Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa, hiện đại hóa và tự động hóa các quy trình sản xuất công nghiệp, việc thay thế sức lao động thủ công của con người bằng các hệ thống máy móc tự động ngày càng trở nên thiết yếu. Tại các nhà máy và xưởng sản xuất, khâu phân loại sản phẩm đóng vai trò quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng, quy cách đóng gói và tối ưu hóa năng suất dây chuyền.

Theo tác giả trình bày, phương pháp phân loại cổ điển chủ yếu dựa vào quan sát bằng mắt thường và thao tác tay của công nhân với các công cụ đơn giản (khay, rổ chứa). Phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế lớn như tốc độ chậm, độ chính xác không cao, dễ xảy ra sai sót khi người lao động mệt mỏi và làm tăng chi phí nhân công trong các dây chuyền quy mô lớn. Để khắc phục vấn đề này, các dây chuyền hiện đại đã áp dụng cảm biến, vi xử lý và cơ cấu chấp hành tự động nhằm tăng tốc độ phân loại, nâng cao độ chính xác và giảm thiểu chi phí vận hành lâu dài.

Từ bối cảnh thực tiễn trên, tác giả Phạm Đức Quý thực hiện đề tài Đồ án chuyên ngành 2: "Thiết kế, chế tạo mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao" dưới sự hướng dẫn của giảng viên Đặng Văn Khanh tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên (năm 2024).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về các giải pháp phân loại sản phẩm tự động trong thực tế, so sánh ưu nhược điểm giữa giải pháp sử dụng cánh tay robot và hệ thống sử dụng xylanh khí nén kết hợp băng chuyền.
  2. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về các linh kiện trong hệ thống: cảm biến tiệm cận hồng ngoại, bộ cách ly quang PC817, vi điều khiển PIC16F877A, màn hình LCD 20x4, rơle, van điện từ 5/2, xylanh khí nén, động cơ giảm tốc băng tải và mạch nguồn ổn áp LM7812, LM7805.
  3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho 7 khối chức năng: Khối nguồn, khối cảm biến, khối cách ly, khối xử lý trung tâm, khối hiển thị, khối động lực và khối cơ cấu chấp hành.
  4. Thiết kế mạch in (PCB) bằng phần mềm Altium Designer, thi công chế tạo phần cứng, lắp ráp mô hình cơ khí băng tải và nạp chương trình điều khiển cho vi điều khiển PIC16F877A.
  5. Vận hành thử nghiệm mô hình thực tế để phân loại sản phẩm theo 3 mức chiều cao (cao, trung bình, thấp) và hiển thị số lượng sản phẩm lên màn hình LCD.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao gồm băng tải vận chuyển, cảm biến hồng ngoại phát hiện vật, vi điều khiển trung tâm PIC16F877A, mạch cách ly quang, van điện từ 5/2 và cơ cấu gạt bằng xylanh khí nén.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên; phân loại phôi sản phẩm theo 3 mức kích thước chiều cao cố định.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và thiết bị công nghệ

Tác giả xây dựng hệ thống dựa trên các nền tảng lý thuyết và linh kiện kỹ thuật phần cứng cụ thể:

  • Cảm biến tiệm cận hồng ngoại (IR Obstacle Avoidance Sensor): Hoạt động theo nguyên lý thu phát tia hồng ngoại không nhìn thấy. Khi gặp vật cản, tia hồng ngoại phản xạ về LED thu làm giảm nội trở, bộ so sánh kích hoạt ngõ ra logic mức thấp (0V). Khoảng cách làm việc hiệu quả từ 2 cm đến 5 cm (khoảng cách phát hiện tối đa đạt 30 cm).
  • Bộ cách ly quang (Optocoupler PC817): Cấu tạo gồm một LED phát hồng ngoại và một phototransistor tích hợp trong cùng vỏ đóng gói. Thiết bị được ứng dụng để ngăn cách điện áp giữa mạch công suất/tải 12VDC (cảm biến, cuộn dây van điện từ) và mạch điều khiển 5VDC của vi điều khiển, chống sốc điện áp và triệt tiêu nhiễu điện từ.
  • Vi điều khiển trung tâm PIC16F877A (Microchip): Vi điều khiển 8-bit kiến trúc RISC với tập lệnh gồm 35 lệnh độ dài 14-bit, tốc độ hoạt động tối đa 20 MHz (chu kỳ lệnh 200 ns). Chip trang bị bộ nhớ Flash chương trình 8K (8192 x 14-bit), RAM 368 bytes, EEPROM 256 bytes, 5 cổng xuất/nhập (Port A, B, C, D, E) với tổng cộng 33 chân I/O, tích hợp bộ chuyển đổi ADC 10-bit 8 kênh, bộ định thời Timer 0/1/2 và các chuẩn giao tiếp nối tiếp.
  • Màn hình hiển thị Text LCD 20x4: Màn hình tinh thể lỏng hiển thị 4 dòng, mỗi dòng 20 ký tự (tổng cộng 80 ký tự), hoạt động ở điện áp 5VDC, kích thước 80 x 36 x 12 mm, sử dụng chế độ giao tiếp 4-bit (chân D4 đến D7) để tiết kiệm tài nguyên chân I/O của vi điều khiển.
  • Cơ cấu chấp hành khí nén: Bao gồm van điện từ khí nén loại 5/2 (5 cửa, 2 vị trí: cửa P cấp khí, cửa A và B cấp ra xylanh, cửa R và S xả khí) và xylanh khí nén tác động tạo chuyển động tịnh tiến để gạt sản phẩm ra khỏi băng chuyền.
  • Hệ thống băng chuyền: Sử dụng dây đai băng tải PVC, khung nhôm định hình và động cơ giảm tốc nhằm hạ tốc độ quay từ khoảng 1400 vòng/phút của động cơ xuống mức 50–100 vòng/phút, tăng mô-men xoắn kéo tải và ổn định hành trình chuyển động.
  • Khối nguồn ổn áp: Biến áp hạ áp 220VAC xuống 24VAC, cầu nắn diode DB1 chuyển đổi sang 24VDC, kết hợp IC ổn áp tuyến tính LM7812 (tạo nguồn 12VDC) và LM7805 (tạo nguồn 5VDC) cùng hệ thống tụ lọc nhiễu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích – tổng hợp tài liệu: Khảo sát các giải pháp phân loại tự động hiện nay; nghiên cứu cấu tạo, thông số kỹ thuật và sơ đồ chân của vi điều khiển PIC16F877A, opto PC817, cảm biến hồng ngoại, van khí nén từ tài liệu chuyên ngành và datasheet.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế mạch: Tính toán thông số dòng điện, điện trở, công suất tiêu thụ của cuộn dây van điện từ; vẽ sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) trên phần mềm Altium Designer.
  • Phương pháp thực nghiệm – chế tạo mô hình: Thi công mạch in bằng phương pháp ăn mòn hóa học, gia công lắp ráp kết cấu cơ khí băng tải, gắn cảm biến và xylanh khí nén; lập trình nhúng bằng ngôn ngữ C cho vi điều khiển PIC; nạp code, chạy thử và hiệu chỉnh độ trễ cơ cấu chấp hành.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm các thông số kỹ thuật từ datasheet của nhà sản xuất chip/linh kiện (Microchip, STMicroelectronics), giáo trình vi điều khiển, tài liệu khí nén thủy lực và các kết quả đo đạc thực nghiệm trên mô hình băng tải thực tế.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc tổng quan 7 khối chức năng

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được thiết kế thành 7 khối chức năng có mối liên kết chặt chẽ:

STT Tên khối chức năng Linh kiện và thiết bị chính Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
1 Khối nguồn Biến áp 220VAC/24VAC, cầu diode DB1, LM7812, LM7805, tụ lọc (1000µF, 10µF, 0.1µF) Cung cấp nguồn 12VDC cho cảm biến, van điện từ, động cơ; cung cấp nguồn 5VDC cho PIC16F877A và LCD.
2 Khối cảm biến 3 cảm biến hồng ngoại NPN (HD1, HD2, HD3) Thu phát tín hiệu quang phát hiện vật; gửi tín hiệu mức thấp (0V) khi có sản phẩm đi qua vị trí đặt cảm biến.
3 Khối cách ly Optocoupler PC817, điện trở hạn dòng Cách ly quang giữa tín hiệu cảm biến 12V vào vi điều khiển 5V, và giữa tín hiệu điều khiển ra với cuộn hút rơle 12V.
4 Khối xử lý trung tâm Vi điều khiển PIC16F877A, thạch anh 12MHz, 2 tụ 22pF, nút reset Nhận tín hiệu cảm biến từ Port D, xử lý thuật toán đếm/phân loại, xuất lệnh điều khiển ra Port C và dữ liệu ra LCD.
5 Khối hiển thị Màn hình LCD 20x4 Hiển thị tên đề tài ("PLSP THEO CHIEU CAO") và tổng số lượng sản phẩm phân loại theo từng nhóm.
6 Khối động lực Động cơ giảm tốc (50–100 vòng/phút), băng tải PVC Dẫn động băng chuyền đưa sản phẩm di chuyển liên tục qua các vị trí cảm biến và vị trí gạt của xylanh.
7 Khối cơ cấu chấp hành Transistor C1815, rơle 12VDC 5 chân, diode bảo vệ (D1, D2), 2 van điện từ 5/2, 2 xylanh khí nén Kích hoạt đóng mở van khí nén khi có lệnh từ vi điều khiển, đẩy piston xylanh để gạt sản phẩm vào khay chứa.

Tính toán thông số kỹ thuật và thiết kế mạch

  • Khối nguồn: Mạch sử dụng nguồn kép. Tín hiệu vào 24VAC qua cầu chỉnh lưu DB1 biến đổi thành 24VDC, lọc qua tụ C1, C3. IC ổn áp LM7812 hạ áp xuống 12VDC (lọc qua tụ C2, C4). Nguồn 12VDC tiếp tục đưa vào IC ổn áp LM7805 hạ áp xuống 5VDC (lọc qua C5 = 1000µF, C6 = 0.1µF, C7 = 10µF), tích hợp LED báo nguồn qua điện trở hạn dòng R14 (1kΩ).
  • Khối vi xử lý: Chân VDD (chân 11, 32) nối nguồn +5V; chân VSS (chân 12, 31) nối GND; mạch dao động thạch anh 12MHz nối chân 13 (OSC1) và chân 14 (OSC2) kèm 2 tụ gốm 22pF; chân 1 (MCLR) nối điện trở kéo lên 10kΩ (R10) và nút nhấn reset SW1 xuống GND.
  • Khối chấp hành và van điện từ:
    • Điện áp định mức cấp cho cuộn coil van điện từ: $V = 12,\text{VDC}$.
    • Điện trở cuộn dây van điện từ đo được: $R = 48,\Omega$.
    • Dòng điện tiêu thụ của cuộn dây: $$I = \frac{V}{R} = \frac{12}{48} = 0{,}25,\text{A}$$
    • Công suất tiêu thụ của cuộn dây: $$P = V \times I = 12 \times 0{,}25 = 3,\text{W}$$
    • Yêu cầu nguồn cấp 12VDC của toàn mạch phải có dòng điện định mức tối thiểu là $2,\text{A}$ để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định khi đồng thời cấp nguồn cho động cơ băng tải, cảm biến và 2 van điện từ.

Triển khai phần cứng và chế tạo mô hình

  • Mạch in PCB được vẽ layout trên phần mềm Altium Designer, tiến hành in film, ép nhiệt, ăn mòn hóa học và hàn các linh kiện: đế cắm IC PIC 40 chân, điện trở 1kΩ, 10kΩ, biến trở 10kΩ, rơle 12V 5 chân, transistor C1815, opto PC817, diode dập xung, tụ điện và các header kết nối.
  • Kết cấu cơ khí mô hình: Băng tải có kích thước chiều dài x chiều rộng là $60 \times 10,\text{cm}$, khung nhôm định hình, dây đai PVC.
  • Bố trí cảm biến: Cảm biến đếm tổng và các cảm biến phân loại chiều cao được gá đặt trên khung ở các độ cao cách mặt băng tải lần lượt là $2,\text{cm}$ và $5,\text{cm}$.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Chương 1 trình bày bối cảnh thực tiễn của công tác phân loại sản phẩm trong sản xuất công nghiệp, phân tích hai phương pháp phân loại cổ điển (thủ công bằng mắt) và hiện đại (sử dụng cảm biến quang, vi xử lý và cơ cấu đẩy tự động). Tác giả tiến hành so sánh chuyên sâu giữa hai giải pháp phân loại tự động phổ biến hiện nay: hệ thống sử dụng cánh tay Robot và hệ thống sử dụng xylanh khí nén.

Tiêu chí so sánh Cánh tay Robot Xylanh khí nén
Khả năng phân loại Linh hoạt, phân loại được nhiều mức chiều cao khác nhau (<10cm, 10-20cm, >20cm). Phân loại đơn giản, chủ yếu phù hợp với 2–3 mức chiều cao cố định.
Độ chính xác Rất cao, dễ kết hợp với hệ thống xử lý ảnh/camera. Mức độ chính xác trung bình, phụ thuộc vào vị trí đặt cảm biến.
Tốc độ phân loại Chậm hơn do động cơ servo phải quay và di chuyển qua nhiều trục (độ trễ cao). Tốc độ phân loại rất nhanh nhờ chuyển động tịnh tiến dứt khoát của piston.
Chi phí đầu tư Giá thành cao (động cơ servo, driver, bộ điều khiển phức tạp). Chi phí lắp đặt và vật tư thấp.
Bảo trì, sửa chữa Phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật cao cho các khớp quay và driver. Cấu trúc đơn giản, dễ sửa chữa và thay thế linh kiện.
Độ linh hoạt lập trình Dễ dàng lập trình lại khi thay đổi quy cách sản phẩm. Kém linh hoạt, khó điều chỉnh khi thay đổi nhiều kích cỡ sản phẩm.

Dựa trên bảng so sánh và các điều kiện thực tế về kinh phí, yêu cầu mô hình học tập, tác giả quyết định lựa chọn giải pháp xylanh khí nén kết hợp băng chuyền để chế tạo mô hình. Từ đó, tác giả thiết lập sơ đồ cấu trúc tổng thể gồm 7 khối chức năng: nguồn, cảm biến, cách ly, xử lý trung tâm, hiển thị, động lực và cơ cấu chấp hành.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 cung cấp toàn bộ cơ sở lý thuyết, cấu tạo, nguyên lý vận hành và thông số kỹ thuật của từng thiết bị trong mô hình:

  • Khối cảm biến: Trình bày chi tiết về cảm biến tiệm cận cảm ứng từ (Shielded và Un-Shielded), cảm biến điện dung và cảm biến tiệm cận hồng ngoại (IR LED phát và LED thu). Cảm biến hồng ngoại NPN có khoảng cách làm việc hiệu quả từ 2–5 cm, cho tín hiệu ra dạng số (0V khi có vật, 12V khi không có vật).
  • Khối cách ly quang (PC817): Phân tích sơ đồ 4 chân của PC817 (chân 1 Anode, chân 2 Cathode của LED; chân 3 Emitter, chân 4 Collector của phototransistor). Khi LED sáng, transistor dẫn bão hòa, kéo tín hiệu ngõ ra về mass.
  • Khối xử lý trung tâm: Phân tích so sánh giữa PLC công nghiệp (Siemens S7-1200, Mitsubishi, Rockwell...) và vi điều khiển. Tác giả lựa chọn vi điều khiển PIC16F877A của Microchip do giá thành rẻ, tích hợp sẵn nhiều ngoại vi, bộ nhớ Flash 8K x 14-bit, RAM 368 bytes, 5 cổng I/O (Port A: 6 chân, Port B: 8 chân, Port C: 8 chân, Port D: 8 chân, Port E: 3 chân). Tác giả phân tích cấu trúc các thanh ghi điều hướng dữ liệu TRISx và thanh ghi dữ liệu Portx.
  • Khối hiển thị (LCD 20x4): Trình bày sơ đồ 16 chân của Text LCD, cách thức cấu hình chế độ giao tiếp 4-bit (chỉ dùng các chân dữ liệu D4 đến D7, kết hợp chân RS, RW, E) để hiển thị các ký tự mã ASCII; giới thiệu các hàm giao tiếp LCD_init(), lcd_putc(), lcd_gotoxy().
  • Khối chấp hành:
    • Rơle 12VDC: Nguyên lý đóng mở tiếp điểm bằng nam châm điện cuộn hút 12VDC, yêu cầu mắc kèm diode dập xung ngược (flyback diode).
    • Van điện từ 5/2: Phân tích nguyên lý phân phối khí nén qua 5 cửa (P, A, B, R, S) bằng lực hút cuộn coil và lực đàn hồi lò xo.
    • Xylanh khí nén: Cấu tạo thân trụ, piston, thanh truyền lực và nguyên lý biến đổi áp năng khí nén thành động năng tịnh tiến.
    • Băng tải & Động cơ giảm tốc: Vai trò giảm tốc từ 1400 vòng/phút xuống 50–100 vòng/phút giúp tăng mô-men xoắn, chống trượt tải và vận chuyển sản phẩm êm dịu.
  • Khối nguồn: Nguyên lý biến áp cảm ứng từ Faraday hạ áp 220VAC về 24VAC; thông số kỹ thuật và sơ đồ chân của IC ổn áp LM7812 (ngõ vào 15–36VDC, ngõ ra +12VDC, dòng tải max 1.5A–3A) và IC ổn áp LM7805 (ngõ ra +5VDC, dòng tải max 1.5A).

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

Chương 3 đi sâu vào thiết kế chi tiết nguyên lý từng khối mạch, vẽ mạch in, lập trình thuật toán và lắp ráp mô hình thực tế:

  • Thiết kế nguyên lý các khối mạch:
    • Mạch cảm biến đầu vào: 3 cảm biến hồng ngoại nối vào các header HD1, HD2, HD3. Tín hiệu 12V qua trở hạn dòng kích LED của PC817 (U2, U3, U5), đầu ra kéo tín hiệu vào các chân RD0, RD1, RD2 của PIC16F877A về mức logic 0 (0V).
    • Mạch điều khiển chấp hành: Chân RC0 và RC1 của PIC xuất mức logic 1 (5V) qua bộ cách ly PC817, kích mở cực B của transistor C1815, làm kín mạch cuộn hút rơle 12VDC, đóng tiếp điểm cấp nguồn cho van điện từ 1 và van điện từ 2; hai diode D1, D2 mắc ngược song song cuộn dây để triệt tiêu sức điện động cảm ứng.
    • Mạch xử lý: PIC16F877A sử dụng thạch anh 12MHz, nối các chân điều khiển LCD (chân 33: E, chân 34: RS, chân 35: RW) và chân dữ liệu (chân 37 đến 40: D4 đến D7). Chân 19 (RD0), chân 20 (RD1), chân 21 (RD2) nhận tín hiệu cảm biến. Chân 15 (RC0), chân 16 (RC1) xuất lệnh điều khiển van.
    • Mạch nguồn: Mạch nguồn kép tích hợp cầu nắn DB1, IC LM7812 (xuất 12VDC) và IC LM7805 (xuất 5VDC), hệ thống tụ lọc nhiễu C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7 và LED báo nguồn.
  • Phân tích nguyên lý vận hành toàn hệ thống:
    1. Cấp nguồn 12VDC và 5VDC, động cơ kéo băng tải chạy liên tục.
    2. Khi đặt phôi lên băng tải đi qua cảm biến đếm tổng HD1: chân RD0 nhận tín hiệu mức 0, PIC16F877A ghi nhận một sản phẩm vào hệ thống, tăng biến đếm tổng và cập nhật lên màn hình LCD 20x4.
    3. Phân loại sản phẩm cao: Sản phẩm có chiều cao lớn sẽ che cảm biến cao HD2, chân RD1 kéo về mức 0. Vi điều khiển xử lý xuất tín hiệu mức 1 tại chân RC0, qua PC817 và C1815 kích rơle 1 đóng, van điện từ 1 cấp khí nén làm xylanh 1 đẩy ra gạt sản phẩm cao vào thùng chứa 1. Sau thời gian trễ $1,\text{s}$, chân RC0 kéo về mức 0, rơle nhả, van ngắt điện, xylanh 1 thu về vị trí ban đầu.
    4. Phân loại sản phẩm trung bình: Sản phẩm có chiều cao trung bình không che cảm biến HD2, tiếp tục di chuyển đến che cảm biến trung bình HD3. Chân RD2 bị kéo về mức 0, vi điều khiển xuất tín hiệu mức 1 tại chân RC1, kích rơle 2 đóng, van điện từ 2 cấp khí nén đẩy xylanh 2 gạt sản phẩm vào thùng chứa 2. Sau thời gian trễ $1,\text{s}$, chân RC1 về mức 0, xylanh 2 thu về.
    5. Phân loại sản phẩm thấp: Sản phẩm có chiều cao nhỏ hơn tầm quét của cả hai cảm biến HD2 và HD3 sẽ đi thẳng qua hết băng chuyền và rơi vào thùng thu gom sản phẩm thấp ở cuối băng tải.
  • Chế tạo và hoàn thiện mô hình: Thiết kế layout PCB trên Altium Designer; chế tạo khung băng tải kích thước $60 \times 10,\text{cm}$; lắp đặt 3 cảm biến tại các mốc cao $2,\text{cm}$ và $5,\text{cm}$; tính toán công suất cuộn dây van điện từ ($P = 3,\text{W}$, $I = 0{,}25,\text{A}$) và xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển chương trình.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng phân loại sản phẩm theo chiều cao với kích thước băng tải thực tế $60 \times 10,\text{cm}$ sử dụng nhôm định hình và dây đai PVC.
  • Xây dựng thành công mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC16F877A dao động thạch anh 12MHz, kết nối an toàn với cảm biến và tải công suất thông qua 2 khối mạch cách ly quang PC817 riêng biệt.
  • Hệ thống phân loại chính xác phôi sản phẩm thành 3 nhóm kích thước: sản phẩm cao (gạt bởi xylanh 1), sản phẩm trung bình (gạt bởi xylanh 2) và sản phẩm thấp (đi thẳng về cuối băng tải).
  • Cơ cấu chấp hành khí nén vận hành dứt khoát với thời gian trễ đóng/thu xylanh được lập trình chuẩn xác là $1,\text{s}$.
  • Hệ thống hiển thị trực quan thông tin số lượng sản phẩm phân loại lên màn hình Text LCD 20x4 ở chế độ 4-bit.
  • Mạch nguồn hoạt động ổn định, cung cấp đồng thời 12VDC (cho cảm biến, cuộn coil van $3,\text{W}/0{,}25,\text{A}$, động cơ) và 5VDC (cho vi điều khiển, LCD).

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng bộ cách ly quang PC817 cho toàn bộ các ngõ vào cảm biến 12V và ngõ ra kích rơle để bảo vệ tuyệt đối các chân I/O của vi điều khiển PIC khỏi nguy cơ quá áp và nhiễu xung điện từ do cuộn cảm gây ra.
  • Sử dụng diode dập xung (D1, D2) mắc song song ngược cực với cuộn hút rơle nhằm triệt tiêu dòng điện cảm ứng ngược khi ngắt điện, bảo vệ an toàn cho transistor C1815.
  • Lựa chọn chế độ giao tiếp 4-bit thay vì 8-bit trên LCD 20x4 nhằm tiết kiệm được 4 chân vi điều khiển cho các mục đích mở rộng ngoại vi khác.

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp một mô hình thực hành mẫu hoàn chỉnh từ khâu tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý, layout PCB trên Altium Designer đến thi công cơ khí và lập trình nhúng vi điều khiển.
  • Đưa ra giải pháp phân loại sản phẩm tự động có chi phí chế tạo thấp, cấu trúc mạch rõ ràng, độ tin cậy cao, phù hợp với điều kiện nghiên cứu và giảng dạy thực hành tại các trường kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Mô hình chỉ phân loại được sản phẩm dựa trên các mốc chiều cao cố định ($2,\text{cm}$, $5,\text{cm}$) do cảm biến được lắp đặt tại các vị trí cơ học cố định trên khung gá.
  • Hệ thống chưa có khả năng nhận diện các thuộc tính khác của sản phẩm như màu sắc, khối lượng, vật liệu (kim loại/phi kim) hoặc hình dạng hình học phức tạp.
  • Sử dụng hệ thống khí nén đòi hỏi nguồn cấp khí nén ngoài và tiềm ẩn nguy cơ sụt áp, rò rỉ khí làm giảm lực đẩy của xylanh nếu không được bảo trì thường xuyên.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng số lượng tầng cảm biến hoặc thay thế bằng cảm biến đo khoảng cách liên tục (cảm biến siêu âm, cảm biến laser) để phân loại được nhiều dải chiều cao linh hoạt hơn.
  • Tích hợp thêm các loại cảm biến khác (cảm biến màu sắc, cảm biến tiệm cận kim loại, cảm biến trọng lượng Loadcell) hoặc tích hợp camera thị giác máy tính (Computer Vision) để nhận dạng sản phẩm đa tiêu chí.
  • Nâng cấp bộ điều khiển trung tâm lên PLC công nghiệp hoặc vi điều khiển 32-bit (STM32, ARM) để kết nối mạng truyền thông công nghiệp (Modbus, Profinet) và giám sát hệ thống từ xa qua giao diện SCADA/IoT.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị ứng dụng và tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử, Công nghệ Kỹ thuật Tự động hóa, Cơ điện tử: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trực tiếp khi thực hiện đồ án môn học, đồ án chuyên ngành hoặc khóa luận tốt nghiệp về thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa nhúng.
  • Người thiết kế hệ thống mạch nhúng và điều khiển thiết bị: Tham khảo chi tiết thiết kế khối mạch cách ly quang sử dụng PC817 để ghép nối an toàn giữa vi điều khiển 5V với cảm biến công nghiệp và rơle 12V.
  • Người học lập trình vi điều khiển PIC: Tham khảo cách thiết lập cấu hình các Port nhập/xuất (Port A đến Port E), kỹ thuật giao tiếp màn hình LCD 20x4 ở chế độ 4-bit và thuật toán điều khiển cơ cấu chấp hành theo trình tự thời gian trễ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong mô hình này tác giả chọn giải pháp xylanh khí nén thay vì cánh tay robot?
Tác giả đã lập bảng so sánh chi tiết và chỉ ra rằng: cánh tay robot có chi phí đầu tư rất cao (servo motor, bộ điều khiển), tốc độ phân loại chậm do phải quay nhiều trục và bảo trì phức tạp; trong khi đó, xylanh khí nén có chi phí thấp, tốc độ đẩy/gạt nhanh, cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và hoàn toàn đáp ứng tốt yêu cầu phân loại theo 3 mức chiều cao cố định của đề tài.

2. Khối cách ly quang PC817 đóng vai trò gì trong sơ đồ nguyên lý của mạch điện?
Optocoupler PC817 đóng hai vai trò: (1) Cách ly điện áp ngõ vào 12V của cảm biến hồng ngoại NPN với điện áp định mức 5V của chân vi điều khiển PIC16F877A, tránh làm hỏng chip; (2) Cách ly tín hiệu ngõ ra điều khiển từ vi điều khiển với mạch kích cuộn hút rơle 12VDC, loại bỏ nhiễu điện từ và ngăn chặn các xung điện áp đột biến lan truyền trong hệ thống.

3. Vì sao phải sử dụng động cơ giảm tốc cho hệ thống băng tải?
Động cơ điện thông thường có tốc độ quay rất lớn (khoảng 1400 vòng/phút), không phù hợp để vận chuyển trực tiếp sản phẩm. Động cơ giảm tốc giúp hạ tốc độ quay trục băng tải xuống mức 50–100 vòng/phút, đồng thời làm tăng mô-men xoắn kéo tải, giúp băng chuyền vận hành êm, không rung lắc và tiết kiệm điện năng.

4. Thông số điện năng của van điện từ 5/2 trong mô hình được tính toán như thế nào?
Van điện từ sử dụng điện áp định mức $12,\text{VDC}$, điện trở cuộn dây đo được là $R = 48,\Omega$. Dòng điện tiêu thụ tính theo định luật Ohm là $I = 12 / 48 = 0{,}25,\text{A}$, và công suất tiêu thụ của cuộn dây là $P = 12 \times 0{,}25 = 3,\text{W}$. Để hệ thống hoạt động đồng thời các van, cảm biến và động cơ, tác giả yêu cầu nguồn cấp 12VDC phải đạt dòng tối thiểu là $2,\text{A}$.

5. Quy trình phân loại 3 loại sản phẩm (cao, trung bình, thấp) được thực hiện như thế nào?
Khi sản phẩm qua cảm biến đếm HD1, hệ thống tăng biến đếm tổng. Nếu là sản phẩm cao, cảm biến cao HD2 kích hoạt làm PIC xuất tín hiệu chân RC0 đóng rơle 1, van 1 cấp khí cho xylanh 1 đẩy sản phẩm vào thùng 1 (trễ 1s thu về). Nếu là sản phẩm trung bình, cảm biến HD2 không chạm nhưng cảm biến trung bình HD3 chạm, chân RC1 kích rơle 2 để xylanh 2 đẩy sản phẩm vào thùng 2 (trễ 1s thu về). Nếu là sản phẩm thấp (dưới tầm quét cả 2 cảm biến), sản phẩm đi thẳng đến cuối băng tải để vào thùng thu gom.

Kết luận

Đồ án chuyên ngành 2 của tác giả Phạm Đức Quý đã hoàn thành đầy đủ mục tiêu thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng vi điều khiển PIC16F877A kết hợp cơ cấu gạt xylanh khí nén và băng tải kích thước $60 \times 10,\text{cm}$. Hệ thống phần cứng được thiết kế bài bản với đầy đủ 7 khối chức năng, đảm bảo tính cách ly an toàn giữa mạch điều khiển 5VDC và tải động lực 12VDC nhờ opto PC817. Mô hình thực nghiệm đã vận hành chính xác quy trình phân loại sản phẩm thành 3 nhóm kích cỡ, hiển thị số liệu trực quan lên màn hình LCD 20x4 và có giá trị tham khảo cao trong học tập, nghiên cứu kỹ thuật điện tử - tự động hóa.