Đồ án tốt nghiệp: Mô hình máy cắt tự động theo kích thước đặt trước - Lương Ngọc Anh

Đồ án tốt nghiệp máy cắt tự động dùng Arduino UNO R3. Tài liệu hoàn chỉnh gồm thuyết minh, sơ đồ mạch và code cho sinh viên ngành kỹ thuật tham khảo.

• Tác giả: Lương Ngọc Anh
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Quốc Toản
• Trường học: Trường Đại Học Kinh Doanh & Công Nghệ Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện công nghiệp và dân dụng
• Đề tài: Mô Hình Máy Cắt Tự Động Theo Kích Thước Đặt Trước
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về đồ án máy cắt tự động dùng Arduino

Đồ án máy cắt tự động là một dự án nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển tự động sử dụng vi điều khiển Arduino UNO R3. Mô hình này được thiết kế để cắt vật liệu theo kích thước đặt trước một cách chính xác và an toàn. Dự án được thực hiện tại Trường Đại học Kinh doanh & Công nghệ Hà Nội, khoa Điện-Điện tử, nhằm ứng dụng công nghệ hiện đại vào sản xuất công nghiệp. Với sự phát triển của nền kinh tế số hóa, các giải pháp tự động hóa dùng vi điều khiển Arduino đã trở thành xu hướng chủ yếu trong các ngành sản xuất. Đồ án này không chỉ giúp giảm sức lao động mà còn nâng cao độ chính xác và hiệu suất làm việc của máy cắt.

1.1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đồ án máy cắt tự động có ý nghĩa khoa học sâu sắc trong việc ứng dụng vi điều khiển Arduino vào các hệ thống tự động hóa thực tế. Về mặt thực tiễn, mô hình này giúp giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhanh chóng nhu cầu của thị trường. Đây là bước đệm quan trọng để sinh viên hiểu rõ hơn về điều khiển tự động, cảm biến siêu âm và vi điều khiển ATmega328P.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu chính

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và xây dựng mô hình máy cắt tự động sử dụng Arduino UNO R3, có khả năng đo khoảng cách chính xác bằng cảm biến siêu âm HC-SR04 và điều khiển động cơ servo để thực hiện cắt vật liệu. Ngoài ra, dự án cũng nhằm tìm hiểu các loại máy cắt trên thị trường, phân tích thành phần máy và lập trình điều khiển hiệu quả bằng Arduino IDE.

II. Các thiết bị chính sử dụng trong mô hình máy cắt

Mô hình máy cắt tự động Arduino được xây dựng từ nhiều linh kiện điện tử và cơ khí chất lượng cao. Vi điều khiển Arduino UNO R3 (dòng chip ATmega328P) là trái tim của hệ thống, điều khiển toàn bộ quy trình hoạt động. Cảm biến siêu âm HC-SR04 được sử dụng để đo khoảng cách chính xác của vật liệu cần cắt. Động cơ SERVO SG90 điều khiển chuyển động của lưỡi cắt, còn mạch điều khiển động cơ L298N giúp khuếch đại tín hiệu để điều khiển động cơ. Ngoài ra, thanh trượt cung cấp chuyển động tuyến tính cho hệ thống, tạo nên một mô hình hoàn chỉnh và tự động hóa hiệu quả.

2.1. Vi điều khiển Arduino UNO R3 và lập trình

Arduino UNO R3 với chip ATmega328P là nền tảng lập trình mã nguồn mở. Arduino IDE cho phép lập trình bằng ngôn ngữ C/C++, hỗ trợ xây dựng hệ thống điều khiển linh hoạt. Board này có 14 chân digital và 6 chân analog, đủ để kết nối cảm biến, động cơ servo và các mô-đun khác. Tốc độ xử lý 16 MHz đảm bảo tính toán realtime cho các phép đo khoảng cách siêu âm.

2.2. Cảm biến siêu âm HC SR04 và đo khoảng cách

Cảm biến HC-SR04 phát sóng siêu âm để đo khoảng cách chính xác từ 2cm đến 4m. Phương pháp đo khoảng cách bằng sóng siêu âm dựa trên thời gian phản hồi của sóng âm. Arduino đọc cảm biến qua chân ECHO, tính toán thời gian để xác định khoảng cách vật liệu. Điều này cho phép máy cắt tự động cắt vật liệu đúng kích thước đặt trước mà không cần sự can thiệp thủ công.

2.3. Động cơ Servo SG90 và mạch điều khiển L298N

Động cơ SERVO SG90 cung cấp mô-men quay để kiểm soát lưỡi cắt với độ chính xác cao. Mạch L298N làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu PWM từ Arduino để điều khiển động cơ. Sự kết hợp này tạo nên hệ thống cơ-điện tích hợp hiệu quả, cho phép máy cắt hoạt động mượt mà và ổn định với tốc độ cắt có thể điều chỉnh.

III. Thiết kế mô hình máy cắt tự động Arduino

Thiết kế mô hình máy cắt bao gồm hai phần chính: phần cứng (Hardware) và phần mềm (Software). Phần cứng gồm khung cơ khí, hệ thống truyền động với thanh trượt, động cơ servo và lưỡi cắt. Phần mềm được lập trình trên Arduino IDE để đọc dữ liệu từ cảm biến siêu âm, xử lý thông tin và điều khiển động cơ tương ứng. Sơ đồ khối hệ thống cho thấy quy trình hoạt động: cảm biến phát hiện khoảng cách, Arduino xử lý tín hiệu, sau đó điều khiển động cơ servo cắt vật liệu. Mô hình thực tế được chế tạo từ các vật liệu dễ tiếp cận, tối ưu chi phí nhưng vẫn đảm bảo chất lượng hoạt động ổn định.

3.1. Sơ đồ khối và quy trình hoạt động hệ thống

Sơ đồ khối hệ thống mô tả luồng dữ liệu: Cảm biến HC-SR04 phát sóng siêu âm → nhận tín hiệu phản hồi → gửi dữ liệu đến Arduino UNO R3 → xử lý tính toán khoảng cách → so sánh với kích thước đặt trước → gửi tín hiệu PWM → mạch L298N khuếch đại → động cơ SERVO quay → thanh trượt di chuyển → lưỡi cắt hoạt động. Quy trình này lặp lại liên tục cho đến khi vật liệu được cắt đúng kích thước.

3.2. Các bố trí và kích thước thiết kế

Mô hình thực tế được thiết kế với kích thước tối ưu cho bàn làm việc, dễ vận hành và bảo trì. Thanh trượt được cố định chắc chắn để đảm bảo độ chính xác cắt. Cảm biến siêu âm được đặt ở vị trí phù hợp để phát hiện vật liệu chính xác. Động cơ servo được gắn trực tiếp trên cơ cấu lưỡi cắt để có phản ứng nhanh. Tất cả linh kiện được kết nối rõ ràng theo sơ đồ cho phép dễ dàng sửa chữa và nâng cấp.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn đồ án

Đồ án máy cắt tự động dùng Arduino là một dự án thành công trong việc ứng dụng công nghệ vi điều khiển vào sản xuất công nghiệp. Mô hình được xây dựng hoàn chỉnh với các thành phần hoạt động ổn định, đáp ứng được yêu cầu cắt vật liệu theo kích thước đặt trước với độ chính xác cao. Dự án này không chỉ hữu ích cho học tập mà còn có giá trị thực tiễn trong các xưởng nhỏ, sản xuất thủ công hoặc các ngành công nghiệp nhỏ lẻ. Kinh nghiệm từ đồ án giúp sinh viên nắm vững lập trình Arduino, hiểu biết sâu hơn về cảm biến siêu âm, điều khiển động cơ và tự động hóa hệ thống. Trong tương lai, mô hình này có thể mở rộng để cắt các vật liệu khác nhau, tích hợp nhiều cảm biến khác hoặc nâng cao độ tự động hóa.

4.1. Những thành tựu đạt được từ đồ án

Đồ án máy cắt tự động đã hoàn thành đầy đủ các yêu cầu ban đầu: thiết kế thành công mô hình máy cắt sử dụng Arduino UNO R3, lập trình hệ thống điều khiển hiệu quả, xây dựng phần cứng hoạt động ổn định. Mô hình cắt vật liệu chính xác theo kích thước đặt trước nhờ cảm biến siêu âm chính xác. Sinh viên đã nắm vững kiến thức về vi điều khiển, lập trình Arduino IDE, nguyên lý hoạt động cảm biến và điều khiển động cơ servo, tạo nền tảng vững chắc cho sự nghiệp kỹ sư điện.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng trong tương lai

Mô hình máy cắt tự động có thể phát triển thêm bằng cách tích hợp cảm biến nhiều loại khác, mở rộng khả năng cắt nhiều vật liệu (gỗ, nhựa, kim loại). Có thể nâng cấp hệ thống bằng động cơ bước để tăng lực cắt, hoặc kết nối Bluetooth/WiFi để điều khiển từ ứng dụng di động. Trong công nghiệp, mô hình này là nền tảng để phát triển máy cắt công nghiệp với dây chuyền sản xuất tự động, giảm chi phí và nâng cao hiệu suất sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu các loại máy cắt Chúng ta đã bước sang thế kỷ XXI thế kỷ của khoa học kỹ thuật hiện đại. Các thành tựu của khoa học kỹ thuật được áp dụng vào mọi mặt của cuộc sống. Điều này cũng được phản ánh một cách rõ ràng trong lĩnh vực lao động sản xuất.

Ngày trước khi khoa học kỹ thuật vẫn còn lạc hậu thì lao động chân tay của con người chiếm một vị trí chủ đạo. Qua thời gian khi xã hội ngày càng phát triển nhu cầu của con người ngày càng cao không chỉ về số lượng mà còn cả chất lượng thì điều đó không còn thiết thực nữa. Lao động chân tay dần dần được thay thế bằng máy móc. Điều này có một ý nghĩa vô cùng quan trọng không chỉ giải phóng sức lao động mà còn nâng cao năng suất cũng như chất lượng của các sản phẩm làm ra.

Đặc biệt là trong các ngành công nghiệp nặng nhọc và độc hai. Trong thời buổi kinh tế thị trường như hiện nay thì việc tự động hoá quá trình sản xuất trở thành một yếu tố sống còn của các doanh nghiệp. Sự thành công hay thất bại của một doanh nghiệp phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó chất lượng sản phẩm và giá thành là hai yếu tố cơ bản nhất. Mà hai yếu tố này lại được quyết định trực tiếp bởi yếu tố công nghệ và khả năng tự động hoá của doanh nghiệp.

Một khi sản phẩm được sản xuất một cách tự động hoá thì tính ổn định và chất lượng cũng như năng suất của sản phẩm sẽ tăng từ đó sẽ giảm được giá thành nâng cao khả năng cạnh tranh. Ngày nay, ở bất cứ nơi đâu không chỉ trong các nhà máy xí nghiệp mà trong cả đời sống sinh hoạt chúng ta có thể thấy sự hiện hữu của máy móc khắp nơi. Tuy nhiên nhu cầu của con người là vô hạn và nó phát sinh trong những hoàn cảnh nhất định. Do đó máy móc chỉ có thể đáp ứng được nhu cầu của con người trong một giai đoạn nhất định nào đó.

Nhưng không vì vậy mà con người bớt đi sự tìm tòi sáng tạo. Mà ngược lại việc này còn được hưởng ứng một cách rộng rãi không phân biệt giai cấp. Có thể là trí thức, học sinh- sinh viên và thậm chí là người lao động. 2 Trong cuộc sống cũng như sản xuất, khi muốn tạo ra một sản phẩm hoàn chỉnh cần thông qua các quá trình mài rũa cắt gọt cho phù hợp nhất.

Để nói đến công đoạn cắt thì chúng ta có thể sử dụng nhiều loại máy cắt khác nhau sao cho phù hợp với sản phẩm mà chúng ta thực hiện. Máy cắt là thiết bị dùng để cắt theo nguyên lí tách đứt đầu đuôi hoặc cắt chia đoạn phôi ban đầu, vật cán hoặc thành phẩm cán. 1 Máy cắt Dựa theo loại hình vật liệu cắt được chia ra: máy cắt tấm (lá), máy cắt sản phẩm hình, máy cắt ống, vv… Dựa vào kết cấu máy, có thể chia: - Máy cắt với các lưỡi cắt song song: thường dùng để cắt kim loại mặt cắt vuông, chữ nhật, tròn sau khi cán trên các hệ thống máy cán phá, cán phôi, cán hình. 2 Máy cắt với các lưỡi cắt song song - Máy cắt kiểu chém: có một lưỡi cắt đặt song song mặt phẳng nằm ngang, còn lưỡi cắt khác nằm nghiêng một góc 2 – 6 độ, nhờ độ nghiêng này mà lực cắt giảm.

3 Máy cắt kiểu chém 4 - Máy cắt đĩa: các lưỡi cắt là những đĩa quay tròn dùng để cắt mép (các mặt bên) của thép cuộn, dải và để cắt phá các cuộn kim loại nghĩa là cắt dọc theo chiều dài cuộn. 4 Máy cắt đĩa Dựa vào các ứng dụng có thể phân loại như sau: - Máy cắt góc: được sử dụng cho việc cắt góc các loại vật liệu đặc biệt là với nhôm, gỗ,. Máy cắt góc thường có tốc độ không tải khá cao nên tốc độ cắt góc luôn chính xác đến từng milimet, đảm bảo tính thẩm mĩ cho các sản phẩm. 5 Máy cắt góc 5 - Máy cắt kim loại: dòng máy cắt này được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp, cơ khí, chế tạo, xây dựng.

Như tên gọi, máy dùng chủ yếu để cắt kim loại mà không làm ảnh hưởng các vùng xung quanh vùng cắt. 6 Máy cắt kim loại - Máy cắt gạch: Bạn chắc sẽ không còn xa lạ đến loại máy này, bởi vì nó là một dụng cụ không thể thiếu trong ngành xây dựng, máy cắt gạch sẽ giúp bạn có những viên gạch được cắt dũa theo một kích thước mà bạn mong muốn cực kì dễ dàng mà không làm hỏng gạch và đảm bảo yếu tố thẩm mỹ. 7 Máy cắt gạch 6 - Như vậy, có thể nói máy cắt được sử dụng rất phổ biến trong hoạt động sản xuất và nhu cầu tự động hoá cho máy cắt là rất cấp thiết. - Do đặc trưng của ngành nghề học tập cũng như yêu cầu của xã hội thì đồ án tốt nghiệp của sinh viên có quan hệ mật thiết với những điều nêu trên.

Và từ đó chúng em đã chọn đề tài “MÔ HÌNH MÁY CẮT TỰ ĐỘNG THEO KÍCH THƯỚC ĐẶT TRƯỚC. Mô tả nguyên tắc hoạt động của mô hình - Trong mô hình này sử dụng một lưỡi cắt gắn với động cơ cắt, chúng ta có thể chọn khoảng cách bằng các nút ấn trên bảng điều khiển. - Cụm lưỡi cắt động cơ này có thể tự động trượt theo thanh trượt đến vị trí đặt trước để cắt theo độ dài mong muốn. + Nút RIGHT là nút để tăng số cm chúng ta cần di chuyển máy cắt tới + Nút LEFT là nút để giảm số cm chúng ta cần di chuyển máy cắt tới - Sau khi chọn khoảng cách cần chọn thì chúng ta nhấn nút SELECT, động cơ sẽ đưa máy cắt tới nơi lựa chọn và động cơ sever sẽ hạ máy xuống và cắt.

- Nút Up trên bảng điều khiển có chứng năng khởi động động cơ sever để hạ máy cắt xuống tại điểm máy cắt đang đứng. - Nút RST để xoá số cm hiện tại trên mặt điều khiển và quay lại số cm ban đầu là 5cm và khi ấn nút SELECT động cơ sẽ đưa máy cắt về 5cm ( giúp chúng ta không cần ấn nút giảm cm nhiều lần ) Cảm biến sẽ đo khoảng cách chiều dài cần cắt, sau đó thanh trượt sẽ đưa động cơ servo đến vị trí cần cắt servo hạ lưỡi cắt xuống và cắt vật cần cắt. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Như đã nói ở trên thì công trình nghiên cứu này thật sự mang tính cấp thiết cao, nếu thành công như mong đợi thì đó sẽ giúp phương pháp giảng dạy 7 mới thành công hơn trong nền giáo dục, mà còn mang lại một một vốn hiểu biết rộng cho người nghiên cứu. - Tạo điều kiện, tiền đề cho người nghiên cứu có thể phát triển các kỹ năng, kiến thức của mình và ứng dụng chúng vào thực tiễn.

Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Củng cố kiến thức đã học, thu thập các kiến thức thực tiễn trong quá trình làm. - Tìm ra được nguyên lý hoạt động của các cảm biến trong mô hình máy cắt. - Tính toán được các thông số, yêu cầu kỹ thuật. - Chế tạo được mô hình để kiểm nghiệm nguyên lý của cảm biến siêu âm trong mô hình máy cắt.

- Có được định hướng phát triển phương pháp giảng dạy mới trong nền giáo dục. 8 CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH 2. Lựa chọn vi điều khiển a) Các loại vi điều khiển có mặt trên thị trường hiện nay Hiện nay trên thị trường có vô vàn các dòng họ vi điều khiển khác nhau và phục vụ với những mục đích khác nhau, tuy nhiên ta có thể kể đến một số dòng nổi tiếng đã được thế giới đón nhận và sử dụng như dòng vi điều khiển 8051 của Intel, PIC của Microchip hay ARM. Mỗi dòng vi điều khiển đều có ưu và nhược điểm riêng đã được liệt kê trong bảng Bảng 2.

1 Bảng so sánh các dòng chip ARM AVR 8051 PIC Băng thông 32 bit 8/32 bit 8 bit 8/16/32 bit UART, USART, SPI, SPI, I2C, UART, I2C, LIN, CAN, USB, UART, USART, SPI, Giao thức CAN, USB, UART, USART, SPI, I2C, LIN, truyền thông Ethernet, USART, I2C CAN, DSP, SAI, Ethernet Ethernet IrDA 12 Tốc độ 1 cycle/clock 1 cycle/clock 4 cycle/clock cycle/clock SDRAM, SRAM, ROM, SRAM, Bộ nhớ FLASH, FLASH, SRAM, FLASH EEPROM EEPROM FLASH Kiến trúc RISC RISC CISC RISC tập lệnh Kiến trúc bộ Kiến trúc Kiến trúc Kiến trúc nhớ Harvard được Đã sửa đổi Von Harvard sửa đổi Neumann Điện năng Thấp Thấp Cao Thấp 9 tiêu thụ Tiny, PIC16, Atmega, Dòng sản ARM v4, 5, PIC17, Xmega, mục 8051 phẩm 6, 7 PIC18, đích đặc biệt PIC24, PIC32 AVR Số cổng IO Nhiều Nhiều Không nhiều Nhiều NXP, Atmel, Apple, Silicon Labs, Nhà cung Nvidia, Microchip Atmel Dallas, cấp Qualcomm, Average Cyprus, TI…. Infineon,… Giá Cao Trung bình Rất thấp Cao LPC2148, Atmega8, 16, Vi điều ARM Cortex PIC18Fxx8, 32, Cộng AT89C51, khiển phổ – M0 tới PIC16f88X, đồng P89v51,… biến ARM Cortex- PIC32MXX Arduino,… M7… Ở đây ta có thể thấy được ARM và PIC là có đặc điểm tính chất về tốc độ và khả năng nâng cấp hơn 2 dòng vi điều khiển còn lại là AVR và 8051, tuy nhiên 2 dòng chip ARM và PIC trên lại có một số đặc điểm yếu thế hơn so với 2 dòng còn lại có thể kể đến như: - Khó khăn hơn trong việc lập trình vì có quá nhiều tính năng, vì thể khó triển khai trong các dự án hơn - Gía thành cao, khó kiếm trên thị trường Tiếp đến giữa 2 dòng vi điều khiển còn lại là AVR và 8051 thì ta có thể thấy được ngay 2 dòng vi điều khiển này đều có những ưu điểm để áp dụng vào đồ án này, tuy nhiên giữa 2 dòng vi điều khiển này thì ta có thể thấy ngay được rằng dòng vi điều khiển 8051 có 3 nhược điểm cố hữu mà dòng vi điều khiển AVR đã khắc phục được đó là: 10 - Điện năng tiêu thụ của dòng 8051 cao hơn so với AVR - Tốc độ thực thi của 8051 cũng chậm hơn so với AVR - Khả năng nâng cấp và các tính năng khác của 8051 cũng kém hơn so với AVR Và yếu điểm nhất của dòng 8051 so với dòng AVR cũng chính là việc tiêu thụ năng lượng nhiều hơn, vì vậy đối với đồ án mạch chống trộm này việc một chiếc vi điều khiển tiêu thụ năng lượng cao như vậy sẽ không thích hợp vì nguồn điện từ xe cũng chỉ có từ ắc quy – việc tiêu thụ năng lượng cao vậy sẽ làm giảm khả năng theo dõi và bảo vệ xe trong thời gian dài.