1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài Thiết kế mạch đếm sản phẩm sử dụng cảm biến thu phát hồng ngoại. Mạch ứng dụng trong các dây truyền sản xuất, giúp công nhân thuận tiện trong việc quản lý sản phẩm.
Giới thiệu chung
Trong thời đại khoa học phát triển hiện nay, các nhà máy sản xuất sử dụng băng chuyền hiện đại để gia tăng tốc độ và số lượng sản phẩm Tuy nhiên, việc theo dõi số lượng sản phẩm hoàn tất xuất ra từ băng chuyền trở nên khó khăn cho công nhân Do đó, việc sử dụng mạch đếm sản phẩm là cần thiết để kiểm soát chính xác sản lượng đầu ra tại mỗi băng chuyền.
Mạch đếm sản phẩm giúp nhà máy tự động theo dõi số lượng sản phẩm được sản xuất một cách chính xác và hiệu quả, giảm thiểu sức lao động của công nhân.
Yêu cầu của mạch đếm sản phẩm là phải chạy một cách chính xác ổn định gọn nhẹ dễ lắp đặt, dễ sủa chữa và tiết kiệm tiền
Dựa vào các yếu tố trên nhóm chũng em đã quyết định thiết kế bộ “MẠCH ĐẾM
SẢN PHẨM” cho các dây truyền đếm sản phẩm.
Ý tưởng thực hiện
Chúng em nhận thấy rằng nhiều mạch đếm đã được ứng dụng trong thực tế, nhưng các doanh nghiệp vừa và nhỏ vẫn chủ yếu sử dụng nhân công thay vì tự động hóa hoàn toàn Với mong muốn giảm bớt gánh nặng cho người lao động và nâng cao hiệu suất làm việc, chúng em quyết định thiết kế và chế tạo "Mạch đếm sản phẩm" nhằm hỗ trợ các xí nghiệp vừa và nhỏ trong việc kiểm tra hàng hóa trên dây chuyền sản xuất, đồng thời đảm bảo độ chính xác cao.
Ứng dụng của mạch
Đếm số lượng sản phẩm một cách tự động, hiển thị trên LED 7 thanh Mạch đếm được sử dụng trong các công ty , xí nghiệp , nhà máy
Một số hình ảnh thực tế:
Hình 1.1 Module cảm biến dùng led thu phát
Hình1.2 Hình ảnh thực tế ứng dụng trong sản xuất
Điện trở
2.1.1 Khái niệm Điện trở hay Resistor là một linh kiện điện tử thụ động trong mạch điện, hiệu điện thế giữa hai đầu của nó tỉ lệ với cường độ dòng điện qua nó theo định luật ohm: U=IR
Theo hai tiêu chuẩn US và EU
Hình 2.1 Kí hiệu của điện trở
Hình 2.2 Hình dạng thực tế của điện trở.
Led phát và Led thu hồng ngoại
Đèn LED thu phát hồng ngoại là thiết bị chiếu sáng đặc biệt có khả năng thu và phát ra ánh sáng hồng ngoại, một loại ánh sáng vô hình với bước sóng nằm trong dải ánh sáng không nhìn thấy.
2.2.2 Kí hiệu và hình ảnh thực tế a) Kí hiệu
Hình 2.3 Kí hiệu led phát và led thu hồng ngoại b) Hình ảnh thực tế
Hình 2.4 Hình ảnh thực tế của led phát và led thu hồng ngoại
2.2.3 Tính chất của led phát và led thu hồng ngoại
Đèn LED phát hồng ngoại hoạt động dựa trên các điốt và chất bán dẫn tương tự như bóng đèn LED thông thường Điốt trong đèn LED hồng ngoại được thiết kế đặc biệt để cho phép dòng điện chỉ lưu thông theo một hướng.
Khi dòng điện được cung cấp, electron trong điôt phát ra năng lượng dưới dạng photon, tạo ra ánh sáng, sau đó rơi vào lỗ trên của một phần khác Đèn LED thu phát hồng ngoại sử dụng vật liệu có khả năng phát sáng trong phần hồng ngoại của quang phổ.
Các loại đèn led thu phát hồng ngoại khác nhau sẽ tạo ra ánh sáng hồng ngoại có bước sóng khác nhau
2.2.4 Ứng dụng của led phát và thu hồng ngoại
- Sử dụng làm camera hồng ngoại
- Làm điều khiển từ xa cho TV hoặc các thiết bị điện
- Làm cảm biến phát hiện, đếm số lượng sản phẩm trong dây chuyền sản xuất
- Sử dụng trong các thiết bị bảo vệ an ninh.
IC đếm 74LS90
IC 74LS90 là IC đếm thường được dùng trong các mạch số đếm lên và trong các mạch chia tần số
2.3.2 Kí hiệu, sơ đồ chân và hình dạng thực tế a) Kí hiệu
Hình 2.5 Kí hiệu IC 74LS90
Hình 2.6 Hình dạng thực tế của IC 74LS90 c) Sơ đồ chân IC 74LS90
Hình 2.7 Sơ đồ chân IC 74LS90
❖ Chức năng của các chân IC 74LS90
2.3.3 Cấu tạo bên trong IC 74LS90
Hình 2.8 Cấu tạo bên trong của IC 74LS90
Bốn ngõ ra của IC 74LS90 được ký hiệu là QA, QB, QC và QD Mạch đếm này được kích hoạt bởi cạnh xuống của tín hiệu xung đồng hồ, cụ thể là khi tín hiệu CLK chuyển từ mức logic 1 (CAO) sang mức logic 0 (THẤP), lúc này sẽ có xung đồng hồ tác động vào mạch.
Các chân RESET R1, R2, R3 và R4 là các chân ngõ vào bổ sung Khi kết nối ngõ vào RESET R1 và R2 với logic 1, mạch đếm sẽ được RESET về giá trị 0.
(0000) còn khi các ngõ vào R3 và R4 được kết nối với logic 1, thì mạch đếm được RESET về số 9 (1001) bất kể số đếm hoặc vị trị đếm hiện tại
Bảng hoạt động Reset và đếm của IC đếm 74LS90 như sau:
Bảng trạng thái ngõ đầu ra của IC 74LS90
2.3.4 Nguyên lý hoạt động của IC 74LS90
Chúng ta có thể thấy rằng các bộ đếm BCD là các bộ đếm nhị phân có số đếm từ
Mạch đếm hoạt động từ 0000 đến 1001 và sẽ được RESET để xóa tất cả các flip-flop sau lần đếm thứ chín Khi tín hiệu xung đồng hồ được kết nối vào ngõ vào CKA, mỗi xung tác động vào mạch sẽ làm tăng giá trị đếm lên một đơn vị Bằng cách kết nối các đèn LED với các ngõ ra QA, QB, QC và QD, chúng ta có thể quan sát số thập phân được mã hóa thành số nhị phân trong quá trình hoạt động của mạch đếm.
IC 7447
IC 7447 là IC có chắc năng giải mã tín hiệu đầu ra của IC đếm như IC 74LS90,
Giải mã là quá trình phiên dịch hàm ý đã gán cho mã, mạch điện thực hiện việc giải mã được gọi là bộ giải mã
2.4.2 Kí hiệu, sơ đồ chân và hình dạng thực tế a) Kí hiệu
Hình 2.10 Sơ đồ chân IC 7447 c) Hình dạng thực tế của IC 7447
Hình 2.11 Hình ảnh thực tế của IC 7447
2.4.2 Nguyên lý hoạt động của IC 7447
Nguyên lý hoạt động của khối giải mã
Bộ đếm gồm các IC đếm có chức năng đếm số Mỗi khi có xung CLK tác động vào bộ đếm sẽ nhảy số
Thông qua bộ đếm sẽ tạo địa chỉ đưa vào bộ giải mã hiển thị led
Bảng trạng thái của ic 7447.
Led 7 thanh Anode chung
LED 7 thanh hay còn được gọi là LED 7 đoạn, bao gồm 7 đoạn đèn LED được xếp lại với nhau thành hình chữ nhật Khi các đoạn lập trình để chiếu sáng thì sẽ hiển thị chữ số của hệ thập phân hoặc thập lục phân Đôi khi LED số 8 được hiển thị dấu thập phân khi có nhiều LED 7 thanh được nối với nhau để có thể hiển thị được các số lớn hơn 2 chữ số
2.5.2 Kí hiệu, sơ đồ chân và hình dạng thực tế của Led 7 thanh a) Kí hiệu
Hình 2.12 Kí hiệu của Led 7 thanh Anode chung b) Sơ đồ chân của Led 7 thanh
Hình 2.13 Sơ đồ chân của Led 7 thanh
18 c) Hình dạng thực tế của Led 7 thanh
Hình 2.14 Hình dạng thực tế của Led 7 thanh
2.5.2 Cấu tạo của Led 7 thanh a) Phân loại
Led 7 thanh Catot chung b) Cấu tạo
Hình 2.15 Cấu tạo của Led 7 thanh
2.5.3 Nguyên lý hoạt động của Led 7 thanh
Bộ hiển thị LED 7 đoạn đã trở nên phổ biến, dẫn đến sự phát triển của một con IC có tên "Bộ giải mã BCD sang 7 đoạn" nhằm đơn giản hóa việc sử dụng loại đèn LED này.
Dữ liệu định dạng kiểu nhị phân sau khi được IC sử lý sẽ được hiển thị chính xác lên màn hình bằng dạng số tương ứng (0-9)
Mặc dù IC này hoạt động mà không cần chốt, nhưng nó vẫn được trang bị chốt 4-bit, như sẽ được minh họa trong ví dụ sau Trong ví dụ này, chốt được cấu hình để cho phép dữ liệu đầu vào được truyền thông qua bộ giải mã một cách liên tục.
Nút nhấn
Nút nhấn là một loại công tắc đơn giản dùng để điều khiển các thiết bị từ xa hoặc các máy móc, các thiết bị
2.6.2 Kí hiệu và hình dạng thực tế của nút nhất a) Kí hiệu
Hình 2.16 Kí hiệu nút nhấn b) Hình dạng thực tế của nút nhấn
Hình 2.17 Hình dạng thực tế của nút nhấn
2.6.3 Cấu tạo của nút ấn
Nút nhấn bao gồm hệ thống xo và các tiếp điểm thường đông cùng với vỏ bảo vệ Khi nút được nhấn, các tiếp điểm sẽ chuyển đổi trạng thái, và khi không còn tác động, chúng sẽ trở về trạng thái ban đầu.
Nút nhấn được cấu tạo từ ba phần chính: bộ phận truyền động, các tiếp điểm cố định và các rãnh Bộ truyền động có nhiệm vụ truyền lực qua toàn bộ công tác và vào một xy lanh mỏng ở phía dưới Bên trong nút nhấn, có một tiếp điểm động và một tiếp điểm xa.
Khi nhấn nút, hồ sẽ chạm vào các tiếp điểm, khiến nó thay đổi trạng thái Một thiết kế khác yêu cầu người dùng phải giữ hoặc nhấn liên tục vào nút để thiết bị hoạt động.
IC 7408
IC 7408 là một IC cổng AND với hai đầu vào, thực hiện hàm nhân Khi cả hai đầu vào đều ở mức cao, đầu ra sẽ cũng ở mức cao Ngược lại, nếu một trong hai đầu vào ở mức thấp, đầu ra sẽ tương ứng ở mức thấp.
2.7.2 Kí hiệu, sơ đồ chân và hình dạng thực tế a) Kí hiệu
Hình 2.18 Kí hiệu của IC 7408
21 b) Sơ đồ chân của IC 7408
Hình 2.19 Sơ đồ chân IC 7408
• Chân 1, 2 là đầu vào, chân 3 đầu ra tương ứng của cổng thứ nhất
• Chân 4, 5 là đầu vào, chân 6 đầu ra tương ứng của cổng thứ hai
• Chân 9, 10 là đầu vào, chân 8 đầu ra tương ứng của cổng thứ ba
• Chân 12, 13 là đầu vào, chân 11 đầu ra tương ứng của cổng thứ tư
• Chân 7 nối mass chân 14 lên dương nguồn
22 c) Hình dạng thực tế IC 7408
Hình 2.20 Hình ảnh thực tế của IC 7408.
IC 74HC14
IC 74HC14 là một loại IC chuyển mạch trigger, hoạt động bằng cách chuyển trạng thái khi điện áp vượt qua ngưỡng cho phép Bên trong IC 74HC14 có 6 opamp được kết nối theo kiểu Schmitt trigger, giúp lọc nhiễu tín hiệu đầu vào hiệu quả.
2.8.2 Kí hiệu, sơ đồ chân và hình dạng thực tế của IC 74HC14 a) Kí hiệu
Hình 2.21 Kí hiệu của IC 74HC14
23 b) Sơ đồ chân IC 74HC14
Hình 2.22 Sơ đồ chân IC 74HC14 c) Hình dạng thực tế của IC 74HC14
Hình 2.23 Hình dạng thực tế của IC 74HC14
7414 là IC đc sử dụng rộng vào nhiều mục đích như : Tạo xung vuông, chốt, đảo trạng thái xung
Inverter Schmitt-Triggers, hay còn gọi là IC 7414, có khả năng chuyển đổi xung không vuông thành xung vuông Điều này có nghĩa là tín hiệu đầu vào có thể bị nhiễu và không đạt yêu cầu hình dạng “vuông”, dẫn đến khả năng đọc sai số xung ở vi điều khiển.
Chính vì vậy qua mạch đảo tín hiệu xung này tín hiệu sẽ “vuông ” hơn tạo điều kiện thuận lợi cho vi điều khiển xử
Thiết kế sơ đồ khối toàn mạch
Mạch bảo vệ quá điện áp gồm 4 khối chính:
+ Khối 1: Khối nguồn: Sử dụng nguồn ADAPTER 5V
+ Khối 2: Khối tạo xung: Led phát, Led thu, điện trở 220, IC 74HC14
+ Khối 3: Khối đếm: IC 74LS90, IC 7447, IC 7408, nút nhấn, điện trở 1k
+ Khối 4: Khối hiển thị: Led 7 thanh.
Thiết kế mạch nguyên lý
Sử dụng nguồn ADAPTER 5V cấp cho mạch
3.2.2 Mạch tạo xung a) Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.2 Mạch nguyên lý của mạch tạo xung b) Nguyên lý hoạt động
Khi led phát chiếu tới led thu thì led thu dẫn, điện áp ra bằng 0, mức thấp
Khi nào có gì đó chắn ngang thì led phát không chiếu tới Led thu Led thu không phân cực thì điện áp ra mức cao bằng Vcc
3.2.3 Mạch đếm a) Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của khối đếm b) Nguyên lý
Khi chân 14 của IC7490 nhận được xung từ đầu ra của IC7414, IC7490 sẽ kích hoạt và tạo ra tín hiệu ngõ ra A=1, B=0, C=0, D=0 Các tín hiệu số này được giải mã qua IC, hiển thị thành số 1 Do đó, mỗi khi có một xung kích hoặc sản phẩm đi qua, đèn LED sẽ hiển thị tăng dần.
Khi đơn vị đếm đạt số 9 và nhận thêm một xung, cờ báo tràn sẽ hiển thị ở chân 14 với mức cao, đồng thời đèn LED ở hàng đơn vị sẽ được reset từ số 9 về số 0 Nếu tiếp tục có thêm một xung, LED ở hàng chục sẽ tăng lên một, và quá trình này sẽ tiếp tục diễn ra khi hàng đơn vị tăng lên.
9 thì hàng chục lại tăng thêm 1 do chân 14 của hàng chục nối với chân 11 của hàng đơn vị
Tương tự đếm đến hàng trăm Khi mạch đếm đến 900 thì lúc này đầu ra của
IC 7408 ở mức cao đưa vào chân Reset R0(1), R0(2) nhận tín hiệu cao làm toàn bộ mạch Reset về trạng thái 0000
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị
Sau khi giải mã xong, tín hiệu sẽ được hiển thị trên đèn LED 7 thanh với giá trị 001 và giữ nguyên trạng thái cho đến khi sản phẩm tiếp theo đi qua, lúc đó giá trị sẽ chuyển sang 002 Quá trình này sẽ tiếp tục lặp lại mỗi khi có sản phẩm mới.
3.2.5 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch a) Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch b) Nguyên lý hoạt động toàn mạch
- Khi không có tín hiệu đi qua:
Đèn LED phát vẫn hoạt động bình thường nhờ vào nguồn điện 5V Khi đèn LED phát tín hiệu, đèn LED thu nhận tín hiệu và điện trở của đèn LED thu giảm dần về 0, cho phép dòng điện chảy thẳng xuống mass.
+ Đầu vào cổng NOT sẽ ở mức thấp, qua cổng NOT sẽ ở mức cao tín hiệu vào IC
7490 sẽ là xung mức cao nên IC lúc này sẽ không đếm, không có tín hiệu cho IC7447 nên sẽ không hiện thị Led 7 thanh
- Khi có tín hiệu sản phẩm đi qua:
+ Tín hiệu đó sẽ che Led thu, led thu sẽ không nhận được tín hiệu từ led phát điện trở của led thu sẽ rất lớn
Khi đầu vào cổng NOT ở mức cao, nó sẽ được chuyển thành mức thấp, dẫn đến việc chân 14 của IC 7490 ở mức thấp Kết quả là, IC 7490 sẽ nhảy trạng thái từ bộ mã hóa, tạo ra đầu ra 0001 cho bộ giải mã.
Sau khi giải mã tín hiệu, kết quả sẽ được hiển thị trên đèn LED 7 thanh dưới dạng 001 và giữ nguyên trạng thái cho đến khi sản phẩm tiếp theo đi qua, lúc đó hiển thị sẽ chuyển sang 002 Quá trình này tiếp tục lặp lại cho từng sản phẩm tiếp theo.
Khi số sản phẩm đạt từ 000 đến 899, chân 2 và 3 của IC 7490 sẽ nhận tín hiệu xung mức cao từ IC 7408, khiến IC 7490 được reset Quá trình đếm sẽ được khởi động lại và tiếp tục tuần hoàn cho đến khi nguồn điện bị ngắt.
Thi công
Hình 3.6 Sơ đồ mạch in
- Chuẩn bị: phíp đồng, dung dịch ăn mòn, mỏ hàn, thiếc, các linh kiện điện tử cần thiết, khoan
- Các bước làm mạch in:
+ Sau khi đã có sơ đồ mạch in ta tiến hành in sơ đồ mạch ra giấy
+ Áp sơ đồ mạch in trên giấy lên phíp đồng và cố định lại
+ Dùng bàn là nhiệt là lên mặt giấy cho đến khi mực trên giấy được dính hết vào mặt phíp đồng ( khoảng từ 10-15 phút)
Sau khi mực đã được áp dụng đều lên bề mặt phíp đồng, tiến hành gỡ bỏ lớp giấy bảo vệ và ngâm phíp đồng vào dung dịch ăn mòn để xử lý tiếp theo.
+ Quá trình ăn mòn diễn ra khoảng từ 15-20 phút
+ Sau khi ăn mòn xong ta thu được mạch in vì những vị trí bị mực dính vào sẽ không bị ăn mòn
+ Kiểm tra các vị trí trên mạch xem có bị đứt mạch hay không
+ Khoan lỗ để cắm chân linh kiện (tùy thuộc kích cỡ chân linh kiện mà ta sẽ chọn cỡ mũi khoan)
+ Sau khi khoan hết các lỗ tiến hành hàn linh kiện
Hình 3.7 Hình ảnh sản phẩm thực tế
Trong nghiên cứu đề tài này, chúng em tập trung vào việc ứng dụng kỹ thuật số để phát triển các sản phẩm và thiết bị tiên tiến, nhằm nâng cao hiệu quả trong cuộc sống Quá trình thực hiện đề tài không chỉ là cơ hội để kiểm tra kiến thức đã học mà còn khuyến khích tính sáng tạo và khả năng giải quyết vấn đề Đồ án này thực hiện mạch đếm sản phẩm trên dây chuyền bằng phương pháp đếm tín hiệu, trong đó mỗi tín hiệu đi qua sẽ được cảm biến (led thu phát) nhận diện Khi cảm biến nhận tín hiệu, nó sẽ tạo ra một xung điện gửi về khối xử lý để tăng dần số đếm Để xác định số đếm tại một thời điểm, cần có bộ hiển thị là led 7 thanh.
Đồ án này hướng đến việc ứng dụng mạch trong các công ty lớn, vừa và nhỏ, giúp đếm lượng hàng hóa tại siêu thị một cách hiệu quả Chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu quả của đề tài và áp dụng thực tế một cách tốt nhất.
Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em nhận được sự hỗ trợ tận tình từ thầy cô trong khoa điện – điện tử, đặc biệt là thầy Đào Minh Tuấn Mặc dù kiến thức còn hạn chế, chúng em đã gặp phải một số sai sót và mong nhận được sự thông cảm cũng như hướng dẫn từ hội đồng khảo thí để hoàn thiện đồ án Thời gian làm đồ án đã giúp chúng em tích lũy nhiều kinh nghiệm quý báu, nhờ vào sự chỉ dạy nhiệt tình của các thầy cô và những góp ý từ bạn bè.
