Thiết kế hệ thống Điều khiển dây chuyền Đếm sản phẩm bao xi măng

Băng tải đếm sản phẩm có cấu tạo đơn giản, dễ dàng sử dụng và hoạtđộng ổn định được trong thời gian dài, giúp các doanh nghiệp vừa dễ dàng kiểmsoát được số lượng sản phẩm, vừa tăng được

- Tìm hiểu vi điều khiển 8051, phần mềm mô phỏng Protues

- Thiết kế mạch đếm sản phẩm, hiển thị

- Lập trình và mô phỏng

Giáo viên hướng dẫn

Ngô Thị Lê

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

ĐẶT VẤN ĐỀ 3

CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN ĐẾM BAO XI MĂNG 4

1.1 Công nghệ 4

1.2 Các thiết bị 4

1.2.1 Băng tải 5

1.2.2 Cảm biến hồng ngoại 5

1.2.3 Led 7 đoạn 7

1.2.4 Vi điều khiển 8

1.2.5 Điện trở 9

1.2.6 Ổn áp lm7805 9

1.2.7 Tụ điện 10

1.2.8 Transistor 10

1.2.9 Màn hình hiện thị LCD 11

CHƯƠNG 2: VI ĐIỀU KHIỂN 13

2.1 Cấu trúc vi điều khiển 8051 13

2.1.1 Chân VCC 14

2.1.2 Chân GND 14

2.1.3 Chân XTAL1 và XTAL2 14

2.1.4 Chân RST 15

2.1.5 Chân EA 16

2.1.6 Chân PSEN 17

2.1.7 Chân ALE 17

2.1.8 Các chân cổng vào/ra và các chức năng của chúng 17

CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM LẬP TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG 21

3.1 Phần mềm lập trình Keil C 21

3.2 Phần mêm mô phỏng proteus 21

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH VÀ MÔ PHỎNG 23

4.1 Thiết kế mạch 23

4.1.1 Nguyên lý hoạt động: 23

4.1.2 Sơ đồ các module thiết kế mạch 24

4.1.3 Các module thiết kế 24

4.2 Mô phỏng 27

4.2.1 Mô phỏng thực tế 27

4.2.2 Mô phỏng bằng proteus 28

4.2.3 Chương trình keil-C 29

KẾT LUẬN 33

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong kỳ nguyên công nghệ hiện nay, sự phát triển rất mạnh mẽ của khoahọc kỹ thuật, các mô hình sản phẩm, băng truyền đếm sản phẩm ra đời dựa vàocông nghệ chế tạo vi mạch và lập trình nhúng cho vi điều khiển Vi điều khiểntích hợp thu gọn, giá thành thấp, tính linh động cao, tiết kiệm nguồn năng lượng.Hiện nay, ở Việt Nam và thế giới có rất nhiều loại mô hình đếm sản phẩm,băng truyền đếm sản phẩm đã được thiết kế thi công giúp con người giảm chiphí nhân công, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin Mô hìnhđếm sản phẩm tự động giúp được bớt sức lao động và thời gian, giúp tăng hiệusuất lao động, đồng thời tạo độ chính xác

Ngày nay, các vi điều kiển đã có một bước phát triển mạnh mẽ với đọ tínhhợp cao, khả năng xử lý mạnh mẽ, tiêu thụ ít năng lượng và giá thành thấp Khiđược nạp phần mềm nhúng, các vi điều khiền này sẻ hoạt động độc lập theo ứngdụng củ thể

Xuất phát từ những bài học trên lớp và tham quan một số dây chuyền đếmsản phẩm khác, em muốn thiết kế một dây chuyền đếm bao xi măng hoàn toàn

tự động, đó là một khâu đơn giản trong tự động hóa quá trình sản xuất

Từ những điều đã được thấy và khả năng của chúng em chúng em muốnlàm một điều gì đó giúp cho công việc trở nên nhẹ nhàng hơn Nên chúng emquyết định thiết kế mô hình hệ thống đếm sản phẩm bao xi măng vì nó rất gầngủi với thực tế

Hệ thống được thiết kế phải thoả mãn các tiêu chí sau:

 Tin cậy có khả năng làm việc lâu dài và liên tục

 Tối ưu hoá giá thành nhưng vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật

 Đầu tư một lần sử dụng được trong nhiều năm

Bằng các tiêu chí yêu cầu công nghệ trên em đưa ra một biện phát thíchhợp nhất đó là đếm sản phẩm bao xi măng bằng vi điều khiển

1.2.1 Băng tải

Cấu tạo đơn giản của băng tải bao gồm: khung băng tải, rulô chủ động, rulô

bị động, cơ cấu dẫn hướng, con lăn đỡ dây, cơ cấu tăng đơ, dây băng tải, động

cơ giảm tốc,…

Ứng dụng của băng tải đếm sản phẩm:

Băng tải đếm sản phẩm có thể kết hợp được với nhiều hệ thống băng tảikhác để đẩy nhanh quá trình vận chuyển và đếm sản phẩm nhanh chóng, chínhxác nhất

Băng tải đếm sản phẩm có cấu tạo đơn giản, dễ dàng sử dụng và hoạtđộng ổn định được trong thời gian dài, giúp các doanh nghiệp vừa dễ dàng kiểmsoát được số lượng sản phẩm, vừa tăng được năng suất công việc so với hìnhthức sản xuất truyền thống Sử dụng băng tải đếm sản phẩm, các bạn sẽ tiết kiệmđược: thời gian, không gian và đặc biệt là công nhân

Băng tải

1.2.2 Cảm biến hồng ngoại

- Mắt thu hồng ngoại

- Led phát hồng ngoại

a Khái niêm tia hồng

- Ánh sáng hồng ngoại là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mấtthường, có bước sóng khoảng λ=0.80µm đến λ=0.94µm, tia hồng ngoại có vậntốc chuyền bằng vận tốc ánh sáng

- Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém Trong điều khiển

từ xa, chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng Do đó khi thu phát đúnghướng

b Ứng dụng tia hồng ngoại trong điện tử

- Hồng ngoại được ứng dụng rộng rãi vì dễ tạo ra và không chịu các ảnhhưởng điện từ Vì vậy, được ứng dụng nhiều lĩnh vực liên lạc và điều khiển

- Tuy nhiên nó chưa thật sự là một giải pháp hoàn hảo cho thông tin liên lạc

vì ảnh hưởng tới nguồn phát hồng ngoại khác như: mặt trời, những vật bức xạnhiện

c Truyền và thu tín hiệu hồng ngoại

- Để thuận tiện cho việc ứng dụng tia hồng ngoại trong lĩnh vực liên lạc vàđiều khiển, tránh các tín hiệu nhiễu, ta phải mã hóa tín hiệu hồng ngoại khi phát

để chỉ cho phía thu, đau là nhiễu môi trường xung quanh

- Để mã hóa hồng ngoại, thông thường người ta chèn tín hiệu xung vuôngtần số từ 30-60 khz vào tín hiệu hồng ngoại, sự dụng phổ biến nhất khoảng 36khz

- Khi đó mắt thu hồng ngoại tiếp nhận các tần số trong khoảng này và lọc

bỏ các tần số khác Sau đó đưa vào giải mã đề có được tín hiệu mong muốn

- Giao tiếp giữa mắt thu và mắt phát hông ngoại

Khi ta cấp 1 xung vuông có tần số 36khz tương ứng ở mức 1 tại mắt phátthì mắt phát sẻ thu được mức không (nhận tín hiệu hồng ngoại truyền đến) vàkhi cấp điện áp 0V tương ứng với mức 0 tại mắt phát thì mắt thu sẻ có mức 1tương ứng với điện áp +Vcc Tín hiệu nhận đượng tại mắt thu đảo so với tín hiệutruyền cho mắt phát.

1.2.3 Led 7 đoạn

- Dùng led 7 đoạn để hiện thị sản phẩm đếm được

- Led 7 đoạn là 7 đèn led được sắp xếp thành hình chữ nhật như hình bêndưới

- Mỗi đèn led 7 đoạn có chân đưa ra khỏi hộp hình vuông Mỗi một chân sẽđược gán cho một chữ cái từ a đến g tương ứng với mỗi led Những chân khácđược nối lại với nhau thành một chân chung

- Như vậy bằng cách phân cực thuận (forward biasing) các chân của ledtheo một thứ tự cụ thể, một số đoạn sẽ sáng và một số đoạn khác không sáng chophép hiển thị ký tự mong muốn Điều này cho phép chúng ta hiển thị các số thậpphân từ 0 đến 9 trên cùng một led 7 đoạn

- Chân chung được sử dụng để phân loại led 7 đoạn Vì đèn led có 2 chân,

1 chân là anode và 1 chân là cathode nên có 2 loại led 7 đoạn là cathode chung(CC) và anode chung (CA)

- Trong thiết kế này chúng ta dùng 2 led 7 đoạn anode để đếm sản phẩm

1.2.4 Vi điều khiển

Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được

sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển thực chất gồm một vi

xử lý có hiệu suất đủ cao và giá thành thấp (so với các vi xử lý đa năng dùngtrong máy tính) kết hợp với các thiết bị ngoại vi như các bộ nhớ, các mô đunvào/ra, các mô đun biến đổi từ số sang tương tự và từ tương tự sang số, mô đunđiều chế độ rộng xung (PWM) Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng

hệ thống nhúng Nó xuất hiện nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máygiặt, lò vi sóng, điện thoại, dây truyền tự động Hầu hết các loại vi điều khiểnhiện nay có cấu trúc Harvard là loại cấu trúc mà bộ nhớ chương trình và bộ nhớ

dữ liệu được phân biệt riêng Cấu trúc của một vi điều khiển gồm CPU, bộ nhớchương trình (thường là bộ nhớ ROM hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu(RAM), các bộ định thời, các cổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài,tất cả các khối này được tích hợp trên một vi mạch Các loại vi điều khiển trênthị trường hiện nay:

Freescale 68HC11 (8-bit)

Intel 8051

STMicroelectronics STM8S (8-bit), ST10 (16-bit) và STM32 (32-bit)

Atmel AVR (8-bit), AVR32 (32-bit), và AT91SAM (32-bit)

Freescale ColdFire (32-bit) và S08 (8-bit)

Hitachi H8 (8-bit), Hitachi SuperH (32-bit)

MIPS (32-bit PIC32)

PIC (8-bit PIC16, PIC18, 16-bit dsPIC33 / PIC24)

PowerPC ISE

PSoC (Programmable System-on-Chip)

Texas Instruments Microcontrollers MSP430 (16-bit), C2000 (32-bit), vàStellaris (32-bit)

1.2.6 Ổn áp lm7805

- Điện áp vào lớn nhất: 20V

- Điện áp vào nhỏ nhất: 7V

1.2.8 Transistor

Transistor hay còn gọi là tranzito là một loại linh kiện bán dẫn chủ động.Thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hay khóa điện tử Với khảnăng đáp ứng nhanh, chính xác nên transistor được sử dụng nhiều trong ứngdụng tương tự và số như: mạch khuếch đại, điều chỉnh điện áp, tạo dao động vàđiều khiển tín hiệu

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mỗi tiếp giápP- N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được transistor thuận, nếu ghép theo thứ tựNPN ta được transistor ngược.

1.2.9 Màn hình hiện thị LCD

LCD là một màn hình nhiều điểm ảnh, có thể coi là một Led ma trận dạng lớn,tuy nhiên chúng ta không cần đi vào điều khiển từng Pixel hay là từng chấm nhỏnhư trong Phần 1 mà chúng ta sẽ điều khiển qua lệnh, con trỏ… để hiển thịthông tin một cách dễ dàng hơn Có nhiều loại LCD, trong bài này chúng tadùng loại đơn giản 16×2 Trước tiên chúng ta tìm hiểu về cầu tạo của nó

Chức năng của các chân LCD 16x2:

CHƯƠNG 2: VI ĐIỀU KHIỂN 2.1 Cấu trúc vi điều khiển 8051

Sau đay là cấu trúc vi điều khiển 8051

XTAL2 18 XTAL1 19

ALE 30 EA 31 PSEN 29

RST 9

P0.0/AD0 39P0.1/AD1 38P0.2/AD2 37P0.3/AD3 36P0.4/AD4 35P0.5/AD5 34P0.6/AD6 33P0.7/AD7 32

P2.7/A15 28

P2.0/A8 21P2.1/A9 22P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A12 25P2.5/A13 26P2.6/A14 27

P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8

P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT0 12P3.3/INT1 13P3.4/T0 14

P3.7/RD 17P3.6/WRP3.5/T1 1615

Trên hình a 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 châncòn lại được dành cho nguồn V , đất GND, các chân daoCC

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 chânnày thì 6 chân V , GND, XTAL1, XTAL2, RST và EA được các họ 8051 sửCC

dụng Hay nói cách khác là chúng phải được nối để cho hệ thống làm việc Cònhai chân khác là PSEN và ALE được sử dụng chủ yếu trong các họ 8031

2.1.1 Chân V CC

Chân số 40 là V , có chức năng cấp điện áp nguồn cho chíp Nguồn điệnCC

áp là +5V

2.1.2 Chân GND

Chân số 20 là GND, được nối với đất.

2.1.3 Chân XTAL1 và XTAL2

8051 có một bộ dao động trên chíp nhưng nó yêu cầu có một xung đồng hồngoài để chạy nó Một bộ dao động thạch anh sẽ được nối tới các chân đầuvào XTAL1 (chân 19) và XTAL2 (chân 18) Bộ dao động thạch anh được nốitới XTAL1 và XTAL2 cũng cần hai tụ gốm giá trị khoảng 30pF Một phía của tụđiện được nối xuống đất như được trình bày trên hình 2a

Cần phải lưu ý rằng có nhiều tốc độ khác nhau của họ 8051 Tốc độ đượccoi như là tần số cực đại của bộ dao động được nối tới chân XTAL Một bộ viđiều khiển 8051 yêu cầu một tinh thể thạch anh có tần số không lớnhơn 20MHz Khi 8051 được nối tới một bộ dao động tinh thể thạch anh và cấpnguồn thì ta có thể quan sát tần số trên chânXTAL2 bằng máy hiện sóng Nếu taquyết định sử dụng một nguồn tần số khác bộ dao động thạch anh, chẳng hạnnhư là bộ dao động TTL thì nó sẽ được nối tới chân XTAL1, cònchân XTAL2 thì để hở không nối như hình 2.2

Hình 2.2: a) Nối XTAL tới thạch anh b) Nối XTAL tới nguồn đồng bộ ngoài.

2.1.4 Chân RST

RST là chân số 9 - Reset Nó là một chân đầu vào có mức tích cực cao(bình thường ở mức thấp) Khi cấp xung cao tới chân này thì bộ vi điều khiển sẽđược Reset và kết thúc mọi hoạt động Điều này thường được coi như là sự táibật nguồn Khi kích hoạt tái bật nguồn sẽ làm mất mọi giá trị trên các thanhghi Hình 2.3 liệt kê các thanh ghi đặc biệt của 8051 và giá trị của chúng sau khiReset

Hình 2.3: Giá trị một số thanh ghi sau RESET.

Lưu ý rằng giá trị của bộ đếm chương trình PC là 0 khi tái lập để ép CPUnạp mã lệnh đầu tiên từ bộ nhớ ROM tại vị trí ngăn nhớ 0000 Điều này cónghĩa là ta phải đặt dòng đầu tiên của mã nguồn tại vị trí ngăn nhớ 0 của ROM

vì đây là mã mà sau khi CPU thức tỉnh sẽ tìm lệnh đầu tiên Hình 2.4 trình bàycách nối chân RST với mạch Reset

Các thành viên họ 8051 như 8751, 98C51 hoặc DS5000 đều có ROM trênchíp lưu cất chương trình Trong các trường hợp như vậy thì chân EA được nốitới Vcc Đối với các thành viên của họ như 8031 và 8032 mà không có ROMtrên chíp thì mã chương trình được lưu cất ở trên bộ nhớ ROM ngoài và chúng

được nạp cho 8031/32 Do vậy, đối với 8031 thì chân EA phải được nối đất đểbáo rằng mã chương trình được cất ở ngoài.

Các chân mô tả ở trên đều phải được nối mà không cần thành phần nàođược sử dụng Còn hai chân dưới đây được sử dụng chủ yếu trong hệ thống viđiều khiển 8031

2.1.6 Chân PSEN

PSEN là chân đầu ra cho phép cất chương trình (Program Store Enable)trong hệ thống Trên vi điều khiển 8031, chương trình được cất ở bộ nhớ ROMngoài thì chân này được nối tới chân OE của ROM

2.1.7 Chân ALE

Chân cho phép chốt địa chỉ ALE là chân đầu ra tích cực cao Khi nối 8031tới bộ nhớ ngoài thì cổng P0 dùng để trao đổi cả địa chỉ và dữ liệu Hay nói cáchkhác 8031 dồn cả địa chỉ và dữ liệu qua cổng P0 để tiết kiệm số chân.Chân ALE được sử dụng để phân kênh địa chỉ và dữ liệu

2.1.8 Các chân cổng vào/ra và các chức năng của chúng

Bốn cổng P0, P1, P2 và P3 đều sử dụng 8 chân và tạo thành cổng 8 bít Tất

cả các cổng khi Reset đều được cấu hình như các đầu ra, sẵn sàng để được sửdụng như các cổng đầu ra Muốn sử dụng cổng nào trong số các cổng này làmđầu vào thì nó phải được lập trình

a Cổng P0

Cổng P0 chiếm tất cả 8 chân (từ chân 32 đến 39) Nó có thể được dùng nhưcổng đầu ra, để sử dụng các chân của cổng P0 vừa làm đầu ra, vừa làm đầu vàothì mỗi chân phải được nối tới một điện trở kéo bên ngoài 10kΩ Điều này là domột thực tế là cổngP0 là một máng mở khác với các cổng P1, P2 và P3 Kháiniệm máng mở được sử dụng trong các chíp MOS về chừng mực nào đó nógiống như collector hở đối với các chíp TTL

Trong bất kỳ hệ thống nào sử dụng 8751, 89C51 hoặc DS5000 ta thườngnối cổngP0 tới các điện trở kéo (Xem hình 5), bằng cách này ta có thể sử dụng

được cổng P0 cho cả 2 trường hợp đầu ra và đầu vào Với những điện trở kéongoài được nối, khi Reset cổngP0 được cấu hình như một cổng đầu ra.

Hình 2.5: Cổng P0 với các điện trở kéo.

Cổng P0 là đầu vào: Với các điện trở được nối tới cổng P0 nhằm để tạo nóthành cổng đầu vào thì nó phải được lập trình bằng cách ghi 1 tới tất cả các bitcủa P0

Vai trò kép của cổng P0: Như trên hình 1, cổng P0 được gán là các bit địachỉAD0 - AD7 cho phép nó được sử dụng vừa cho địa chỉ, vừa cho dữ liệu Khinối 8051/31 tới bộ nhớ ngoài thì cổng P0 cung cấp cả địa chỉ và dữ liệu, 8051dồn dữ liệu và địa chỉ qua cổng P0 để tiết kiệm số chân ALE được sử dụng đểtách địa chỉ và dữ liệu với sự trợ giúp của IC chốt dữ liệu 74LS373

b Cổng P1

Cổng P1 cũng chiếm tất cả 8 chân (từ chân 1 đến chân 8) nó có thể được sửdụng như đầu vào hoặc đầu ra So với cổng P0 thì cổng này không cần đến điệntrở kéo vì nó đã có các điện trở kéo bên trong Trong quá trình Reset thìcổng P1 được cấu hình như một cổng đầu ra

Cổng P1 là đầu vào: Tương tự P0, để biến cổng P1 thành đầu vào thì nóphải được lập trình bằng cách ghi 1 đến tất cả các bit của nó

c Cổng P2

Cổng P2 cũng chiếm 8 chân (các chân từ 21 đến 28) Nó có thể được sửdụng như đầu vào hoặc đầu ra, giống như cổng P1, cổng P2 cũng không cầnđiện trở kéo vì nó đã có các điện trở kéo bên trong Khi Reset, thì cổng P2 đượccấu hình như một cổng đầu ra.

Cổng P2 là đầu vào: Để tạo cổng P2 như đầu vào thì nó phải được lập trìnhbằng cách ghi các số 1 tới tất cả các chân của nó

Vai trò kép của P2: Trong các hệ thống 8751, 89C51 và DS5000thì P2 được dùng như đầu ra Tuy nhiên trong hệ thống 80312 thì cổng P2 cóthể được dùng cùng với P0 để tạo ra địa chỉ 16 bit đối với bộ nhớ ngoài Như chỉ

ra trên hình 1 cổng P2 cũng được chỉ định như là các bit địa chỉ A8 - A15 báochức năng kép của nó Vì một bộ 8031 có khả năng truy cập 64k byte bộ nhớngoài, nên nó cần một đường địa chỉ 16 bít Trong khi P0 cung cấp 8 bit thấpqua A0 - A7 Công việc của P2 là cung cấp các bít địa chỉ A8 -A15 Hay nóicách khác khi 8031 được nối tới bộ nhớ ngoài thì P2 được dùng cho 8 bít caocủa địa chỉ 16 bit và nó không thể dùng cho vào/ra

Từ những trình bày trên đây ta có thể kết luận rằng trong các hệ thống viđiều khiển 8751, 89C51 hoặc DS5000 thì ta có các cống P0, P1, P2 và P3 chocác thao tác vào ra và như thế là có thể đủ cho các ứng dụng với hầu hết các bộ

vi điều khiển Ngoài ra cổng P3 còn để dành cho các chức năng đặc biệt khác

mà ta sẽ cùng bàn dưới đây

d Cổng P3

Cổng P3 chiếm tổng cộng là 8 chân từ chân 10 đến chân 17 Nó có thểđược sử dụng như đầu vào hoặc đầu ra Cống P3 không cần các điện trở kéocũng như P1 và P2 Mặc dù cổng P3 được cấu hình như một cống đầu ra khiReset, nhưng đây không phải là cách nó được sử dụng phổ biến nhất

Cống P3 được bổ sung các chức năng quan trọng, đặc biệt Bảng 2 cungcấp các chức năng khác của cống P3 Thông tin này áp dụng cho cả 8051 và8031: