Nghiên cứu, thiết kế thùng rác Đa năng sử dụng vi điều khiển 8051

- Thiết kế, chế tạo thùng rác có khả năng tự phân loại rác theo các túi màu đã được qui định sẵn và có khả năng tự động mở nắp khi bỏ rác vào. - Chế tạo và chạy thử nghiệm thành công, hướng đến thương mại hóa sản phẩm. - Mục tiêu khoa học công nghệ: Góp phần phát triển hệ thống quản lí chất thải thông minh. - Để có thể phát hiện và phân biệt màu các túi rác nhóm sử dụng cảm biến màu, dùng băng tải và động cơ Servo để phân rác vào các khoang của thùng rác. Sử dụng vi điều khiển 8051 làm bộ xử lí trung tâm.

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THÙNG RÁC ĐA NĂNG

Sinh viên thực hiện:

Lớp:

Người hướng dẫn:

Hà Nội 2021

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THÙNG RÁC ĐA NĂNG

Sinh viên thực hiện:

Lớp:

Người hướng dẫn:

Hà Nội 2021

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài: 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ PHÂN LOẠI CHẤT THẢI RẮN TẠI NGUỒN 3

1.1 THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ PHÂN LOẠI CHẤT THẢI RẮN TẠI NGUỒN Ở VIỆT NAM 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Lợi ích của việc phân loại chất thải rắn tại nguồn 3

1.1.3 Thực trạng phân loại chất thải rắn sinh hoạt ở Việt Nam 3

a Nguồn phát sinh chất thải rắn sinh hoạt 3

b Thành phần chất thải rắn sinh hoạt 4

c Thực trạng phân loại rác tại nguồn ở Việt Nam 4

1.2 CÁCH THỨC PHÂN LOẠI CHẤT THẢI TẠI NGUỒN 6

1.2.1 Cách thức phân loại rác sinh hoạt tại nguồn 6

1.2.2 Giải pháp phân loại chất thải rắn tại nguồn 8

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 9

2.1.1 Tổng quan về vi điều khiển 8051 9

2.1.2 Kiến trúc phần cứng của vi điều khiển 8051 10

2.1.2.1 Sơ đồ khối và chức năng các khối của 8051 10

2.1.2.2 Sơ đồ chân, chức năng các chân của 8051 11

2.1.3 Hoạt động định thời của 8051 13

2.2 CẢM BIẾN MÀU TCS3200 15

2.2.1 Giới thiệu về cảm biến màu TCS3200 15

2.2.2 Sơ đồ chân 16

2.2.3 Nguyên lí hoạt động 17

2.3 MẠCH CẦU H 19

2.4 ĐỘNG CƠ SERVO 20

2.4.1 Sơ lược về động cơ Servo 20

2.4.2 Hoạt động của động cơ Servo 21

2.4.5 Tạo PWM bằng 8051 23

2.5 QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG TOP- DOWN 24

2.5.1 Pha phân tích vấn đề 25

2.5.2 Pha thiết kế nguyên lý 25

2.5.3 Pha thiết kế kỹ thuật 25

CHƯƠNG III THIẾT KẾ THÙNG RÁC ĐA NĂNG 27

3.1 YÊU CẦU KĨ THUẬT 27

3.1.1 Yêu cầu chức năng: 27

3.1.2 Yêu cầu phi chức năng 27

3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI 27

3.3 THIẾT KẾ CÁC KHỐI 28

3.3.1 Khối xử lí trung tâm 28

3.3.2 Khối động cơ 29

3.3.4 Khối điều khiển động cơ 31

3.3.5 Khối cảm biến 32

3.3.6 Khối nguồn 33

3.4 LẮP RÁP CÁC KHỐI 34

3.4.1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 34

3.4.2 Thiết kế mạch in 35

3.5 THIẾT KẾ MẠCH NẠP NGUỒN SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 36

3.5.1 Pin năng lượng mặt trời 36

3.5.2 Thiết kế mạch nguồn tuyến tính 37

3.6 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CỦA HỆ THỐNG 39

3.7 KẾT QUẢ 41

3.7.1 Mô hình thùng rác sau khi đã hoàn thành 41

3.7.2 Kết quả thực nghiệm 42

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 43

1 KẾT LUẬN 43

2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 43

a Phát triển thành hệ thống phân loại rác trong các tòa nhà cao tầng 43

b Kết hợp thêm các cảm biến để thùng rác thực sự đa năng hơn 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

1 Sách, bài báo tham khảo 45

2 Trang web tham khảo 45

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các loại chất thải rắn đặc trưng từ nguồn thải sinh hoạt 4

Bảng 1.2 Cách thức phân loại chất thải tại nguồn 6

Bảng 1.3 Phân loại rác theo màu túi 8

Bảng 2.1 Chức năng các chân Port 3 của vi điều khiển 8051 12

Bảng 2.2 Chức năng các bit trạng thái và các bit điều khiển của thanh ghi TCON cho Timer 1 và Timer 0 13

Bảng 2.3 Chức năng các bit trạng thái và các bit điều khiển của thanh ghi TMOD cho Timer 1 và Timer 0 14

Bảng 2.4 Chức năng các chân của TCS3200 16

Bảng 2.5 Lựa chọn loại photodiode thông qua trạng thái của 2 chân đầu vào S2, S3 của cảm biến màu 18

Bảng 2.6 Chuyển đổi dòng điện từ đầu ra khối thứ nhất thành tần số của cảm biến màu 18

Bảng 2.7 Cách thức hoạt động của mạch cầu H 20

Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật của hai tấm pin năng lượng mặt trời 37

Bảng 3.2 Dải tần số đo được của 3 loại màu túi 40

Bảng 3.3 Kết quả sau khi chạy thử nghiệm nhiều lần 42

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

AC Điện xoay chiều (Alternating Current)

DC Điện một chiều (Direct Current)

CMOS Công nghệ chế tạo mạch tích hợp (Complementary

Metal-Oxide-Semiconductor)CPU Bộ xử lí trung tâm (Control Processer Unit)

EEPROM Chíp nhớ không bay hơi (Electrically Erasable Programmable)

ISP Nhà cung cấp dịch vụ internet (Internet Service Provider) 

I/O Đầu vào/ đầu ra (Input/ Output)

MCU Thiết bị điều khiển đa điểm (Multipoint control unit)

ROM Bộ nhớ chỉ đọc (Read Only Memory)

RAM Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (Random Access Memory)

UART Bộ truyền nhận nối tiếp bất đồng bộ

PWM Điều chỉnh độ rộng xung (Pulse Width Modulatio)

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Công nhân thu gom rác trên tuyến đường Lê Tự Tài, Q Phú Nhuận,

TP.HCM 5

Hình 2.1 Vi điều khiển AT89S52 9

Hình 2.2 Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển 8051 10

Hình 2.3 Sơ đồ chân vi điều khiển 8051 11

Hình 2.4 Cảm biến màu sắc TCS3200 15

Hình 2.5 Sơ đồ chân ra của TCS3200 16

Hình 2.6 Cấu tạo của cảm biến màu TCS3200 17

Hình 2.7 Khối đầu tiên của cảm biến màu 17

Hình 2.8 Sơ đồ mạch cầu H 19

Hình 2.9 Servo SG90 21

Hình 2.10 Cấu tạo bên trong của động cơ Servo 21

Hình 2.11 Hệ thống vòng kín của động cơ Servo 22

Hình 2.12 Động cơ servo điều khiển độ rộng xung 23

Hình 2.13 Sơ đồ khối quy trình Top- Down 24

Hình 3.1 Sơ đồ khối của thùng rác 27

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lí khối xử lí trung tâm 28

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối giữa Servo với vi điều khiển 30

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối động cơ DC 30

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 32

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 32

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 33

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch điều khiển 34

Hình 3.9 Sơ đồ mạch in toàn mạch điều khiển 35

Hình 3.10 Hình ảnh mạc điều khiển sau khi đã hoàn thiện 36

Hình 3.11 Hình ảnh tấm pin năng lượng mặt trời 36

Hình 3.12 Mạch nguồn tuyến tính 38

Hình 3.13 Mạch nguồn tuyến tính sau khi đã hoàn thiện 38

Hình 3.14 Lưu đồ giải thuật của hệ thống 39

Hình 3.15 Mô hình thùng rác sau khi đã hoàn thiện 41

Hình 3.16 Phía bên trong thùng rác 42

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, khi xã hội ngày càng phát triển, dân cư ngày càng đông đúc đặc biệt

là ở các thành phố lớn từ đó dẫn đến lượng chất thải con người xả ra ngày càng tăng

Do đó, quản lý chất thải là một trong những vấn đề nóng hổi, cấp thiết đối với cảnhững nước phát triển cũng như những nước đang phát triển Vấn đề chính là trongviệc quản lí chất thải, thùng rác ở nơi công cộng, các tòa nhà chung cư luôn trongtình trạng đầy, quá tải và không được phân loại trước khi đưa đến nới tập kết rác để

xử lí Việc quản lý chất thải rắn không hợp lý, xử lý chất thải không hợp kỹ thuật vệsinh là những nguyên nhân hàng đầu dẫn đến ô nhiêm môi trường và ảnh hưởng tớisức khỏe cộng đồng

Tại Việt Nam, hoạt động phân loại chất thải rắn tại nguồn chưa được phát triểnrộng rãi, điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị kỹ thuật còn hạn chế, phần lớnphương tiện thu gom chất thải rắn không đạt quy chuẩn kỹ thuật và không đảm bảo

vệ sinh môi trường Các điểm tập kết chất thải rắn (điểm hẹn, trạm trung chuyển)chưa được đầu tư xây dựng đúng mức, gây mất vệ sinh dẫn đến nhiều mối nguy hiểmkhác nhau như bốc mùi, ô nhiễm môi trường và đó cũng là nguyên nhân chính gây ranhững căn bệnh lây nhiễm Việc không phân loại rác tại nguồn khiến cho chi phí thugom, vân chuyển và xử lý chất thải rắn vì thế cũng tăng lên, chưa kể đến chi phí xử lý

ô nhiễm môi trường liên quan đến chất thải rắn Điều này xuất phát từ chính ý thứccủa mỗi người khi không phân loại rác trước khi vứt rác ra môi trường

Để tránh tất cả những nguy hiểm và duy trì sự sạch sẽ công cộng và sức khỏecộng đồng, chúng ta cần phải có giải pháp để vừa phân loại xử lí rác thải một cáchhợp lí, vừa nâng cao ý thức cộng đồng trong việc phân loại rác tại gia đình Việcphân loại rác tại nguồn đóng vai trò quan trọng trong công tác quản lí chất thải, gópphần giảm thiểu nguy cơ phát tán các tác nhân gây bệnh, các yếu tố độc hại và nguyhiểm, góp phần bảo vệ môi trường Phân loại đúng còn góp phần tiết kiệm tàinguyên, giảm chi phí cho các công tác thu gom và xử lý chất thải

Với lí do trên, nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế thùng rác

đa năng” với mục đích giúp cho việc phân loại và thu gom rác thải trở nên dễ dàng,giúp cho môi trường xanh- sạch- đẹp và hướng đến nâng cao ý thức bảo vệ môitrường cho cộng đồng Đề tài này đóng vai trò quan trọng trong tương lai sau này,đặc biệt là có thể ứng dụng trong hệ thống rác liên tầng ở các tòa chung cư cao tầng

2 Mục tiêu của đề tài:

- Thiết kế, chế tạo thùng rác có khả năng tự phân loại rác theo các túi màu đã đượcqui định sẵn và có khả năng tự động mở nắp khi bỏ rác vào

- Chế tạo và chạy thử nghiệm thành công, hướng đến thương mại hóa sản phẩm

- Mục tiêu khoa học công nghệ: Góp phần phát triển hệ thống quản lí chất thải thôngminh

3 Phương pháp nghiên cứu

- Để có thể phát hiện và phân biệt màu các túi rác nhóm sử dụng cảm biến màu, dùng

băng tải và động cơ Servo để phân rác vào các khoang của thùng rác Sử dụng vi điềukhiển 8051 làm bộ xử lí trung tâm

- Giải quyết vấn đề đặt ra, nhóm đã tiến hành thực hiện theo phương pháp nghiên cứu

lý thuyết về vi điều khiển và cảm biến màu, cũng như cơ sở lý thuyết về mạch điềukhiển động cơ, Servo

- Thu thập tài liệu của các tác giả trong, ngoài nước có liên quan đến đề tài Nghiêncứu và phát triển lý thuyết phục vụ đề tài

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Nghiên cứu về phương pháp phân loại rác tại nguồn

+ Thùng rác đa năng phân loại rác theo màu của túi rác

- Phạm vi nghiên cứu: Dừng lại ở việc chế tạo mô hình với công suất nhỏ Áp dụngtrong các hộ gia đình với mục đích phân loại rác tại nguồn

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Mở ra ý tưởng và công nghệ mới trong hệ thống quản lí chất thảithông minh

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ PHÂN LOẠI CHẤT

THẢI RẮN TẠI NGUỒN

1.1 THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ PHÂN LOẠI CHẤT THẢI RẮN TẠI NGUỒN

Ở VIỆT NAM

1.1.1 Khái niệm

- Phân loại rác là một chu trình mà chất thải được chia ra thành nhiều phần khácnhau Phân loại có thể diễn ra theo phương thức thủ công tại nhà hoặc được thu gombởi dịch vụ hoặc phân loại một cách tự động bằng máy

1.1.2 Lợi ích của việc phân loại chất thải rắn tại nguồn

- Phân loại rác tại nguồn góp phần tiết kiệm được tài nguyên, mang lại lợi ích chochính chủ nguồn thải từ việc tận dụng phế liệu tái chế và phân compost tự chế biến

- Phân loại rác tại nguồn góp phần giảm thiểu tổng lượng rác thải trong cộng đồngthải ra môi trường, tiết kiệm chi phí thu gom, vận chuyển, xử lí

- Phân loại rác tại nguồn góp phần nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ và sửdụng hợp lý tài nguyên và môi trường

- Phân loại rác tại nguồn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường

1.1.3 Thực trạng phân loại chất thải rắn sinh hoạt ở Việt Nam

- Tại Việt Nam, hoạt động phân loại chất thải rắn sinh hoạt tại nguồn chưa đượcphát triển rộng rãi, điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị kỹ thuật còn hạn chế, phầnlớn phương tiện thu gom chất thải rắn không đạt quy chuẩn kỹ thuật và không đảm bảo

vệ sinh môi trường

a Nguồn phát sinh chất thải rắn sinh hoạt

Các nguồn phát sinh chất thải rắn bao gồm:

 Hộ gia đình

 Khu thương mại, dịch vụ (nhà hàng, khách sạn, siêu thị, chợ…)

 Công sở (cơ quan, trường học, trung tâm )

 Khu công cộng (nhà ga, bến tàu, bến xe, sân bay, công viên, khu vui chơi giảitrí…)

 Dịch vụ vệ sinh

 Các hoạt động sinh hoạt của cơ sở sản xuất

b Thành phần chất thải rắn sinh hoạt

Thành phần chất thải rắn khác nhau tùy thuộc vào từng địa phương, điều kiệnkinh tế và nhiều yếu tố khác (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Các loại chất thải rắn đặc trưng từ nguồn thải sinh hoạt

Chất thải rắn sinh hoạt:

- Chất thải thực phẩm (chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học)

- Giấy, bìa các tông

- Chất thải vỏ, thủy tinh không chức thành phần nguy hại

- Chất thải nguy hại:

- Đồ điện gia dụng thải

- Pin thải, bao bì thuốc diệt côn trùng

Dịch vụ công

cộng

- Vệ sinh đường phố: Chất thải thực phẩm, giáy báo, bìa các tong, giấy loại hỗn hợp, kim loại, nhựa các loại, vải, xác động vật…

- Cắt tỉa cây xanh: cỏ, lá xây, mẩu cây thừa, gốc cây…

(Nguồn: Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia

2019, Chuyên đề: Quản lý chất thải rắn sinh hoạt, Chương 2, Trang 23)

c Thực trạng phân loại rác tại nguồn ở Việt Nam

- Với khối lượng chất thải rắn phát sinh ngày càng tăng, một số địa phương đã triểnkhai chương trình phân loại chất thải rắn tại nguồn Mục đích của phân loại chất thải

tại nguồn là tách các chất thải có giá trị tái chế cao ngay tại nguồn thải, đặc biệt làthành phần hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học chiếm tỉ lệ cao (60- 80%), tạonguồn hữu cơ “sạch” để chế biếm compost có chất lượng cao Bên cạnh đó phân loạichất thải tại nguồn còn góp phần tạo nguồn nguyên liệu cho hoạt động tái chế, giảmkhối lượng chất thải rắn được chôn lấp tại các bãi chôn lấp khi khối lượng chất thải rắnngày càng tăng Việc phân loại chất thải rắn tại nguồn giữ một vai trò quyết định vàảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống quản lý chất thải rắn

- Để góp phần nâng cao ý thức bảo vệ môi trường xung quanh và ứng phó với biếnđổi khí hậu đẩy mạnh việc phân loại rác tại nguồn Theo Quyết định số 44/QĐ-UBNDngày 24/11/2018, người dân sinh sống tại TPHCM phải thực hiện phân loại rác thảitrước khi đem đi vứt, nếu không thực hiện đúng qui định thì việc thu gom rác sẽ bị từchối

Hình 1.1 Công nhân thu gom rác trên tuyến đường Lê Tự Tài, Q Phú Nhuận,

TP.HCM

(Nguồn: Tuổi trẻ online)

- Theo Khoản 2 Điều 78 dự thảo Luật Bảo vệ môi trường (sửa đổi) đã qui định vềviệc thu gom, vận chuyển chất thải rắn sinh hoạt, bao gồm:

 Đơn vị vận chuyển, thu gom chất thải rắn sinh hoạt có quyền từ chối thu gom,vận chuyển rác sinh hoạt của hộ gia đình, cá nhân nếu không phân loại và sửdụng bao bì đúng quy định

 Đơn vị vận chuyển, thu gom rác thải thông báo cho cơ quan có thẩm quyền đểkiểm tra xử lý theo quy định pháp luật đến cá nhân, tổ chức vi phạm.

 Cá nhân, hộ gia đình phải có trách nhiệm chuyển chất thải rắn sinh hoạt đãđược phân loại đến điểm tập kết theo qui định hoặc chuyển giao cho đơn vị thugom, vận chuyển rác sinh hoạt

- Vì thế việc triển khai phân loại rác tại nguồn một các có hệ thống là rất cấp báchnhằm tận dụng, tái chế rác thải hữu ích, tạo thói quen cho công cộng vì một môitrường xanh- sạch- đẹp

1.2 CÁCH THỨC PHÂN LOẠI CHẤT THẢI TẠI NGUỒN

1.2.1 Cách thức phân loại rác sinh hoạt tại nguồn

Bảng 1.2 Cách thức phân loại chất thải tại nguồn

- Phần thựcphẩm thừa hoặc

hư hỏng khôngthể sử dụng chocon người

- Các loại hoa,

lá  cây, cỏ khôngđược con người

sử dụng sẽ trởthành rác thảitrong môi

- Các loại rau, củquả đã bị hư,thối…

mica trung quốc

Thu gom riêngvào vật dụngchứa rác để tậndụng làm phâncompost

- Các loại bao bìbọc bên ngoàihộp/chai thựcphẩm.

- Các loại túinilong được bỏ

đi sau khi conngười dùngđựng thực phẩm

- Gạch/ đá, đồsành/sứ vỡ hoặckhông còn giá trị

sử dụng

- Ly/ cốc/ bìnhthủy tinh vỡ…

- Các loại vỏsò/ốc, vỏ trứng…

- Đồ da, đồ cao su,đồng hồ hỏng,băng đĩa nhạc,radio… không thể

sử dụng

Thu gom vàodụng cụ chứa rác

và đưa đến điểmtập kết để xechuyên dụng đếnvận chuyển, đưa

đi xử lý tại cáckhu xử lý rác thảitập trung theoquy định

- Các loạihộp/chai/vỏ lonthực phẩm bỏ đi

- Thùng carton,sách báo cũ

- Hộp giấy, bì thư,bưu thiếp đã qua

sử dụng

- Các loại vỏ lonnước ngọt/lonbia/vỏ hộp trà…

- Các loại ghếnhựa, thau/chậunhựa, quần áo vàvải cũ…

Cần được táchriêng, đựng trongtúi ny-lon hoặctúi vải để bán lạicho cơ sở tái chế

(Nguồn: https:muaphelieu247.com/phan-loai-rac-tai-nguon-la-gi)

1.2.2 Giải pháp phân loại chất thải rắn tại nguồn

- Từ cách thức phân loại rác như trên, nhóm đã đưa ra giải pháp phân rác đã được phân loại vào các túi màu khác nhau Cụ thể 3 loại rác sẽ được qui định cho vào 3 túi màu khác nhau (Bảng 1.3)

Bảng 1.3 Phân loại rác theo màu túi

Gồm rác thải có nguồn gốc từ

thực phẩm và làm vườn như:

Thức ăn thừa, rau, củ, quả, bã

trà, bã cà phê, giấy ăn, thịt, hoa

quả…

Là các loại rác có thể sử dụng lại nhiều lần trực tiếp hoặc chế biến lại như: Giấy, bìa cát tông, kim loại, đồ nhựa…

Là rác thải còn lại không

có khả năng sử dụng hoặcchế biến lại như: Thủy tinh(bóng đèn, cốc, chai, lọ), sành sứ vỡ, xỉ than,

đồ da, cao su…

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051

2.1.1 Tổng quan về vi điều khiển 8051

 Giới thiệu

- Vi điều khiển 8051 là một trong những họ vi điều khiển phổ biến đang được sửdụng trên toàn thế giới Bộ vi điều khiển này còn được gọi là hệ thống trên một chip

Dù là một kiến trúc vi xử lí/ vi điều khiển có tuổi đời rất lâu nhưng hiện nay các chip

8051 vẫn được sử dụng rất nhiều, bởi sự phổ biến về phần cứng và các thư việnchương trình

- AT89S52 là một phiên bản của 8051, là bộ vi điều khiển CMOS 8- bit công suấtthấp, hiệu suất cao với 8K byte bộ nhớ Flash có thể lập trình trong hệ thống Thiết bịđược sản xuất bằng công nghệ bộ nhớ không bay hơi mật độ cao của Atmel và tươngthích với sơ đồ chân và bộ lệnh 80C51 chuẩn công nghiệp Bằng cách kết hợp CPU 8-bit linh hoạt có thể lập trình trong hệ thống trên một chip nguyên khối, AtmelAT89S52 là một bộ vi điều khiển mạnh mẽ, cung cấp giải pháp linh hoạt và hiệu quả

về chi phí cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng

Hình 2.1 Vi điều khiển AT89S52

2.1.2 Kiến trúc phần cứng của vi điều khiển 8051

2.1.2.1 Sơ đồ khối và chức năng các khối của 8051

Hình 2.2 Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển 8051

+ Khối OSC cần thêm thạch anh và tụ bên ngoài để dao động

- Bộ nhớ chương trình (bộ nhớ ROM): gồm 8kbyte Flash

- Bố nhớ dữ liệu (bộ nhớ RAM): gồm 256 byte

- Input/ Output Port: Để kết nối với các thiết bị khác Có 4 cổng I/O 8 bit là P0,P1, P2, P3

- Bus: Bus là tập các dây nối để liên kết các thành phần, truyền lệnh, địa chỉ,hoặc dữ liệu

- Timer/ Couters: 16 bit thực hiện các chức năng định thời và đếm sự kiện

- Interrupts: Bộ điều khiển ngắt với 2 nguồn ngắt ngoài và 4 nguồn ngắt trong(3 ngắt timer và 1 ngắt nối tiếp)

- Bộ lập trình (ghi chương trình lên Flash ROM): cho phép người sử dụng cóthể nạp các chương trình cho chip mà không cần các bộ nạp chuyên dụng.

- Bộ chia tần số: hệ số chia là 12

2.1.2.2 Sơ đồ chân, chức năng các chân của 8051.

Hình 2.3 Sơ đồ chân vi điều khiển 8051

 Port 1 (P1.0- P1.7): chức năng duy nhất của Port 1 là chức năng xuất nhập,cũng như các Port khác, Port 1 có thể xuất nhập theo bit và theo byte

 Port 2 (P2.0- P2.7): Port 2 ngoài chức năng là cổng vào/ ra như port 0 vàport 1, còn là byte cao của bus địa chỉ khi sử dụng bộ nhớ ngoài.

 Port 3 (P3.0- P3.7): Mỗi chân trên Port 3 ngoài chức năng xuất nhập còn cómột chức năng riêng cụ thể:

Bảng 2.1 Chức năng các chân Port 3 của vi điều khiển 8051

 PSEN (Program Store Enable) chân 29 của vi điều khiển thường được nốiđến chân OE(Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc mã lệnh

 ALE (Address Latch Enable) chân 30 sử dụng với Port 0 như một mạchtách kênh đa hợp Nghĩa là trong 1 chu kì truy cập bộ nhớ, nửa đầu chu kìPort 0 sẽ là các BUS dữ liệu, nửa chu kì sau Port 0 được dùng luôn để nhập,xuất dữ liệu

 EA (External Access) chân 31 cho phép vi điều khiển thực thi chương trình

từ EPROM khi chân này được nối đất (GND) ngược lại vi điều khiển sẽthực thi chương trình trong ROM nội

 RST (Rest) chân 9: vi điều khiển sẽ reset chân này được đưa lên mức caotrong ít nhất 2 chu kì máy Các thanh ghi bên trong vi điều khiển sẽ đưa vềgiá trị ban đầu

 XTAL1, XTAL2: Bộ dao động trên chip, nó thường được nối với bộ daođộng thạch anh có tần số lớn nhất là 33MHz, thông thường là 12MHz

 Vcc, GND: AT89S52 có dải điện áp từ 4V đến 5.5V được cấp qua chân 40

và 20

2.1.3 Hoạt động định thời của 8051.

 Giới thiệu Timer/ Counter

- Timer: Là bộ định thời

- Couter: Là bộ đếm.

-> Timer và Counter là bộ ngoại vi của 8051 thực hiện nhiệm vụ đếm xung + Timer: đếm xung nội xảy ra bên trong vi điều khiển

+ Counter: Đếm các xung xảy ra bên ngoài vi điều khiển

 Các thanh ghi của bộ định thời

Các thanh ghi của Timer 1 và Timer 0 là các thanh ghi thường được sử dụng dểtruy xuất Timer/ Counter của vi điều khiển

- Thanh ghi TCON (TIMER CONTROL): thanh ghi điều khiển hoạt động củaTimer

Bảng 2.2 Chức năng các bit trạng thái và các bit điều khiển của thanh ghi

TCON cho Timer 1 và Timer 0

TCON.6 TR1 Bit điều khiển hoạt động của bộ định thời 1

TCON.4 TR0 Bit điều khiển hoạt động của bộ định thời

- Thanh ghi TMOD (TIMER MODE): thanh ghi lựa chọn chế độ hoạt động củaTimer

TMOD GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0

Bảng 2.3 Chức năng các bit trạng thái và các bit điều khiển của thanh ghi

TMOD cho Timer 1 và Timer 0

TMOD.6 C/T1 Bit chọn chức năng đếm hoặc định thời

1= đếm sự khiện0= định thời trong một khoảng thời gian

TMOD.3 GATE0 Bit điều khiển cổng cho bộ định thời 0

TMOD.2 C/T0 Bit chọn chức năng đếm hoặc định thời cho bộ

định thời 0TMOD.1 M1 Bit chọn chế độ thứ nhất cho bộ định thời 0TMOD.0 M0 Bit chọn chế độ thứ 2 cho bộ định thời 0

 Các chế độ định thời của Timer 1 và 0

- Chế độ 0: là chế độ định thời 13 bit, chế độ này tương thích với các bộ vi điềukhiển trước đó, trong các ứng dụng hiện nay chế độ này không còn thích hợp

- Chế độ 1: Bộ timer dùng cả 2 thanh ghi TH và TL để chứa giá trị đếm, vì vậychế độ này còn gọi là chế độ định thời 16 bit

- Chế độ 2: Bộ định thời dùng TL để chứa giá trị đếm và TH để chứa giá trị nạplại, vì vậy chế độ này còn gọi là chế độ tự nạp lại 8 bit

- Chế độ 3: Timer 0 được tách thành 2 bộ Timer hoạt động độc lập, chế độ này

sẽ cung cấp cho bộ vi điều khiển thêm một Timer nữa

2.2 CẢM BIẾN MÀU TCS3200

2.2.1 Giới thiệu về cảm biến màu TCS3200

- Cảm biến TCS3200 được sử dụng để nhận biết màu sắc bằng cách đo phản xạ

3 màu sắc cơ bản từ vật là đỏ, xanh lá và xanh dương từ đó xuất ra tần số xungtương ứng với 3 màu này qua các chân tín hiệu

- Tính năng:

+ Chuyển đổi cường độ ánh sáng thành tần số có độ phân giải cao

+ Lập trình lựa chọn bộ lọc màu sắc khác nhau và dạng tần số xuất ra

+ Có khả năng lập trình để nhận biết đầy đủ các màu

+ Dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển

Hình 2.4 Cảm biến màu sắc TCS3200

2.2.2 Sơ đồ chân

Hình 2.5 Sơ đồ chân ra của TCS3200

- Chức năng các chân của TCS3200

Bảng 2.4 Chức năng các chân của TCS3200

Pin Các pin ra cho tần số đầu ra (các màu sắc cảm nhận)

GND Nguồn điện tiếp đất Tất cả các điện áp được quy chiếu tới GND

2.2.3 Nguyên lí hoạt động

- Cấu tạo gồm 2 khối:

Hình 2.6 Cấu tạo của cảm biến màu TCS3200

+ Khối đầu tiên là mảng ma trận 8x8 gồm các photodiode

 16 photodiode có thể lọc màu sắc xanh dương (Blue)

 16 photodiode có thể lọc màu đỏ (Red)

 16 photodiode có thể lọc màu xanh lá(Green)

 16 photodiode trắng không lọc (Clear)

Tất cả photodiode cùng màu được kết nối song song với nhau ,và được đặt xen

kẽ nhau nhằm mục đích chống nhiễu

Bản chất của 4 loại photodiode trên như là các bộ lọc ánh sáng có mầu sắc khácnhau Có nghĩa nó chỉ tiếp nhận các ánh sáng có cùng màu với loại photodiodetương ứng và không tiếp nhận ánh sáng có màu sắc khác

Hình 2.7 Khối đầu tiên của cảm biến màu

Việc lựa chọn 4 loại photodiode này thông qua 2 chân đầu vào S2, S3 như bảngdưới đây

Bảng 2.5 Lựa chọn loại photodiode thông qua trạng thái của 2 chân đầu vào

S2, S3 của cảm biến màu

Các chân S0 và S1 được sử dụng để điều chỉnh tần số đầu ra Nó có thể đượcchia tỷ lệ thành các giá trị đặt trước sau: 2%, 20% hoặc 100%

Bảng 2.6 Chuyển đổi dòng điện từ đầu ra khối thứ nhất thành tần số của

Tần số đầu ra là xung vuông có độ rộng xung 50% và tỉ lệ với ánh sáng có cường

độ và màu sắc khác nhau, số đầu ra nằm trong khoảng 2hz đến 500khz

Ta có thể lựa chọn tỉ lệ tần số đầu ra ở các mức khác nhau như bảng trên cho phùhợp với phần cứng đo tần số

- Nguyên lí hoạt động:

+ Ánh sáng trắng là tổng hợp của rất nhiều ánh sáng có bước sóng màu sắc khácnhau Khi ta chiếu ánh sáng trắng vào một vật thể bất kì, tại bề mặt vật thể sẽ xảy

ra hiện tượng hấp thụ và phản xạ ánh sáng. 

+ Dựa trên nguyên lí sự phản xạ, hấp thụ ánh sáng trắng của vật thể và sự phốitrộn của 3 màu cơ bản red, blue, green thì TCS3200 có cấu tạo 4 bộ lọc làphotodiode blue, red, green và clear để nhận biết màu sắc của vật thể

Với điều kiện test là ánh sáng có bước sóng 470nm (Dải màu blue), 524nm (dảimàu green), 640nm (dải màu Red) thì 4 bộ lọc photodiode sẽ cho ra tần số khácnhau Tần số ra lớn nhất khi ánh sáng chiếu vào cảm biến cùng loại photodiodeđược chọn vì khi đó photodiode sẽ hấp thụ nhiều nhất

 Khi khóa S1 và S4 đóng thì dòng chạy từ nguồn +V qua S1, MOTOR, S2

=> Động cơ chạy thuận

 Khi khóa S2 và S3 đóng thì dòng chạy từ nguồn +V qua S2, MOTOR, S3

=> Động cơ quay ngược

Các khóa này có thể đóng mở bất cứ lúc nào Chúng ta có 4 khóa vậy sẽ có 16trạng thái Tuy nhiên chỉ có 4 trạng thái là được sử dụng Những trạng thái còn lại sẽkhông hoạt động và nếu hoạt động sẽ gây chays nổ Trong quá trình điều khiển chúng

ta phải luôn tránh các trạng thái không mong muốn Cách thức hoạt động được tóm tắtnhư bảng sau

Bảng 2.7 Cách thức hoạt động của mạch cầu H

2.4.1 Sơ lược về động cơ Servo.

- Động cơ Servo là một thiết bị điện tự động có cảm biến phản hồi để điều chỉnh

hành động Nó được sử dụng khi cần điều khiển chính xác góc quay

- Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu racủa động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽđược hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kì lý do nào ngăn cản chuyển độngquay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa

- Động cơ servo có nhiều loại khác nhau trên cơ sở ứng dụng của chúng Một sốloại servo thường dùng và quan trọng như: động cơ servo AC, động cơ servo DC, động

cơ servo DC không chổi than, động cơ servo quay theo vị trí, động cơ servo quay liêntục…

Hình 2.9 Servo SG90

2.4.2 Hoạt động của động cơ Servo

2.4.2.1 Cơ chế làm việc của động cơ Servo

- Động cơ Servo gồm 3 phần:

+ Thiết bị điều khiển

+ Cảm biến đầu ra

+ Hệ thống phản hồi

Hình 2.10 Cấu tạo bên trong của động cơ Servo