THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG MÁY LẮC TRỘN SƠN CÔNG TY VẬT LIỆU XÂY DỰNG ĐỒNG TÂM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG MÁY LẮC TRỘN SƠN CÔNG TY VẬT LIỆU XÂY DỰNG ĐỒNG TÂM Họ và tê

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG MÁY LẮC TRỘN SƠN CÔNG TY VẬT LIỆU XÂY DỰNG ĐỒNG TÂM

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HUY DŨNG Ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Niên khóa: 2009-2013

Tháng 06 năm 2013

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG MÁY LẮC TRỘN SƠN CÔNG TY VẬT LIỆU XÂY DỰNG ĐỒNG TÂM

LỜI CẢM ƠN

Để đạt được kết quả như ngày hôm nay, đầu tiên con xin cảm ơn cha mẹ đã sinh

ra, nuôi dưỡng, chăm sóc, động viên, thương yêu và là chỗ dựa vững chắc cho con

trong suốt những năm học vừa qua

Sau đó, em xin được gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô trường đại học Nông Lâm

TP Hồ Chí Minh, đặc biệt là toàn thể thầy cô khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã tận tình

dạy dỗ và truyền đạt cho em những kiến thức cần thiết trong suốt 4 năm theo học ở

trường

Em xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Ths Lê Văn Bạn – trưởng bộ môn

Điều Khiển Tự Động đã trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn em trong suốt quá trình thực

hiện đề tài

Cuối cùng, mình xin cảm ơn tập thể các bạn trong lớp DH09TD nói riêng và

các bạn nói chung đã động viên, giúp đỡ mình trong suốt những năm học vừa qua và

trong thời gian thực hiện khóa luận

Em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013

Nguyễn Huy Dũng

TÓM TẮT

Trong khuôn khổ luận văn này đề tài thực hiện thiết kế tính toán chế tạo máy lắc trộn sơn, dùng vi điều khiển, nhằm mục đích nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế sản xuất theo hướng hiện đại trên dây chuyên tự động

Công việc thực hiện trong đề tài:

1 Chọn động cơ AC

2 Thiết kế cơ khí

3 Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển

4 Thiết kế chế tạo mạch công suất

5 Chế tạo bộ nguồn

6 Thực hiện viết chương trình cho vi điều khiển

7 Kết nối và thử nghiệm hệ thống máy

Kết quả đạt được:

1 Chọn được các bộ phận cơ khí phù hợp với công suất của máy

2 Mạch điện chạy ổn định

3 Sơn sau khi lắc trộn tạo ra một màu đồng nhất đạt yêu cầu

4 Máy có khả năng làm việc với các thùng có khối lượng từ 1-35(kg)

5 Máy có 3 chế độ thời gian lắc 120(s), 240(s) và 480(s)

MỤC LỤC

TRANG TỰA i 

LỜI CẢM ƠN ii 

MỤC LỤC iv 

DANH SÁCH CÁC BẢNG vii 

DANH SÁCH CÁC HÌNH viii 

Chương 1 MỞ ĐẦU 1 

1.1 Đặt vấn đề 1 

1.2 Mục đích của đề tài 2 

1.2.1 Mục đích chung 2 

1.2.2 Mục đích cụ thể 2 

Chương 2 TỔNG QUAN - TRA CỨU TÀI LIỆU 3 

2.1 Tổng quan về máy lắc trộn sơn 3 

2.1.1 Đặc trưng cơ bản của máy lắc sơn 6 

2.1.2 Tìm hiểu các cơ cấu lắc 8 

2.1.2.1 Cơ cấu ổ chuyển động lắc 8 

2.1.2.2 Cơ cấu đĩa nghiêng 8 

2.1.2.3 Cơ cấu lệch tâm 10 

2.2 Tìm hiểu về các phần mềm sử dụng trong quá trình thực hiện đề tài 10 

2.2.1 Tìm hiểu về phần mềm PIC C Compiler 10 

2.2.2 Tìm hiểu về phần mềm Autodesk Inventor Professional 2013 11 

2.2.3 Tìm hiểu về phần mềm Orcad 10.5 12 

2.3 Tìm hiểu về các linh kiện điện tử sử dụng trong đề tài 13 

2.3.1 Tìm hiểu về vi điều khiển PIC 16F877A 13 

2.3.1.1 Cấu trúc chức năng 13 

2.3.1.2 Các cổng xuất nhập của PIC 16F877A 14 

2.3.1.3 Các bộ timer và định thời 16 

2.3.2 Tìm hiểu về LCD 16x2 23 

2.3.3 Tìm hiểu về IC tạo nguồn LM2576 24 

2.3.4 Tìm hiểu về Opto cách ly quang PC817 26 

2.3.5 Tìm hiểu về SSR 26 

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 27 

3.1 Địa điểm và thời gian thực hiện đề tài 27 

3.1.1 Địa điểm 27 

3.1.2 Thời gian 28 

3.2 Phương pháp nghiên cứu 28 

3.2.1 Chọn phương pháp thiết kế phần cơ khí 28 

3.2.2 Chọn phương pháp thiết kế mạch điện 28 

3.2.3 Phương tiện thực hiện 28 

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 

4.1 Mô hình máy lắc sơn 30 

4.2 Mô hình 3D của máy 32 

4.3 Thiết kế phần cơ khí 33 

4.3.1 Thiết kế phần lắc 33 

4.3.2 Thiết kế phần đai thang 34 

4.3.3 Tính toán độ lệch tâm e 38 

4.4 Thiết kế phần kẹp 38 

4.5 Thiết kế bàn kẹp dưới 39 

Bàn kẹp dưới dùng để đặt thùng sơn, bàn kẹp dưới được đặt lệch tâm so với trục của bánh đai cho nên khi bánh đai chuyển động tạo ra chuyển động lắc cho bàn kẹp dưới 39 

Kích thước bàn kẹp dưới 39 

4.6 Thiết kế bàn kẹp trên 40 

4.7 Thiết kế phần khung 41 

4.8 Thiết kế phần điện 46 

4.8.1 Các khối chức năng chính trong mạch điều khiển 47 

4.8.2 Thiết kế lưu đồ giải thuật 51 

4.9 Chạy thử mạch điều khiển 60 

4.10 Mạch điều khiển động cơ sau khi hoàn thành 61 

4.11 Kết quả chạy thử chương trình 62 

4.12 Kết quả thử nghiệm 64 

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 67 

5.1 Kết luận 67 

5.2 Đề nghị 67 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Kích thước mặt cắt đai, chiều dài đai đường kính bánh đai các loại đai thang 34  Bảng 4.2: Các kích thước của bánh đai thang 37  Bảng 4.3: Thí nghiệm lần 1 64  Bảng 4.4: Thí nghiệm lần 2 65 

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Máy khuấy sơn 3 

Hình 2.2: Máy pha màu sơn 4 

Hình 2.3: Máy lắc trộn sơn tại công ty vật liệu xây dựng Đồng Tâm 5 

Hình 2.4: Máy trộn sơn công ty sơn Petrolimex 5 

Hình 2.5:Máy lắc trộn sơn 3 chiều 6 

Hình 2.6: Sơ đồ khối của máy lắc trộn sơn 6 

Hình 2.7: Sơ đồ chuyển động của ổ lắc 8 

Hình 2.8: Cơ cấu đĩa nghiêng 9 

Hình 2.9: Cơ cấu lệch tâm 10 

Hình 2.10: Phần mềm lập trình 11 

Hinh 2.11: Phần mềm thiết kế cơ khí 11 

Hình 2.12: Phần mềm thiết kế mạch điện 12 

Hình 2.13: Phần mềm layout 13 

Hình 2.14: Sơ đồ khối PIC 16F877A 14 

Hình 2.15: Sơ đồ khối timer 0 16 

Hình 2.16: Sơ đồ khối timer 1 17 

Hình 2.17: Sơ đồ khối timer 2 18 

Hình 2.18: Sơ đồ khối chế độ Capture 20 

Hình 2.19: Sơ đồ khối chế độ Compare 21 

Hình 2.20: Sơ đồ khối chế độ PWM 22 

Hình 2.21: Giản đồ xung điều chế PWM 22 

Hình 2.22: Hình thực tế LCD16x2 23 

Hình 2.23: Hình thực tế IC LM2576 24 

Hình 2.24: Sơ đồ cấu tạo của LM2576 25 

Hình 2.25: Nguyên lý hoạt động của Opto PC817 26 

Hình 2.26: Hình thực tế SSR 27 

Hình 4.1: Mô hình chung của máy lắc sơn 30 

Hình 4.2: Mô hình 3D nhìn từ phía sau máy lắc trộn sơn 32 

Hình 4.3: Mô hình 3D nhìn từ phía trước máy lắc trộn sơn 32 

Hình 4.4: Lựa chọn loại đai theo P và n 34 

Hình 4.5: Công suất có ích cho phép [ P0] phụ thuộc vào loại đai và chiều dài đai 37 

Hình 4.6: Bàn kẹp dưới 39 

Hình 4.7: Bản vẽ chi tiết bàn kẹp dưới 40 

Hình 4.8: Bàn kẹp trên 40 

Hình 4.9: Bản vẽ chi tiết bàn kẹp trên 41 

Hình 4.10: Khung máy 42 

Hình 4.11: Bản vẽ chi tiết khung đỡ 43 

Hình 4.12: Bản vẽ thanh giữ sau 44 

Hình 4.13: Bản vẽ chi tiết thanh nối 45 

Hình 4.14: Giá đỡ động cơ 45 

Hình 4.15: Bản vẽ chi tiết giá đỡ 46 

Hình 4.16: Sơ đồ khối mạch điều khiển 46 

Hình 4.17: Khối nhận tín hiệu 47 

Hình 4.18: Sơ đồ phần xuất tín hiệu 48 

Hình 4.19: Khối vi điều khiển 49 

Hình 4.20: Sơ đồ mạch nguyên lý 50 

Hình 4.21: Lưu đồ giải thuật 51 

Hình 4.22: Mạch in sau khi hoàn thiện 60 

Hình 4.23: Mạch điều khiển sau khi hoàn thành 61 

Hình 4.24: Thông báo khi bắt đầu quá trình làm việc 62 

Hình 4.25: Màn hình chọn thời gian lắc 62 

Hình 4.26: Màn hình LCD hiển thị chế độ làm việc của máy 62 

Hình 4.27: Màn hình hiển thị khi đã lắc trộn xong 63 

Hình 4.28: Màn hình hiện thi máy đang reset 63 

Hình 4.29: Chế độ lắc lắc 120(s) 63 

Hình 4.30: Chế độ lắc lắc 240(s) 64 

Hình 4.31: Chế độ lắc lắc 480(s) 64 

Hình 4.32: Thùng sơn trước khi lắc 65 

Hình 4.33: Thùng sơn sau khi lắc 66

Với mỗi nhà máy có 1 hệ thống sản xuất sơn riêng biệt phù hợp với nhu cầu của thị trường và điều kiện kinh tế, mỗi quá trình sử dụng các máy móc khác nhau Hiện nay các loại máy tự động hóa trong ngành sơn đều được nhập từ nước ngoài, trước nhu cầu thực tế cần thiết kế chế tạo 1 loại máy đơn giản hiệu quả giảm giá thành cho ngành sơn

Công ty vật liệu xây dựng Đồng Tâm đã có Máy lắc trộn sơn hiệu Automatic Orbital Sharer EU-30C và Automatic Gyroscopic Mixer, nhưng máy Automatic Orbital Sharer EU-30C chưa đáp ứng được yêu cầu của sản xuất về thời gian lắc, chưa

có phần hiển thị chế độ hoạt động thông báo cho người dùng biết tình trạng của máy

Được sự chấp nhận của Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí & Công nghệ - Trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM, từ đó tiến hành thực hiện đề tài: “ Thiết kế chế tạo hệ thống

tự động máy lắc trộn sơn công ty vật liệu xây dựng Đồng Tâm” với mục tiêu giải quyết các vấn đề nêu trên

1.2 Mục đích của đề tài

1.2.1 Mục đích chung

Khảo sát các loại máy có sẵn trên thị trường

Khảo sát các bộ điều khiển động cơ AC

Khảo sát bộ chuyền động đai thang, cơ cấu lệch tâm

Trên cơ sở đó thiết kế, chế tạo bộ điều khiển Máy lắc trộn sơn tự động

1.2.2 Mục đích cụ thể

Ứng dụng phần mềm thiết kế Inventor để thiết kế phần cứng

Thiết kế phần cứng, bộ truyền động đai thang, bộ chuyền động vít me phù hợp

với mạch điều khiển

Viết lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ AC

Ứng dụng vi điều khiển 16F877A để điều khiển

Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển động cơ AC

Viết chương trình điều khiển động cơ bằng chương trình PIC C Compiler Chạy thử và kiểm tra

1.2.3 Giới hạn của đề tài

Do giới hạn về mặt thời gian nên đề tài chỉ đáp ứng được các yêu cầu sau: Chỉ thiết kế chế tạo mạch điện kết nối với phần cứng có sẵn

Thiết kế chế tạo Máy lắc trộn sơn tự động với với khối lượng tối đa là 25.5kg Máy chỉ có khả năng lắc các thùng sơn đã pha sẵn

Máy chỉ có 3 chế độ lắc 120(s), 240(s) và 480(s)

Máy không có khả năng làm việc liện tục trong nhiều giờ

Chương 2

TỔNG QUAN - TRA CỨU TÀI LIỆU

2.1 Tổng quan về máy lắc trộn sơn

Máy lắc trộn sơn là một thiết bị trong dây chuyền sản xuất sơn, nhằm tăng năng suất sản xuất, tiết kiệm thời gian, nâng cao chất lượng cũng như giảm giá thành sản phẩm hạn chế được các sai sót do con người gây ra trong quá trình sản xuất và giảm thiểu tại nạn lao động

Hiện này có nhiều nhà máy sử dụng hệ thống pha trộn sơn tự động như nhà máy Sơn Petrolimex, công ty cổ phần sơn Hải Phòng tùy vào quy mô của từng nhà máy và khả năng tiêu thụ của thị trường, mỗi nhà máy chọn một hệ thống sản xuất riêng biệt phù hợp với điều kiện thực tế

Hình 2.1: Máy khuấy sơn

Máy khuấy có các bộ phận chính sau:

Bệ máy:

Motor truyền động: số vòng quay của motor được điều khiển bằng bộ điều

khiển điện áp và tần số

Trục khuấy và cánh khuấy: cánh khuấy làm bằng thép hợp kim cứng có dạng

đĩa, rìa đĩa có cánh để tăng khả năng khuấy trộn Khoảng cách từ đĩa đến đáy thùng tối thiểu là 5cm

Máy có hệ thống thuỷ lực: có khả năng nâng lên hoặc hạ xuống hoặc quay

quanh bệ máy

Hình 2.2: Máy pha màu sơn

Máy pha màu dùng để trộn các màu theo 1 tỷ lệ nhất định nhằm tạo ra màu được chọn lựa Máy gồm các ống đựng màu riêng biệt, trên máy có 1 máy vi tính dùng

để xác định loại màu cần tạo ra

Sau khi sơn được pha các màu theo tỷ lệ sẽ được đưa đi lắc trộn để tạo ra màu cần thiết Sơn có thể được lắc trộn trong các thùng nhỏ đã được đóng sẵn hoặc trong các thùng lớn rồi mới đóng vào các thùng nhỏ

Hình 2.3: Máy lắc trộn sơn tại công ty vật liệu xây dựng Đồng Tâm

Máy lắc trộn sơn loại này có nhược điểm là lượng sơn lắc ít, mất nhiều thao tác của con người Các nhà máy khác đã sử dụng các động cơ lớn để trộn sơn trong các

thùng lớn nhằm tăng năng suất

Hình 2.4: Máy trộn sơn công ty sơn Petrolimex

Với một số công ty khác như công ty Petrolimex thì dùng các loại máy khuấy trong các thùng lớn sau đó mới đóng thành các thùng nhỏ hơn Ưu điểm của phương pháp này là năng suất cao, giảm được thao tác làm việc của con người

Hình 2.5:Máy lắc trộn sơn 3 chiều

Máy lắc trộn sơn 3 chiều dùng động cơ để quay thùng sơn theo hình tròn tạo ra chuyển động của sơn trong thùng nhằm làm sơn được trộn đều

Ưu điểm của máy là thời gian lắc nhanh hơn, có chất lượng màu tốt, cơ cấu đơn giản hơn máy sử dụng cơ cấu lệch tâm

Nhược điểm là 1 lần lắc chỉ được 1 thùng nên dùng để lắc các thùng lớn

2.1.1 Đặc trưng cơ bản của máy lắc sơn

Hình 2.6: Sơ đồ khối của máy lắc trộn sơn

Tín hiệu điều khiển từ PIC16F877A điều khiển cho động cơ hoạt động thông qua cơ cấu truyền chuyển động là đai thang và trục vít làm cho cơ cấu chấp hành hoạt động tạo ra chuyển động lắc

Trong khi trục vít quay Encoder sẽ xuất xung cho vi điều khiển để biết được vị trí của bàn kẹp trên Khi bàn kẹp trên đã chạm thùng sơn trục vít không quay nữa lúc

đó vi điều khiển không nhận được xung từ Encder, trong thời gian 1(s) nếu vi điều khiển không nhận được xung từ Encoder, vi điều khiển sẽ tắt và bật động cơ bàn kẹp dưới và cho hoạt động trong thời gian định sẵn Khi hết thời gian lắc vi điều khiển sẽ tắt động cơ bàn kẹp dưới và cho động cơ bàn kẹp trên chạy nghịch trong khoảng 45(s) thì tắt động cơ bàn kẹp trên Sau đó thông báo đã hoàn thành quá trình làm việc

Thông số của động cơ giữ:

Bộ phận lắc bao gồm 1 động cơ AC và 1 đai thang để truyển chuyển thông qua

1 cơ cấu lệch tâm chuyển động quay được chuyển thành chuyển động lắc

Thông số của động cơ lắc:

Bộ phận điều khiển được thiết kế từ các IC và vi điều khiển PIC 16F877A, bộ phận điều khiển có nhiệm vụ điều khiển hai động cơ AC để tạo ra các chuyển động cần thiết cho máy đúng với tín hiệu từ bên ngoài

2.1.2 Tìm hiểu các cơ cấu lắc

2.1.2.1 Cơ cấu ổ chuyển động lắc

Hình 2.7: Sơ đồ chuyển động của ổ lắc

Cơ cấu ổ chao lắc gồm cơ cấu 4 khâu bản lề OABO1 và cơ cấu culit O1O2 nối tiếp nhau Chuyển động quay từ trục chính qua tay quay OA đến các khâu của cơ cấu đến cần culit O1C Ổ thoi được lắp trên trục O2 nhận chuyển động lắc Sự dịch chuyển của cần O1C sao cho góc quay của ổ thoi 3 được liên kết với các khâu O1C của cơ cấu culit phải lớn hơn 180 độ Thường góc lắc của ổ thoi trong khoảng 2060-2100, do dịch chuyển của các khâu riêng biệt trong cơ cấu dẫn đến tải trọng quán tính lớn trong các khâu.Thường gặp ở máy làm việc với vận tốc nhỏ

2.1.2.2 Cơ cấu đĩa nghiêng

Hình 2.8: Cơ cấu đĩa nghiêng

1 quay, khâu 2 lắc quanh trục tâm O

Cơ cấu trông có vẻ phức tạp nhưng nó chỉ như cơ cấu cam Mặt đầu cần lắc biến chuyển động quay liên tục thành chuyển động lắc giữa hai trục vuông góc Điều đặc biệt là hai trục này cắt nhau Mặt nghiêng của đĩa là một hình tròn lớn của khối cầu có tâm trùng giao điểm trục quay đĩa với trục lắc của cần Từ cơ cấu này tính được quan hệ giữa góc lắc γ của khâu 3 theo góc quay φ của đĩa nón nghiêng hay bánh nón

ma sát 1: tgγ = tgβ.cosφβ là góc nghiêng của trục hình học của bánh nón ma sát 1 và trục quay của nó (lấy góc nhọn) Phạm vi lắc của khâu 3 là ±β về hai phía của đường thẳng đứng qua O

3

12

5

7

4

6

Cơ cấu này cũng thuộc loại cơ cấu cầu, mọi điểm thuộc các khâu động đều chuyển động trên các mặt cầu đồng tâm Cơ cấu có bậc tự do thừa là chuyển động quay của bánh nón 2 quanh tâm của nó Dùng các bánh nón ma sát 2 chỉ để giảm ma sát

Phải để hai bánh nón ma sát 2 quay độc lập với nhau vì do ma sát với bánh nón

ma sát 1 chúng quay ngược chiều nhau với vận tốc không đều

Mô phỏng cho thấy rõ chuyển động không đều của các bánh nón ma sát 2: quay chậm khi tiếp xúc với phần gần tâm của bánh mòn ma sát 1, quay nhanh khi tiếp xúc với phần xa tâm của bánh nón ma sát 1

2.1.2.3 Cơ cấu lệch tâm

Hình 2.9: Cơ cấu lệch tâm

Cơ cấu lệch tâm bao gồm đĩa 1 tạo ra chuyển động quay tròn liên tục quanh trục

1, thông qua trục dẫn đặt lệch tâm so với trục 1 để tạo ra chuyển động lắc của thanh lắc quanh trục 2 Quy đạo lắc và vận tốc của thanh lắc phụ thuộc vào độ lệch tâm e giữa trục dẫn và trục 1

2.2 Tìm hiểu về các phần mềm sử dụng trong quá trình thực hiện đề tài

2.2.1 Tìm hiểu về phần mềm PIC C Compiler

Đây là phần mềm lập trình cấp cao theo ngôn ngữ C được sử dụng để thay thế cho chương trình hợp ngữ vì nó có tính năng tương tự, dễ lập trình hơn và hỗ trợ nhiều cho người sử dụng Phần mềm này hỗ trợ cho tất cả các loại vi điều khiển dòng

Đĩa 1

Trục dẫn

Thanh lắc

Trục 2 Trục 1

MicroPIC Phần mềm hỗ trợ tối đa cho người lập trình với ngôn ngữ gần với ngôn ngữ người tạo điều kiện dễ dàng cho người lập trình

Hình 2.10: Phần mềm lập trình

2.2.2 Tìm hiểu về phần mềm Autodesk Inventor Professional 2013

Autodesk Inventor là một phần mềm CAD ứng dụng trong thiết kế cơ khí với nhiều khả năng mạnh và thư viện đầy đủ các chi tiết tiêu chuẩn hóa giúp người thiết kế

dễ dàng tạo ra các sản phẩm trực quan Đây là phần mềm thiết kế 3D có thể xuất ra file 2D rồi đem bản vẽ đi chế tạo thành mô hình

Hinh 2.11: Phần mềm thiết kế cơ khí

Thanh công cụ Thanh menu

Vùng làm việc Thanh menu

Thanh công cụ

Hình 2.13: Phần mềm layout

2.3 Tìm hiểu về các linh kiện điện tử sử dụng trong đề tài

2.3.1 Tìm hiểu về vi điều khiển PIC 16F877A

PIC là viết tắt của “ Programable Intelligent Computer ”, có thể tạm dịch là “ Máy tính thông minh khả trình ” do hãng General Instrument đặt tên đầu tiên cho vi điều khiển của họ PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600 Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay

Các PIC 16F887A là một trong những sản phẩm mới nhất của Microchip Nó

có tính năng tất cả các thành phần vi điều khiển hiện đại thường có, giá thấp, hàng loạt các ứng dụng chất lượng cao và sẵn có dễ dàng, là một giải pháp lý tưởng trong các ứng dụng như: kiểm soát các quá trình khác nhau trong ngành công nghiệp, thiết bị điều khiển máy, đo lường các giá trị khác nhau

vi điều khiển

Hình 2.14: Sơ đồ khối PIC 16F877A

Tần số hoạt động 0 – 20 (MHz)

Nguồn cung cấp 2 – 5.5(V)

Có 35 I/O

8K ROM bộ nhớ Flash: có thể lập trình lại lên đến 100.000 lần

256x8 byte bộ nhớ EEPROM: dữ liệu có thể được viết hơn 1.000.000 lần 368x8 byte bộ nhớ RAM

Chuyển đổi AD: gồm có 14 kênh, độ phân giải 10 bit

2.3.1.2 Các cổng xuất nhập của PIC 16F877A

Vi điều khiển PIC 16F877A có 5 cổng xuất nhập (I/O), đó là port A, port B, port C, port D, port E

Port A:

Port A gồm 6 I/O (RA1, RA2, RA3, RA4, RA5) Đây là các chân hai chiều nghĩa là có thể xuất và nhập được Các chức năng của port A được điều khiển bởi thanh ghi TRISA, muốn xác lập một chân trong portA là “input” thì phải “set” bit điều khiển tương ứng của chân đó trong thanh ghi TRISA và ngược lại muốn xác lập một chân trong port A là “output” thì phải “clear” bit điều khiển tương ứng của chân đó trong thanh ghi TRISA

Các thanh ghi SFR liên quan đến điều khiển port A bao gồm:

PORTA (địa chỉ 05h) : chứa giá trị các pin trong PORTA

TRISA (địa chỉ 85h): điều khiển xuất nhập

ADCON1 (địa chỉ 9Fh): thanh ghi điều khiển bộ ADC

Port B:

Port B gồm 8 I/O (RB0, RB1, RB2, RB4, RB5, RB6, RB7) Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISB Bên cạnh đó một số chân port B còn được sử dụng để nạp chương trình cho vi điều khiển, ngắt ngoại vi và bộ Timer 0

Các thanh ghi SFR liên quan đến điều khiển port B bao gồm:

PORTB (địa chỉ 06h, 106h): chứa giá trị các pin trong PORTB

TRISA (địa chỉ 86h, 186h): điều khiển xuất nhập

OPTION_REG (địa chỉ 81h, 181h): điều khiển ngắt ngoại vi và bộ Timer 0

Port C:

Port C gồm 8 I/O (RC0, RC1, RC2, RC4, RC5, RC6, RC7) Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISC Bên cạnh đó port C còn chứa các chân chức năng của bộ so sánh, bộ Timer 1, bộ PWM, các chuẩn giao tiếp nối tiếp: I2C, SPI, SSP, USART

Các thanh ghi liên quan đến điều khiển port C bao gồm:

PORTC (địa chỉ 07h): chứa giá trị các pin trong PORTC

TRISC (địa chỉ 87h): điều khiển xuất nhập

Port D:

Port D gồm 8 I/O (RD0, RD1, RD2, RD4, RD5, RD6, RD7) Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISD Port D còn là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp PSP (Parallel Slave Port)

Các thanh ghi liên quan đến điều khiển port D bao gồm:

PORTD: chứa giá trị các chân trong port D

TRISD: điều khiển xuất nhập

TRISE: điều khiển xuất nhập port E và chuẩn giao tiếp PSP

Port E:

Port E gồm 3 I/O (RE0, RE1, RE2) Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng

là TRISE Các chân port E có chức năng ngỏ vào analog Bên cạnh đó port E còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP

Các thanh ghi liên quan đến điều khiển port E bao gồm:

PORTE: chứa giá trị các chân trong port E

TRISE: điều khiển xuất nhập và xác lập các thông số PSP

ADCON1: thanh ghi điều khiển khối ADC

2.3.1.3 Các bộ timer và định thời

Timer 0:

Hình 2.15: Sơ đồ khối timer 0

Đây là một trong ba bộ đếm hoặc bộ định thời của PIC 16F877A Timer 0 là bộ đếm 8 bit được kết nối với bộ chia tần số (prescaler) 8 bit Cấu trúc của timer 0 cho phép lựa chọn xung clock tác động và cạnh tích cực của xung clock Ngắt timer 0 sẽ xuất hiện khi timer 0 bị tràn

Muốn timer 0 hoạt động ở chế độ định thời thì phải clear bit TOSC (OPTION_REG <5>) khi đó giá trị thanh ghi TMR0 sẽ tăng theo từng chu kì xung đồng hồ (tần số vào timer 0 bằng 1/4 tần số oscillator) Khi giá trị thanh ghi TMR0 từ FFh trở về 00h ngắt timer0 sẽ xuất hiện thanh ghi TMR0 cho phép ghi và xóa được giúp ấn định thời điểm ngắt timer một cách linh động

Muốn timer 0 hoạt động ở chế độ đếm thì set bit TOSC (OPTION_REG <5>) Khi đó xung tác động lên bộ đếm được lấy từ chân RA4/TOCK1 Bit TOSE (OPTION_REG <4>) cho phép lựa chọn cạnh tác động vào bộ đếm Cạnh tác động sẽ

là cạnh lên nếu TOSE = 0 và cạnh tác động sẽ là cạnh xuống nếu TOSE = 1 Khi thanh ghi TMR0 bị tràn bit T0IF (INTCON <2>) sẽ được set, đây chính là cờ ngắt của timer0, cờ ngắt này phải được xóa bằng chương trình trước khi bộ đếm bắt đầu đếm Các thanh ghi điều khiển timer 0 :

TMR0 (địa chỉ 01h, 101h): chứa giá trị đếm của timer 0

INTCON (địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh): cho phép ngắt hoạt động

OPTION_REG (địa chỉ 81h, 181h): điều khiển prescaler

Timer 1:

Timer 1 là bộ định thời 16 bit, giá trị của timer 1 sẽ lưu trong 2 thanh ghi (TMR1H:TMR1L), cờ ngắt của timer 1 là bit TMR1IF (PIR1<0>), bit điều khiển của timer 1 sẽ là TMR1IE (PIE<0>)

Hình 2.16: Sơ đồ khối timer 1

Tương tự như timer 0, timer 1 cũng có hai chế độ hoạt động: chế độ định thời

và chế độ đếm với xung kích là các sự kiện phản ánh cần đếm từ bên ngoài thông qua chân T1OSO (cạnh tác động là cạnh lên) Ngoài ra timer 1 còn có chức năng reset input ở bên trong được điều khiển bởi một trong hai khối CCP (Capture/Compare/PWM)

Timer 1 có hai chế độ đếm là đồng bộ (Synchronous) và bất đồng bộ (Asynchronous) Chế độ đếm được điều khiển bởi bit (T1CON <2>) Khi

= 1 xung đếm lấy từ bên ngoài sẽ không được đồng bộ hóa với xung clock bên trong, timer 1 sẽ tiếp tục quá trình đếm khi vi điều khiển đang ở chế độ sleep và ngắt do timer 1 tạo ra Ở chế độ đếm bất đồng bộ timer 1 không thể sử dụng để làm nguồn xung clock cho khối CCP Khi = 0 xung đếm lấy từ bên ngoài sẽ được đồng bộ hóa với xung clock bên trong Ở chế độ này timer 1 sẽ không hoạt động khi vi điều khiển đang ở chế độ sleep

Các thanh ghi liên quan đến timer 1:

INTCON (địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh): cho phép ngắt hoạt động PIR1 (địa chỉ 0Ch): chứa cờ ngắt timer 1 (TMR1IF)

PIE1 (địa chỉ 8Ch): cho phép ngắt timer 1 (TMR1IE)

TMR1L (địa chỉ 0Eh): chứa giá trị 8 bit thấp bộ đếm timer 1

TMR1H (địa chỉ 0Eh): chứa giá trị 8 bit cao bộ đếm timer 1

T1CON (địa chỉ 10h): xác lập các thông số cho timer 1

Timer 2:

Timer 2 là bộ định thời 8 bit, được hỗ trợ bởi hai bộ chia tần số prescaler và postscaler Thanh ghi chứa giá trị của timer 2 là TMR2, bit cho phép ngắt timer 2 là TMR2ON (T2CON <2>), cờ ngắt của timer 2 là bit TMR2IF (PIR1 <1>) Xung ngõ vào bằng 1/4 tần số oscillator được đưa qua bộ chia tần số prescaler 4 bit (tỉ lệ 1:1, 1:4, 1:16) được điều khiển bởi các bit T2CKPS (T2CON <1:0>)

Timer 2 còn được hỗ trợ bởi thanh ghi PR2 Giá trị đếm trong thanh ghi TMR2

sẽ tăng từ 00h đến giá trị chứa trong thanh ghi PR2, sau đó được reset về 00h

Hình 2.17: Sơ đồ khối timer 2

Ngõ ra của timer 2 được đưa qua bộ chia tần số postscaler có các mức chia từ 1:1 đến 1:16 Postscaler được điều khiển bởi 4 bit T2OUTP3: T2OUTP0, đóng vai trò quyết định trong việc điều khiển cờ ngắt Ngoài ra ngõ ra timer 2 còn được kết nối với khối SSP, do đó timer 2 còn đóng vai trò tạo ra xung clock đồng bộ cho khối giao tiếp SSP

Các thanh ghi liên quan đến timer 2 bao gồm:

INTCON (địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh): cho phép ngắt hoạt động

PIR1 (địa chỉ 0Ch): chứa cờ ngắt timer 2 (TMR2IF)

PIE1 (địa chỉ 8Ch):cho phép ngắt timer 2 (TMR2IE)

TMR2 (địa chỉ 11h): chứa giá trị đếm của timer 2

2.3.1.4 Khối chức năng CCP

CCP (Capture/Compare/PWM) bao gồm các thao tác trên các xung đếm cấp bởi các bộ đếm timer 1 và timer 2 Vi điều khiển PIC 16F887 có hai khối CCP: CCP1, CCP2 Mỗi CCP có một thanh ghi 16 bit (CCPR1H:CCPR1L và CCPR2H:CCPR2L), chân điều khiển hai khối CCP là RC2/CCP1 và RC1/CCP2 Cả CCP1, CCP2 về nguyên tắc hoạt động đều giống nhau, chức năng của từng khối là khá độc lập Tuy nhiên trong một số trường hợp chúng có thể kết hợp với nhau để tạo nên các hiện tượng đặc biệt (Special event trigger) hoặc tác động lên các timer 1, timer 2

Các chức năng của khối CCP:

Chế độ Capture:

Khi hoạt động ở chế độ capture thì khi một “hiện tượng” xảy ra tại pin RC2/CCP1 hoặc RC1/CCP2, giá trị thanh ghi TMR1 sẽ được đưa vào thanh ghi CCPR1 (CCPR2) Các “hiện tượng” được định nghĩa bởi các bit CCPxM3:CCPxM0 (CCPxCON<3:0>), có thể là các hiện tượng như:

Mỗi khi có cạnh xuống

Mỗi khi có cạnh lên

Mỗi khi có cạnh lên thứ 4

Mỗi khi có cạnh lên thứ 16

Hình 2.18: Sơ đồ khối chế độ Capture

Sau khi giá trị thanh ghi TMR1 được đưa vào thanh ghi CCPRx, cờ ngắt CCPxIF được set và phải được xóa bằng chương trình Nếu hiện tượng tiếp theo xảy ra

mà giá trị trong thanh ghi CCPRx chưa được xử lý, giá trị tiếp theo nhận được sẽ được ghi đè lên giá trị cũ

Một số điểm cần lưu ý khi sử dụng CCP:

Các chân dùng cho khối CCP phải được ấn định là input

Timer 1 phải được hoạt động ở chế độ định thời hoặc chế độ đếm đồng bộ Tránh sử dụng ngắt CCP bằng cách clear bit CCPxIE, cờ ngắt CCPxIF nên được xóa bằng phần mềm mỗi khi được set để nhận định được trạng thái hoạt động của CCP

CCP còn được tích hợp bộ chia tần số prescaler được điều khiển bởi các bit CCPxM3:CCPxM0 (CCPxCON<3:0>)

Chế độ Compare:

Hình 2.19: Sơ đồ khối chế độ Compare

Khi hoạt động ở chế độ compare, giá trị trong thanh ghi CCPRx sẽ thường xuyên được so sánh với giá trị trong thanh ghi TMR1 Khi hai thanh ghi chứa giá trị bằng nhau các chân của CCP được thay đổi trạng thái (lên mức cao, xuống mức thấp hay giữ nguyên trạng thái), đồng thời cờ ngắt CCPxIF cũng sẽ được set Sự thay đổi trạng thái chân được điều khiển bởi các bit CCPxM3:CCPxM0 (CCPxCON<3:0>) Tương tự như trong chế độ capture, timer 1 phải ở chế độ hoạt động là định thời hoặc đếm đồng bộ Khi ở chế độ compare, CCP có khả năng tạo ra các hiện tượng đặc biệt làm reset giá trị thanh ghi TMR1 và khởi động bộ chuyển đổi ADC, cho phép sử dụng thanh ghi TMR1 một cách linh động hơn

Chế độ PWM:

Hình 2.20: Sơ đồ khối chế độ PWM

Khi hoạt động ở chế độ PWM (điều chế độ rộng xung), tín hiệu sau khi điều chế

sẽ được đưa ra các chân của khối CCP (cần ấn định các chân này là output) Để sử dụng chức năng này cần phải tiến hành các bước sau:

Thiết lập thời gian của một chu kì của xung điều chế cho PWM (period) bằng cách đưa giá trị thích hợp vào thanh ghi PR2

Thiết lập độ rộng xung cần điều chế (duty cycle) bằng cách đưa giá trị vào thanh ghi CCPRxL và các bit CCPxCON<5:4>

Điều chỉnh các chân của CCP là output bằng cách clear các bit tương ứng trong thanh ghi TRISC

Thiết lập bộ chia tần số prescaler của timer 2 và cho phép timer 2 hoạt động bằng cách đưa giá trị thích hợp vào thanh ghi T2CON

Cho phép CCP hoạt động ở chế độ PWM

Bộ chia tần số prescaler của timer 2 chỉ nhận các giá trị 1, 4, 16 Khi giá trị thanh ghi PR2 bằng với giá trị thanh ghi TMR2 thì quá trình sau xảy ra: thanh ghi TMR2 tự động được xóa, chân khối CCP được set, giá trị thanh ghi CCPRxL được đưa vào thanh ghi CCPRxH

Giá trị một chu kỳ (period) của xung điều chế được tính theo công thức:

PWM Period = [(PR2) +1]* 4* Tosc*(giá trị prescaler TMR2)

Độ rộng của xung điều chế (duty cycle) được tính theo công thức:

Pulse Width = (CCPRxL:CCPxCON<5:4>)*Tosc*(giá trị prescaler TMR2)

Hình 2.21: Giản đồ xung điều chế PWM

2.3.2 Tìm hiểu về LCD 16x2

Hình 2.22: Hình thực tế LCD16x2

LCD được tìm hiểu ở đây là HD44780 của hãng Hitachi, gồm 2 dòng, mỗi dòng

16 kí tự

HD44780 có 14 chân, chức năng của các chân:

Các chân VCC, VSS và VEE: Chân VCC_Cấp dương nguồn 5V, chân

VCC_Nối đất, chân VEE được dùng để điều khiển độ tương phản của màn hình LCD

Chân chọn thanh ghi RS (Register Select):

Có hai thanh ghi rất quan trọng bên trong LCD, chân RS được dùng để chọn các thanh ghi này như sau: Nếu RS = 0 thanh ghi mà lệnh được chọn để cho phép người dùng gửi một lệnh chẳng hạn như xoá màn hình, đưa con trỏ về đầu dòng Nếu RS = 1 thì thanh ghi dữ liệu được chọn cho phép người dùng gửi dữ liệu cần hiển thị trên LCD

Chân đọc/ghi R/W:

Đầu vào đọc/ghi cho phép người dùng ghi thông tin lên LCD khi R/W = 0 hoặc đọc thông tin từ nó khi R/W = 1

Chân cho phép E (Enable):

Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt thông tin hiện hữu trên chân

dữ liệu của nó Khi dữ liệu được cấp đến chân dữ liệu Một xung mức cao xuống thấp phải được áp đến chân này để LCD chốt dữ liệu trên các chân dữ liêu Xung này phải rộng tối thiểu là 450ns

Các chân D0 - D7:

Đây là 8 chân dữ liệu 8 bít, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD

Để hiển thị các chữ cái và các con số, chúng ta gửi các mã ASCII của các chữ cái từ A đến Z, a đến f và các con số từ 0 – 9 Đến các chân này khi bật RS = 1 Cũng

có các mã lệnh mà có thể được gửi đến LCD để xoá màn hình hoặc đưa con trỏ về đầu dòng hoặc nhấp nháy con trỏ

2.3.3 Tìm hiểu về IC tạo nguồn LM2576

LM2576 là một IC nguồn tích hợp của mạch nguồn xung theo nguyên lý nguồn Buck Với dòng điện định mức đầu ra tải là 3(A) , các đầu điện áp đầu ra cố định 3.3(V), 5(V), 12(V), 15(V) và có sự biến đổi tùy từng loại Serial của LM2576 Đây là loại IC nguồn cung cấp điện áp đầu ra ổn định, hoạt động ổn định với đầu tản nhiệt tốt giúp IC hoạt động tốt trong nhiệt độ cho phép

Hiệu suất cao

Bảo vệ quá dòng và quá nhiệt

Sơ đồ cấu tạo của LM2576

Hình 2.24: Sơ đồ cấu tạo của LM2576

Ở trên là sơ đồ cấu tạo bên trong của LM2576 Nguyên tắc dựa theo nguồn xung (Nguồn Buck) Điện áp đầu ra được điều chỉnh liên tục để đảm bảo cho điện áp đầu ra luôn giữ ở một giá trị cố định Trong sơ đồ cấu tạo thì LM2576 gồm khối : So sánh, tạo dao động, công suất, quá dòng

Chân 1 (Vin) : Chân nguồn đầu vào

Chân 2 (Vout) : Chân điện áp đầu ra Tùy thuộc dòng LM2576 mà chân này có điện áp ra ổn định khác nhau

Chân 3 (GND) : Chân nguồn chung

Chân 4 (Feedback) : Chân đưa tín hiệu phản hồi từ đầu ra về đầu vào Đưa vào

LM2576HVS-ADJ : ADJ (1.25(V) ~ 37(V))

2.3.4 Tìm hiểu về Opto cách ly quang PC817

Opto PC817 là loại linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm một led và một photo diode hay một photo transitor Được sử dụng để cách ly giữa các khối chênh lệch nhau

về điện hay công suất như khối công suất nhỏ (dòng nhỏ,điện áp 5(V)) với khối điện

áp lớn dòng lớn và áp lớn

R1 330

Hình 2.25: Nguyên lý hoạt động của Opto PC817

Nguyên lý hoạt động của Opto PC817

Khi có dòng nhỏ đi qua hai đầu của Led trong opto làm cho Led phát sáng Khi Led phát sáng làm thông hai cực của photo transitor hay photo diode

2.3.5 Tìm hiểu về SSR

Solid State Relay (SSR) bao gồm Thyristor hay Triac và tích hợp thêm mạch chuyển đổi nữa Tín hiệu khiển 0-10(VDC) sẽ quyết định góc mở công suất Ngoài ra SSR còn có loại đóng mở hoàn toàn

SSR được dùng để thay thế các Relay trung gian hay các contactor đóng ngắt tần số cao

Hình 2.26: Hình thực tế SSR

Ưu điểm của SSR:

Đóng ngắt nhanh

Dòng và áp điều khiển cần nhỏ

Tuổi thọ dài hơn( vì không có phần cơ khí chuyển mạch)

Không gây ra tia lửa điện

Đóng ngắt êm không gây ra tiếng động

Nhược điểm của SSR:

Đặc tính Volt/Amp của bán dẫn: khi đóng mạch sinh nhiều nhiệt và nhiễu điện Ngắn mạch khi hư hỏng, trong khi relay điện từ khi hư thường sẽ hở mạch Giá thành cao

Chương 3

PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

3.1 Địa điểm và thời gian thực hiện đề tài

3.1.1 Địa điểm

Quá trình thực hiện đề tài và khảo nghiệm kết quả đã được tiến hành tại công ty vật liệu xây dựng Đồng Tâm

3.1.2 Thời gian

Đề tài đã tiến hành từ 01 tháng 3 năm 2013 đến 25 tháng 6 năm 2012, trong đó: Quá trình thực hiện nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển từ ngày 01 tháng 3 năm 2013 đến ngày 01 tháng 6 năm 2013

Thời gian còn lại là quá trình khảo nghiệm lấy kết quả, sửa và hoàn thành bài luận văn

3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Chọn phương pháp thiết kế phần cơ khí

Dựa vào các máy đã có trên thị trương tính toán thiết kế lại phần cơ khí phù hợp với công suất và mạch điện, sau khi đã chọn được sơ đồ chung của máy bắt đầu vẽ và

mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm Inventor Sau khi có được thông số của phần

cơ khí kiểm tra xem có phụ hợp với công suất và các chi tiết máy được tiêu chuẩn hóa

Nghiên cứu thiết kế phần khung làm giá đỡ cho động cơ, cơ cấu chuyển động

và bộ phận giữ

Vẽ mô hình kiểm tra tính khả thi, xác định kích thước

Chọn vật liệu làm mô hình

3.2.2 Chọn phương pháp thiết kế mạch điện

Vẽ sơ đồ khối thực hiện phần mạch điện

Thiết kế mạch điều khiển bằng chương trình Orcad

Vẽ lưu đồ giải thuật, viết chương trình cho PIC

Mô phỏng chương trình bằng phần mềm Proteus, kiểm tra lỗi

Làm mạch layout bằng phần mềm Orcad, hiệu chỉnh các thông số điện trở, biến trở cho mạch khuếch đại

Chạy thử

Quá trình thiết kế mạch điện được tiến hành sau khi tham khảo các mạch điện tương tự trên thị trường và tìm hiểu nguyên lý hoạt động của máy Quá trình bắt đầu bằng việc thiết kế lưu đồ giải thuật cho đến khâu chạy thử kiểm tra mạch

3.2.3 Phương tiện thực hiện

Phần mềm Orcad 10.5

Phần mềm Autodesk Inventor Professional 2013