Thiết kế, chế tạo mô hình máy khuấy trộn

Từ thời xa xưa con người đã biết khuấy trộn nguyên liệu để phục vụ cho sinh hoạt cũng như phục vụ cho buôn bán, sinh hoạt. Nhưng những công đoạn khuấy trộn này còn thô sơ và dùng sức người là chính. Khi nền kinh tế phát triển cùng với khoa học kỹ thuật luôn phát triển trong tất cả các lĩnh vực, nhất là các ngành sản xuất. Việc đòi hỏi cải tiến và nâng cấp hệ thống sản xuất luôn là ưu tiên hàng đầu. Một trong những hệ thống đó là hệ thống khuấy trộn nguyên liệu tự động1. Hệ thống này giúp cho sản xuất linh hoạt hơn, tiết kiệm thời gian và nhân lực, tăng sản lượng, đem lại lợi ích kinh tế cao và hiệu quả. Tuy nhiên với điều kiện ở Việt Nam, chi phí cho các hệ thống khuấy trộn nguyên liệu tự động khá lớn nên chỉ được áp dụng cho các hệ thống có yêu cầu khuấy trộn phức tạp, còn một lượng lớn các doanh nghiệp vẫn sử dụng trực tiếp sức lực con người để làm việc. Ưu điểm vượt trội của phương pháp khuấy trộn tự động so với việc khuấy trộn thủ công là thời gian khuấy nhanh và độ chính xác cao. Cho đến nay đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về công nghệ và phương pháp khuấy trộn. Một số tài liệu về công nghệ khuấy trộn: 1. Nguyễn Minh Tuyển (2006), Quá trình và thiết bị khuấy trộn trong công nghệ, Nhà xuất bản Xây Dựng. 2. Nguyễn Quang Minh (2014), Các lọai máy khuấy trộn, < Arduino, http:arduino.cc>. 3. Nguyễn Tăng Cường (2016), Máy khuấy trộn nông sản thực phẩm, Mục đích chung của các công trình nghiên cứu này là tạo ra sản phẩm ứng dụng nhằm tự động hóa nâng cao năng suất lao động và hiệu quả trong sản xuất. Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ hoặc các thiết bị điện khác. Phần cứng của thiết bị đã tích hợp nhiều chức năng cơ bản và là mã nguồn mở. Ngôn ngữ lập trình trên nền Java lại vô cùng dễ sử dụng tương thích với ngôn ngữ C và hệ thống thư viện vô cùng phong phú được chia sẻ miễn phí trên Internet. Chính vì thế mà Arduino đã và đang dần phổ biến và được phát triển ngày càng mạnh mẽ trên toàn thế giới4.

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Nguyễn Văn Quyết

PHẦN A MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Từ thời xa xưa con người đã biết khuấy trộn nguyên liệu để phục vụcho sinh hoạt cũng như phục vụ cho buôn bán, sinh hoạt Nhưng những côngđoạn khuấy trộn này còn thô sơ và dùng sức người là chính Khi nền kinh tếphát triển cùng với khoa học kỹ thuật luôn phát triển trong tất cả các lĩnhvực, nhất là các ngành sản xuất Việc đòi hỏi cải tiến và nâng cấp hệ thốngsản xuất luôn là ưu tiên hàng đầu Một trong những hệ thống đó là hệ thốngkhuấy trộn nguyên liệu tự động[1] Hệ thống này giúp cho sản xuất linh hoạthơn, tiết kiệm thời gian và nhân lực, tăng sản lượng, đem lại lợi ích kinh tếcao và hiệu quả Tuy nhiên với điều kiện ở Việt Nam, chi phí cho các hệthống khuấy trộn nguyên liệu tự động khá lớn nên chỉ được áp dụng cho các

hệ thống có yêu cầu khuấy trộn phức tạp, còn một lượng lớn các doanhnghiệp vẫn sử dụng trực tiếp sức lực con người để làm việc

Ưu điểm vượt trội của phương pháp khuấy trộn tự động so với việc khuấytrộn thủ công là thời gian khuấy nhanh và độ chính xác cao Cho đến nay đã

có rất nhiều các công trình nghiên cứu về công nghệ và phương pháp khuấytrộn

Một số tài liệu về công nghệ khuấy trộn:

[1] Nguyễn Minh Tuyển (2006), Quá trình và thiết bị khuấy trộn trong công nghệ, Nhà xuất bản Xây Dựng.

[2] Nguyễn Quang Minh (2014), Các lọai máy khuấy trộn, < Arduino,

http://arduino.cc>

[3] Nguyễn Tăng Cường (2016), Máy khuấy trộn nông sản thực phẩm,

thuc-pham.htm>

<https://123doc.org//document/1376148-may-khuay-tron-che-bien-nong-san-Mục đích chung của các công trình nghiên cứu này là tạo ra sản phẩmứng dụng nhằm tự động hóa nâng cao năng suất lao động và hiệu quả trongsản xuất

Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác vớicác thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ hoặc các thiết bị điện khác.Phần cứng của thiết bị đã tích hợp nhiều chức năng cơ bản và là mã nguồn

mở Ngôn ngữ lập trình trên nền Java lại vô cùng dễ sử dụng tương thích vớingôn ngữ C và hệ thống thư viện vô cùng phong phú được chia sẻ miễn phítrên Internet Chính vì thế mà Arduino đã và đang dần phổ biến và được pháttriển ngày càng mạnh mẽ trên toàn thế giới[4]

Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực

kỳ dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay

cả với những người ít am hiểu về điện tử và lập trình, ngoài ra còn những lợiích sau:

 Làm việc chắc chắn, liên tục, tuổi thọ cao, chịu được môi trường khắcnghiệt

 Có thể làm việc trong nhiều điều kiện khác nhau

 Sử dụng đơn giản, giá thành rẻ[4]

Xuất phát từ tình hình thực tế tự động hóa tại các phân xưởng, nhà kho

và các khu vực điều hành quản lý vẫn đang tiếp tục được nâng cao cùng vớikiến thức đã được học trong trường, Em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình máy khuấy trộn ” Đây chỉ là một phần nhỏ trong quytrình sản xuất, tuy vậy em mong rằng với đề tài này em sẽ củng cố được kiếnthức đã được học trong trường và ứng dụng một phần nhỏ trong sản xuất

2 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế, chế tạo thành công mô hình máy khuấy trộn

3 Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Tìm hiểu được công nghệ khấy trộn trong công nghiệp: cấu tạo,nguyên lý làm việc của hệ thống khuấy trộn

- Tìm hiểu được cách lắp đặt, kết nối, lập trình trong hệ thống khuấytrộn

4 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Đã thiết kế, chế tạo thành công mô hình máy khuấy trộn và có thể pháttriển để ứng dụng trong thực tế sản xuất Đề tài giúp em trải nghiệm thực tế thicông hệ thống và làm quen dần với việc áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tế,cũng như các thiết bị kỹ thuật.

PHẦN B NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1.Tổng quan về các phương pháp khuấy trộn

Khuấy trộn là một quá trình cơ học được dùng rất nhiều trong các quátrình sản xuất thực phẩm nhằm tăng cường các quá trình truyền nhiệt hoặc đểthu được một hỗn hợp đồng nhất từ nhiều cấu tử trộn lại Ngoài ra khuấy trộncòn được dùng nhiều để làm tan nhanh chất rắn trong lỏng hoặc tăng cườngcác phản ứng hóa học trong hỗn hợp[1]

Quá trình khuấy hệ lỏng rất thường gặp trong công nghiệp: công nghiệphóa chất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp luyện kim, công nghiệp vậtliệu xây dựng

Quá trình khuấy có thể được thực hiện trong các ống có chất lỏng chảyqua, trong các bơm vận chuyển, trên đĩa của các tháp tinh luyện cũng nhưtrong các thiết bị khuấy hoạt động nhờ năng lượng cơ học đưa vào qua cơ cấukhuấy hoạt động nhờ năng lượng của khí nén[1]

Có thể chia phương pháp khuấy trộn ra làm hai loại:

- Khuấy trộn thủ công là quá trình mà con người trực tiếp tham gia vào côngđoạn khuấy trộn

- Khuấy trộn tự động là quá trình mà các thiết bị điều khiển tự động đóng vaitrò chủ đạo Trong quá trình khuấy tự động được chia ra thành nhiều phươngpháp khác nhau

- Các phương pháp điều khiển khuấy trộn tự động:

+ Điều khiển sử dụng PLC

+ Điều khiển sử dụng vi điều khiển

+ Điều khiển sử dụng Arduino

• Một số hệ thống khuấy trộn trong công nghiệp:

Theo nguyên lý làm việc, hệ thống khuấy được chia làm hai loại: liên tục vàgián đoạn

Loại làm việc liên tục gồm các loại sau:

- Máy trộn vít tải nằm ngang một trục, hai trục.

- Máy trộn ly tâm

Loại làm việc gián đoạn gồm các loại sau:

- Máy khuấy thùng quay hình trụ nằm ngang, thẳng đứng, trục chéo, hình lụcgiác nằm ngang, chữ V

- Máy khuấy nằm ngang một trục, hai trục

- Máy khuấy vít tải thẳng đứng

- Máy khuấy lớp sôi có cánh đảo

1.2.Nhiệm vụ, phân loại của máy khuấy trộn.

a Nhiệm vụ:

- Khuấy trộn các thành phần nguyên liệu đã được định sẵn thành 1 hỗn hợpđồng đều

- Tăng cường các quá trình hóa sinh học trong quá trình chế biến thực phẩm

- Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt khi chế biến thực phẩm

- Hòa tan chất này vào chất khác (hoà tan muối, đường với các chất khác)

Ba loại quá trình điển hình này thực hiện với các loại đồng thể và dị thểkhác nhau như hệ lỏng-lỏng, lỏng-khí, lỏng-rắn

b Phân loại

Có nhiều cách để phân loại máy khuấy trộn như phân loại theo nguyênlý cấu tạo, theo bố trí bộ phận trộn, theo số bộ phận trộn, theo cách làm việc,theo tính chất của sản phẩm đầu ra…v.v

Phân loại theo nguyên lý cấu tạo:

- Máy trộn có bộ phận trộn quay:

+ Máy trộn kiểu vít

+ Máy trộn kiểu cánh quạt

+ Máy trộn kiểu hành tinh

+ Máy trộn kiểu cánh gạt

- Máy trộn thùng quay:

+ Máy trộn kiểu trống

+ Máy trộn kiểu côn

- Máy trộn - định mức phối hợp

Phân loại theo cách bố trí bộ phận trộn:

- Máy trộn kiểu vít hay cánh gạt ngang

- Máy trộn kiểu vít hay cánh gạt đứng

- Máy trộn kiểu vít nghiêng

Phân loại theo số bộ phận trộn:

- Máy trộn kiểu đơn, kép

- Máy trộn kiểu thùng, đơn, kép

Phân loại theo cách làm việc:

- Máy trộn liên tục

- Máy trộn gián đoạn

Phân loại theo tính chất sản phẩm:

- Máy trộn khô

- Máy trộn nước

- Máy trộn ướt

1.4.Yêu cầu kỹ thuật đối với máy khuấy trộn

- Đảm bảo chất lượng trộn cao (đặc trưng là độ đồng đều), nhất là khi trộnhỗn hợp có những thành phần với tỉ lệ rất ít Độ trộn đồng đều có 1 ý nghĩa rấtlớn trong việc bảo đảm phẩm chất, giá trị của sản phẩm đầu ra

- Có khả năng trộn được các hỗn hợp lỏng

- Có năng suất cao và chi phí năng lượng dùng thấp

1.5.Các loại máy khuấy hiện nay

a Khuấy trộn bằng cơ khí

Các cánh khuấy có hình dạng khác nhau, được lắp đặt trong máy Khimáy hoạt động cánh khuấy tạo ra sự xáo trộn dòng chất lỏng Cánh khuấythường được sử dụng trong các bể khuấy trộn như một phương tiện để trộnchất lỏng và huyền phù Cánh khuấy thông thường sử dụng một thiết kế mở

và được gắn với một trục trung tâm được đặt ở trung tâm của bể[3]

Hình 1.1 Bể khuấy trộn với một cánh khuấy đặt ở chính giữa

• Các loại cánh khuấy

Cánh khuấy mái chèo: thường dùng để hoà tan chất rắn có khối lượng

riêng không lớn, việc khuấy trộn tạo ra thuỷ động lực học cao Tốc độ khuấychậm, bề mặt cánh khuấy lớn hơn, sử dụng phổ biến trong bể tạo bông Cáclưỡi dao được làm bằng thép tấm, hàn hoặc cố định bằng bu lông trên các ổtrục và thường là 2, 3 hoặc 4 mảnh Nó có hai loại, lưỡi bằng phẳng, thẳng vàlưỡi gấp Cánh khuấy gấp tiêu thụ ít điện năng hơn so với cánh khuấy bằngphẳng và thẳng Cánh khuấy mái chèo cũng có thể được sử dụng để khuấychất lỏng có độ nhớt cao, thúc đẩy sự trao đổi lên xuống của chất lỏng Tốc

độ quay của cánh khuấy là 20~100 vòng/phút, độ nhớt cao nhất là 20 Pa.s[3]

Đặc điểm kỹ thuật:

- Số lượng cánh khuấy tuỳ theo yêu cầu, có thể có 2, 3 cánh

- Khuấy cho bể keo tụ

- Trục khuấy liên kết trục động cơ bằng ống nối đồng trục

- Ống nối bằng inox 304

- Trục, cánh khuấy bằng inox 304.

- Đường kính cánh khuấy: 800 – 1200 mm

- Tốc độ: 20 – 100 vòng/phút

Hình 1.2 Cánh khuấy mái chèo

Cánh khuấy chân vịt (chong chóng): điều chế dung dịch huyền phù,

nhũ tương, không thể dung cánh khuấy chân vịt để khuấy chất lỏng có độnhớt cao hoặc khuấy chất lỏng trong đó có các hạt rắn có khối lượng riênglớn, chủ yếu được sử dụng trong chất lỏng có độ nhớt thấp Hiệu quả khuấythuỷ động lực học cao Cánh khuấy tiêu chuẩn gồm có 3 mảnh Mức độ biếnđộng của chất lỏng là không cao khi cánh khuấy đang làm việc Đường kínhcủa cánh quạt khuấy nhỏ, d/D = 1/4~1/3, tốc độ đầu thường là 7~10 m/s, tốc

độ tối đa có thể được 15m/s[3]

- Khuấy bể điều chỉnh PH.

- Khuấy bểcân bằng bểkhử

- Nito, khử Photpho

Hình 1.3 Cánh khuấy chân vịt

Cánh khuấy tuabin: để điều chế huyền phù mịn, để hoà tan các chất rắn

nhanh hoặc để khuấy trộn các hạt rắn đã lắng cặn có nồng độ pha rắn đến60% Turbine khuấy thuộc về khuấy chất lỏng độ nhớt thấp, nó có hiệu quả cóthể hoàn thành tất cả các hoạt động trộn và xử lý với nhiều độ nhớt của dungdịch sét Khuấy tua bin được chia thành loại mở và loại đĩa Loại mở bao gồmcánh quạt thẳng và phẳng, cánh quạt xiên, cánh quạt cong; Loại đĩa bao gồmđĩa cánh quạt phẳng và thẳng, đĩa cánh quạt xiên, đĩa cánh quạt cong, v.v…Cánh khuấy tuabin mở loại thường là 2 hoặc 4 miếng; loại đĩa là phổ biếnnhất đã 6 miếng Lực cắt lớn, có thể làm cho các hạt chất lỏng phân tán rất tốt,phù hợp với độ nhớt thấp đến trung bình của chất lỏng (chất lỏng phân tán,chất huyền phù) Cánh khuấy uốn cong theo hướng dòng chảy chất lỏng, cóthể giảm tiêu thụ điện năng và phù hợp với khuấy chất lỏng có chứa hạt rắngiòn[3]

Đặc điểm kỹ thuật:

- Cánh khuấy tuabin 4 cánh, góc nghiêng 450

- Tốc độ khuấy chậm, kiểu trục khuấy đồng trục động cơ.

- Trục khuấy liên kết đồng tâm với hộp giảm tốc bằng ống nối trục

- Ống nối trục được sơn phủ chống ăn mòn cao

- Trục và cánh khuấy bằng inox 304, 316 với kích thước có thể thay đổi

Các máy khuấy phải đặt trong lòng chất lỏng với một tốc độ quy định

để đảm bảo thời gian thích hợp của quá trình Từ quan điểm công nghệ phatrộn của xem, khối lượng bơm qua đường kính bên ngoài của máy trộn làkhông quan trọng; quan trọng là khối lượng đặt trong chuyển động với tốc độquy định

Các máy khuấy chìm có thể hoạt động trong chất lỏng ở nhiệt độ tối đa40ºC và ngập sâu đến 10 m Khi lắp đặt máy trộn chìm phải chú ý đến vị trícủa nó Đặc biệt là sự cân bằng trong bể tại nơi mà các hoạt động xảy ra liêntục khi áp lực của máy khuấy bằng các áp lực bên ngoài tác động đến chiềuxoay của cánh quạt Vì vậy, các áp lực bên ngoài phải được tính toán Ngoài

ra lượng nước đưa vào bể (ví dụ như từ sự tuần hoàn) phải được tính toán.Không chỉ các giá trị lưu lượng dòng chảy mà còn sự điều hướng của chúngcũng rất quan trọng

Hình 1.5 Cánh khuấy chìm

Theo các nghiên cứu, trục hướng tâm của đà quay chuyền cho các chấtlỏng bằng cách khuấy là quan trọng Nó tương đương với lực tải cánh quạthướng trục Vì vậy, lực hướng trục là thông số quan trọng nhất của máy khuấy

và nó được quy định tại danh mục sản phẩm Lực hướng trục có thể dễ dàng

chuyển đổi thành hiệu quả dòng khối lượng chất lỏng (tức công suất) đưa vàochuyển động với tốc độ v quy định Khi nước thải được khuấy trộn, các yêucầu tốc độ nước ít nhất là v = 0,3 m/s Vì vậy, công suất thực tế cho v = 0,3m/s được xác lập Máy khuấy có thể chuyển động trong lượng nước này vớitốc độ tối thiểu v = 0,3 m/s.[3]

Lực trục: F (kN);

Hiệu quả đầu ra: v = 0,3 (m/s); Q = 0,3 (m3/s);

Công suất đầu vào động cơ: P1 (kW);

Công suất đầu ra động cơ (ở trục động cơ): P2 (kW)

c Khuấy trộn bằng khí nén

Dùng để khuấy chất lỏng có độ nhớt thấp khí nén thường là không khíđược nén qua một ống các lỗ nhỏ, ống này đặt ở tận đáy thiết bị không khíchui qua lỗ tạo thành những bọt nhỏ, rồi qua lớp chất lỏng làm cho chất lỏngbị khuấy Để khuấy được đều người ta làm đường ống khí thành vòng, hoặcxoắn ốc, đôi khi làm một dãy ống thẳng đặt song song nhau[3]

Hình 1.6 Bể khuấy trộn bằng khí nén

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG

PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Công nghệ khuấy trộn

- Bo mạch Arduino và ngôn ngữ lập trình

- Các thiết bị dùng điều khiển và lấy tín hiệu

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế, điều khiển máy khuấy trộn 2 chất lỏng có màu khác nhau

sử dụng bộ điều khiển Arduino Uno R3

2.2 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Cơ sở thiết kế mô hình trình khuấy trộn

Nội dung 2: Thiết kế mô hình máy khuấy trộn

Nội dung 3: Chế tạo mô hình máy khuấy trộn

Nôi dung 4: Chạy thử và đánh giá kết quả hoạt động của mô hình

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Tiến trình thực hiện nghiên cứu

Tiến trình nghiên cứu gồm có 4 bước:

- Bước 1: Đưa ra các thông số cần đạt được của hệ thống khấy trộn thiết kế:

số lượng dung dịch khấy, công suất của động cơ khấy…

- Bước 2: Thiết kế mô hình máy khuấy trộn

- Bước 3: Thi công mô hình

+ Thi công phần cứng của mô hình

+ Lập trình điều khiển của mô hình

Bước 4: Chạy thử và đánh giá sự ổn định của mô hình

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu nội dung 1:

a Mức độ khuấy trộn

Là sự phân bố tương hỗ của hai hay nhiều chất sau khi trộn Nó là chỉ tiêu

để đánh giá hiệu quả khuấy và có thể sử dụng để đánh giá cường độ khuấy

Theo công thức Hixon-Tenry thì mức độ khuấy là

i i

1

1 X

b.Cường độ khuấy

Người ta thường dùng một trong các đại lượng sau đây biểu thị cường độkhuấy:

- Số vòng quay n của cánh khuấy

- Vận tốc vòng V của đầu cánh khuấy

- Công suất khuấy riêng: nghĩa là công suất chi phí để khuấy một đơn vị thểtích

V

N

Nv =

Trong đó: N: số vòng quay của cánh khuấy

V: vận tốc động cơ khuấy

c Hiệu quả khuấy

Hiệu quả khuấy được xác định bằng năng lượng tiêu hao để đạt đượchiệu ứng công nghệ cần thiết Thiết bị khuấy có hiệu quả cao nếu nó đạt đượcyêu cầu đề ra và tốn ít năng lượng nhất và ngược lại

2.3.3 Phương pháp nghiên cứu nội dung 2:

Từ kết quả quá trình nghiên cứu chỉ tiêu đánh quá trình khuấy trộn, em

đã chọn loại máy khuấy cơ khí để sử dụng cho khóa luận Hệ thống cơ khí củamáy khuấy đã được lên kế hoạch thiết kế và thi công, để thực hiện được nộidung là thiết kế, em sử dụng các công cụ hỗ trợ thiết kế như phần mềm thiết

kế SolidWord thiết kế cơ khí

Hình 2.1 Thiết kế bể khuấy

Hình 2.2 Giá đỡ bộ điều khiển

Giá đỡ bộ điều khiển được thiết kế có dạng hình vuông, chất liệu đượclàm bằng gỗ, có kích thước 25x25x1,3 cm Bên trong có khoan lỗ để đặt động

cơ khuấy và cảm biến siêu âm

Hình 2.3 Vị trí các linh kiện được đặt trong giá bộ điều khiển

• Tính chọn linh kiện, thiết bị:

Arduino

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặccấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V.Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵnnguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽlàm hỏng Arduino UNO.

Các chân năng lượng:

- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO

- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

- Vin (Voltage Input): cung cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cựcdương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được

đo ở chân này

- RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đươngvới việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Lưu ý:

- Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn racho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồnsai vị trí có thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyếnkhích

- Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện ápdưới 6V có thể làm hỏng board

- Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng viđiều khiển ATmega328

- Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog củaArduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

- Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của ArduinoUNO sẽ làm hỏng vi điều khiển

- Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì củaArduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu khôngdùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân

I/O

30 mADòng ra tối đa (5V) 500 mA

Hình 2.5 Vi điều khiển Atmega dạng chân dán và dạng chân cắm

Vi điều khiển AVR do hãng Atmel sản xuất được giới thiệu lần đầu năm

1996 Vi điều khiển Atmega AVR có công suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp,

cấu trúc RISC tiến với 130 lệnh với chu kỳ thực hiện đơn xung lớn nhất, 32thanh ghi đa mục đích 8 bít, 16 MIPS tại tần số đặt 16 MHz, bộ nhân 2 chu kỳOn-chip, Power-on Reset và Brown-out Detection có thể lập trình, bộ daođộng RC bên trong có thể lập trình các mức, 5 Mode ngủ (Idle, ADC NoiseReduction, Power-save, Power-down và Standby), có khả năng Reset khi bậtnguồn, khả năng dò lỗi Brown out lập trình được, có nguồn ngắt trong và ngắtngoài.

Thông số kỹ thuật:

- Thuộc dòng AVR® ATmega

- Vi điều khiển: 8-Bit

- Tốc độ tối đa: 16MHz

- Giao tiếp: I²C, SPI, UART/6 USART

- Ngoại vi: Brown-out Detect/Reset, POR, PWM, WDT

với loại TQFP và MLF packages) trong đó 4 (hoặc 6) kênh có độ chính xác10-bit và 2 kênh có độ chính xác 8-bit, Watchdog Timer có thể lập trình đượcvới bộ dao động bên trong, một cổng nối tiếp SPI và 5 mode tiết kiệm nănglượng có thể lựa chọn mềm.

Idle mode dừng CPU trong khi vẫn cho phép SRAM, Timer/Counters,cổng SPI, và hệ thống ngắt tiếp tục chức năng của chúng

Power- down mode tiết kiệm nội dung thanh ghi, nhưng hạn định bộdao động, không cho phép tất cả các chức năng khác của chíp được hoạt độngcho đến khi ngắt tiếp theo hoặc Reset phần cứng xuất hiện

Trong Power-save mode, timer không đồng bộ tiếp tục chạy, cho phép

sử dụng để duy trì thời gian nền, trong khi các phần còn lại của thiết bị đượcngủ

ADC Noise Reduction mode dừng CPU và tất các module I/O ngoại trừtimer không đồng bộ và ADC để tối thiểu hóa nhiễu mạch trong suốt quá trìnhADC trong chuyển đổi

Trong Standby mode, bộ dao động thạch anh/ resonator được phép chạytrong khi các phần còn lại của thiết bị được ngủ Điều này cho phép start-uprất nhanh cùng với hiệu quả tiêu thụ ít năng lượng

Thiết bị được sản suất áp dụng công nghệ tích hợp bộ nhớ non-volatilecao của Atmel Bộ nhớ chương trình Flash này có thể lập trình thông qua ghépnối tiếp SPI bằng chương trình lập trình bộ nhớ non- volatile riêng, hoặc bằngmột chương trình boot on- chip, chạy trong AVR core Chương trình boot cóthể sử dụng bất kỳ một ghép nối nào để download chương trình ứng dụngtrong bộ nhớ Flash Phần mềm trong Boot Flash sẽ tiếp tục chạy trong khi cácphần sử dụng Flash vẫn được update, hỗ trợ cho hoạt động đọc trong khi ghi(Read- While-Write)

Bằng việc kết hợp với một CPU 8-bit RISC với bộ nhớ Flash tự lậptrình trong hệ thống trên một chíp, Atmel ATmega8 là một vi điều khiển cực

mạnh, thỏa mãn yêu cầu về một bộ vi điều khiển với độ linh hoạt cao và đemlại lợi nhuận lớn với rất nhiều các ứng dụng điều khiển tác động nhanh.

Các cổng vào/ra

Hình 2.6 Chức năng các chân cuả Arduino Uno R3

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu.Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân

là 40mA

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và

nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp vớithiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm

na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạnkhông nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết.

- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM

với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàmanalogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra

ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như nhữngchân khác

- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài

các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằnggiao thức SPI với các thiết bị khác

- LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi

bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối vớichân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Vớichân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụngcác chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thểdùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phângiải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giaotiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

Lập trình cho Arduino

Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụngcross-platform (nền tảng) được viết bằng Java, và từ IDE này sẽ được sử dụngcho Ngôn ngữ lập trình xử lý (Processing programming language) và projectWiring Nó được thiết kế để dành cho những người mới tập làm quen với lĩnhvực phát triển phần mềm Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặcC++ Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring",

từ project Wiring gốc, có thể giúp các thao tác input/output được dễ dàng hơn.

Vì nền tảng của Arduino là các vi điều khiển của Atmel, cho nên môi trườngphát triển của Atmel, AVR Studio hoặc các phiên bản Atmel Studio mới hơn,cũng có thể được sử dụng để làm phần mềm phát triển cho Arduino Để lậptrình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự

án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduinođược gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment)

Arduino IDE và ngôn ngữ lập trình cho Arduino

Hình 2.7 Giao diện phần mềm Arduino IDE

Thiết kế bo mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính năng thông dụng mang lạinhiều lợi thế cho Arduino, tuy nhiên sức mạnh thực sự của Arduino nằm ởphần mềm Môi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trìnhWiring dễ hiểu và dựa trên nền tảng C/C++ rất quen thuộc với người làm kỹthuật Và quan trọng là số lượng thư viện code được viết sẵn và chia sẻ bởicộng đồng nguồn mở là cực kỳ lớn

Arduino IDE là phần mềm dùng để lập trình cho Arduino Môi trườnglập trình Arduino IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất hiện này làWindows, Linux và Macintosh OSX Do tính chất nguồn mở nên môi trườnglập trình này hoàn toàn miễn phí và có thể mở rộng thêm bởi người có kinhnghiệm

Khi ta bấm chạy chương trình Arduino IDE để lập trình thì ta thu đượcphần hiển thị như hình vẽ ở trên Arduino IDE được chia làm 3 phần chính

Thanh dấu bên trên để nạp code, kiểm tra chương trình… Phần viết code làphần ở giữa Phần cuối màu đen phần giúp ta nhận biết được cổng Com kết nối

và dấu hiệu biết chương trình đã được nạp hay chưa

b Bộ nguồn

Để tạo ra các nguồn nuôi một chiều 12V cho mạch công suất em đã biếnđổi nguồn xoay chiều 220V thông qua mạch nguồn tổ ong

Hình 2.8 Bộ nguồn tổ ong 12 Định nghĩa:

Nguồn tổ ong (nguồn xung) là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồnđiện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo từmạch điện tử kết hợp với một biến áp xung

Cấu tạo nguồn tổ ong:

Hình 2.9 Cấu tạo nguồn tổ ong (nguồn xung)

Nhìn vào board mạch trên ta thấy rằng một bo mạch nguồn xung sẽ baogồm những linh kiện cơ bản sau (một số kiểu sẽ có thêm những thành phầnkhác hoặc không có những linh kiện trên nhưng hầu hết là giống nhau)

Biến áp xung: Cũng cấu tạo gồm các cuộn dây quấn trên một lõi từgiống như biến áp thông thường chỉ có điều biến áp này sử dụng lõi ferit cònbiến áp thường sử dụng lỗi thép kỹ thuật điện Với cùng một kích thước thìbiến áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần Ngoài rabiến áp xung hoạt động tốt ở dải tần cao còn biến áp thường chỉ hoạt động ởdải tần thấp

Cầu chì: Bảo vệ mạch nguồn bị ngắn mạch

Cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp, điode chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổiđiện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều tích trữ trên tụ lọc sơ cấp đểcung cấp năng lượng cho cuộn sơ cấp của máy biến áp xung [5]

Sò công suất: Đây là một linh kiện bán dẫn dùng như một công tắcchuyển mạch, đó có thể là transistor, mosfet, IC tích hợp, IGBT có nhiệm vụđóng cắt điện từ chân (+) của tụ lọc sơ cấp vào cuộn dây sơ cấp của biến ápxung rồi cho xuống mas

Tụ lọc nguồn thứ cấp: Dùng để tích trữ năng lượng điện từ cuộn thứ cấpcủa biến áp xung để cấp cho tải tiêu thụ Chúng ta biết rằng khi cuộn sơ cấpcủa biến áp được đóng cắt điện liên tục bằng sò công suất thì xuất hiện từtrường biến thiên dẫn đến cuộn thứ cấp của biến áp cũng xuất hiện một điện

áp ra Điện áp này được chỉnh lưu qua một vài diode rồi đưa ra tụ lọc thứ cấp

để san phẳng điện áp