Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa ngày càng phát triển, việc tự động hóa trong sản xuất đóng vai trò quan trọng nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, các nhà máy hiện đại sản xuất hàng nghìn sản phẩm mỗi ngày trên các băng tải tự động, dẫn đến nhu cầu cấp thiết về hệ thống điều khiển và đếm số lượng sản phẩm chính xác. Việc đếm thủ công không chỉ mất thời gian mà còn dễ gây sai sót, ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất và kiểm soát chất lượng.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển băng tải kết hợp đếm số lượng sản phẩm bằng vi điều khiển AT89S52, một dòng vi điều khiển phổ biến với khả năng hoạt động ổn định và chi phí hợp lý. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thiết kế mô hình ứng dụng tại trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng, với mục tiêu cụ thể là xây dựng hệ thống tự động hóa có khả năng phát hiện, phân loại sản phẩm lỗi và đếm chính xác số lượng sản phẩm cần chọn cũng như số lượng thùng đựng sản phẩm.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc giảm thiểu lao động thủ công, tăng hiệu suất làm việc và đảm bảo độ chính xác trong quá trình sản xuất. Hệ thống còn góp phần nâng cao tính ứng dụng của vi điều khiển trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, mở ra hướng phát triển cho các ứng dụng tương tự trong các nhà máy vừa và nhỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

  1. Lý thuyết về vi điều khiển AT89S52: Đây là dòng vi điều khiển 8-bit với bộ nhớ ROM 8KB, RAM 256 byte, tích hợp bộ UART, 3 bộ Timer/Counter 16-bit và khả năng lập trình qua cổng nối tiếp. Vi điều khiển này có khả năng xử lý tín hiệu từ các cảm biến, điều khiển động cơ và hiển thị số liệu trên LED 7 đoạn.

  2. Mô hình hệ thống điều khiển tự động: Hệ thống bao gồm các khối chức năng như khối xử lý trung tâm, khối cảm biến, khối chấp hành, khối hiển thị và khối nguồn. Mô hình vận hành dựa trên nguyên lý nhận tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại, xử lý dữ liệu và điều khiển động cơ, xy lanh khí nén cùng các thiết bị hiển thị.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Cảm biến hồng ngoại: Module phát hiện vật thể dựa trên phản xạ ánh sáng hồng ngoại, phân biệt sản phẩm lỗi và sản phẩm cần chọn.
  • Động cơ DC và động cơ Servo: Động cơ DC kéo băng tải, động cơ Servo điều khiển cần gạt loại bỏ sản phẩm lỗi.
  • Xi lanh khí nén và van điện từ khí nén 5/2: Điều khiển vị trí thùng đựng sản phẩm trên băng tải.
  • LED 7 đoạn: Hiển thị số lượng sản phẩm và thùng đựng sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu kỹ thuật về vi điều khiển AT89S52, các linh kiện điện tử như cảm biến hồng ngoại, động cơ, xi lanh khí nén, van điện từ và các tài liệu lập trình Keil C Vision 4.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế sơ đồ khối, mạch nguyên lý, lập trình điều khiển vi điều khiển bằng ngôn ngữ C, kiểm thử mô hình thực tế. Phân tích dữ liệu thu được từ cảm biến và kết quả hiển thị trên LED 7 đoạn để đánh giá hiệu quả hệ thống.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khóa học 4 năm (2014-2018), trong đó phần thiết kế và thử nghiệm hệ thống được thực hiện chủ yếu trong năm cuối.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình hệ thống điều khiển băng tải với 3 module cảm biến hồng ngoại, 2 động cơ DC, 1 động cơ Servo, 2 xi lanh khí nén hành trình 10cm, 2 van điện từ khí nén 24V và 4 LED 7 đoạn. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính phổ biến và khả năng ứng dụng thực tế của các linh kiện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả phát hiện và phân loại sản phẩm: Hệ thống sử dụng 2 cảm biến hồng ngoại để phát hiện sản phẩm lỗi và sản phẩm cần chọn trên băng tải do động cơ DC 1 điều khiển. Kết quả cho thấy tỷ lệ phát hiện chính xác sản phẩm lỗi đạt khoảng 95%, giúp loại bỏ kịp thời sản phẩm không đạt chất lượng.

  2. Đếm số lượng sản phẩm và thùng đựng: Số lượng sản phẩm cần chọn được đếm và hiển thị trên 2 LED 7 đoạn với độ chính xác trên 98%. Số lượng thùng đựng sản phẩm cũng được đếm và hiển thị tương tự, với giới hạn tối đa 5 thùng, sau đó tự động reset về 1. Việc này giúp kiểm soát chặt chẽ số lượng sản phẩm đóng gói.

  3. Tự động hóa quá trình vận chuyển thùng: Khi số lượng sản phẩm trong thùng đạt 10, băng tải do động cơ DC 1 dừng lại, xi lanh khí nén 2 đẩy thùng sang băng tải do động cơ DC 2 điều khiển. Quá trình này diễn ra trơn tru, giảm thiểu thời gian chờ và tăng hiệu suất làm việc lên gấp nhiều lần so với thao tác thủ công.

  4. Chương trình điều khiển ổn định và linh hoạt: Lập trình bằng ngôn ngữ C trên phần mềm Keil C Vision 4 cho phép điều khiển chính xác các thiết bị, xử lý tín hiệu ngắt, tạo xung PWM cho động cơ Servo và điều khiển relay. Hệ thống hoạt động ổn định trong suốt quá trình thử nghiệm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả cao trong phát hiện và đếm sản phẩm là do việc sử dụng cảm biến hồng ngoại LM393 với khả năng phát hiện khoảng cách 2-40cm và góc phát hiện 35°, phù hợp với kích thước sản phẩm trên băng tải. Việc kết hợp động cơ Servo điều khiển cần gạt loại bỏ sản phẩm lỗi giúp nâng cao chất lượng sản phẩm đầu ra.

So sánh với một số nghiên cứu trong ngành tự động hóa, hệ thống này có ưu điểm về chi phí thấp, dễ dàng mở rộng và bảo trì nhờ sử dụng vi điều khiển AT89S52 phổ biến. Việc sử dụng LED 7 đoạn để hiển thị số liệu giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và kiểm soát.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột thể hiện số lượng sản phẩm và thùng đựng theo thời gian, hoặc bảng so sánh tỷ lệ phát hiện sản phẩm lỗi giữa hệ thống tự động và phương pháp thủ công. Điều này minh họa rõ ràng hiệu quả và tính ứng dụng của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng ứng dụng hệ thống: Đề xuất áp dụng hệ thống điều khiển băng tải và đếm sản phẩm trong các nhà máy vừa và nhỏ để nâng cao hiệu quả sản xuất. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6 tháng, do các linh kiện và phần mềm đã được chuẩn bị sẵn.

  2. Nâng cấp cảm biến và phần mềm: Khuyến nghị sử dụng cảm biến hồng ngoại có độ nhạy cao hơn hoặc bổ sung cảm biến quang học để tăng độ chính xác phát hiện sản phẩm. Đồng thời, phát triển phần mềm điều khiển với giao diện người dùng thân thiện hơn, hỗ trợ giám sát từ xa.

  3. Tích hợp hệ thống quản lý dữ liệu: Đề xuất kết nối hệ thống với phần mềm quản lý sản xuất để tự động ghi nhận số liệu, phân tích và báo cáo. Điều này giúp doanh nghiệp có cái nhìn tổng quan về quy trình sản xuất và kịp thời điều chỉnh.

  4. Đào tạo nhân viên vận hành: Khuyến nghị tổ chức các khóa đào tạo cho nhân viên về vận hành và bảo trì hệ thống nhằm đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả. Thời gian đào tạo dự kiến 1-2 tuần, do đơn giản hóa nhờ giao diện hiển thị trực quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành điện tử và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế hệ thống điều khiển vi điều khiển, lập trình và ứng dụng trong công nghiệp.

  2. Kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp: Tham khảo để áp dụng giải pháp tự động hóa băng tải, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí nhân công.

  3. Doanh nghiệp vừa và nhỏ trong ngành sản xuất: Hướng dẫn xây dựng hệ thống đếm sản phẩm tự động, giúp kiểm soát chất lượng và số lượng sản phẩm hiệu quả.

  4. Giảng viên và nhà nghiên cứu: Tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu liên quan đến vi điều khiển, cảm biến và tự động hóa trong sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi điều khiển AT89S52 có ưu điểm gì trong hệ thống này?
    AT89S52 có bộ nhớ ROM 8KB, RAM 256 byte, tích hợp UART và 3 bộ Timer/Counter 16-bit, giúp xử lý tín hiệu nhanh, ổn định và chi phí thấp, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển tự động hóa.

  2. Hệ thống sử dụng loại cảm biến nào để phát hiện sản phẩm?
    Sử dụng module cảm biến hồng ngoại LM393 với khoảng cách phát hiện 2-40cm, góc phát hiện 35°, giúp phân biệt sản phẩm lỗi và sản phẩm cần chọn chính xác.

  3. Làm thế nào hệ thống loại bỏ sản phẩm lỗi?
    Khi cảm biến phát hiện sản phẩm lỗi, động cơ Servo được điều khiển quay cần gạt với góc 90 độ để đẩy sản phẩm lỗi ra khỏi băng tải, đảm bảo chỉ sản phẩm đạt chất lượng được tiếp tục.

  4. Số lượng sản phẩm và thùng đựng được hiển thị như thế nào?
    Sử dụng 4 LED 7 đoạn, trong đó 2 LED hiển thị số lượng sản phẩm cần chọn, 2 LED còn lại hiển thị số lượng thùng đựng sản phẩm, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi.

  5. Phần mềm lập trình được sử dụng là gì?
    Phần mềm Keil C Vision 4 được sử dụng để lập trình vi điều khiển AT89S52 bằng ngôn ngữ C, giúp điều khiển các thiết bị phần cứng và xử lý tín hiệu hiệu quả.

Kết luận

  • Thiết kế thành công hệ thống điều khiển băng tải và đếm số lượng sản phẩm sử dụng vi điều khiển AT89S52, đáp ứng yêu cầu tự động hóa trong sản xuất.
  • Hệ thống có khả năng phát hiện sản phẩm lỗi, đếm chính xác số lượng sản phẩm và thùng đựng, nâng cao hiệu suất lao động.
  • Lập trình bằng ngôn ngữ C trên Keil C Vision 4 đảm bảo tính ổn định và linh hoạt trong điều khiển thiết bị.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng và nâng cấp hệ thống để phù hợp với quy mô sản xuất lớn hơn.
  • Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế tại các nhà máy, tích hợp hệ thống quản lý dữ liệu và đào tạo nhân viên vận hành.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các giải pháp tự động hóa dựa trên nền tảng vi điều khiển để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp hiện đại.