NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐỊNH LƯỢNG CHẤT TẠO BỌT TỰ ĐỘNG TRONG SẢN XUẤT BÊ TÔNG NHẸ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐỊNH LƯỢNG CHẤT TẠO BỌT TỰ ĐỘNG TRONG SẢN XUẤT BÊ TÔNG NHẸ Tác giả NGUYỄN TRUNG PHỤC NGUYỄN THÀNH TÀI Khóa luận được đệ trình để đáp ứng nhu cầu c

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐỊNH LƯỢNG CHẤT TẠO BỌT TỰ ĐỘNG TRONG SẢN XUẤT BÊ

TÔNG NHẸ

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THÀNH TÀI NGUYỄN TRUNG PHỤC

Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Niên khóa: 2008 - 2012

Tháng 06 năm 2012

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐỊNH LƯỢNG CHẤT

TẠO BỌT TỰ ĐỘNG TRONG SẢN XUẤT BÊ TÔNG NHẸ

Tác giả

NGUYỄN TRUNG PHỤC NGUYỄN THÀNH TÀI

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng nhu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn

KS Đào Duy Vinh

Tháng 06 năm 2012

Giáo viên hướng dẫn: thầy Đào Duy Vinh đã tận tình giúp đỡ từ khi bắt đầu đến khi hoàn thành khóa luận

Tập thể lớp DH08CD đã cùng chúng tôi chia sẽ những kiến thức học hỏi được trong thời gian qua

Tất cả bạn bè người thân đã động viên, giúp đỡ chúng tôi vượt qua khó khăn trong quá trình thực hiện

Xin chân thành cảm ơn!

SVTH: Nguyễn Thành Tài Nguyễn Trung Phục

Đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị định lượng chất tạo bọt tự động trong sản xuất bê tông nhẹ” được thực hiện: từ 22 - 3 - 2012 đến 15 - 6 – 2012 tại xưởng bộ môn cơ điện tử - trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh

Kết quả:

Chế tạo thành công thiết bị định lượng chất tạo bọt tự động trong sản xuất bê tông nhẹ năng suất 500lít bọt/ mẻ

MỤC LỤC

Trang

Trang tựa i

Lời cảm tạ ii

Tóm tắt iii

Mục lục iv

Danh mục các hình viii

Danh mục các bảng x

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1.Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục đích của đề tài 2

1.2.1 Mục đích chung 2

1.2.2 Mục đích cụ thể 2

1.3 Ý nghĩa khoa học của đề tài 2

Chương 2 TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về chất tạo bọt 3

2.1.1 Mô tả 3

2.1.2 Ứng dụng 3

2.1.3 Ưu điểm 3

2.1.4 Tỷ lệ pha 4

2.2 Tổng quan về họ vi điều khiển PIC 16F877A 4

2.2.1 Cấu trúc của IC 4

2.2.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân của PIC16F877A 4

2.3 Một số linh kiện điện tử được sử dụng trong đề tài 8

2.3.1 Transistor 8

2.3.2 IC ổn áp nguồn LM7805 10

2.3.3 Opto PC817 10

2.3.4 Van điện từ 11

2.5 Van điều áp 12

2.6 Van một chiều 13

2.7 Relay 14

Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16

3.1 Nội dung nghiên cứu 16

3.2 Phương pháp nghiên cứu 16

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 17

4.1 Thiết kế phần cơ khí 17

4.1.1 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị 17

4.1.2 Quy trình hoạt động của máy 19

4.1.3 Chọn bình chứa hỗn hợp chất tạo bọt 20

4.1.4 Chọn bình chứa nước 22

4.1.5 Thiết kế phần cung cấp hóa chất 24

4.1.6 Chọn bơm hóa chất 25

4.1.7 Thiết kế ống hỗn hống 27

4.1.8 Thiết kế khung đỡ cho cả hệ thống 28

4.2 Thiết kế tủ điều khiển cho thiết bị 29

4.2.1 Mạch tạo nguồn 5V 29

4.2.2 Mạch nút nhấn 30

4.2.3 Mạch hiển thị 31

4.2.4 Mạch công suất 31

4.2.5 Mạch đếm số vòng quay motor 32

4.2.6 Sơ đồ mạch tổng quát 33

4.3 Lưu đồ giải thuật và sơ đồ điều khiển của máy 33

4.3.1 Lưu đồ giải thuật 33

4.3.2 Sơ đồ điều khiển của hệ thống 34

4.4 Chạy thử nghiệm máy 35

4.5 Thảo luận 38

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 39

5.1 Kết luận 39

5.2 Đề nghị 39

TÀI LIÊU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

ROM Read Only Memory

ADC Analog-to-Digital Converters

CPU Cental processing Unit

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1: Sơ đồ chân của PIC 16F877A 4

Hình 2.2: Cấu tạo của transistor 8

Hình 2.3: Sơ đồ led 7 đoạn 9

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý của LM7805 10

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của OPTO PC817 10

Hình 2.6: Cấu tạo của van điện từ 11

Hình 2.7: Van điều áp 12

Hình 2.8: Cấu tạo van một chiều 13

Hình 2.9: Cấu tạo của relay 14

Hình 4.1: Cấu tạo chung của máy 17

Hình 4.1: Cấu tạo chung của máy 18

Hình 4.2: Bình chứa hỗn hợp chất tạo bọt 20

Hình 4.2: Bình chứa hỗn hợp chất tạo bọt 21

Hình 4.3: Bình chứa nước 22

Hình 4.3: Bình chứa nước 23

Hình 4.4: Bình chứa hóa chất 24

Hình 4.5: Bơm định lượng 25

Hình 4.6: Ống hỗn hống 27

Hình 4.7: Khung đỡ 28

Hình 4.8: Mạch nguồn 5VDC 29

Hình 4.9: Mạch nguyên lý của nút nhấn 30

Hình 4.10: Mạch hiển thị led 7 đoạn 31

Hình 4.11: Mạch công suất 31

Hình 4.12: Mạch đếm số vòng quay motor 32

Hình 4.13: Mạch nguyên lý tổng quát 33

Hình 4.14: Hình ảnh máy khi hoàn thành 35

Hình 4.15: Đồ thị thay đổi của nước cấp vào bình chứa hỗn hợp mỗi lần đo 36

Hình 4.16: Đồ thị thay đổi của hóa chất bơm vào bình chứa hỗn hợp mỗi lần đo 37 Hình 4.17: Đồ thị so sánh lượng nước đo được và lượng nước thiết lập ban đầu 37 Hình 4.18:Đồ thị so sánh lượng hóa chất đo được và lượng hóa chất thiết lập ban đầu 38

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Chức năng các chân của PIC16f877a 5

Bảng 2.2: Thông số của van điều áp JAR4000-04 12

Bảng 2.3 Cấu tạo van 1 chiều 13

Bảng 4.1: Bảng khảo nghiệm 36

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1.Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay hầu hết tất cả các nước trên thế giới đều có xu hướng ngày càng phát triển, điều này đồng nghĩa quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng cao, cơ

sở hạ tầng ngày càng nhiều Hàng loạt các công ty nhà máy xí nghiệp lần lượt mọc lên Một trong những nguồn nguyên liệu để xây dựng những cơ sở hạ tầng đó là gạch nung

Thế nhưng bên cạnh sự phát triển đó việc sử dụng gạch nung đã để lại những hạn chế và hậu quả như:

Làm cho tài nguyên đất, đặc biệt là đất nông nghiệp nước ta ngày càng cạn kiệt Tiêu tốn rất nhiều gỗ cho công đoạn nung gạch Nguồn gỗ này phần lớn là từ gỗ rừng, từ đó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến tài nguyên rừng

Khói nung gạch gây ô nhiễm môi trường

Tiêu tốn nhiều nguồn nhân lực

Nghị định 67 của chính phủ đã có nội dung tiến tới xóa bỏ việc sử dụng gạch nung thủ công tại ven các đô thị và hướng đến việc sản xuất bê tông nhẹ tại Việt Nam Tạo điều kiện cho việc sản suất bê tông nhẹ phát triển

Bê tông nhẹ với cấu trúc làm từ bọt tạo sẵn có các ưu điểm sau:

Ứng dụng rất hiệu quả về vấn đề kỹ thuật quan trọng như làm nền đường cao tốc, chống lún trượt ở những vùng đất yếu

Giảm tải cho công trình, dẫn tới giảm kinh phí

Các Block ( khối ) bê tông nhẹ thường có kích thước lớn hơn gạch nung nên có thể góp phần tăng tốc độ thi công

Khả năng cách nhiệt của bê tông nhẹ cao hơn so với gạch nung

Hiện nay các máy sản xuất bê tông nhẹ phần nhiều vẫn còn mang tính thủ công trong việc định lượng nước và hóa chất, giá thành rất cao Nên đề tài sẽ tự động hóa hầu hết các khâu và chế tạo mô hình với chi phí thấp

Thiết kế và chế tạo thiết bị định lượng chất tạo bọt tự động với lượng bọt tạo ra

có thể thay đổi được nhờ thiết bị bơm định lượng

Thiết kế mạch điều khiển cho máy sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A giao tiếp để điều khiển và nâng cao độ chính xác trong quá trình máy làm việc

1.3 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Về mặt khoa học, đề tài vận dụng những kiến thức trong các lĩnh vực cơ khí, điện tử, điều khiển tự động để giải quyết đề tài hiệu quả

Đề tài sau khi hoàn thành sẽ có ý nghĩa rất lớn trong lĩnh vực công nghiệp

Chương 2 TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về chất tạo bọt

2.1.1 Mô tả

Chất tạo bọt có nguồn gốc từ protein thiên nhiên

Khối lượng thể tích: 1,12 0,02 kg/lit

Độ tan trong nước: hoàn toàn

PH (được hòa tan trong nước) 7  0,5

Được sử dụng để sản xuất vữa và bê tông nhẹ:

- Lớp vữa cán nền cách nhiệt sàn mái

- Lớp vữa chịu rung động cao

- Lớp vữa tôn nền khu vực đất yếu

Sản xuất gạch xây và tấm panel nhẹ

Bức rào chịu lửa

Cách âm cho tường và trần

2.1.3 Ưu điểm

Chất tạo bọt có nhiều ưu điểm như: tính ổn định cao trong môi trường kiềm, tạo thành lượng bọt ổn định gấp 500 lần thể tích của nó và có thể sản xuất được nhiều lọai

tỉ trọng bê tông rất thấp

2.1.4 Tỷ lệ pha

Tỷ lệ giữa chất tạo bọt và nước là 1/39 Trọng lượng bọt tạo ra nên ở khoảng 80g/lít (tức 1kg chất tạo bọt tạo ra 500 lít bọt hoặc 40 lít hỗn hợp chất tạo bọt tạo ra

500 lít bọt), theo như thông tin của nhà cung cấp chất tạo bọt

2.2 Tổng quan về họ vi điều khiển PIC 16F877A

2.2.1 Cấu trúc của IC

8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard có sửa đổi

Flash và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte

Bộ chuyển đổi ADC Analog-to-digital converters, 10/12 bit

Timer 0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

Timer 1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi hay vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep

Timer 2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postscaler

2.2.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân của PIC16F87

Sơ đồ chân của PIC16F877A

Hình 2.1: Sơ đồ chân của PIC 16F877A

Bảng 2.1: Chức năng các chân của PIC16f877a

7

RA5/AN4/SS/C2OUT

Bit D5của cổng giao tiếp song song (Port A)

Ngõ vào analog 4 của ADC

Chọn tớ (slave) cho cổng nối tiếp bất đồng bộ Ngõ ra bộ so sánh C1

Bit D1 của cổng giao tiếp song song (Port C)

Bộ phát xung nhịp từ bên ngoài cho Timer 1

Bộ bắt giữ ngõ vào 2 hoặc so sánh ngõ ra 2 hoặc ngõ ra điều rộng xung 2

19 RD0 Bit D0 của cổng giao tiếp song song (Port D)

20 RD1 Bit D1 của cổng giao tiếp song song (Port D)

21 RD2 Bit D2 của cổng giao tiếp song song (Port D)

22 RD3 Bit D3 của cổng giao tiếp song song (Port D)

23 RC4/SDI/SDA Bit D4 của cổng giao tiếp song song (Port C)

Đường nhập dữ liệu trong mode SPI hoặc đường xuất dữ liệu trong mode I2C-

Hình 2.2: Cấu tạo của transistor

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu la B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn ngoài được nối ra thành cực phát ( Emitter ) viết tắt là E, và cưc thu hay cực góp ( Collector ) viết tắt là C, vùng bán dẫn E va C có cùng loại bán dẫn ( loại N hay P ) nhưng có kích thướt và nồng độ tạp chất khác nhau nên hoán vị cho nhau được

Hình 2.3: Sơ đồ led 7 đoạn

Led 7 đoạn được cấu tạo từ 1 hoặc nhiều led đơn sắp xếp theo các thanh nét để biểu diễn các chữ số Tùy vào kích thước của số mà mỗi thanh được cấu tạo bởi 1 led đơn hoặc nhiều led đơn Các led đơn hoặc nhiều led đơn đó được ghép lại và được đặt tên là a, b, c, d, e, f, g, h, và có một dấu chấm dot được tạo bởi 1 led đơn

Led 7 đoạn có 2 loại là Catot chung và Anot chung Mỗi chân của led 7 đoạn được nối chung với nhau (Catot hoặc Anot chung), các chân còn lại được đưa ra ngoài để phân cực các led

2.3.2 IC ổn áp nguồn LM7805

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý của LM7805

IC 7805 hoạt động ở nhiệt độ từ 0oC đến 125oC

IC hoạt động ổn định trong khoảng điện áp từ 7V đến 20V

Nguyên lý hoạt động : khi chân input và chân GND của 7805 được cấp nguồn trong khoảng 7V tới 20V thì giữa chân GND và chân output có một hiệu điện thế là 5V

2.3.3 Opto PC817

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của OPTO PC817

Opto hay còn gọi là cách ly quang có chức năng cách ly giữa mạch điều khiển

và mạch công suất là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm một led và một photo Diode hay một photo Transistor Được dùng để cách ly các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất như khối có công suất nhỏ hay khối có điện áp lớn, hay có thể dùng chống nhiễu cho các mạch cầu H, ngõ PLC, chống nhiễu cho các thiết bị đo lường

Nguyên lý hoạt động :

Khi có dòng nhỏ đi qua hai đầu của led có trong Opto làm cho led phát sáng Khi led phát sáng làm thông hai cực của photo Diode (hay photo Transistor) cho dòng điện chạy qua

Trong van có chứa một cuộn cảm, trong đó có một lõi sắt và một lò xo nén, lõi

sắt đó được tỳ vào một roan cao su

Trạng thái ban đầu van chưa được cấp nguồn, cuộn cảm chưa sinh ra lực từ, dưới lực nén của lò xo lõi sắt được ép chặt vào roan cao su làm van đóng

Khi có điện cuộn cảm sinh ra một lực từ, lực từ này đủ mạnh để thắng được lực nén của lò xo để hút lõi sắt đi lên, van mở ra, chất lỏng (khí) sẽ đi vào từ ngõ số 2 và

đi ra từ ngõ số 3

Điện áp cuộn cảm: có thể cấp 110VAC, 220 VAC hay 380VAC tùy loại

Áp suất làm việc: 0 – 1.0Mpa đối với khí, 0 – 0.7Mpa đối với nước, 0.9Mpa đối với dầu

Áp suất làm việc tối đa là 1Mpa

Nhiệt độ môi trường làm việc từ âm 5oC đến 80oC

2.5 Van điều áp

Hình 2.7: Van điều áp

Nguyên lý hoạt động: Khi nối đầu vào của bộ điều áp với nguồn khí có áp suất lớn, dòng khí sẽ có xu hướng đẩy van chữ O bịt đầu vào khoang áp suất Áp suất nguồn khí càng lớn, van càng bị đẩy mạnh Tuy nhiên khoang áp suất sẽ không bị bịt kín hoàn toàn nhờ lực cản từ lò xo Sự cân bằng của hai lực này giúp duy trì lưu lượng dòng khí đi vào thiết bị ôn định

Một vài thông số của van điều áp JAR4000-04

Bảng 2.2: Thông số của van điều áp JAR4000-04

Áp suất kiểm tra 1,5Mpa(217psi)

Áp suất làm việc cực đại 1,0Mpa(145psi)

Van một chiều, cho phép dòng chất lỏng – khí đi qua chỉ theo một hướng nhất định và ngăn cản dòng theo hướng ngược lại Van một chiều được sử dụng trong các thiết bị của mạch thủy lực như ống dẫn, máy bơm, bình chứa

Chức năng quan trọng của van một chiều đó là đảm bảo chế độ vận hành chuẩn của cả hệ thống Ta có thể xem xét trường hợp khi hệ thủy lực được cung cấp dầu thủy lực bởi một trạm máy bơm gồm nhiều máy bơm ghép song song Khi có sự cố tụt áp tại một máy bơm, nếu không có van 1 chiều lớp ở cửa đẩy của máy bơm đó, thì một phần lưu lượng chất lỏng có thể chảy ngược về máy bơm bị tụt áp Điều này không có lợi trong quá trình vận hành hệ thống

2.7 Relay

Hình 2.9: Cấu tạo của relay

Cấu tạo: hình 2.9a ( phía trên ) mô tả cấu tạo của một relay 2 tiếp điểm Có 3 cực trên relay này, hình 2.9a ( phía dưới ), chân 1 là chân C, chân 2 là tiếp điểm NC và chân 3 là tiếp điểm NO, trong đó hai chân 4 va 5 là hai đầu của cuộn solenoid Cực C

gọi là cực chung ( Common ), cực NC là tiếp điểm thường đóng ( Normal Closed ) và

NO là tiếp điểm thường mở ( Normal Open )

Nguyên lý hoạt động : trong điều kiện bình thường, khi relay không hoạt động,

do lực kéo của lò xo bên trái thanh nam châm sẽ tiếp xúc với tiếp điểm NC tạo thành một kết nối giữa C và NC, chính vì thế NC được gọi là tiếp điểm thường đóng Khi một điện áp được áp vào chân kích của solenoid ( cuộn dây của nam châm điện ), nam châm điện tạo ra một lực từ kéo thanh nam châm đi xuống, lúc này thanh nam châm không tiếp xúc với điểm NC nữa mà chuyển sang tiếp xúc với tiếp điểm NO tạo thành một kết nối giữa C và NO Hoạt động này tương tự như một công tắc chuyển được điều khiển bởi điện áp kích solenoid

Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu một số thiết bị tạo bọt trong sản xuất bê tông nhẹ hiện đang được sử dụng trong nước Hầu hết các thiết bị này cần phải pha trộn hóa chất tạo bọt hoàn toàn bằng tay Tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị định lượng tạo bọt tự động tăng độ chính xác và chất lượng, độ đồng đều trong quá trình sản xuất bê tông nhẹ

3.2 Phương pháp nghiên cứu

Dựa vào nguyên lý hoạt động của các máy tạo bọt trong sản xuất bê tông nhẹ ngoài thị trường và các thông tin trong sách vở và trên internet Đồng thời với việc phân tích đặc tính của các linh kiện và áp dụng những kiến thức đã học cùng với sự hướng dẫn của giảng viên phụ trách để chế tạo thiết bị định lượng chất tạo bọt tự động

sử dụng vi điều khiển

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Thiết kế phần cơ khí

4.1.1 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị

Hình 4.1: Cấu tạo chung của máy