Đang tải... (xem toàn văn)
PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂNNHÓM I Thông tin chung 1 Tên lớp Cơ Điện Tử 3 Khóa 14 2 Tên nhóm 2 Họ và tên thành viên Nguyễn Hùng Cương 2019605622 Hoàng Văn Đạt 2019606103 Nguyễn Đình Điểm 2019604946 II Nội d.
PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: Cơ Điện Tử Tên nhóm: Họ tên thành viên: Khóa:14 Nguyễn Hùng Cương 2019605622 Hồng Văn Đạt 2019606103 Nguyễn Đình Điểm 2019604946 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đo tốc độ động điện chiều cảm biến tiệm cận Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Mơ hình hóa mô hệ thống (L2.1) - Nội dung 4: Viết báo cáo Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch mơ hình sản phẩm (Nếu có) III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành đồ án theo thời gian quy định (từ ngày 13/09/2021 đến ngày 25/12/2021) Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến hệ thống đo, vi điều khiển Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ts Nguyễn Anh Tú ThS Nhữ Q Thơ MƠ TẢ KỸ THUẬT Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ Hệ thống có khả năng: - Điều khiển tốc độ động điện chiều núm xoay - Đo tốc độ động cảm biến tiệm cận - Hiển thị tốc độ theo thời gian thực hình LCD - Có chức lựa chọn giới hạn mức tốc độ để đưa cảnh báo giá trị mức vượt khoảng cho phép Cấu trúc thiết bị Thiết bị Loại sử dụng Cảm biến Tiệm cận Bộ điều khiển Vi điều khiển Hiện thị tốc độ LCD Phím chức nhập liệu Nút bấm số/ Màn hình chạm Tín hiệu cảnh báo Đèn Đặc tính kỹ thuật Thông số Giới hạn đo Sai số đo Độ phân giải Công suất động Điện áp động Giá trị 0-1500v/p 5% >=6 xung/vòng >10W 12/24VDC Nội dung báo cáo - Bản vẽ TT Tên vẽ Khổ giấy Số lượng Bản vẽ sơ đồ hệ thống A3 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống A3 - Báo cáo Chương Tổng quan hệ thống 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Chương Xây dựng mơ hình hệ thống 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu Chương 3: Mơ hình hóa mơ hệ thống 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ khí 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều khiển 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển Kết Luận MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 10 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu 13 CHƯƠNG Mơ hình hóa mơ hệ thống 18 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ khí 18 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều khiển 21 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 23 KẾT LUẬN 26 Tài liệu tham khảo 27 PHỤ LỤC 28 LỜI MỞ ĐẦU Ngày phát triển giới mặt khoa học cơng nghệ nói chung lĩnh vực điện - điện tử nói riêng lên mạnh mẽ phát triển vượt bậc làm cho giới ngày văn minh đại với đời cảm biến, vai trò quan trọng ,nó sử dụng thiết bị cảm nhận phát đặc biệt chúng thể vai trị vơ đặc biệt kỹ thuật cơng nghiệp đo lường ,kiểm tra điều khiển tự động Với ứng dụng quan trọng nhóm chọn đề tài sử dụng cảm biến tiệm cận nhằm mục đích tìm hiểu nghiên cứu nguyên lý hoạt động cảm biến ứng dụng vào đo tốc độ động Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến thầy, cô môn Cơ Điện Tử Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu để hoàn thành đề tài nghiên cứu Đồng thời, nhóm em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn thầy Nhữ Quý Thơ, thầy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ nhóm suốt q trình thực đồ án mơn Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè hỗ trợ chia kinh nghiệm cho nhóm thời gian qua Cuối nhóm em xin chúc thầy tồn thể bạn lớp nhiều sức khỏe thành công công việc Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung Ngày nay, có nhiều phương pháp đo tốc độ động phổ biến hai phương pháp: sử dụng encoder sử dụng cảm biến tiệm cận Phương pháp đo tốc độ động thông dụng dùng cảm biến quang hay gọi encoder Tín hiệu encoder tạo dạng xung vng có tần số thay đổi vào tốc độ động Do xung vng đưa vào vi xử lý để đếm số xung khoảng thời gian cho phép từ ta tính giá trị vận tốc động Đây phương pháp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động hay điều khiển nhanh chậm Cảm biến tiệm cận bao gồm tất loại cảm biến phát vật thể không cần tiếp xúc cơng tắc hành trình mà dựa mối quan hệ vật lý cảm biện vật thể cần phát Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu chuyển động xuất vật thể thành tín hiệu điện Nhiệm vụ nhóm “Xây dựng hệ thống đo tốc độ động điện chiều cảm biến tiệm cận” Nhóm sử dụng cảm biến tiệm cận để đo tốc độ động chiều hiển thị tốc độ lên led LCD Hệ thống có khả cảnh báo tốc độ điều chỉnh tốc độ động 1.2 Các yêu cầu Để giải đề tài, nhóm cần giải số vấn đề sau: -Về phần hệ thống đo cảm biến: cảm biến tiệm tiếp nhận chuyển đổi thơng tin thành tín hiệu Cảm biến phải thuộc tần số quét phù hợp với tốc độ động cần đo Các tín hiệu truyền đến thiết bị điều khiển xử lý để hiển thị giá trị cần đo chương trình riêng biệt -Về phần điều khiển: hệ thống xuất đèn cảnh báo tốc độ động vượt ngưỡng giá trị đặt trước phục vụ cho việc kiểm soát tốc độ Có khả thay đổi tốc độ biến trở -Thiết bị chấp hành: động cần lắp thêm vòng bánh trục xoay có điểm mấu chốt để cảm biến bắt tín hiệu Động dễ thay thế, bảo trì, bảo dưỡng -Về phầm mềm lập trình: am hiểu kĩ lập trình, đặc biệt arduino ide Vì arduino ide phần mềm lập trình xác, phổ biến, dễ dàng cho người tiếp cận - Mơ hình hóa mơ phỏng: Phần mềm Proteus Professional cho phép mô hoạt mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi điều kiển PIC,AVR,ARUINO, 1.3 Phương pháp nghiên cứu - Dựa vào kiến thức học môn học như: Cở sở hệ thống tự động, Cảm biến hệ thống đo, kỹ thuật vi xử lý, tìm hiểu Internet, sách - Áp dụng phương pháp thiết kế, viết chương trình tính tốn, phân tích, xử lý số liệu để xây dựng mơ hình phù hợp với đề tài - Nắm rõ nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận, đặt vấn đề cần giải từ xây dựng hệ thống - Sử dụng kiến thức học mô phỏng, thiết kế mạch điện phần mềm Proteus - Xây dựng, thiết kế lập trình điều kiển phần mềm arduino ide theo yêu cầu toán đặt 1.4 Phạm vi nghiên cứu - Giới hạn đo khoảng 0-1500 vòng/phút - Sai số đo ± 5% - Độ phân giải >= xung/vịng - Cơng suất động >10W - Điện áp động 12VDC 1.5 Ý nghĩa thực tiễn Hệ thống đo tốc độ cảm biến tiệm cận điều khiển tốc độ đề tài mang tính thiết thực, mức cần thiết cao phát triển khoa học, cơng nghệ Mục đích cho việc ứng dụng vào máy móc thiết bị cơng nghiệp thiết bị công nghệ đời sống hiệu tạo tính an tồn cho người lao độ, động lực để nhóm em tìm hiểu có thêm nhiều hiểu biết cách điều khiển, thiết kế chế tạo hệ thống tối ưu đáp ứng đủ yêu cầu đưa Đề tài có ứng dụng thực tiễn công nghiệp dây truyền tự động hóa sản xuất đời sống Áp dụng việc kiểm soát tốc độ dùng các thiết bị tự động hóa sản xuất, đo lường tốc kế,… CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.1.1 Tổng quan hệ thống Hình Tổng quan hệ thống Hệ thống bao gồm cụm chi tiết : - Cụm 1: Cảm biến - Cụm 2: Điều khiển xử lý tín hiệu + Biến trở + Bàn phím + Vi xử lý - Cụm 3: Chấp hành + Motor + Màn hình LCD + Đèn led báo hiệu 2.1.2 Nguyên lý làm việc - Về led cảnh báo tín hiệu: nối với chân PWM arduino 2,3,4 Hình 11 Mạch điện led báo hiệu - Về bàn phím nhập số liệu: kết nối với chân PWM 8-13 Hình 12 Mạch điện bàn phím nhập 15 Từ ta có mạch điện tổng quát chung: Hình 13 Mạch điện tổng quát 16 2.4.2 Xử lý tín hiệu + Cảm biến tiệm cận có đầu dạng xung + Trong nhóm chúng em sử dụng ngắt để đo số xung cảm biến tiệm cận + INT0: có cạnh xuống tín hiệu cảm biến biến xung tăng lên 1, biến lưu xung cảm biến + Gọi số xung xuất từ chân out 1s là: n + Vì có 10 điểm bắt tín hiệu đĩa gắn động nên 10 xung cảm biến nhận vòng + Tốc độ động cơ: V = n*60/10 (vòng/phút) + Vậy để đo tốc độ động cơ, bạn cần đếm số xung xuất từ chân out cảm biến giây hay nói cách khác tần số xung cảm biến tiệm cận 17 CHƯƠNG Mơ hình hóa mơ hệ thống 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ khí 3.1.1 Phần mềm mơ Để mơ hình hóa mơ hệ thống đo tốc độ động chiều cảm biến tiệm cận, nhóm em sử dụng phần mềm Solidworks Solidworks phần mềm phát triển hãng Dassault Systemes Solidworks Corp, cơng ty Dassault Solidworks có đặc điểm: - Thiết kế mơ hình 3d chi tiết - Thiết kế lắp ghép cụm lắp ghép - Xuất vẽ dễ dàng - Tính tab slot 3.1.2 Quá trình thiết kế phận phần mềm solidwork Hình ảnh tổng quan hệ thống solidwork Hình 14 Hình ảnh tổng quan 18 a, Động điện chiều - Sử dụng lệnh extruded boss extruded cut để tạo khối - Đường kính trục quay: 0.5 cm - Đường kính động : cm - Chiều dài động : 7.5 cm Hình 15 Động chiều - Gán vật liệu stainless steel màu sắc cho động b, Màn hình lcd - Chiều dài tổng : 13 cm - Chiều rộng tổng : cm - Kích thước hình trong: cm x cm Hình 26 Màn hình LCD - Sử dụng lệnh extruded boss để tạo khối extruded cut để cắt khối c, Cảm biến tiệm cận - Chiều dài tổng thể : 16.5 cm - Đường kính mặt trước : cm - Sử dụng lệnh extruded boss để tạo khối trụ Dùng lệnh Thread để tạo ren mặt trụ trơn Hình 17 Cảm biến tiệm cận - Gán vật liệu ceramic porcelain màu cho cảm biến 19 d, Biến trở - Đường kính đáy trịn biến trở: cm - Dùng lệnh extruded boss tạo khối trụ tròn - Vẽ núm xoay biến trở - Dùng lện extruded cut để tạo rãnh Hình 13 Biến trở - Vẽ chân biến trở - Gán vật liệu aisi 1045 steel màu sắc cho phần biến trở e, Bàn phím - Kích thước ngồi bàn phím: 10cm x 7.5cm - Dùng lện extruded boss để tạo khối hình chữ nhật Hình 14 Bàn phím - Dùng text để tạo số lệnh extruded cut để khắc số lên bàn phím - Gán vật liệu aisi 305 cho bàn phím f, Đèn led - Kích thước đáy r=1 cm - Tạo khối lệnh extruded boss - Gán màu cho led Hình 20 Đèn led 20 g, Đĩa quay - Đường kính ngồi : cm - Đường kín : 0.4 cm - Kích thước lỗ nhỏ : 0.2 cm - Dùng lệnh extruded boss để tạo khối Hình 21 Đĩa quay Dưới link video mơ khí solidwork: https://www.youtube.com/watch?v=GRSNAw5H3G4 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều khiển 3.2.1 Phần mềm mơ Để mơ hình hóa mô hệ thống đo tốc độ động chiều cảm biến tiệm cận, nhóm em sử dụng phần mềm Proteus Professional Phần mềm vẽ Proteus phần mềm vẽ mạch điện tử phát triển cơng ty Lancenter Electronics Phần mềm mơ tả hầu hết Linh Kiện Điện Tử thông dụng nay, đặc biệt hỗ trợ cho phần mềm 8051, PIC, Motorola, AVR Proteus có khả mô hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết trình điều khiển cho loại vi điều khiển MCS-51, AVR, PIC… Những Đặc Điểm Nổi Bật Của Proteus: • Có khả mơ hầu hết trình điều khiển cho vi điều khiển • Chọn đối tượng thiết lập thơng số cho đối tượng dễ dàng • Xuất file Netlist tương thích với chương trình làm mạch in thơng dụng 21 • Xuất file thống kê linh kiện cho mạch • ISIS tích hợp nhiều cơng cụ giúp cho việc quản lý mạch điện lớn, mạch điện lên đến hàng ngàn linh kiện phục vụ cho thiết kế mạch chuyên nghiệp • Thiết kế theo cấu trúc (hierachical design) • Khả tự động đánh số linh kiện 3.2.2 Q trình thiết kế mơ Do phần mềm mô proteus hiển thị bánh xe thiết kế đặc biệt motor, cảm biến tiệm cận đồng với motor quay Do mơ Proteus, nhóm em cấp xung giả cho hệ thống Việc để đánh giá độ xác phép đo tốn lập trình cho vi điều khiển Ta nhập tên sau vào phần Keywords để lấy linh kiện Ta vào phần Virtual Instuments Mode công cụ bên trái để lấy máy phát xung máy đo sóng oscilloscope Ta cài đặt tần số máy phát 50Hz Ta vào phần Terminals Mode để lấy dây mass nguồn Hình 22 Bộ phát xung 22 Thứ 2, ta vẽ mạch theo mạch nguyên lý Chương có số khác biệt loại bỏ biểu diễn motor Hình 23 Mạch mơ Ta nạp code cho chip chạy chương trình mơ Dưới link video mô hệ điều khiển Proteus Professional: https://www.youtube.com/watch?v=Uz5reZK-uJU 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 3.3.1 Phần mềm xây dựng chương trình điều khiển Nhóm em sử dụng phần mềm lập trình Arduino IDE để xây dựng hệ thống Arduino IDE phần mềm mã nguồn mở chủ yếu sử dụng để viết biên dịch mã vào module Arduino Đây phần mềm Arduino thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng mà người bình thường khơng có kiến thức kỹ thuật làm 23 Nó có phiên cho hệ điều hành MAC, Windows, Linux chạy tảng Java kèm với chức lệnh có sẵn đóng vai trị quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa biên dịch mã môi trường Có nhiều module Arduino Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro nhiều module khác Mỗi module chứa vi điều khiển bo mạch lập trình chấp nhận thơng tin dạng mã Mã chính, cịn gọi sketch, tạo tảng IDE tạo file Hex, sau chuyển tải lên điều khiển bo Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần bản: Trình chỉnh sửa Trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã yêu cầu phần sau sử dụng để biên dịch tải mã lên module Arduino Môi trường hỗ trợ ngôn ngữ C C ++ 24 3.3.2 Lưu đồ thuật tốn Hình 24 Lưu đồ thuật tốn 25 KẾT LUẬN Với lượng kiến thức thực tiễn hạn chế, tình hình dịch bệnh trở nên phức tạp, khơng có khả lên trường thực hành làm mơ hình thực tế nên nhóm gặp nhiều khó khăn q trình thiết kế, tính tốn điều khiển Từ nội dung mà nhóm tìm hiểu q trình nghiên cứu, nhóm đồ án rút số kết luận sau: - Mơ hình nhóm hồn thiện cịn số hạn chế - Khi tốc độ động quay q nhanh sai số cịn lớn - Chưa tối ưu mơ hình 3D, chưa có độ thẩm mỹ cao - Qua đồ án nhóm học nguyên lý hoạt động arduino, cảm biến tiệm cận hình LCD cách đo tốc độ , cảnh báo tốc độ động cịn tìm hiểu thêm số ngơn ngữ lập trình kết hợp lại với Đồ án môn giúp củng cố lại kiển thức môn cảm biến hệ thống đo lường kỹ thuật vi xử lý Đồng thời, tích lũy kiến thức quan trọng để phục vụ cho việc học tập học phần có liên quan, đồ án môn học đồ án tốt nghiệp sau Báo cáo đề tài cố gắng nghiên cứu thành viên nhóm em với giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo Nhữ Quý Thơ , qua em nắm bắt cách tổ chức nghiên cứu nắm bắt nội dung quan trọng đề tài để viết báo cáo đầy đủ chi tiết Có thể khơng thể tránh thiếu sót nhỏ, nhóm em kính mong thầy bảo để nhóm hồn thiện tự tin q trình học tập làm việc sau Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn! 26 Tài liệu tham khảo [1] Giáo trình Cảm biến hệ thống đo lường, Thầy Lê Ngọc Duy, Bùi Thanh Lâm Nhữ Quý Thơ, nhà xuất Đại học Công nghiệp Hà Nội [2] Giáo trình mơn Kỹ thuật vi xử lý, thầy Vũ Trung Kiên, nhà xuất Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội [3] Trang web quantrimang.com giúp tìm hiểu cách lập trình cho ardunio [4] N T H Phạm Văn Huy, Vi điều khiển ứng dụng Arduino dành cho người tự học, NXB Bách Khoa Hà Nội Data sheet: + Arduino uno r3: http://www.linhkientot.vn/ebook/arduino-uno-r3datasheet.pdf + Cảm biến: https://www.autonics.com/model/A1600000121 + LCD: https://datasheetspdf.com/pdf-file/519148/CA/LCD-1602A/1 + PCF8574: https://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/18212/PHILIPS/PCF8574.html + Bàn phím: https://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/72484/MARKTECH/MTAN212 1-AG.html 27 PHỤ LỤC Bản vẽ lắp hệ thống Code chương trình: 28 29 ... - Phân loại cảm biến tiệm cận: a, Cảm biến tiệm cận Loại Cảm Ứng Từ Hình Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ - Nguyên lý hoạt động: Cảm biến từ tiệm cận bao gồm cuộn dây quanh lõi từ đầu cảm ứng Sóng... Đây cảm biến thuộc dòng cảm biến tiệm cận cảm ứng điện dung Cảm biến điện dung cảm biến dùng để phát vật thể gần cỡ mm dùng cho mục đích giám sát điều khiển Cảm Biến Tiệm Cận PR12-2DN (NPN) 12-24VDC... hiệu + Cảm biến tiệm cận có đầu dạng xung + Trong nhóm chúng em sử dụng ngắt để đo số xung cảm biến tiệm cận + INT0: có cạnh xuống tín hiệu cảm biến biến xung tăng lên 1, biến lưu xung cảm biến