnh này dựa trên nguyên tắc ảnh hưởng của từng thành phần PID đến chất lượng hệ thống, tuy nhiên cần lưu ý rằng ba thông số này ảnh hưởng lẫn nhau.

Phần này thảo luận về việc lựa chọn thông số cho bộ điều khiển PID. Phương pháp thủ công, bằng cách thay đổi các thông số để hệ thống ổn định rồi tinh chỉnh lại để đạt chỉ tiêu mong muốn, tuy tốn thời gian và không hiệu quả cao. Một công cụ mạnh mẽ như MATLAB, với chức năng khảo sát tính ổn định của hệ thống bằng quĩ đạo nghiệm số (rltool), được đề cập đến như một giải pháp hiệu quả hơn. Ngoài ra, phương pháp tổng hợp trực tiếp trong miền rời rạc cũng được đề cập, ưu điểm là không phụ thuộc vào chu kỳ lấy mẫu và cho phép tính toán trực tiếp bộ PID số mà không cần qua khâu biến đổi. Vì vậy, phương pháp này được đánh giá là phù hợp hơn so với các phương pháp khác.

Phần này so sánh bộ điều khiển PID với hệ thống hồi tiếp trạng thái – một phương pháp hiện đại hơn. Mặc dù bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi, nó vẫn có những nhược điểm như thiết kế phức tạp, mang tính chất mò mẫm, kém chính xác và khó tổng quát hóa. Hệ thống hồi tiếp trạng thái được đề cập như một giải pháp khắc phục những nhược điểm này, cho phép đặt chính xác các điểm cực của hệ thống, từ đó quyết định tính chất và chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên, luận văn cũng chỉ ra rằng việc sử dụng bộ điều khiển PID số đơn giản hơn. Do đối tượng điều khiển (lò sấy) không có yêu cầu quá cao về công nghệ và độ chính xác, tác giả quyết định chọn bộ điều khiển PID cho hệ thống.

Phần này tập trung vào việc thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative), một phương pháp kinh điển và phổ biến. Mặc dù tồn tại các phương pháp hiện đại hơn, PID vẫn được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản và hiệu quả. Bộ điều khiển PID gồm ba thành phần chính: tỉ lệ (P), tích phân (I), và vi phân (D). Mỗi thành phần có ảnh hưởng riêng đến chất lượng hệ thống, và việc lựa chọn các thông số phù hợp cho ba thành phần này là rất quan trọng để đạt được hiệu suất mong muốn. Tuy nhiên, việc tìm kiếm bộ tham số PID tối ưu cho một hệ thống cụ thể vẫn là một thách thức, vì chưa có phương pháp nào đảm bảo tính chính xác tuyệt đối. Các phương pháp hiện có thường chỉ cho phép xác định tương đối các thông số, cần phải có quá trình thử nghiệm và điều chỉnh thủ công để đạt được kết quả tốt nhất. Luận văn đề cập đến việc sử dụng các nguyên tắc về ảnh hưởng của từng thành phần PID để hướng dẫn quá trình tinh chỉnh này. Ví dụ, việc tăng Kp làm giảm sai lệch tĩnh, tăng Ki có thể triệt tiêu sai lệch tĩnh, trong khi Kd ít ảnh hưởng đến sai lệch tĩnh. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng ba thông số này có sự tương tác lẫn nhau, việc thay đổi một thông số có thể ảnh hưởng đến tác dụng của hai thông số còn lại.

Phần này trình bày các phương pháp lựa chọn thông số cho bộ điều khiển PID. Phương pháp thủ công, bằng cách thử và sai, được đề cập nhưng bị đánh giá là tốn thời gian và không hiệu quả. Luận văn đề cập đến việc sử dụng MATLAB và công cụ rltool để khảo sát tính ổn định của hệ thống và xác định các thông số Kp, Ti, Td đảm bảo hệ thống ổn định. Ngoài ra, phương pháp tổng hợp trực tiếp trong miền rời rạc cũng được đề xuất như một giải pháp tối ưu hơn vì nó không phụ thuộc vào chu kỳ lấy mẫu và cho phép tính toán trực tiếp bộ PID số.

Phần này so sánh bộ điều khiển PID với phương pháp hồi tiếp trạng thái, một phương pháp hiện đại hơn. Bộ điều khiển PID, mặc dù phổ biến, có những nhược điểm như thiết kế phức tạp, thiếu chính xác, và khó tổng quát hóa. Hệ thống hồi tiếp trạng thái được xem là giải pháp khắc phục những hạn chế này, cho phép đặt chính xác các điểm cực của hệ thống, từ đó kiểm soát chất lượng hệ thống một cách hiệu quả. Tuy nhiên, luận văn nhận định rằng phương pháp PID đơn giản hơn trong quá trình tổng hợp. Do yêu cầu về công nghệ và độ chính xác của đối tượng điều khiển (lò sấy) không quá cao, tác giả đã lựa chọn bộ điều khiển PID để xây dựng hệ thống điều khiển số cho hệ thống.

Luận văn chọn sử dụng vi điều khiển 8051 vì một số lý do chính. Thứ nhất, 8051 thuộc họ MCS-51, là một loại chip vi điều khiển tích hợp đầy đủ chức năng của một hệ thống vi xử lý nhỏ gọn, rất phù hợp cho các thiết kế hướng điều khiển. Nó bao gồm mạch VXL, bộ nhớ chương trình và dữ liệu, bộ đếm, bộ tạo xung, các cổng vào/ra nối tiếp và song song, và mạch điều khiển ngắt. Thứ hai, chip 8051 cho phép mở rộng nhiều chức năng, thích hợp cho các thiết kế lớn hơn. Thứ ba, vi điều khiển thuộc họ MCS-51 có tập lệnh phong phú, cho phép lập trình mềm dẻo. Cuối cùng, chip 8051 được sử dụng phổ biến, được coi là chuẩn công nghiệp, và dễ dàng tìm mua trên thị trường, đảm bảo tính khả thi của thiết kế. Những đặc điểm này giúp giảm công suất tiêu thụ và cho phép điều khiển thời gian thực, rất thích hợp cho các thiết kế hướng điều khiển.

Hệ thống được mô tả bao gồm nhiều khối chức năng chính. Khối vi điều khiển 8051 đóng vai trò trung tâm, tương tác với các khối khác, nhận, xử lý và chuyển dữ liệu. Nó thực hiện các nhiệm vụ như nhận dữ liệu nhị phân từ cổng vào, xử lý dữ liệu, chuyển đổi sang mã Hexa, lưu trữ dữ liệu, điều khiển hoạt động của khối hiển thị và tạo tín hiệu điều khiển. Khối các thiết bị giao tiếp/ghép nối sử dụng ADC 0809 để chuyển đổi tín hiệu tương tự từ cảm biến nhiệt độ và biến trở sang tín hiệu số, và DAC 0808 để phát tín hiệu điều khiển từ vi xử lý ra lò. Khối điều khiển ngắt cho phép chương trình dừng lại do các sự kiện bên ngoài, tràn bộ đếm, hoặc giao diện nối tiếp. Các cổng vào/ra (P0-P3) được sử dụng cho nhiều mục đích điều khiển đa dạng. Giao diện nối tiếp, bao gồm bộ truyền và nhận không đồng bộ, có thể được cấu hình thành cổng RS232, với tốc độ truyền phụ thuộc vào bộ định thời và tần số thạch anh. Khối chỉ thị biến đổi tín hiệu điện nhận được để hiển thị kết quả đo lường. Khối chuyển đổi nhận các đại lượng vật lý và chuyển đổi chúng thành dòng điện hoặc điện áp thống nhất cho việc tính toán. Mạch đo xử lý tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi để phù hợp với yêu cầu hiển thị của bộ chỉ thị. Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng thêm 8KB ROM và 8KB RAM ngoài để mở rộng khả năng.

Phần này đi sâu vào chi tiết về vi điều khiển 8051, bao gồm cấu trúc chân và chức năng của các chân quan trọng như ALE (Address Latch Enable) và PSEN (Program Store Enable). ALE, trên chân 30, được sử dụng để chốt địa chỉ và dữ liệu khi Port 0 được dùng trong chế độ chuyển đổi. PSEN, trên chân 29, được dùng để điều khiển bộ nhớ chương trình mở rộng. Vi điều khiển 8051 có 4 cổng vào/ra (P0-P3), mỗi cổng 8 bit, và một giao diện nối tiếp với bộ truyền và nhận không đồng bộ. Việc sử dụng EPROM 8KB được giải thích, bao gồm cách thức kết nối với 8051, tốc độ truy cập, và cách thức chọn địa chỉ. Bộ chuyển đổi ADC 0809 được mô tả chi tiết, bao gồm nguyên lý hoạt động, cách thức kết nối với 8051 thông qua chân EOC (End Of Conversion) và cách ghép 8 bit dữ liệu với Bus dữ liệu hệ thống. Cuối cùng, phần này cũng đề cập đến việc lựa chọn giữa phần cứng phức tạp với phần mềm đơn giản và ngược lại, nhấn mạnh sự cân bằng giữa hai yếu tố này trong thiết kế.

Để thuận tiện cho việc phát triển giao diện người dùng, chương trình được viết trên môi trường Windows, một môi trường đồ họa hoàn thiện cung cấp nhiều công cụ hỗ trợ. Mặc dù Windows hạn chế truy cập cấp thấp vào phần cứng, nhưng trên Windows 9x, việc thực hiện các thao tác vào/ra cơ bản với phần cứng là được phép, đáp ứng yêu cầu của luận văn. Ngôn ngữ lập trình chính là C/C++, được lựa chọn vì khả năng viết các chương trình mạnh, nhanh, nhỏ gọn và truy cập sâu vào phần cứng. Tuy nhiên, để tối ưu mã lệnh, một số đoạn mã hợp ngữ cũng được sử dụng thêm.

Giao diện người dùng cần dễ sử dụng và thuận tiện cho người dùng. Các chức năng chính của giao diện bao gồm: hiển thị kết quả quá trình điều khiển, nhận nhiệt độ đặt mong muốn từ người dùng và nhận các thông số thiết lập hệ thống từ người dùng. Giao diện cần phải hợp lý và có phong cách chung là mô phỏng các bàn điều khiển thiết bị (Instrument Panel), giúp người dùng dễ dàng tương tác và nắm bắt thông tin.