Thiết kế và lập trình mạch điện điều khiển kho hàng thông minh ứng dụng vi điều khiển

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật việc ứng dụng các công nghệ mới vào sản xuất được áp dụng rộng rãi, đặc biệt là việc áp dụng các bộ Vi Xử Lý – Vi Điều Khiển (VXLVĐK) vào các dây chuyền sản xuất, các hệ thống bảo vệ, giám sát hay các hệ thống phân loại, sắp xếp sản phẩm công nghiệp, v.v... Với kết cấu nhỏ gọn, khả năng xử lý nhanh, độ hoạt động tin cậy, VXLVĐK đang là sự lựa chọn số 1 cho các hệ thống cũng như dây chuyền công nghiệp. Xét cả về yếu tố công nghệ và kinh tế thì các hệ thống sử dụng VXLVĐK luôn đóng một vai trò quan trọng và chiếm số lượng lớn các nhà sử dụng. Một trong những ứng dụng điển hình mà chúng ta có thể nhắc tới chính là việc ứng dụng Vi điều khiển 8051 trong điều khiển “Kho hàng thông minh”. Vi điều khiển đã phần nào giải quyết các vấn đề về tần suất làm việc cũng như các yêu cầu về độ chính xác khi vận chuyển, cất giữ hàng hóa. Hơn nữa việc điều khiển kho hàng thông minh cũng đem lại sự an toàn cho người công nhân khi không phải trực tiếp lao động trong những môi trường khắc nhiệt, độc hại, có phóng xạ... gây nguy hiểm đến tính mạng con người. Đáp ứng xu thế này, trong khuôn khổ của đồ án chúng em đã thực hiện “Thiết kế mạch điện điều khiển kho hàng thông minh” đây là một vấn đề tuy không mới, nhưng việc đi sâu tìm hiểu ứng dụng của VĐK 89S52, giúp chúng em tiếp cận thêm các công nghệ tiên tiến đang áp dụng trên thế giới, mang các kiến thức lý thuyết được học trong nhà trường đến gần hơn với thực tế. Giúp cho sinh viên tự tin hơn với vốn kiến thức của mình trước khi ra trường. Nội dung đồ án gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về kho hàng thông minh Chương 2: Tổng quan về vi điều khiển 8051 Chương 3: Thiết kế mạch điện điều khiển kho hàng thông minh. Chương 4: Thực nghiệm

Phạm Văn Đại DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 1 LỜI NÓI ĐẦU 3 Hình 1.1. Mô hình kho hàng thông minh tại Việt Nam 6 Hình 1.2. Mô hình kho hàng thông minh tại Mỹ 7 Hình 1.2 Mô hình kho hàng thông minh tại Mỹ 7 Hình 1.4 . Mô hình kho hàng thông minh tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 8 Hình 2-1.Kiến trúc vi điều khiển 8051 10 2.2. Chân vi điều khiển 8051 11 11 Hình 2.2. Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51 11 Hình 2.3 . Sơ đồ kết nối thạch anh 13 2.3. Cổng vào/ra 13 Hình 2.4. Cổng vào/ra 14 Hình 2.5. Chân ra xuất mức 0 15 Hình 2.6. Trở treo nội tại chân 15 Hình 2.7. Chân vào xuất mức 1 15 2.4. Tổ chức bộ nhớ 18 Hình 2.8. Các vùng nhớ trong AT89C51 18 2.4.1. Tổ chức bộ nhớ trong (bảng 2.3) 20 2.4.2. Tổ chức bộ nhớ ngoài 22 Hình 2.9. Thực thi bộ nhớ chương trình ngoài 24 2.5.2. Thanh ghi từ trạng thái chương trình (PSW - Program Status Word) 27 Hình 2.10. Thanh ghi PSW 27 Hình 2.11. Chọn bank thanh ghi 27 2.5.3.Thanh ghi con trỏ stack (SP – Stack Pointer) 28 2.5.4. Các thanh ghi port 29 2.5.5. Các thanh ghi định thời (Timer Register) 29 2.5.6. Các thanh ghi điều khiển: 30 2.5.7. Thanh ghi điều khiển nguồn PCON 30 Hình 2.12. Thanh ghi PCON 30 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển 35 Hình 3.2. Mạch kết nối cảm biến với cách ly quang 36 Hình 3.3. Khối điều khiển 37 Hình 3.4. Khối tải 39 Hình 3.5. Cảm biến tiệm cận kiểu điện dung 40 Hình 3.6. Công tắc hành trình 42 Hình 3.6. Hình ảnh Rơle trong thực tế 43 Hình 3.7. Hình ảnh và sơ đồ chân ULN 2803 trong thực tế 43 Hình 3.8. Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý của JC 817 45 Hình 3.9. Hình ảnh van đảo chiều 5/2 46 Hình 3.10. Hình ảnh động cơ điện một chiều 46 CHƯƠNG IV. THỰC NGHIỆM 48 Hình 4.1: Giao diện chương trình Protues 7.10 49 1 Phạm Văn Đại Hình 4.2 Nhóm công cụ để vẽ các ký hiệu, chú thích 50 Hình 4.3. Lựa chọn tùy chọn của chương trình 51 Hình 4.4. Giao diện khi thực hiện thêm bớt linh kiện 51 Hình 4.5. Giao diện điều chỉnh kích thước khổ giấy khi vẽ trên Proteus 54 Hình 4.6. Giao diện điều chỉnh phông chữ khi vẽ trên Proteus 55 Hình 4.7. Giao diện hiển thị chiều của dòng điện khi mô phỏng 56 Hình 4.8. Giao diện thay đổi độ nhiễu môi trường, sai số 57 Hình 4.9. Giao diện thực hiện lấy linh kiện (cách 1) 58 Hình 4.10. Giao diện thực hiện lấy linh kiện (cách 2) 58 Hình 4.11. Giao diện Pick Devices 59 Hình 4.12. Giao diện chính của chương trình ARES Professional 62 Hình 4.12. Giao diện khi chọn đường dẫn để vẽ mạch in 63 Hình 4.13. Sơ đồ nguyên lý của mạch chuẩn bị vẽ mạch in 64 Hình 4.13. Cách vẽ đường bao của mạch in 66 Hình 4.14. Cách vẽ chân linh kiện 67 Hình 4.14. Mạch in khi hoàn tất 69 Hình 4.14. Mô hình thực tế 3D visualization 70 Hình 4.15. Giao diện chương trình C51 71 4.4.1. Mạch nguyên lý 93 Hình 4.16. Sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển kho hàng thông minh 93 Hình 4.17. Mặt trước của mạch in 94 Hình 4.18. Mặt sau của mạch in 94 KẾT LUẬN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 2 Phạm Văn Đại LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật việc ứng dụng các công nghệ mới vào sản xuất được áp dụng rộng rãi, đặc biệt là việc áp dụng các bộ Vi Xử Lý – Vi Điều Khiển (VXL-VĐK) vào các dây chuyền sản xuất, các hệ thống bảo vệ, giám sát hay các hệ thống phân loại, sắp xếp sản phẩm công nghiệp, v.v Với kết cấu nhỏ gọn, khả năng xử lý nhanh, độ hoạt động tin cậy, VXL-VĐK đang là sự lựa chọn số 1 cho các hệ thống cũng như dây chuyền công nghiệp. Xét cả về yếu tố công nghệ và kinh tế thì các hệ thống sử dụng VXL-VĐK luôn đóng một vai trò quan trọng và chiếm số lượng lớn các nhà sử dụng. Một trong những ứng dụng điển hình mà chúng ta có thể nhắc tới chính là việc ứng dụng Vi điều khiển 8051 trong điều khiển “Kho hàng thông minh”. Vi điều khiển đã phần nào giải quyết các vấn đề về tần suất làm việc cũng như các yêu cầu về độ chính xác khi vận chuyển, cất giữ 3 Phạm Văn Đại hàng hóa. Hơn nữa việc điều khiển kho hàng thông minh cũng đem lại sự an toàn cho người công nhân khi không phải trực tiếp lao động trong những môi trường khắc nhiệt, độc hại, có phóng xạ gây nguy hiểm đến tính mạng con người. Đáp ứng xu thế này, trong khuôn khổ của đồ án chúng em đã thực hiện “Thiết kế mạch điện điều khiển kho hàng thông minh” đây là một vấn đề tuy không mới, nhưng việc đi sâu tìm hiểu ứng dụng của VĐK 89S52, giúp chúng em tiếp cận thêm các công nghệ tiên tiến đang áp dụng trên thế giới, mang các kiến thức lý thuyết được học trong nhà trường đến gần hơn với thực tế. Giúp cho sinh viên tự tin hơn với vốn kiến thức của mình trước khi ra trường. Nội dung đồ án gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về kho hàng thông minh Chương 2: Tổng quan về vi điều khiển 8051 Chương 3: Thiết kế mạch điện điều khiển kho hàng thông minh. Chương 4: Thực nghiệm CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ KHO HÀNG THÔNG MINH 4 Phạm Văn Đại 1.1 Tầm quan trọng của kho hàng thông minh Trong những thập niên gần đây, thế giới chứng kiến sự thay đổi mạnh mẽ của các nền đại công nghiệp. Cùng với đó là một khối lượng lớn các sản phẩm, hàng hóa được tạo ra mỗi ngày, phục vụ nhu cầu của con người. Nhưng các sản phẩm sản xuất ra không phải lúc nào cũng được đưa đến nơi tiêu thụ, điều đó đòi hỏi một nơi cất giữ hàng hóa tiện ích và đủ lớn. Đáp ứng xu thế đó, ngày nay có rất nhiều các doanh nghiệp coi việc xây dựng các “kho hàng thông minh” là cốt lõi chiến lược trong sự phát triển kinh doanh của doanh nghiệp. Sự ra đời của kho hàng thông minh không chỉ đem lại diện mạo mới cho các công ty, tổ chức, cá nhân sản xuất hàng hóa. Mà nó còn đem lại sự tiện lợi cho các đối tác kinh doanh, trong việc xuất nhập khẩu các sản phẩm. Mặt khác, nó còn góp phần tăng năng suất sản xuất lao động, đảm bảo chất lượng sản phẩm 1.2. Giới thiệu một số kho hàng thông minh Hình 1.1, 1.2 là mô hình kho hàng tự động. 5 Phạm Văn Đại Hình 1.1. Mô hình kho hàng thông minh tại Việt Nam 6 Phạm Văn Đại Hình 1.2. Mô hình kho hàng thông minh tại Mỹ Hình 1.2 Mô hình kho hàng thông minh tại Mỹ 7 Hình 1.3. Mô hình kho hàng thông minh tại Phần Lan Phạm Văn Đại Sản phẩm mô hình kho hàng thông minh được đưa vào giảng dạy tại các trường đại học. Trong ảnh, mô hình kho hàng thông minh đang được trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đưa vào giảng dạy trong nhà trường. Hình 1.4 . Mô hình kho hàng thông minh tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 8 Phạm Văn Đại CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 2.1. Chuẩn 8051 Họ vi điều khiển MCS - 51 do Intel sản xuất đầu tiên vào năm 1980 là các IC thiết kế cho các ứng dụng hướng điều khiển. Các IC này chính là một hệ thống vi xử lý hoàn chỉnh bao gồm các các thành phần của hệ vi xử lý: CPU, bộ nhớ, các mạch giao tiếp, điều khiển ngắt. MCS - 51 là họ vi điều khiển sử dụng cơ chế CISC (Complex Instruction Set Computer), có độ dài và thời gian thực thi của các lệnh khác nhau. Tập lệnh cung cấp cho MCS-51 có các lệnh dùng cho điều khiển xuất/nhập tác động đến từng bit. MCS 51 bao gồm nhiều vi điều khiển khác nhau, bộ vi điều khiển đầu tiên là 8051 có 4KB ROM, 128 byte RAM và 8031, không có ROM nội, phải sử dụng bộ nhớ ngoài. Sau này, các nhà sản xuất khác như Siemens, Fujitsu, … cũng được cấp phép làm nhà cung cấp thứ hai. MCS-51 bao gồm nhiều phiên bản khác nhau, mỗi phiên bản sau tăng thêm một số thanh ghi điều khiển hoạt động của MCS-51. 9 Phạm Văn Đại Hình 2-1.Kiến trúc vi điều khiển 8051 AT89C51 là vi điều khiển do Atmel sản xuất, chế tạo theo công nghệ CMOS có các đặc tính như sau: + 4 KB PEROM (Flash Programmable and Erasable Read Only Memory), có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi xoá + Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz + 3 mức khóa bộ nhớ lập trình + 128 Byte RAM nội. + 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit. + 2 bộ Timer/counter 16 Bit. + 6 nguồn ngắt. + Giao tiếp nối tiếp điều khiển bằng phần cứng. + 64 KB vùng nhớ mã ngoài + 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài. + Cho phép xử lý bit. + 210 vị trí nhớ có thể định vị bit. + 4 chu kỳ máy (4 µs đối với thạch anh 12MHz) cho hoạt động nhân hoặc chia. + Có các chế độ nghỉ (Low-power Idle) và chế độ nguồn giảm (Power-down). + Ngoài ra, một số IC khác của họ MCS-51 có thêm bộ định thời 10 [...]... sử dụng cho AT89C51 là 12Mhz Hình 2.3 Sơ đồ kết nối thạch anh 2.3 Cổng vào/ra Tất cả các vi điều khiển 8051 đều có 4 cổng vào/ra 8 bit có thể thiết lập như cổng vào hoặc ra Như vậy có tất cả 32 chân I/O cho phép vi 13 Phạm Văn Đại điều khiển có thể kết nối với các thiết bị ngoại vi Hình 2.4 Cổng vào/ra Hình 2.4 mô tả sơ đồ đơn giản của mạch bên trong các chân vi điều khiển trừ cổng P0 là không có điện. .. điều khiển PD và IDL có tác dụng chính trong tất cả các IC họ MSC-51 nhưng chỉ có thể thực hiện được trong các phiên bản CMOS 31 Phạm Văn Đại 32 Phạm Văn Đại CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN KHO HÀNG THÔNG MINH 3.1 Yêu cầu công nghệ Với mục đích phục vụ cho vi c học tập và giảng dạy tại trường Đại học Sao đỏ chúng em đưa ra yêu cầu công nghệ của hệ thống điều khiển kho hàng thông minh như sau:... chuyển hàng từ nơi tập kết đến kho hàng đảm bảo các yêu cầu sau: - Nhấn start hệ thống hoạt động, các cảm biến báo trong kho có hàng và vị trí đặt hàng còn trống, cơ cấu di chuyển hoạt động, đưa cơ cấu gắp vật tới vị trí kho hàng Khi tới vị trí kho hàng, hệ thống hạ cơ cấu gắp vật, đồng thời gắp vật ra khỏi vị trí của kho Lúc này cơ cấu di chuyển mang vật từ vị trí hàng tập kết đến nơi để hàng - Quá trình. .. giới hạn hành trình bằng các cảm biến và công tắc hàng trình - Vị trí đặt hàng được ưu tiên theo quy tắc, hàng 1 cột 1, hàng 2 cột 2, hàng 3 cột 3 - Sản phẩm sẽ tự động dừng khi kho hàng đầy - Quá trình lặp lại khi có một vị trí trống khác, đảm bảo có đủ chỗ cho cất giữ hàng 33 Phạm Văn Đại 3.2 Cấu tạo và nguyên lý làm vi c: Cấu tạo: Cơ cấu đẩy hàng gồm 1 pittong khí A1, được giới hạn hành trình di chuyển... 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển - Khối cảm biến là các sensor và công tắc hành trình, được ghép nối qua cách ly quang trước khi làm tín hiệu đưa vào vi điều khiển - VĐK làm nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến và so sánh với các câu lệnh đã được lập trình sẵn để đưa ra các tín hiệu ở đầu ra, điều khiển tải: Motor, relay Ngoài ra còn có các LED báo trạng thái tín hiệu đầu vào, ra giúp chúng... trạng thái làm vi c của vi điều khiển 35 Phạm Văn Đại 3.2.2 Nguyên lý làm vi c mạch điều khiển 3.2.2.1 Khối cảm biến Hình 3.2 Mạch kết nối cảm biến với cách ly quang Nguồn 24VDC được kết nối với cảm biến, đầu ra của cảm biến được nối với điện trở 2,2k (mục đích hạ áp 24VDC xuống 2,3VDC) trước khi đưa vào cách ly quang Đầu ra của cách ly quang là điện áp 5VDC được đưa làm tín hiệu đầu vào VĐK Nguyên... chuyển bằng các swith hành trình Hệ thống di chuyển và mang hàng gồm 1 động cơ 1 chiều 24VDC, di chuyển dọc trục bằng Vit-me và hệ thống trượt, 1 pittong điều khiển đầu hút sản phẩm bằng nguồn khí nén có áp lực âm Các hệ thống pittong khí A2 đưa hàng đến đúng các vị trí kho hàng đã định trước Các sensor, swith báo hành trình, báo sản phẩm, và báo nguồn hàng Nguyên lý làm vi c: Sản phẩm từ nhà máy được... Văn Đại thứ 3 và 256 byte RAM nội 2.2 Chân vi điều khiển 8051 Hình 2.2 Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51 Chip AT89C51 có các tín hiệu điều khiển cần phải lưu ý như sau: - Tín hiệu vào /EA trên chân 31 thường đặt lên mức cao ( +5V) hoặc mức thấp (GND) Nếu ở mức cao, 8951 thi hành chương trình từ ROM nội trong kho ng địa chỉ thấp (4K hoặc tối đa 8k đối với 89C52) Nếu ở mức thấp, chương trình được thi... chuyển đến nơi tập kết, tại đây 1 pittong làm nhiệm vụ đẩy sản phẩm vào vị trí cánh tay gắp vật Khi có sản phẩm tại vị trí và vị trí sắp xếp hàng còn trống, hệ thống mang hàng di chuyển đến nơi tập kết sản phẩm gắp sản phẩm đến vị trí trống Khi số sản phẩm được sắp xếp đầy trong kho hàng, cánh tay dừng, đèn báo màu đỏ báo sản phẩm đã đầy kho 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển 34 Phạm Văn Đại... cứng khi hoạt động reset hay có ngắt xảy ra Khi bit IDL = 1 thì vi điều khiển sẽ chuyển sang chế độ nghỉ Trong chế độ này: + Chỉ có thể thoát khỏi chế độ nguồn giảm bằng cách reset hay có ngắt xảy ra + Trạng thái hiện hành của vi điều khiển được duy trì và nội dung các thanh ghi không đổi - Mạch dao động bên trong không gửi được tín hiệu đến CPU - Chân ALE và PSEN ở mức cao Lưu ý rằng các bit điều khiển . quan về kho hàng thông minh Chương 2: Tổng quan về vi điều khiển 8051 Chương 3: Thiết kế mạch điện điều khiển kho hàng thông minh. Chương 4: Thực nghiệm CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ KHO HÀNG THÔNG MINH 4 Phạm. 3 Hình 1.1. Mô hình kho hàng thông minh tại Vi t Nam 6 Hình 1.2. Mô hình kho hàng thông minh tại Mỹ 7 Hình 1.2 Mô hình kho hàng thông minh tại Mỹ 7 Hình 1.4 . Mô hình kho hàng thông minh tại trường. một số kho hàng thông minh Hình 1.1, 1.2 là mô hình kho hàng tự động. 5 Phạm Văn Đại Hình 1.1. Mô hình kho hàng thông minh tại Vi t Nam 6 Phạm Văn Đại Hình 1.2. Mô hình kho hàng thông minh tại