Báo cáo Đồ Án 1 thiết kế mạch Đếm sản phẩm trên băng tải

Giải pháp đề xuất: Để đáp ứng các thách thức trên, một giải pháp có thể là thiết kế một mạch đếm sản phẩm dựa trên nguyên lý của vi điều khiển và các cảm biến phù hợp.. Cụ thể, vi điều k

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Báo cáo đồ án 1 Thiết kế mạch đếm sản phẩm trên băng tải

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Hưng-20210412

Vũ Trung Hoàng Hiệp-20210327

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Việt Sơn

Mục lục

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.1 Nhiệm vụ thiết kế 4

1.2 Nhiệm vụ thiết kế 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Các chức năng cơ bản của mạch đếm sản phẩm 6

2.2 Các công nghệ và phương pháp thiết kế mạch đếm sản phẩm 6

2.2.1 Tìm hiểu về cảm biến: 6

2.2.2 Tìm hiểu về vi điều khiển: 7

● Phổ biến và dễ dàng tìm thấy trên thị trường 7

● Được hỗ trợ bởi nhiều nhà sản xuất và có nhiều tài liệu hướng dẫn 7

● Có cộng đồng lớn và phong phú hỗ trợ phát triển phần mềm và phần cứng 7

● Đa dạng về kích thước bộ nhớ và bộ phận ngoại vi 7

● Hiệu suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp 7

● Tối ưu hóa số lượng lệnh và tăng tốc độ xử lí 7

● Có nhiều phiên bản và dòng sản phẩm phù hợp với các ứng dụng khác nhau 7

● Tiêu thụ ít năng lượng, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tiết kiệm năng lượng 7

● Có các tính năng bảo mật tích hợp 7

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 8

3.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch đếm sản phẩm 8

3.2 Lựa chọn các linh kiện và các phần mềm hỗ trợ 8

3.2.1 Khối xử lý trung tâm 8

3.2.2 Khối nguồn 9

3.2.3 Khối cảm biến 10

3.2.4 Khối hiển thị 10

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 16

5.1 Mạch thực tế 16

5.2 Kết quả đạt được từ dự án 16

5.3 Vấn đề chưa khắc phục được 16

5.4 Hướng phát triển 16

CHƯƠNG 6: TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Đặt vấn đề

Trong quá trình sản xuất công nghiệp ngày nay, việc tự động hóa ngày càng trở nên phổ biến để tối ưu hóa hiệu suất và giảm sự phụ thuộc vào lao động con người Trong ngành công nghiệp, việc đếm sản phẩm trên băng tải là một phần quan trọng để đảm bảo sản lượng và kiểm soát chất lượng Điều này đặt ra yêu cầu cần có các hệ thống tự động có khả năng đếm chính xác và hiệu quả

Thách thức:

1 Chính xác: Đảm bảo rằng hệ thống đếm sản phẩm hoạt động chính xác và đáng tin cậy để

đảm bảo không có sai sót trong việc đếm sản phẩm

2 Tương thích với tốc độ sản xuất: Phải xây dựng một hệ thống có thể hoạt động ở tốc độ

cao để đáp ứng nhu cầu của dây chuyền sản xuất mà không làm giảm hiệu suất

3 Độ tin cậy: Đảm bảo rằng hệ thống có khả năng hoạt động liên tục trong thời gian dài mà

không gặp sự cố, giúp duy trì quá trình sản xuất liên tục và không bị gián đoạn

4 Tính linh hoạt và dễ dàng tích hợp: Cần có khả năng linh hoạt và dễ dàng tích hợp vào hệ

thống tổng thể của dây chuyền sản xuất mà không cần thay đổi quá nhiều cấu trúc sẵn có

Giải pháp đề xuất:

Để đáp ứng các thách thức trên, một giải pháp có thể là thiết kế một mạch đếm sản phẩm dựa trên nguyên lý của vi điều khiển và các cảm biến phù hợp Cụ thể, vi điều khiển được sử dụng để xử

lý tín hiệu từ cảm biến và đếm số lượng sản phẩm đi qua trên băng tải

1 Cảm biến phù hợp: Sử dụng cảm biến hồng ngoại chuyên dụng có khả năng phát hiện sản

phẩm đi qua và truyền thông tin về số lượng sản phẩm tới vi xử lý

2 Vi điều khiển: Sử dụng AT89S52 để xử lý tín hiệu từ cảm biến, đếm số lượng sản phẩm và

hiển thị kết quả đếm lên LCD

Với việc sử dụng vi điều khiển và cảm biến thông minh, một mạch đếm sản phẩm có thể đem lại hiệu quả và độ chính xác tương đối cao trong việc kiểm soát sản lượng và quản lý chất lượng trong quá trình sản xuất công nghiệp

1.1 Nhiệm vụ thiết kế

Hình ảnh minh họa hệ thống đếm sản phẩm tự động

1 Tìm hiểu các chức năng cơ bản của mạch đếm sản phẩm

2 Tìm hiểu họ vi điều khiển 8051 (hoặc AVR, PIC, …)

3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ mạch đếm sản phẩm với các tính năng

 Hiển thị số sản phẩm đếm được trên LED/LCD

 Cho phép lưu lại các cài đặt, số đếm khi mất điện

 Có chức năng thông báo bằng đèn/âm thanh khi số sản phẩm đếm được bằng số cài đặt trước

 Cho phép đếm tiến, đếm lùi

 Xử lý một số tình huống trong thực tế: Nhiễu do sản phẩm bị rung lắc trong quá trình chạy trên bằng chuyền, đếm tiếp từ một giá trị đặt trước đến hết, đếm tiến / lùi do băng tải thay đổi chiều chuyển động; chế độ dừng khẩn cấp khi có sự cố; xử lý trường hợp khi các sản phẩm đặt quá sát nhau dẫn tới đếm sai

1.2 Nhiệm vụ thiết kế

Tuần 1-2: Tìm hiểu và Nghiên cứu

Tuần 1:

 Xác định rõ yêu cầu dự án và phân chia nhiệm vụ cho từng thành viên

 Tìm hiểu về các chức năng cơ bản của mạch đếm sản phẩm

 Nghiên cứu về vi điều khiển, có thể chọn vi điều khiển 8051 hoặc các loại khác như AVR, PIC,

Tuần 2:

 Tiếp tục nghiên cứu về vi điều khiển và các tính năng của chúng

 Thảo luận và quyết định vi điều khiển nào phù hợp nhất cho dự án

 Bắt đầu lập kế hoạch cho việc thiết kế sơ đồ nguyên lý

Tuần 3-4: Thiết kế và Mô phỏng

Tuần 3:

 Thiết kế sơ đồ nguyên lý của mạch đếm sản phẩm, bao gồm các tính năng yêu cầu

 Xác định cách hiển thị số sản phẩm đếm được trên LCD

 Bắt đầu tính toán và mô phỏng thiết kế bằng phần mềm Proteus

Tuần 4:

 Hoàn thiện thiết kế sơ đồ nguyên lý và kiểm tra tính đúng đắn

 Tiến hành mô phỏng thiết kế trên phần mềm Proteus

 Xác định và giải quyết các vấn đề phát sinh trong quá trình mô phỏng

Tuần 5-6: Thiết kế mạch in và Thử nghiệm

Tuần 5:

 Bắt đầu thiết kế mạch in dựa trên sơ đồ nguyên lý đã hoàn thiện

 Tiến hành thử nghiệm mạch in trên các phần mềm mô phỏng

 Đảm bảo mạch in đáp ứng được các yêu cầu của dự án

Tuần 6:

 Hoàn thiện thiết kế mạch in và chuẩn bị cho giai đoạn thử nghiệm thực tế

 Tiến hành thử nghiệm mạch trên băng chuyền hoặc mô phỏng các tình huống thực

tế trên Proteus

 Ghi nhận và xử lý các vấn đề phát sinh trong quá trình thử nghiệm

Tuần 7-8: Viết Báo cáo và Thuyết trình

Tuần 7:

 Bắt đầu viết báo cáo về quá trình thiết kế và thử nghiệm

 Tổ chức dữ liệu và kết quả thu được trong quá trình thử nghiệm

 Hoàn thiện báo cáo và trình bày cấu trúc cơ bản của báo cáo PowerPoint

Tuần 8:

 Hoàn thiện báo cáo và PowerPoint

 Tổ chức thuyết trình để trình bày kết quả và quá trình làm việc của dự án

 Chuẩn bị cho bất kỳ câu hỏi hoặc phản biện nào từ phía người nghe

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các chức năng cơ bản của mạch đếm sản phẩm

Trong phần này, ta sẽ đi vào chi tiết về các chức năng mà mạch đếm sản phẩm cần thực hiện.

Các chức năng cơ bản này bao gồm:

 Đếm số lượng sản phẩm: Mạch cần có khả năng đếm số lượng sản phẩm đi qua băng chuyền

 Hiển thị số lượng sản phẩm: Mạch cần có khả năng hiển thị số lượng sản phẩm đã được đếm được trên một thiết bị hiển thị như LCD hoặc LED

 Lưu trữ dữ liệu: Mạch cần có khả năng lưu trữ dữ liệu về số lượng sản phẩm đã được đếm khi mất điện

2.2 Các công nghệ và phương pháp thiết kế mạch đếm sản phẩm

Mạch này gồm hai phần chính:

 Bộ phận cảm biến: gồm phần phát và phần thu Thông thường người ta sử dụng phần phát

là led hồng ngoại để phát ra ánh sáng hồng ngoại mục đích để chống nhiễu so với các loại ánh sáng khác, còn phần thu là transistor quang để thu ánh sáng hồng ngoại

 Bộ phận đếm: Lắp mạch dùng vi điều khiển 8051.

2.2.1 Tìm hiểu về cảm biến:

Phân loại Cảm biến quang thu phát chung Cảm biến quang khuếch tán

Nguyên lý

Đặc điểm Để hoạt động được cần một con phát ánh

sáng và một con thu ánh sáng lắp đối diện với nhau Dòng cảm biến này không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, khoảng cách phát hiện lớn

• Trạng thái không có vật cản: cảm

biến phát ánh sáng và cảm biến thu ánh sáng Quá trình phát và thu ánh sáng liên tục với nhau

• Trạng thái có vật cản: cảm biến

phát vẫn phát ánh sáng nhưng cảm biến thu ánh sáng không thu được ánh sáng (bị vật cản che chắn)

Thường được dùng để phát hiện các vật thể trên hệ thống máy móc tự động

Giám sát các thiết bị đã được lắp đúng

vị trí hay chưa

• Trạng thái báo phát hiện vật cản: cảm biến phát ánh liên tục

từ bộ phát đến bề mặt vật cản Ánh sáng phản xạ đi ngược về

vị trí thu sáng

• Trạng thái không vật cản: Khi

không có vật cản đi vào, ánh sáng không phản xạ về vị trí thu được hoặc bề mặt vật không phản xạ ánh sáng về vị trí thu

2.2.2 Tìm hiểu về vi điều khiển:

Phần này sẽ giới thiệu và phân tích các loại vi điều khiển mà có thể được sử dụng cho dự án này, bao gồm như sau:

Vi điều khiển 8051 Vi điều khiển AVR Vi điều khiển PIC

Đặc

điểm

● Phổ biến và dễ dàng tìm

thấy trên thị trường

● Được hỗ trợ bởi nhiều nhà

sản xuất và có nhiều tài liệu hướng dẫn

● Có cộng đồng lớn và

phong phú hỗ trợ phát triển phần mềm và phần cứng

● Đa dạng về kích thước

bộ nhớ và bộ phận ngoại vi

● Hiệu suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp

● Tối ưu hóa số lượng lệnh và tăng tốc độ xử lí

● Có nhiều phiên bản và dòng sản phẩm phù hợp với các ứng dụng khác nhau

● Tiêu thụ ít năng lượng, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tiết kiệm năng lượng

● Có các tính năng bảo

mật tích hợp.

=> Chúng em lựa chọn vi điều khiển 8051 do dễ sử dụng và đã có sẵn nền tảng về 8051

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch đếm sản phẩm

Sơ đồ thiết kế tổng quát:

3.2 Lựa chọn các linh kiện và các phần mềm hỗ trợ

3.2.1 Khối xử lý trung tâm

 AT89S52: là họ IC vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất Các sản phẩm AT89S52 thích

hợp cho những ứng dụng điều khiển Việc xử lý trên byte và các toán số học ở cấu trúc dữ liệu

nhỏ được thực hiện bằng nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội Nó cung cấp

những hổ trợ mở rộng trên chip dùng cho những biến một bit như là kiểu dữ liệu riêng biệt cho phép quản lý và kiểm tra bit trực tiếp trong hệ thống điều khiển

Trên hình là sơ đồ bố trí chân của 8051 Ta thấy rằng trong 40 chân thì có 32 chân dành cho các cổng P0, P1, P2 và P3 với mỗi cổng có 8 chân Các chân còn lại được dành cho nguồn VCC, đất GND, các chân dao động XTAL1 và XTAL2, chân Reset RST, chân cho phép chốt địa chỉ ALE, chân truy cập địa chỉ ngoài EA, cho phép cất chương trình PSEN Trong 8 chân này thì 6 chân VCC, GND, XTAL1, XTAL2, RST và EA được các họ 8051 sử dụng Hay nói

cách khác là chúng phải được nối để cho hệ thống làm việc Còn hai chân khác là

PSEN và ALE được sử dụng chủ yếu trong các họ 8031.

3.2.2 Khối nguồn

Trong thực tế ngày nay đối với các vi điều khiển, IC… người ta đa số dung mức tương thích TTL hơn là CMOS Mức TTL có chuẩn dương 5V và chuẩn âm 0V Các chip vi điều khiển, IC TTL…đòi hỏi phải có nguồn cung cấp ổn định 5V(dao động từ 4.75 tới 5.25) nếu điện áp không nằm trong giải đó mà xuống thấp hơn thì IC không hoạt động, cao hơn thì IC cháy hỏng

3.2.3 Khối cảm biến

Led phát hồng ngoại ( IR LED ) luôn luôn phát ra sóng ánh sáng có bước sóng hồng ngoại, led thu hồng ngoại bình thường nó có nội trở rất lớn ( vài trăm KΩ ), khi led thu được tia hồng ngoại chiếu vào đủ lớn thì nội trở của nó giảm xuống (cỡ vài chục Ω)

Khi gặp vật cản, những chùm tia hồng ngoại gặp vật cản và phản xạ lại led thu làm led thu thay đổi giá trị điện trở Ở đây chúng ta thấy cầu chia áp ở điện trở R2 và mắt thu hồng ngoại, sự thay đổi điện trở của mắt thu hồng ngoại dẫn đến điện áp đầu vào chân 3 Op-Amp cũng thay đổi Lúc đó, điện áp đầu vào chân 3 Op-Amp được so sánh với giá trị điện áp không đổi gim trên biến trở R3, nếu điện áp chân 3 Op-Amp lớn hơn điện áp chân 2 Op-Amp thì Op-Amp xuất mức

1 ( bằng VCC) Ngược lại nếu điện áp chân 3 Amp nhỏ hơn điện áp chân 2 Amp thì Op-Amp xuất mức 0 ( bằng GND)

3.2.4 Khối hiển thị

Nhiệm vụ của khối hiển thị là nhận tín hiệu từ vi điều khiển để hiển thị số sản phẩm cài đặt, số sản phẩm đếm được lên màn hình LCD

LCD được nhóm em sử dụng là loại có 16 chân, với chức năng từng chân được ghi trong bảng dưới đây:

Chân

n

RS =1: chọn thanh ghi dữ liệu

Hình ảnh một LCD 16x2 trong thực tế

15 A - Nguồn dương cho đèn nền

3.2.5 Khối công suất

Điều khiển động cơ thông qua một mạch công suất gọi là driver Driver cho động cơ DC chính là mạch cầu H Chip L298 là một chip được tích hợp 2 mạch cầu H trong gói 15 chân

Chip L298 có tích hợp 2 mạch cầu H nên có thể dùng để điều khiển 2 đối tượng cùng lúc Ý nghĩa của các chân như sau:

● Vs: được nối với cực dương của nguồn công suất Nguồn này dùng để vận hành động

cơ, có giá trị +12V, +24V… tùy thuộc vào động cơ

● Vcc: dương nguồn cấp cho mạch điều khiển (5V)

● GND: nối đất

● INT1 và IN2: hai chân cấp tín hiệu điều khiển động cơ số 1

● INT3 và IN4: hai chân cấp tín hiệu điều khiển động cơ số 2

● ENA: chân cho phép mạch điều khiển 1 hoạt động

● ENB: chân cho phép mạch điều khiển 2 hoạt động

● OUT1 và OUT 2: kết nối với động cơ số 1

● OUT 3 và OUT4: kết nối với động cơ số 2

● SENA và SENB: nối xuống GND

3.2.6 Khối động cơ một chiều (DC Motor)

Điện áp: 3-12VDC

– Tỷ số truyền: 1:48

– Tốc độ:

+ 125 rpm 3VDC

+ 208 rpm 5VDC

3.2.7 Khối nút nhấn

Gồm các nút nhấn để nhập giá trị số sản phẩm cài đặt (ma trận phím) và 1 vài nút chức năng ( on, off, reset…)

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM

4.1 Lưu đồ thuật toán

4.1.1 Lưu đồ chính:

4.4.2 Lưu đồ cho chế độ dừng khẩn cấp:

4.2 Sử dụng phần mềm mô phỏng (Proteus)

Mô phỏng hệ thống trên phần mềm proteus

4.3 Vẽ mạch PCB bằng Altium

Mạch nguyên lý Schematic

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

5.1 Mạch thực tế

5.2 Kết quả đạt được từ dự án

1 Vẽ mạch Tìm hiểu và nghiên cứu về mạch đếm sản phẩm

2 Mô phỏng và lập trình cho mạch đếm sản phẩm với chức năng đếm tiến và dừng khẩn cấp

3 Lập trình thêm chức năng lưu giá trị vào EEPROM để phòng trường hợp mất điện khẩn cấp

4 Lập trình giao diện chọn 3 chức năng đếm tiến, đếm lùi hoặc chọn giá trị lưu sẵn trong EEPROM

5 Lắp mạch thử nghiệm trên Breadboard

6 Sửa lỗi đếm sai số lượng sản phẩm đơn lẻ và 2 sản phẩm dính nhau

7 nguyên lý và PCB trên phần mềm Altium

8 Làm mạch in

5.3 Vấn đề chưa khắc phục được

1 LCD bị nhiễu khi nhấn nút

2 Chưa xử lý được vấn đề có số sản phẩm dính nhau > 3

3 Mạch in chưa hoạt động

5.4 Hướng phát triển

1 Tích hợp hệ thống với công nghệ IoT để giám sát và điều khiển từ xa

2 Nâng cấp hệ thống để đếm được các loại sản phẩm có kích thuớc và hình dạng khác

nhau

3 Thêm tính năng phân loại sản phẩm theo màu sắc/ sản phẩm bị lỗi

CHƯƠNG 6: TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tran D (2021, April 13) [ KIẾN THỨC] Cảm biến quang là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Thiết Bị Đo Lường https://thietbidoluong.info/cam-bien-quang-la-gi

[2] Thiet ke mach dem San pham dung vi Dieu khien 8051 (n.d.) Scribd

https://www.scribd.com/document/214793480/Thiet-Ke-Mach-Dem-San-Pham-Dung-Vi-Dieu-Khien-8051

[3] Vi điều khiển (2023, June 2) https://vi.wikipedia.org/wiki/Vi_%C4%91i%E1%BB

%81u_khi%E1%BB%83n

[4] CẤU TẠO BĂNG TẢI (2018, August 17) NHỮNG BỘ PHẬN CƠ BẢN CẤU TẠO BĂNG TẢI https://matechjsc.vn/nhung-bo-phan-co-ban-cau-tao-bang-tai.html

[5] CẤU TRÚC VÀ LẬP TRÌNH HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051- NGUYỄN TĂNG CƯỜNG, PHAN QUỐC THẮNG