Thiết kế chế tạo máy dán thùng tự động

0123456789 5 2 38 822 83 4  23 3 8 5464 2 Hình 4.17: Mơ hình thiết kế solidworks(2) Hình 4.18: Mơ hình thiết kế solidworks(3) 27 4.7 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.7.1 Bài toán điều khiển Để đảm bảo hệ thống hoạt động cách an tồn ổn định mạch điều khiển cần đáp ứng số yêu cầu sau: Mạch điện khơng bị dị điện, khơng xảy tượng ngắn mạch hay hở mạch Mạch điều khiển tốc độ động phương pháp điều chế độ rộng xung Mạch thiết kế có kích thước nhỏ gọn tránh xảy nhiễu tín hiệu mạch 4.7.2 Sơ đồ khối thuật toán điều khiển hệ thống Hình 4.19: Sơ đồ khối hệ thống Nguyên lý hoạt động tổng quát hệ thống: khối nguồn lấy nguồn điện từ hệ thống điện lưới chuyển đổi mức điện áp dòng điện phù hợp cho thiết bị điện tử động mạch hoạt động Các nút nhấn thông báo cho khối xử lý trung tâm biết hệ thống làm việc hay tạm dừng Cảm biến sử dụng để phát có hàng truyền tín hiệu khối xử lí trung tâm để xử lý Biến trở dùng để điều chỉnh tốc độ động Khối động có chức nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm khối truyền động cho băng tải 28 4.7.3 Khối động Khối động gồm hai phần mạch điều khiển động động Khối động đóng vai trị cung cấp động hoạt động cho hệ thống Điện áp dịng điện tính tốn cho phù hợp với công suất hoạt động mạch Một số loại động thường sử dụng động step, động servo, động DC Mỗi loại động lại có ưu nhược điểm khác nên cần chọn lựa cách cẩn thận cho phù hợp 4.7.4 Khối biến trở nút nhấn Hai khối đầu vào vi điều khiển có tác dụng cung cấp thơng tin cần thiết cho q trình xử lí liệu khối xử lý trung tâm Với biến trở có nhiệm vụ để điều khiển tốc độ động Sự thay đổi biến trở đọc kênh analog vi điều khiển Với khối nút nhấn đóng vai trò bật tắt hệ thống 4.7.5 Khối cảm biến phát vật thể Khối cảm biến sử dụng để phát vật vào băng truyền kích hoạt hệ thống hoạt động Nếu thời gian dài không phát vật thể hệ thống dừng hoạt động 4.7.6 Khối xử lý trung tâm Là quan đầu não hệ thống Xử lý toàn nhiệm vụ trình hệ thống hoạt động Khối xử lý trung tâm nhận tín hiệu từ nút nhấn, cảm biến biến trở để xử lý theo yêu cầu lập trình sẵn phản hồi đến khối điều khiển động hoạt động 4.7.7 Khối nguồn Có vai trị vơ quan trọng hệ thống Khối nguồn cung cấp nguồn nuôi cho toàn mạch Khối nguồn đảm bảo mức điện áp dòng điện hoạt động cho khối mạch hoạt động ổn định 29 4.7.8 Lưu đồ thuật tốn hệ thống Hình 4.20: Lưu đồ thuật toán hệ thống Sau vi điều khiển nhận tín hiệu từ nút nhấn start, cờ khởi động “start_flag” set lên mức 1, vi điều khiển kiểm tra xem liệu cờ khẩn cấp “emer_flag” có hay khơng Nếu có biến đếm “start_count” cộng thêm đơn vị sau lần phím start nhấn Nếu cờ khởi động cờ khẩn cấp khơng hệ thống tiến hành đọc giá trị cảm biến phát vật cản ( cảm biến trả nêu phát vật ngược lại) cảm biến phát có thùng băng tải hai động hoạt động Tốc độ hai động điều khiển phương pháp băm xung PWM Ngược lại cảm biến không phát vật cản vi điều khiển bắt đầu đếm Sau phút liên tục không phát thùng hệ thống dừng 4.8 Thiết bị điều khiển 4.8.1 Động DC phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Động điện chiều Động điện chiều DC (DC chữ viết tắt cụm từ “Direct Current Motors” tiếng Anh) loại động điều khiển dịng điện có hướng 30 xác định Hay theo cách nói chất loại động hoạt động nguồn điện áp DC điện áp chiều Ngày nay, dòng điện xoay chiều sử dụng rộng rãi, song máy điện chiều tồn tại, đặc biệt động chiều Trong công nghiệp, động chiều sử dụng nơi yêu cầu moment mở máy lớn yêu cầu điều chỉnh tốc độ phẳng phạm vi rộng Động DC phát triển vào khoảng năm 1830 - 1840 Ban đầu, chúng không thành công mặt thương mại, nguồn cấp lượng chủ yếu pin Mà lúc pin đắt đỏ chất lượng lại thấp Cho đến lưới điện tạo pin sạc phát minh vào cuối năm 1800 Thì động chiều DC thương mại hoá có mặt thị trường Một số ứng dụng mà chúng sử dụng như: Dùng cần cẩu Ở dây chuyền, băng tải Công cụ máy móc cầm tay Đồ chơi trẻ em Bộ khởi động động tơ… 31 Hình 4.21 : Động điện chiều Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM PWM loại tín hiệu tạo từ vi mạch kỹ thuật số vi điều khiển định thời 555 Do đó, tín hiệu tạo có nhóm xung xung dạng sóng vng Có nghĩa là, thời điểm cụ thể nào, sóng cao thấp Để dễ hiểu, xem xét tín hiệu 5V PWM, trường hợp tín hiệu PWM 5V (cao) mức mặt đất 0V (thấp) Khoảng thời gian mà tín hiệu trì mức cao gọi “đúng giờ” khoảng thời gian tín hiệu trì mức thấp gọi “thời gian tắt” Hình 4.22: Xung PWM 32 Điều chế độ rộng xung (PWM) kỹ thuật điều khiển dịng điện tiện lợi cho phép bạn kiểm sốt tốc độ động cơ, sản lượng nhiệt máy sưởi theo cách tiết kiệm lượng (và thường êm hơn) Các ứng dụng có cho PWM bao gồm, khơng giới hạn: Bộ điều khiển quạt tản nhiệt tốc độ thay đổi Hệ thống truyền động máy nén VRF HVAC Mạch truyền động động xe hybrid điện Bộ điều chỉnh độ sáng LED Điều biến độ rộng xung thay đổi giới cách cắt giảm mức tiêu thụ điện thiết bị sử dụng động máy điều hịa khơng khí biến tần, tủ lạnh biến tần, máy giặt biến tần, số nhiều thiết bị khác Ví dụ, máy điều hịa khơng khí biến tần tiêu thụ nửa lượng so với máy điều hịa khơng khí biến tần số trường hợp Trong thời đại ngày nay, thiết bị quảng cáo có máy nén tốc độ thay đổi quạt tốc độ thay đổi (điều không bao gồm hai ba tốc độ quạt), có khả đáng kể sử dụng PWM Nguyên lý hoạt động: PWM hoạt động cách tạo xung dòng điện chiều thay đổi khoảng thời gian mà xung trạng thái “bật” để kiểm sốt lượng dịng điện chạy đến thiết bị chẳng hạn đèn LED PWM kỹ thuật số, có nghĩa có hai trạng thái: bật tắt (tương ứng với ngữ cảnh nhị phân, trở nên phù hợp với người sử dụng sử dụng vi điều khiển) Mỗi xung bật lâu, đèn LED sáng Do khoảng thời gian xung ngắn nên đèn LED khơng thực tắt Nói cách khác, nguồn điện đèn LED bật tắt nhanh (hàng nghìn lần giây) đến mức đèn LED thực sáng mà không nhấp nháy Điều gọi làm mờ PWM, mạch gọi mạch điều chỉnh độ sáng LED PWM Nếu chu kỳ làm việc nguồn PWM đặt thành 70%, xung bật 70% thời gian tắt 30% thời gian Chu kỳ nhiệm vụ đề cập đến lượng thời gian bật Ở chu kỳ hoạt động 70%, độ sáng đèn LED phải gần 70% Mối 33 tương quan chu kỳ nhiệm vụ độ sáng tuyến tính 100%, hiệu suất đèn LED thay đổi theo lượng dòng điện cung cấp Nếu chu kỳ nhiệm vụ 0%, tồn tín hiệu phẳng Chu kỳ nhiệm vụ PWM 0% có nghĩa nguồn bị tắt Trong trạng thái vậy, đèn LED không hoạt động Điều chế độ rộng xung PWM để điều khiển động thực chất phương pháp điều chỉnh điện áp đầu theo thay đổi độ rộng xung vuông làm cho giá trị điện áp bị thay đổi Xung PWM chuyển đổi có tần số khác độ rộng Phương pháp điều chỉnh tốc độ động DC sử dụng PWM giúp điều chỉnh tốc độ động ổn định tốc độ khác với động xoay chiều hay động AC thường điều khiển cách thay đổi tần số nguồn điện cấp ( công nghiệp sử dụng biến tần) Vậy điều khiển tốc độ động chiều PWM, phương pháp thay điều khiển điện áp liên tục, ta điều khiển điện áp xung có tần số cố định có độ rộng xung thay đổi Khi có giá trị trung bình điện áp thay đổi, để điều khiển tốc độ động chiều Hình 4.23: Ví dụ cách tính Utb 34 Ta có cơng thức tính điện áp trung bình: Utb=Udm.Th/T Trong đó: Utb: Điện áp trung bình Th: Thời gian xung mức cao T: Chu kì xung Udm: Điện áp cung cấp cho động 4.8.2 Giới thiệu arduino Giới thiệu tổng quan Hình 4.24: Vi điều khiển Atmega328p 35 Hình 4.25: Arduino UNO Hình 4.26: Arduino nano cáp nối Sơ đồ chân thông số kỹ thuật Arduino Nano sử dụng Vi điều khiển ATmega328P: Chip: ATmega328P Điện áp logic: 5V Điện áp hoạt động: 7-12V Các chân I/O: 14 chân (Bao gồm chân PWM) Dòng diện I/O: 40mA Bộ nhớ Flash: 32Kb 36 SRAM: 2Kb EEPROM: 1Kb Tần số dao động : 16Mhz Hình 4.27: Sơ đồ chân arduino nano Phần mềm lập trình Arduino [5] ( Code lập trình xem thêm phần phụ lục ) 4.8.3 Bộ biến đổi ADC Hình 4.28: Bộ ADC Một số yếu tố mà ta cần quan tâm với ADC: 37 Hình 4.29: Hoạt động ADC Phân loại ADC: Flash ADC ADC tích hợp đếm độ dốc ADC ước lượng Sử dụng ADC arduino ADC lấy điện áp tương tự chuyển đổi chúng thành kỹ thuật số, đưa chúng đến vi điều khiển Trong bảng Arduino NANO, có ADC 10-bit đa kênh Ở đây, 10-bit có nghĩa điện áp đầu vào 0-3.3V 0-5V ánh xạ thành giá trị kỹ thuật số phạm vi từ đến 1023 (Vì 2^10 = 1024) Trên Arduino NANO có tổng cộng chân ADC Các chân A0, A1, A2, A3, A4 A5 Trong lập trình Arduino, sử dụng hàm analogRead () để đọc chuyển đổi điện áp tương tự thành kỹ thuật số Cú pháp là: analogRead (Pin_name) 38 Hàm analogRead() trả số nguyên nằm khoảng từ đến 1023 tương ứng với thang điện áp (mặc định) từ đến 5V Ta điều chỉnh thang điện áp hàm analogReference() Hàm analogRead() cần 100 micro giây để thực 4.8.4 Cảm biến vật cản hồng ngoại Hình 4.30: Định luật Plank Trong đó: B ký hiệu cường độ xạ (spectral radiance), T nhiệt độ tuyệt đối kB số Boltzmann h số Planck c tốc độ ánh sáng môi trường chân không Định luật Stephan Boltzmann: Tổng lượng phát bước sóng vật đen có liên quan đến nhiệt độ tuyệt đối Với vật đen tuyệt đối RT = T 39 Với vật xám: RT = ε T Trong đó: RT suất phát xạ tồn phần số Stefan-boltzmann ε hệ số phát xạ (