3.1.1. Thiết kế phần cơ khí :
Phần cơ khí bao gồm các chi tiết sau:
+ Bánh xe chạy trên băng có đƣờng kính φ = 120 mm, góc bo lƣợn R=3, có khối lƣợng nặng và bề mặt nhám để đảm bảo trong quá trình vận hành bánh xe luôn luôn bám mặt băng , không bị trƣợt trong quá trình chạy.
+ Bộ phận gá: Dùng để cố định vị trí bánh xe.
Phụ lục 01: bản vẽ kỹ thuật bộ phận bánh xe. Phụ lục 02: bản vẽ kỹ thuật bộ phận gá lắp.
Mô hình 3D phần cơ khí:
29
3.1.2. Thiết kế phần điện :
Mô tả: Thiết bị đo dịch chuyển băng tải sử dụng vi điều khiển Atmega32A. Sau quá trình thiết lập thành công, thiết bị ở chế độ hoạt động bình thƣờng, mặc nhiên thiết bị đƣợc xác định đã sẵn sàng cho quá trình đo. Tín hiệu bắt đầu – gọi tắt là tín hiệu “Start” - sẽ khởi động quá trình đo khi có vật liệu từ ( ở đây là điểm gá bằng kim loại lên bề mặt băng tải) và tín hiệu kết thúc quá trình đo – gọi tắt là tín hiệu “Stop”- khi cảm biến tiệm cận phát hiện vật liệu từ đi qua lần thứ (n vòng băng* k điểm từ/vòng + 1). Màn hình LCD hiển thị chiều dài dịch chuyển băng tải đo đƣợc trong số nguyên n lần vòng băng, thời gian chạy hết n vòng băng. Mỗi khi có tín hiệu “Start” và “Stop”, MCU sẽ gửi 1 bản tin truyền tới thiết bị chụp ảnh màn hình có nội dung là 2 mã ký tự ACSII “@@” để điều khiển ra lệnh chụp ảnh.
Hình 3. 2 Sơ đồ khối thiết bị đo dịch chuyển băng tải
MCU (Atmega32A) Encoder Cảm biến tiệm cận Màn hình hiển thị Khối nguồn Khối truyền tin không dây
D-mi32
Bàn phím Khối RTC
30
3.1. 2.1. Thiết kế phần điện các khối chứng năng:
a) Khối nguồn:
Cung cấp nguồn điện cho mạch đo, điện áp đầu vào khối nguồn 9-24V DC.
Hình 3. 3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn b) Cảm biến tiệm cận và encoder:
- Cảm biến tiện cận:
Cảm biến tiệm cận sử dụng trong nghiên cứu là của hãng Haityoung Nux – Korea. Điểm đánh dấu trên băng tải là kim loại (dao lam).
- Encoder :
Encoder đƣa về thông tin các phase A,B,Z từ đó tính toán đƣợc chiều dài dịch chuyển băng tải và vận tốc băng tải. Dựa vào thông tin phase A, phase B ta biết đƣợc encoder đang quay thuận hay quay nghịch. Việc lắp đặt thiết bị đo và chiều chạy của băng tải sẽ quy định chiều quay thuận hay quay nghịch là chiều quay chính, khi đó chiều quay ngƣợc lại với chiều quay chính sẽ không đƣợc phép để đảm bảo băng tải không có hiện tƣợng chạy giật lùi trong vận hành. Chẳng hạn : nếu vị trí lắp đặt và chiều chạy của băng tải sẽ làm chiều quay nghịch là chiều quay chính, khi đó chiều quay thuận là không cho phép, ta sẽ kiểm tra phase A phải luôn chậm pha so với phase B (quay nghịch). Phase Z chỉ sử dụng trong hiệu chỉnh /kiểm tra thông số encoder.
31
Hình 3. 4 Sơ đồ chân kết nối cảm biến từ và encoder với Vi điều khiển c) Màn hình hiển thị:
Sơ đồ kết nối phần cứng màn hình LCD
32
d) Khối vi điều khiển Atmega 32
MCU Atmega32A có chức năng thu thập thông tin từ Cảm biến tiệm cận, encoder, bàn phím, từ đó hiển thị thông tin lên LCD và thực hiện các chức năng đo đƣợc lập trình.
Hình 3. 6 Sơ đồ kết nối MCU e) Khối truyền tin D-mi32:
Sử dụng module D-mi32 Hight power do Việt Nam sản xuất, module đƣợc thiết kế chế tạo bởi công ty điện tử Quế Dƣơng (Queduong Electronic) webstite: rfvn.tk .
Theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất đƣa ra module có thể truyền tin không dây trong điều kiện thông thoáng ít vật cản đƣợc 1,5 km nhƣng thực tế thử nghiệm chỉ đảm bảo truyền tin trong phạm vi 200m trong môi trƣờng nhiều vật cản và 800m trong điều kiện thông thoáng đâm xuyên qua 03-04 lớp tƣờng dân dụng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
33
f) Bàn phím:
Chức năng nhập dữ liệu và chọn chế độ hiển thị
Hình 3. 7 Sơ đồ nguyên lý khối bàn phím g) Khối RTC:
Chức năng của khối RTC giúp tăng độ chính xác trong phép đo thời gian, khối này đƣợc hiệu chuẩn tại phòng đo lƣờng thời gian tần số - Viện đo lƣờng Việt Nam.
34
3.1.2.2 Thiết kế tổng quan phần điện thiết bị đo chiều dài dịch chuyển băng tải.
Chi tiết thiết kế mạch nguyên lý, mạch in, sơ đồ 3D
Hình3. 9 Sơ đồ nguyên lý mạch điện thiết bị đo chiều dài dịch chuyển băng tải
(chi tiết xem phụ lục 03)
35
Hình 3. 11 Sơ đồ 3D mạch điện thiết bị đo chiều dài dịch chuyển băng tải.(Top layer)
36
3.2. Thiết kế phần cứng thiết bị chụp hình màn hình chỉ thị:
Thiết bị chụp hình màn hình chỉ thị có nhiệm vụ nhận lệnh chụp ảnh từ thiết bị đo dịch chuyển băng tải thông qua truyền tin không dây sử dụng module D-mi32 , sóng mang RF 433Mhz, giao thức UART. Thiết bị kết nối với một module ASUHT3 chụp ảnh từ xa điện thoại , iphone, ipad … qua kết nối bluetooth. Module ASUHT3 giúp linh hoạt trong việc lựa chọn camera thiết bị cầm tay sử dụng chụp màn hình chỉ thị định lƣợng. Khi nhận đƣợc lệnh chụp từ thiết bị đo chiều dài dịch chuyển băng tải, thiết bị chụp hình sẽ đóng mở 1 port điều khiển giả lập quá trình ấn nút chụp ASUHT3.
Sơ đồ khối thiết bị chụp hình màn hình chỉ thị.
Hình 3. 12 Sơ đồ khối thiết bị chụp ảnh màn hình (sử dụng camera điện thoại)
Khối truyền tin D-mi32
MCU Atmega 32A – AU
Màn hình hiển thị ASUHT3
Phím chụp ảnh cho điện thoại.
37
Sơ đồ nguyên lý, sơ đồ mạch in của thiết bị chụp hình chỉ thị.
Hình 3. 13 Sơ đồ nguyên lý mạch điện thiết bị chụp hình chỉ thị
38
Hình 3. 14 Sơ đồ mạch in thiết bị chụp hình chỉ thị
39
CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN MỀM 4.1. Thiết kế hệ thống phần mềm thiết bị đo chiều dài dịch chuyển băng tải
Sơ đồ các khối chức năng hệ thống phần mềm thiết bị đo chiều dài dịch chuyển băng tải nhƣ sau:
Hình 4. 1 Sơ đồ khối chức năng phần mềm thiết bị đo chiều dài dịch chuyển băng tải (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Khối hiển thị LCD:
Hiển thị thông tin đo, thông tin cài đặt và thông tin hiệu chỉnh cụ thể nhƣ sau: + Chế độ hiển thị khi đo (Running) : (chỉ sử dụng đƣợc khi JUMP CAL không đƣợc nối)
Trong chế độ này, màn hình LCD sẽ hiển thị thông tin đo đƣợc : chiều dài dịch chuyển băng đã chạy, vận tốc lớn nhất, vận tốc nhỏ nhất của băng tải, vận tốc tức thời của băng tải đƣợc tính bằng cách tính quãng đƣờng băng tải chạy đƣợc trong khoảng thời gian Δt=0,5s.
Khối hiển thị LCD
Khối giao tiếp D-mi32 truyền tin không dây
Khối đo chiều dài dịch chuyển và vận tốc băng tải Khối chƣơng trình đọc và ghi EEPROM Khối chƣơng trình chính (main) Khối chƣơng trình giao tiếp phím bấm Khối chƣơng trình giao tiếp DS1307
40
+ Chế độ hiển thị khi kiểm tra (testing) (chỉ sử dụng đƣợc khi JUMP CAL không đƣợc nối)
Chế độ này sử dụng khi kiểm tra hoạt động của hệ thống cảm biến tiệm cận và đếm số điểm từ trên mặt băng tải (sử dụng trong việc cài đặt, thiết lập trƣớc khi chạy ). Trong chế độ này màn hình sẽ chỉ hiển thị chiều dài dịch chuyển băng đã chạy và số điểm từ đếm đƣợc. Việc đầu tiên của kiểm định viên trƣớc khi chạy chế độ kiểm tra là đánh dấu bằng bút xóa lên mặt băng 01 điểm dễ nhìn dễ quan sát, cho băng chạy 02 vòng tính từ điểm đánh dấu trên mặt băng và dừng quá trình kiểm tra đếm số điểm từ bắt đƣợc, tính toán ngƣợc lại số điểm từ trên mặt băng sử dụng cho quá trình cài đặt.
+ Chế độ hiển thị khi Setting 2
Chế độ này hoạt động khi jump CAL đƣợc nối ngắn mạch (chập 02 chân trên Jump CAL – Calibration) để vào chế độ hiệu chỉnh. Màn hình LCD hiện thị 04 thông số cần hiệu chỉnh là :
o Diameter (đƣờng kính bánh xe) : Khi vào mục hiệu chỉnh thông số đo đƣờng kính bánh xe, màn hình hiển thị đƣờng kính dạng “d = 120,001 mm”, sử dụng các phím mũi tên lên và sang trái để chọn kí tự và tăng giảm , quá trình hiệu chỉnh thông số sẽ kết thúc khi nhấn phím Enter, thông số thay đổi đƣợc lƣu lại EEPROM.
o PPR (Số xung encoder trong 1 vòng):
Trong chế độ này, màn hình chỉ thị chỉ hiển thị dang “ppr= 1000”, sử dụng các phím mũi tên lên và sang trái để chọn kí tự và tăng giảm , quá trình hiệu chỉnh thông số sẽ kết thúc khi nhấn phím Enter, thông số thay đổi đƣợc lƣu lại EEPROM.
+ Chế độ hiển thị khi cài đặt (Setting): (chỉ sử dụng đƣợc khi JUMP CAL không đƣợc nối)
Màn hình chỉ thị hiển thị 02 thông tin : o Số vòng băng thiết lập:
41
Việc thiết lập số vòng băng sẽ mặc định cài đặt quá trình đo sẽ diễn ra trong n vòng băng theo kinh nghiệm của kiểm định viên, quá trình đo sẽ chỉ cập nhật giá trị đo trong chế độ đo (running) trong số nguyên n lần vòng băng.
o Số điểm từ trên mặt băng:
Từ kết quả thu đƣợc trong phần kiểm tra, nhập lại thông số “so_diem_tu” bằng bàn phím và nhấn enter để lƣu lại giá trị thiết lập vào EEPROM
42
Hình 4. 2 Sơ đồ cây hiển thị LCD
LCD Setting 2 Testing Setting Running Diameter PPR So_diem_tu Chiều dài dịch chuyển băng (L) So_vong_bang So_diem_tu Chiều dài dịch chuyển băng tải Vận tốc đo: vận tốc tức thời, vận tốc lớn nhất, vận tốc nhỏ nhất Số điểm từ đã bắt đƣợc
43 o Khối chƣơng trình đọc và ghi EEPROM:
Khối chức năng có nhiệm vụ đọc và ghi vào bộ nhớ EEPROM các thông số : đƣờng kính bánh xe d, số xung/vòng của encoder (ppr), số vòng băng thiết lập và số điểm từ thiết lập.
Bộ nhớ EEPROM có không gian nhớ 1024 byte, trong đó thông số đƣờng kính bánh xe d sử dụng 04 byte từ địa chỉ ô nhớ 0x05 tới 0x08; thông số ppr sử dụng 2byte bộ nhớ từ địa chỉ 0x09 đến 0x0A; thông số số vòng băng sử dụng 02 byte bộ nhớ tại địa chỉ 0x01 và 0x02; thông số số điểm từ sử dụng 02 byte bộ nhớ tại địa chỉ 0x03 và 0x04.
o Khối chƣơng trình giao tiếp DS1307:
Khối chức năng thiết lập cài đặt DS1307 hoạt động và chân xung ra SQW trên DS1307 tạo xung nhịp 4096Hz, sử dụng cho chân timer 1 16bit (T1) đếm xung định thời gian 0,5s.
o Khối chƣơng trình giao tiếp Dmi-32:
Khối chức năng giao tiếp UART giữa AVR với khối D-mi32. Khi nhận đƣợc tín hiệu “Start”,”Stop” – tín hiệu bắt đầu và kết thúc quá trình đo dịch chuyển băng tải, AVR lập tức gửi một mã lệnh “@@” tới thiết bị chụp ảnh màn hình với chức năng ra lệnh chụp hình. Lệnh chụp đƣợc gửi theo khung bản tin “U@@?” với byte „U‟ là byte start và byte „?‟ là byte stop mỗi khung bản tin. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
o Khối giao tiếp phím bấm:
Sử dụng phím bấm để nhập liệu, có 06 phím chức năng : phím Reset, phím CAL (hay jump CAL), phím MODE/MENU, phím UP, phím RIGHT, phím ENTER. Trong quá trình thiết lập, cài đặt, sửa thông số sử dụng phím UP, RIGHT để chọn và thay đổi chỉ số, phím ENTER để vào bƣớc tiếp theo hoặc lƣu lại giá trị thay đổi.
o Khối đo chiều dài dịch chuyển băng tải, vận tốc:
Chƣơng trình tính toán đo vận tốc, chiều dài dịch chuyển băng tải. Khi có tín hiệu “Start” bắt đầu quá trình đo, chƣơng trình thiết lập các biến về giá trị 0,
44
cứ sau mỗi khoảng thời gian Δt = 0,5s, các giá trị sẽ đƣợc cập nhật tính toán hiển thị lên LCD, quá trình cập nhật kết thúc khi AVR nhận đƣợc tín hiệu “Stop” kết thúc quá trình đo.
Chi tiết Code C viết cho mạch đo chiều dài dịch chuyển băng tải, vận tốc băng tải .(Kèm phụ lục 05).
4.2. Thiết kế hệ thống phần mềm thiết bị chụp ảnh màn hình chỉ thị
Sơ đồ các khối chức năng hệ thống phần mềm thiết bị chụp ảnh màn hình chỉ thị nhƣ sau:
Hình 4. 3 Sơ đồ khối chức năng phầm mềm thiết bị chụp ảnh màn hình chỉ thị
o Khối hiển thị LCD:
Màn hình LCD hiển thị “WATTING…” trong quá trình đợi lệnh chụp ảnh từ thiết bị đo chiều dài dịch chuyển băng tải. Khi nhận đƣợc tín hiệu chụp ảnh tƣơng ứng với hai thời điểm nhận “Start” và “Stop”, Màn LCD hiển thị lệnh nhận đƣợc “@@” và “chup”.
o Khối giao tiếp D-mi32 truyền tin không dây:
Khối chức năng giao tiếp UART giữa AVR với khối D-mi32. Nhận lệnh chụp ảnh màn hình định lƣợng có dạng “@@” – tín hiệu ra lệnh chụp hình đƣợc gửi từ thiết bị đo chiều dài dịch chuyển băng tải.
Khối chƣơng trình chính
(main) Khối hiển thị
LCD
Khối giao tiếp D-mi32 truyền
tin không dây
Khối phím chụp ảnh màn
45 o Khối chụp ảnh màn hình chỉ thị:
Chƣơng trình giao tiếp đóng mở PORTC.7, đóng mở Opto PC817, giả lập nút nhấn cho công tắc chụp ảnh thông qua giắc tai nghe cho smartphone.
46
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết quả :
47
Hình 5. 1 Những hình ảnh thực tế thiết bị đo chiều dài dịch chuyển băng tải
48
Hình 5. 2 Hình ảnh thực tế mạch điện thiết bị chụp ảnh màn hình định lƣợng.
49
50 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
o Hình ảnh thực tế thử nghiệm gá lắp tại hiện trƣờng:
Hình 5. 4 Hình ảnh lắp đặt ngoài hiện trƣờng 5.2. Ƣớc lƣợng độ không đảm bảo đo
5.2.1.Ƣớc lƣợng độ không đảm bảo đo phép đo dịch chuyển băng tải
Theo công thức tính toán dịch chuyển băng tải dựa trên số xung encoder đếm đƣợc trong quá trình đo nhƣ sau:
L = (5.1) Trong đó :
L : Chiều dài dịch chuyển của băng tải. (m) D: đƣờng kính bánh xe lăn. (m)
: Hằng số pi ≈ 3,1416
N: tổng số xung encoder đếm đƣợc trong quá trình đo. PPR: thông số số xung trên 1 vòng của encoder.
Do điều kiện sử dụng thực tế của thiết bị trong khoảng nhiệt độ từ (25±15)°C nên có sự thay đổi nhiệt độ là Δt =30 °C, vật liệu chế tạo bánh xe trong đề tài là thép hợp kim có hệ số giãn nở nhiệt là : α = 11. 10-6 /°C.
51
Các thành phần độ không đảm bảo đo ảnh hƣởng tới phép đo chiều dài dịch chuyển băng tải
o ĐKĐBĐ của phép đo đƣờng kính bánh xe.
+ ĐKĐBĐ của phép đo đƣờng kính bánh xe tại nhiệt độ 25°C. + ĐKĐBĐ do ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng.
o ĐKĐBĐ do làm tròn khi hiển thị kết quả đo chiều dài dịch chuyển băng tải L lên LCD.
- Độ không đảm bảo đo của phép đo đƣờng kính bánh xe tại nhiệt độ 25°C.
Thông số bánh xe đo chiều dài dịch chuyển băng tải theo GCN hiệu chuẩn do phòng đo lƣờng độ dài (Viện Đo Lƣờng Việt Nam) cấp: D = 122,19 mm, với UD = 0,012 mm (uD = 0,006 mm) tại nhiệt độ 25°C (xem phụ lục 07).
uD(%) = = .100%= 0,0049 % (5.2) - Độ không đảm bảo đo do ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng:
ut (%)= = 0,0095 % (5.3) o Độ không đảm bảo đo do làm tròn khi hiển thị kết quả đo chiều dài dịch
chuyển băng tải L lên LCD.
Do việc hiển thị lên màn hình LCD kết quả đo chiều dài đƣợc làm tròn nên gây ra ĐKĐBĐ do làm tròn đƣợc tính nhƣ sau:
= (m)
Trong thực tế chiều dài băng tải tối thiểu là Lmin=50 m, nên độ không đảm bảo đo tƣơng đối do làm tròn lớn nhất trong thực tế đƣợc tính :
- Độ không đảm bảo đo tổng hợp của phép đo dịch chuyển băng tải :