TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO GÓC QUAY BẰNG CẢM BIẾN BIẾN TRỞ XOAY Giáo viên hướng dẫn ThS Nhữ Quý Thơ Nhóm sinh viên thực.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO GÓC QUAY BẰNG CẢM BIẾN BIẾN TRỞ XOAY Giáo viên hướng dẫn: ThS.Nhữ Quý Thơ Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Hán Hưng 2019603070 Đỗ Văn Hưng Hà Nội - Năm 2021 2018600755 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 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 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 1.3.2 Phương pháp nghiên cứu mô 1.3.3 Phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn 1.4.1 Ý nghĩa đề tài nhóm 1.4.2 Ứng dụng thực tiễn CHƯƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 2.1.1 Tổng quan hệ thống 2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.2.1 Cấu tạo chung biến trở xoay 2.2.2 So sánh, lựa chọn cảm biến 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 2.3.1 Phân tích 2.3.2 Lựa chọn điều khiển 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu 11 2.4.1 Thiết kế mạch đo 11 2.4.2 Xử lý tín hiệu 11 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 12 3.1 Mơ hình hóa mơ phận khí 12 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử 14 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 15 KẾT LUẬN 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 PHỤ LỤC 19 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Mơ hình hệ thống Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.3 Cấu tạp biến trở xoay Hình 2.4 Mơ cấu tạo cảm biến biến trở xoay Hình 2.5 Kit Arduino Uno R3 Hình 2.6 Mạch đo tín hiệu 11 Hình 3.1 Mơ hình hồn chỉnh hệ thống 12 Hình 3.2 Hệ thống hoàn thiện 14 Hình 3.3 Lưu đồ hệ thống 15 Hình 3.4 Hệ thống bật lên 16 Hình 3.5 Góc quay ngưỡng cảnh báo 16 Hình 3.6 Góc quay q ngưỡng cảnh báo 16 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: Cơ Điện Tử Khóa:K13-K14 Tên nhóm: Họ tên thành viên: Nguyễn Hán Hưng_2019603070 Đỗ Văn Hưng_2018600755 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đo góc quay cảm biến biến trở xoay 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: Chế tạo thử nghiệm 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 24/12/2021) 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 TS Nguyễn Anh Tú GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ThS Nhữ Q Thơ MƠ TẢ KỸ THUẬT Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ Hệ thống có khả năng: - Đo góc quay cảm biến biến trở xoay - Hiển thị góc theo thời gian thực hình LCD - Có chức lựa chọn giới hạn giá trị đo để đưa cảnh báo giá trị vượt khoảng cho phép Cấu trúc thiết bị Thiết bị Loại sử dụng Cảm biến Biến trở xoay Mạch chuyển đổi xử lí tín hiệu ADC ngồi chíp Bộ điều khiển Vi điều khiển Hiện thị góc LCD Phím chức nhập liệu Nút bấm số/ Màn hình chạm Tín hiệu cảnh báo LCD Đặc tính kỹ thuật Thơng số Giới hạn đo Sai số đo Bộ chuyển đổi ADC Giá trị 0-270 Độ 5% >=10 bit 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 2.5 Mơ hình hóa mơ hệ thống (Nếu có) Chương 3: Chế tạo thử nghiệm hệ thống 3.1 Chế tạo phận khí 3.2 Chế tạo phận điện - điện tử 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 3.4 Thử nghiệm đánh giá hệ thống Kết Luận LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển ngày mạnh mẽ tất lĩnh vực đời sống xản xuất Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào hoạt động sản xuất đòi hỏi người phải khơng ngừng học hỏi nâng cao trình độ hiểu biết để kịp thời cập nhật tiến giới Chính vậy, phát triển ngành điện tử có ý nghĩa quan trọng sản phẩm ngành phục vụ tất ngành khác kinh tế như: phục vụ lĩnh vực tự động hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển cảm ứng, …Trong môn học này, nhóm phân cơng đề tài:” Xây dựng hệ thống đo góc quay cảm biến biến trở xoay” Trong báo cáo này, nhóm trình bày ngun lý hoạt động cảm biến biến trở xoay, đồng thời xây dựng hệ thống đọc góc quay cảm biến biến trở xoay 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 trình thực đồ án mơn Xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung Công nghệ ngày phát triển kéo theo hàng loạt máy móc thiết bị công ty phát triển Song song với phát triển máy móc, thiết bị vi xử lý công nghệ cảm biến tạo cách mạng đảm nhiệm chức thay cho người quy trình cơng nghiệp dân dụng địi hỏi xác, tốc độ khả làm việc liên tục mà người không làm Chúng ta sống giới cảm biến Bạn tìm thấy loại Cảm biến khác nhà, văn phịng, tơ, v.v … để làm cho sống dễ dàng cách bật đèn cách phát diện chúng tơi, điều chỉnh nhiệt độ phịng, phát khói lửa, pha cà phê ngon, mở cửa nhà để xe xe gần cửa nhiều nhiệm vụ khác Kết hợp vi xử lý cảm biến tạo nhiều ứng dụng giúp ích cho người Có thể kể đến công nghiệp động điện chiều ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học đời sống như: Trong dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máy bay,… Vậy nên việc đo đạc điều khiển vô phổ biến Nhóm giao đề tài: Xây dựng hệ thống đo góc quay cảm biến biến trở xoay Nhóm sử dụng cảm biến biến trở xoay để đo vị trí góc quay, hiển thị góc quay lên hình LCD, góc quay vượt qua ngưỡng giới hạn đưa cảnh báo 1.2 Các yêu cầu Để thực đề tài nhóm cần giải vấn đề sau: - Về phần hệ thống đo cảm biến: Cần phải đọc tín hiệu analog từ đầu cảm biến biến trở xoay, từ tín hiệu analog biến đổi thành góc quay cảm biến - Về phần điều khiển: Hệ thống hiển thị góc quay lên hình LCD/ LED Có thể đưa cảnh báo góc quay vượt ngưỡng cho phép cịi LED đơn - Về mơ hình hóa mô phỏng: Sử dụng phần mềm proteus để thiết kế mạch nguyên lý mô hoạt động hệ thống 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Dựa vào kiến thức học môn: Cảm biến hệ thống đo, Vi xử lý cấu trúc máy tính,… - Tìm hiểu qua Internet, sách dạy lập trình, - Hiểu nguyên lý hoạt động cảm biến, từ xây dựng hệ thống đo 1.3.2 Phương pháp nghiên cứu mơ - Mơ hình hóa thiết kế hệ thống mơ hình hóa thiết kế mạch điện sử dụng kiến thức lý thuyết để xây dựng mơ hình hệ thống mạch điện kết nối phần mềm Proteus - Xây dựng, thiết kế phần điều khiển phần mềm arduino ide để xây dựng code điều khiển cho hệ thống theo yêu cầu toán đặt 1.3.3 Phạm vi giới hạn nghiên cứu - Cảm biến biến trở xoay sử dụng có giá trị trở khống khoảng 5-100k ohm - Cảm biến có góc quay khoảng – 270 độ - Dải điện áp vi xử lí đo – 5v - Hệ thống hiển thị góc quay cảm biến đầu cảm biến - Hệ thống sử dụng đèn Led để cảnh báo góc quay - Hệ thống sử dụng ngơn ngữ C/C++ để lập trình 2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống Năng lượng Khối nguồn Khối cảm biến Tín hiệu Tín hiệu Năng lượng Khối xử lý trung tâm Khối nhập thơng tinl Tín hiệu Năng lượng Khối hiển thị, cảnh báo Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống - Khối nguồn: cấp điện cho toàn hệ thống - Khối cảm biến: truyền tín hiệu analog vi xử lý - Khối vi xử lý: xử lý tín hiệu thu từ khối cảm biến, xuất tín hiệu điều khiển khối hiển thị khối cảnh báo - Khối nhập thông tin: Nhập vào giá trị ngưỡng cảnh báo - Khối hiển thị: nhận tín hiệu từ khối vi xử lý, hiển thị góc quay đo được, đưa cảnh báo giá trị đo vượt ngưỡng 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.2.1 Cấu tạo chung biến trở xoay Hình 2.3 Cấu tạp biến trở xoay + Chân chạy chân giữa, xoay biến trở giá trị biến trở chân chân lại thay đổi giá trị điện trở theo + Hai chân biên giá trị biến trở Dù có xoay biến trở hai chân giữ nguyên giá trị điện trở cố định Giá trị điện áp cảm biến: 𝑈𝑟𝑎 = 𝑈1 ∗𝑅2 𝑅1 +𝑅2 Hình 2.4 Mơ cấu tạo cảm biến biến trở xoay 2.2.2 So sánh, lựa chọn cảm biến Thơng số Hình ảnh WH148 SV01A103 Góc quay giới hạn Giá trị trở Sai số Chống bụi Tác động xoay Giá thành Độ thông dụng 0-270 độ 1k-500k 5% Không Có núm xoay Giá thấp Thơng dụng 0-333,3 độ 10k(chỉ có giá trị trở) 2% Có Có lỗ xoay chữ D Giá cao Thơng dụng Sau tìm hiểu nghiên cứu, với yêu cầu đặt hệ thống khả tiếp cận, tuổi thọ độ xác nhóm chọn cảm biến biến trở xoay SV01A103 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 2.3.1 Phân tích a Về phần cứng Arduino thiết kế chuyên biệt dành cho người không chuyên điện tử làm Bạn khơng phải thời gian giai đoạn “làm mạch”, thứ có sẵn bạn cần tập trung cho phần điều khiển mà thơi Nếu có không ổn xảy ra, bạn đỡ thời gian cho việc rà soát lỗi phần mạch, lỗi nằm code bạn b Về phần mềm Mơi trường phát triển tích hợp (IDE) Arduino ứng dụng crossplatform (nền tảng) viết Java, từ IDE sử dụng cho Ngơn ngữ lập trình xử lý (Processing programming language) project Wiring Nó thiết kế để dành cho người tập làm quen với lĩnh vực phát triển phần mềm Nó bao gồm chương trình code editor với chức đánh dấu cú pháp, tự động brace matching, tự động canh lề, compile (biên dịch) upload chương trình lên board với cú nhấp chuột Một chương trình code viết cho Arduino gọi sketch Với ưu điểm vượt trội em chọn Board arduino để làm điều khiển cho đề tài xây dựng hệ thống đo xử lý tín hiệu cho cảm biến quang để đếm sản phẩm hệ thống phân loại sản phẩm 2.3.2 Lựa chọn điều khiển Arduino Uno R3 bo mạch vi điều khiển xây dựng dựa chip Mega328p Nó có 14 chân vào/ra số (trong có chân sử dụng để điều chế độ rộng xung), có 16 chân đầu vào tín hiệu tương tự, sử dụng dao động thạch anh tần số dao động 16MHz, có cổng kết nối USB, chân nguồn, ICSP header, nút reset Hình 2.5 Kit Arduino Uno R3 Arduino Uno R3 tương thích với hầu hết shield thiết kế cho Arduino Duemilanove hay Diecimila Arduino Uno R3 cập nhật từ Arduino Uno R1 R2 Arduino Uno R3 khác so với bo mạch trước ở chỗ khơng sử dụng chip điều khiển FTDI USB-to-serial Thay vào đó, tính Atmega16U2 (ATmega8U2 phiên phiên bảng) lập trình chuyển đổi USB-to-serial) Phiên bo mạch Arduino Uno R3 có điện trở kéo đường 8U2 HWB xuống đất, làm cho dễ đặt chế độ DFU Phiên bo mạch có đặc tính sau: Thêm chân SDA SCL gần chân AREF chân đặt gần chânRESET, IOREF cho phép shield tương thích với điện áp cung cấp từ bo mạch Trong tương lai, shield tương thích với hai bo mạch sử dụng AVR mà hoạt động với nguồn 5V Arduino Due hoạt động mức 3,3V Chân thứ không kết nối dành cho mục đích sau 10 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu 2.4.1 Thiết kế mạch đo Hình 2.6 Mạch đo tín hiệu Cách kết nối cảm biến: - Chân VCC cảm biến nối đến chân VCC vi xử lý - Chân GND cảm biến nối đến chân GND vi xử lý - Chân tín hiệu nối với chân A1 vi xử lý 2.4.2 Xử lý tín hiệu Tín hiệu trả từ cảm biến giá trị điện áp khoảng từ 0v đến 5v Sử dụng chuyển đổi ADC Arduino với độ phân giải 10 bit ta thu giá trị analog, thông qua công thức biến đổi ta thu góc quay cảm biến Cơng thức: ∅ = Với: 𝑋∗𝑌 1023 ∅ góc quay X giá trị analog đo Y giá trị góc quay tối đa cảm biến 1023 giá trị tối đa tín hiệu analog(10 bit) 11 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 Mơ hình hóa mơ phận khí Nhóm sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế phận khí Hình 3.1 Mơ hình hồn chỉnh hệ thống Giải thích hoạt động: - Núm xoay để điều chỉnh góc quay cảm biến biến trở xoay - Ngưỡng cảnh báo nhập vào từ phím matrix - Màn hình LCD hiển thị ngưỡng cảnh báo góc quay đo - Loa cảnh báo bố trí bên trong, có lỗ để âm cảnh báo phát bên 12 STT Tên kích thước Phím ma trận 4x3 Kích thước: 4.5x5cm Nhập ngưỡng góc quay thơng qua phím ma trận Mặt trước vỏ Kích thước: 10x12cm Có lỗ để lắp thiết bị, có vạch chia độ cho cảm biến Màn hình LCD Kích thước: 3x8cm Hiển thị ngưỡng cảnh báo góc quay cảm biến Cảm biến biến trở xoay Kích thước: 1.3x2cm Vỏ hệ thống Kích thước: 10x12cm, cao 4cm Có lỗ để cấp nguồn nạp code cho arduino Hình ảnh 13 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử Nhóm sử dụng phần mềm proteus để mơ hệ thống điện tử - Chuẩn bị module mạch điều khiển để mơ hình hóa hệ thống bao gồm: Arduino, phím matrix, PCF8574, hình LCD, biến trở, Trasistor BC548, loa Kết nối phần tử hệ thống: - Phím matrix kết nối với chân từ đến 10 arduino - Màn hình LCD kết nối với PCF8574( I2C ) dây tín hiệu - PCF8574 kết nối với arduino thơng qua chân SCL SDA, chân SCL SDA arduino tương ứng A5 A4 - Đầu biến trở (Cảm biến biến trở quay ) nối với chân A1 arduino Chân VCC GND biến trở nối chung với chân VCC GND arduino - Transistor sử dụng cơng tắc đóng mở nguồn điện cho loa Chân B transistor nối với chân 13 arduino Hình 3.2 Hệ thống hồn thiện 14 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển Lưu đồ hệ thống: Hình 3.3 Lưu đồ hệ thống Chương trình viết phần mềm Arduino IDE Sau biên dịch chương trình thành cơng ta thu file có hex, đưa file vào phần mềm Proteus ta mô hệ thống 15 Khi khởi động hệ thống yêu cầu nhập ngưỡng cảnh báo: Hình 3.4 Hệ thống bật lên Khi góc quay cảm biến ngưỡng cảnh báo : Hình 3.5 Góc quay ngưỡng cảnh báo Khi góc quay lớn ngưỡng cảnh báo: Hình 3.6 Góc quay q ngưỡng cảnh báo 16 KẾT LUẬN Do tình hình dịch bệnh lên đề tài dừng lại bước mơ hình hóa mô chưa thể thực chế tạo thử nghiệm mơ hình thật Sau q trình tìm hiểu thực đề tài nhóm rút kết luận sau: - Về phần thiết kết khí: Nhóm sử dụng phần mềm Solidworks để mơ hình hóa cho phận khí, Thiết kế chi tiết vỏ cho hệ thống, Màn hình LCD, phím matrix,… - Về phần thiết kế điều khiển: Nhóm xây dựng thành cơng chương trình điều khiển phần mềm Arduino ngơn ngữ lập trình C Ngồi nhóm cịn mơ hệ thống điều khiển phần mềm Proteus - Tuy nhiên trình tìm hiểu kinh nghiệm thực tế, kiến thức chun mơn nhóm cịn có khó khăn, hạn chế định Sau trình nghiên cứu thực nhóm hồn thành sản phẩm hoạt động Do kiến thức cịn hạn chế nên đồ án chưa hoàn toàn tối ưu hiệu Chúng em mong muốn nhận góp ý từ thầy bạn để chúng em hồn thiện sản phẩm 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N T H Phạm Văn Huy, Vi điều khiển ứng dụng Arduino dành cho người tự học, NXB Bách Khoa Hà Nội [2] L C T Phạm Văn Huy, Lập trình điều khiển với Arduino, NXB Khoa học Kĩ thuật [3] K P Q H TS Trương Đình Nhơn, Hướng dẫn sử dụng Arduino, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM [4] "www.banlinhkien.vn," [Online] [5] "http://Arduino.vn," [Online] 18 PHỤ LỤC Coding: 19 20 ... nên việc đo đạc điều khiển vô phổ biến Nhóm giao đề tài: Xây dựng hệ thống đo góc quay cảm biến biến trở xoay Nhóm sử dụng cảm biến biến trở xoay để đo vị trí góc quay, hiển thị góc quay lên... khiển cảm ứng, …Trong môn học này, nhóm phân cơng đề tài:” Xây dựng hệ thống đo góc quay cảm biến biến trở xoay? ?? Trong báo cáo này, nhóm trình bày nguyên lý hoạt động cảm biến biến trở xoay, ... dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đo góc quay cảm biến biến trở xoay 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