(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và thi công máy rửa dùng sóng siêu âm trong công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY RỬA DÙNG SĨNG SIÊU ÂM TRONG CƠNG NGHIỆP GVHD: ThS HÀ A THỒI SVTH: ĐINH HÀ TRUNG MSSV: 15341033 SKL004543 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2017 TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tp HCM, ngày 10 tháng năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Hệ đào tạo: Khóa: I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MÁY RỬA DÙNG SĨNG SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHIỆP II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: Máy rửa có cơng suất 60W tần số làm việc 40Khz Nội dung thực hiện: - Tổng hợp lý thuyết máy rửa siêu âm, thành phần liên quan đến máy rửa - Khảo sát máy rửa có thị trường - Thiết kế sơ đồ tổng thể máy rửa siêu âm - Viết chương trình cho VĐK PIC 16F887 - Thiết kế mạch tạo xung - Thiết kế mạch công suất cao tần - Lựa chọn thiết bị gia nhiệt van nước vào / xả - Lựa chọn thể tích bể siêu âm vỉ để thiết bị cần tẩy rửa - Đo đạc thông số theo yêu cầu - Lắp ráp thi công hệ thống - Cân chỉnh hệ thống - Viết sách luận văn - Báo cáo đề tài tốt nghiệp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/2017 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN GV: Hà A Thồi BM ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Đinh Hà Trung Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỂ RỬA SIÊU ÂM DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP Tuần/ngày Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần 5,6,7 Tuần 8,9,10,11 Tuần 12 Tuần 13 Tuần 14 Tuần 15 (Ký ghi rõ họ tên) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP ii LỜI CAM ĐOAN Tơi Đinh Hà Trung cam đoan ĐATN cơng trình nghiên cứu thân dựa vào số tài liệu trước hướng dẫn Giảng Viên Hà A Thồi Các kết tính tốn cơng bố ĐATN trung thực không chép từ cơng trình khác BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP iii LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Hà A Thồi - Giảng viên môn Điện Tử Công Nghiệp, người hướng dẫn tận tình khoa học từ lúc bắt đầu làm đồ án ngày cuối Em chân thành cảm ơn bạn Huỳnh Nguyên Trà, Nguyễn Phú Quý, Nguyễn Văn Đoài, Dương Văn Tuấn có chia sẻ khó khăn kinh nghiệm làm việc thực tế với mạch điện tử công suất Em xin gởi lời chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Điện-Điện Tử tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành đề tài Em gửi lời đồng cảm ơn đến bạn lớp 153410A, B chia sẻ trao đổi kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian thực đề tài Cảm ơn cha mẹ không ngừng hỗ trợ kinh phí thực đồ án Xin chân thành cảm ơn! Người thực đề tài Đinh Hà Trung BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP iv MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v LIỆT KÊ HÌNH VẼ viii LIỆT KÊ BẢNG x TĨM TẮT xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn 1.5 Bố cục CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng hợp lý thuyết sóng siêu âm 2.1.1 Bản chất sóng âm 2.1.2 Sóng siêu âm đặc điểm 2.1.3 Các đại lượng đặc trưng sóng 2.2 Công nghệ làm 2.2.1 Công nghệ làm truyền thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP v 2.2.2 Làm công nghệ rửa siêu âm 2.2.3 Nguyên lý làm công nghệ rửa siêu âm 2.2.4 Quá trình làm công nghệ rửa siêu âm 2.2.5 Ưu điểm công nghệ tẩy rửa sóng siêu âm 12 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới trình làm cơng nghệ rửa siêu âm 13 2.3.1 Quan hệ tần số kích thước bong bóng 13 2.3.2 Tác dụng hóa chất 15 2.3.3 Tác dụng nhiệt độ 16 2.3.4 Thời gian cần thiết để làm 17 2.3.5 Công suất siêu âm thể tích bể rửa 17 2.4 Biến tử siêu âm tẩy rửa, phân loại biến tử theo cấu tạo .17 2.4.1 Biến tử áp điện 18 2.4.2 Biến tử từ giảo 20 2.5 Vi điều khiển PIC 16F887 21 2.6 MOSFET 23 2.6.1 Cấu tạo Mosfet 23 2.6.2 Nguyên lý hoạt động 25 2.7 Biến áp xung 25 2.8 Nghịch lưu 26 2.9 Khảo sát máy rửa siêu âm biến tử siêu âm có thị trường .26 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 29 3.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 29 3.2 Thiết kế khối công suất 30 3.2.1 Tính tốn biến áp xung có cơng suất phù hợp với mạch 30 3.2.2 Mạch nghịch lưu biến áp đôi 33 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP vi 3.3 Thiết kế khối điều khiển 40 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 41 3.5 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 43 CHƯƠNG THI CƠNG HỆ THỐNG 45 4.1 Thi cơng hệ thống 45 4.1.1 Thi công bo mạch 45 4.1.2 Lắp ráp kiểm tra 50 4.2 Thi công mô hình 50 4.3 Lập trình hệ thống 51 4.4 Hướng dẫn sử dụng 52 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 53 5.1 Mạch điều khiển 53 5.2 Mạch công suất 53 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55 6.1 Kết luận 55 6.2 Hướng phát triển đề tài 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 58 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP vii CHƯƠNG THI CƠNG HỆ THỐNG Hình 4.5: Mặt trước mạch công suất sau thi công d Thi công mạch nguồn Mạch nguồn ý thi công nhớ gắn vào cầu chì để bảo vệ mạch điện thiêt bị nhà Kiểm tra điện áp ngõ board nguồn sau thi công xong Hình 4.6: Mạch nguồn e Thi cơng lắp ráp biến tử vào bể rửa Lắp ráp biến tử vào bồn rửa keo A-B: trộn keo A-B lại với đổ lên đáy bồn rửa sau để biến tử lên Chờ khoảng vài tiếng keo cứng Hình 4.7: Lắp ráp bể rửa siêu âm BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1.2 Lắp ráp kiểm tra Mạch nguồn chắn kiểm tra với thông số trước gắn vào hệ thống Gắn chân kích pic16F877 tới opto mạch công suất gắn nguồn điện vào hệ thống Trước gắn bật nguồn 110v ta phải kiểm tra điện áp chân kích có ổn định hay không Nếu kim không nhảy lung tung bật khởi động hệ thống, lấy đồng hồ VOM đo vào ngõ biến áp, sau nhấn tắt đồng hồ VOM giảm dần điện áp từ từ mạch chạy điện áp giảm đột ngột trùng dẫn cần thay đổi thời gian dead time chân xem lại mạch công suất xem có sai xót khơng Biến tử siêu âm phải gắn chắn với bể rửa Bề mặt biến tử siêu âm bề mặt đáy bể rửa phải song song với Như lực truyền đạt hiệu cao Hình 4.8: Mạch cơng suất mạch nguồn sau lắp ráp xong 4.2 Thi cơng mơ hình Đặt mạch lên mica, xếp linh kiện cách hợp lý Tránh để vỏ tản nhiệt chạm vào bể rửa, gây giật điện khoan lỗ để bắt ốc, cố định mạch công suât mica BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 50 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG Sử dụng dây điện ngắn để nối mạch điện Tránh để rối dây Sử dụng keo nhựa để cố định bảng mạch cần thiết Hình 4.9: Mơ hình máy rửa sau thi cơng 4.3 Lập trình hệ thống Lưu đồ giải thuật: Hình 4.10: Chương trình điều khiển hệ thống bật tắt BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 51 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 4.4 Hướng dẫn sử dụng Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống, lúc đèn xanh sáng báo hiệu hệ thống trạng thái chờ bấm khởi động Bước 2: Đổ nước vào bể rửa, cho hóa chất vào bể rửa (dựa vào đối tượng cần rửa) Bước 3: Bỏ đối tượng cần tẩy rừa vào bể Bước 4: Nhấn nút bật PIC16F887 đèn led xanh tắt đèn led vàng sáng Lúc biến tử siêu âm thực chức tẩy rửa có âm phát từ biến tử Bước 5: Chờ cho vật cần tẩy rửa sạch, nhấn nút tắt, đèn led vàng tắt, đèn led xanh sáng Biến tử ngừng hoạt động Bước 6: Bỏ đối tượng cần tẩy rửa ngồi, đổ nước hóa chất tẩy rửa ngồi, ý đem bao tay hóa chất độc hại BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 52 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 5.1 Mạch điều khiển Không đáp ứng nhu cầu đặt từ trước làm đồ án hiển thị LED7 đoạn cài đặt thời gian chạy, có cảm biến nhiệt độ để điều khiển thiết bị gia nhiệt thực chức tạo xung kích cho mạch cơng suất Mạch điều khiển tạo xung ổn định cho biến tử siêu âm 5.2 Mạch công suất  Mạch công suất tạo điện áp đo đồng hồ VOM số 230VAC gần đạt tới điện áp tính tốn  Mạch cơng suất cấp tần số điện áp cho biến tử siêu âm hoạt động Bể rửa tạo bọt nhỏ, to xung quanh đáy bể rửa  Xuất bọt di chuyển hỗn loạn bể va chạm với thiết bị cần rửa Hình 5.1: Kết tẩy rửa BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 53 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI  Đưa tay vào bể rửa có tương bị giật điện (hiện tượng bình thường cho tay vào bể rửa siêu âm)  Biến tử siêu âm kêu to tẩy rửa số thiết bị, vật bẩn  Bỏ vật cần tẩy rửa vào có tượng khuếch tán bụi bẩn xung quanh  Mạch công suất chưa đạt đủ cơng suất hoạt động ổn định tẩy rửa BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 54 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Trong q trình thực mạch gặp nhiều khó khắn thiếu kiến thức nhân lực Nhưng em cố gắng, nỗ lực để hoàn thành yêu cầu máy rửa siêu âm Kết quả:  Thiết kế thi cơng lập trình mạch điều khiển tạo xung điều khiển kích cho mosfet hoạt động ổn định  Thiết kế thi công mạch công suất từ lý thuyết  Thiết kế tính tốn nguồn phù hợp với mạch công suất  Thiết kế thi công biến áp xung  Lập trình phần mềm dead time  Cơng suất tẩy rửa tổng hệ thống đo 35 -40W Hệ thống có cơng suất chưa với tính tốn thiết kế ban đầu thời gian khả hạn chế Chưa có cơng cụ hỗ trợ tốt suốt q trình làm đồ án Mơ hình theo em thấy đạt kết tương đối khả quan Áp dụng kiến thức vào thực tế 6.2 Hướng phát triển đề tài Sau làm xong đồ án máy rửa siêu âm em thấy cần cải tiến nhiều trở thành sản phẩm có tính kinh tế cao Hướng cải tiến phát triển sau  Cải tiến cách quấn biến áp điện áp tốt  Cải tiến mạch điều khiển lập trình PWM với Dead- time  Không cần cách ly mạch điều khiển mạch cơng suất, cần tính tốn ảnh hưởng điện áp cao đến PIC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 55 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI  Thiết kế tính tốn xác bể rửa, bề dày bể rửa, phương pháp tối ưu gắn biến tử vào bể rửa  Thử nghiệm, đánh giá ảnh hưởng cửa nhiệt độ hóa chất đến khả tẩy rửa  Lựa chọn linh kiện thành phần cấu thành bể rửa rẻ để đưa vào sản xuất  Thiết kế máy rửa siêu âm nhúng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 56 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hà A Thồi, Bài giảng Kỹ thuật siêu âm Tài liệu lưu hành nội Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM [2] Mai Xuân Sỹ, Thiết kế chế tạo máy rửa siêu âm Việt Nam 28/09/2009 [3] Nguyễn Vũ Trường, Ứng dụng chất hoạt động bề mặt sản phẩm tẩy rửa Đại học Cần Thơ [4] [5] datasheet PIC16F887 Bilal Malik, Ferrite transformer turns calculation with example http://microcontrollerslab.com/ [6] Sư PGS.TS Hoàng Ngọc Văn Giáo trình điện tử cơng suất Trường Đại học phạm Kỹ thuật TP.HCM [7] Nguyễn Phú Quý, Huỳnh Nguyên Trà, đồ án tốt nghiệp, “thiết kế thi công máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm cho hộ gia đình” Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 7/2016 [8] Chankit Buasri and Anuwat Jangwanitlert, Comparison of Switching Strategies for an Ultrasonic Cleaner, Department of Electrical Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang [9]L Svilainis, G Motiejßnas, “Power amplifier for ultrasonic transducer excitation Signal processing department”, Kaunas University of Technology [10] F John Fuchs and William L Puskas, Application of Multiple Frequency Ultrasonics North Main St., Jamestown, NY 14701 6/2005 [11] Carl Blake and Chris Bull, IGBT or MOSFET: Choose Wisely, International Rectifier BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 57 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI PHỤ LỤC Chương trình: #include #fuses NOWDT, NOPROTECT, BROWNOUT, PUT, NOLVP ,INTRC_IO #use delay(clock = 4M) #define on PIN_A0 #define off PIN_A2 #define LEDSETUP PIN_E1 #define LEDRUN PIN_E0 #define GF1 PIN_B0 #define GF2 PIN_B1 unsigned int8 k,i,j,tt_on; VOID phim_on() { IF(!INPUT(on)) { DELAY_MS(20); { IF(!INPUT(on)) { tt_on=1; output_high(ledrun); output_low(ledsetup); DO{} WHILE(!INPUT(on)); } } } BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 58 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI } VOID phim_off() { IF(!INPUT(off)) { DELAY_MS(20); { IF(!INPUT(off)) { tt_on=0; output_low(ledrun); output_high(ledsetup); DO{} WHILE(!INPUT(off)); } } } } void pwm_dead_time40khz() { output_high(gf1); delay_us(6); output_low(gf1); delay_us(5); output_high(gf2); delay_us(6); output_low(gf2); delay_us(5); BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 59 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI } void main() { tt_on=0; set_tris_d(0x00); set_tris_b(0x00); set_tris_a(0xff); OUTPUT_D(0x00); OUTPUT_b(0x00); output_low(ledrun); output_high(ledsetup); while(true) { phim_on(); while(tt_on) { pwm_dead_time40khz(); pwm_dead_time40khz(); pwm_dead_time40khz(); pwm_dead_time40khz(); pwm_dead_time40khz(); pwm_dead_time40khz(); pwm_dead_time40khz(); pwm_dead_time40khz(); pwm_dead_time40khz(); pwm_dead_time40khz(); pwm_dead_time40khz(); pwm_dead_time40khz(); BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 60 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI pwm_dead_time40khz(); pwm_dead_time40khz(); delay_us(25); phim_off(); } } } BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 61 ... tử siêu âm tẩy rửa BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 28 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THI? ??T KẾ CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THI? ??T KẾ Sau tìm hiểu sở lý thuyết sóng siêu âm, cách tạo sóng siêu âm nguyên lý làm sóng siêu âm, ... ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tp HCM, ngày 10 tháng năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Hệ đào tạo: Khóa: I TÊN ĐỀ TÀI: THI? ??T KẾ VÀ THI CÔNG MÁY RỬA DÙNG SĨNG SIÊU ÂM TRONG. .. 26 2.9 Khảo sát máy rửa siêu âm biến tử siêu âm có thị trường .26 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THI? ??T KẾ 29 3.1 Thi? ??t kế sơ đồ khối hệ thống 29 3.2 Thi? ??t kế khối công suất