Luận Văn Thạc Sĩ Về Hệ Thống Điều Khiển Băng Tải và Đếm Số Lượng Sản Phẩm Sử Dụng Vi Điều Khiển

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hệ thống điều khiển băng tải và đếm sản phẩm sử dụng vi điều khiển, ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp.

• Tác giả: Võ Trần Nguyên
• Người hướng dẫn: Th.S Lê Xứng
• Trường học: Đại học Đà Nẵng - Trường Đại học Sư phạm
• Chuyên ngành: Vật lý học
• Đề tài: Hệ thống điều khiển băng tải và đếm số lượng sản phẩm bằng vi điều khiển
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ NHỮNG LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ
• 1.1. Giới thiệu về hệ thống điều khiển
• 1.2. Nguyên lý hoạt động
• 1.3. Cấu trúc phần cứng AT89S52
• 1.3.1. Các chức năng của bộ vi điều khiển AT89S52
• 1.3.2. Sơ đồ chân của vi điều khiển AT89S52
• 1.4. Hoạt động định thời của AT89S52
• 1.4.1. Thanh ghi chế độ định thời TMOD
• 1.4.2. Thanh ghi điều khiển Timer (TCON)
• 1.4.3. Các chế độ định thời Timer 0 và Timer 1
• 1.5. Tổ chức ngắt của AT89S52
• 1.5.1. Thanh ghi IE
• 1.5.2. Ngắt do Timer
• 1.5.3. Ngắt do cổng nối tiếp
• 1.6. Sơ lược về các linh kiện điện tử sử dụng trong thiết kế
• 1.6.1. Thạch anh 12MHz
• 1.6.2. Tụ gốm, tụ hóa
• 1.6.3. Module cảm biến hồng ngoại
• 1.6.4. Xi lanh khí nén hoạt động đơn
• 1.6.5. Van điện từ khí nén 5/2
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống
• 2.2. Chức năng các khối
• 2.2.1. Khối xử lý trung tâm
• 2.2.2. Khối cảm biến
• 2.2.3. Khối hiển thị
• 2.2.4. Khối chấp hành
• 2.2.5. Khối công tắc
• 2.3. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
• 2.3.1. Mạch điều khiển trung tâm AT89S52
• 2.3.2. Mạch dao động
• 2.3.3. Mạch hiển thị số lượng
• 2.3.4. Mạch chấp hành
• 3. CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Thiết kế phần mềm
• 3.2. Chương trình lập trình
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hệ thống điều khiển băng tải

Hệ thống điều khiển băng tải là một phần quan trọng trong các dây chuyền sản xuất tự động. Hệ thống này sử dụng vi điều khiển để điều khiển hoạt động của băng tải, giúp vận chuyển sản phẩm một cách hiệu quả. Trong luận văn, tác giả tập trung vào việc thiết kế và ứng dụng vi điều khiển AT89S52 để điều khiển băng tải. Hệ thống bao gồm các khối chính như khối nguồn, khối xử lý trung tâm, khối chấp hành, khối cảm biến và khối hiển thị. Công nghệ điều khiển này không chỉ tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn giảm thiểu sự can thiệp của con người, tăng hiệu suất và độ chính xác.

1.1 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển tự động. Băng tải công nghiệp được điều khiển bởi hai động cơ DC, trong đó một động cơ chịu trách nhiệm vận chuyển sản phẩm và động cơ còn lại điều khiển thùng đựng sản phẩm. Cảm biến hồng ngoại được sử dụng để phát hiện sản phẩm lỗi và sản phẩm cần chọn. Khi sản phẩm lỗi được phát hiện, động cơ Servo sẽ quay gạt để loại bỏ sản phẩm khỏi băng tải. Hệ thống tự động này đảm bảo quy trình sản xuất liên tục và chính xác.

1.2 Ứng dụng vi điều khiển

Vi điều khiển AT89S52 được lập trình để điều khiển toàn bộ hệ thống. Nó quản lý hoạt động của các động cơ, cảm biến và hiển thị số lượng sản phẩm. Công nghệ vi điều khiển này cho phép hệ thống hoạt động một cách linh hoạt và hiệu quả, đồng thời dễ dàng mở rộng cho các ứng dụng khác trong tương lai.

II. Đếm sản phẩm tự động

Đếm sản phẩm là một khâu quan trọng trong quy trình sản xuất. Hệ thống sử dụng cảm biến hồng ngoại để phát hiện và đếm số lượng sản phẩm trên băng tải. Kết quả đếm được hiển thị trên LED 7 đoạn, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi. Quản lý sản phẩm tự động này không chỉ giảm thiểu sai sót mà còn tăng tốc độ sản xuất. Hệ thống còn có khả năng phân loại sản phẩm lỗi và sản phẩm đạt chuẩn, đảm bảo chất lượng đầu ra.

2.1 Cảm biến và hiển thị

Cảm biến hồng ngoại được đặt tại các vị trí chiến lược trên băng tải để phát hiện sản phẩm. Khi sản phẩm đi qua, cảm biến gửi tín hiệu đến vi điều khiển, từ đó cập nhật số lượng sản phẩm. LED 7 đoạn được sử dụng để hiển thị số lượng sản phẩm và thùng đựng, giúp người vận hành dễ dàng kiểm soát quy trình.

2.2 Tối ưu hóa quy trình

Hệ thống đếm sản phẩm tự động giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất bằng cách giảm thiểu thời gian và công sức của con người. Giải pháp công nghệ này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn đảm bảo độ chính xác trong việc đếm và phân loại sản phẩm.

III. Ứng dụng thực tế và giá trị

Luận văn đã đề xuất một giải pháp công nghệ hiệu quả cho việc điều khiển băng tải và đếm sản phẩm trong các nhà máy sản xuất. Hệ thống sản xuất này có thể được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau, từ sản xuất linh kiện điện tử đến đóng gói thực phẩm. Robot công nghiệp và hệ thống tự động như vậy đang trở thành xu hướng trong thời đại công nghiệp 4.0, giúp các doanh nghiệp cạnh tranh hiệu quả hơn.

3.1 Giá trị thực tiễn

Hệ thống được thiết kế trong luận văn có giá trị thực tiễn cao, đặc biệt trong các nhà máy vừa và nhỏ. Tự động hóa quy trình sản xuất giúp giảm chi phí nhân công và tăng năng suất. Công nghệ điều khiển sử dụng vi điều khiển cũng dễ dàng tích hợp vào các hệ thống hiện có.

3.2 Hướng phát triển

Trong tương lai, hệ thống có thể được mở rộng với các tính năng như kết nối IoT để quản lý sản phẩm từ xa hoặc tích hợp trí tuệ nhân tạo để phân tích dữ liệu sản xuất. Giải pháp công nghệ này sẽ tiếp tục đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp tự động hóa.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ điện tử, kỹ thuật vi điều khiển ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực tự động hóa sản xuất và đời sống xã hội. Tại các nhà máy và xí nghiệp, quy trình sản xuất hiện đại đòi hỏi hàng hóa di chuyển liên tục trên các hệ thống băng chuyền với tốc độ cao và sản lượng lớn. Việc kiểm đếm số lượng sản phẩm thủ công bằng sức người ở công đoạn cuối của băng tải bộc lộ nhiều hạn chế về độ chính xác, gây mệt mỏi cho người lao động và làm giảm năng suất chung. Đặc biệt, tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ, mức độ tự động hóa chưa đồng bộ, khâu đếm và phân loại sản phẩm phần lớn vẫn phụ thuộc vào nhân công.

Xuất phát từ thực tiễn trên, tác giả Võ Trần Nguyên (sinh viên chuyên ngành Vật lý học, Khoa Vật lý – Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng, dưới sự hướng dẫn của Th.S Lê Xứng) đã thực hiện đề tài khóa luận: "Hệ thống điều khiển băng tải và đếm số lượng sản phẩm bằng vi điều khiển".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản:

1. Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống điều khiển băng tải kết hợp đếm số lượng sản phẩm tự động dựa trên nền tảng vi điều khiển.
2. Nhiệm vụ nghiên cứu:
   • Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử và thiết bị chấp hành: vi điều khiển AT89S52, rơ-le (relay), xi lanh khí nén, van điện từ khí nén 5/2, diode phát quang (LED) và cảm biến hồng ngoại.
   • Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để thiết kế hoàn chỉnh kết cấu cơ khí và phần cứng của mô hình.
   • Xây dựng giải thuật và lập trình điều khiển toàn bộ hệ thống bằng ngôn ngữ C trên phần mềm Keil C Vision 4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Bộ vi điều khiển AT89S52 thuộc họ 8051 của hãng Atmel; các linh kiện điện tử, cơ cấu chấp hành khí nén và tài liệu hướng dẫn lập trình Keil C Vision 4.
• Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong việc thiết kế mô hình thực nghiệm sử dụng 01 vi điều khiển AT89S52, 03 module cảm biến hồng ngoại (phát hiện sản phẩm đạt, sản phẩm lỗi và thùng chứa), 01 động cơ Servo điều khiển cần gạt, 02 xi lanh khí nén hành trình 10 cm, 02 van điện từ khí nén 5/2 điện áp 24V, 02 động cơ điện một chiều (DC) 5V kéo băng tải và 04 LED 7 đoạn hiển thị số lượng. Thuật toán của mô hình thiết lập đếm tối đa 10 sản phẩm cho mỗi thùng và đếm chu kỳ đến 5 thùng chứa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng kiến trúc vi điều khiển 8-bit họ 8051 và các nguyên lý kỹ thuật điện tử, khí nén:

• Vi điều khiển AT89S52: Tích hợp bộ xử lý trung tâm (CPU) 8-bit, bộ nhớ chương trình Flash ROM 8 Kbyte cho phép nạp nối tiếp ISP (In-System Programming), bộ nhớ dữ liệu RAM 256 byte, bộ truyền nhận nối tiếp dị bộ UART, 03 bộ định thời/bộ đếm (Timer/Counter) 16-bit, bộ định thời giám sát (Watchdog Timer - WDT) và hệ thống 6 nguồn ngắt.
• Hệ thống thanh ghi chức năng: Thanh ghi chọn chế độ định thời TMOD (quản lý các chế độ hoạt động 13-bit, 16-bit, 8-bit tự nạp lại và phân chia bộ định thời), thanh ghi điều khiển định thời TCON (chứa các cờ báo tràn và cờ điều khiển ngắt ngoài) và thanh ghi cho phép ngắt IE.
• Cảm biến quang hồng ngoại: Hoạt động dựa trên nguyên lý phát - thu bức xạ hồng ngoại và so sánh điện áp qua IC LM393. Cảm biến nhận diện vật cản trong khoảng cách từ 2 cm đến 40 cm với góc phát hiện 35°, xuất tín hiệu số (mức logic 0 khi gặp vật sáng phản xạ ánh sáng và mức logic 1 khi gặp vật tối hấp thụ ánh sáng).
• Hệ thống chấp hành cơ khí - khí nén: Động cơ DC 5V dẫn động băng tải; xi lanh khí nén hoạt động đơn kết hợp van đảo chiều điện từ 5/2 DC 24V để định tuyến dòng khí nén cấp vào khoang piston; động cơ Servo 5V điều khiển góc quay từ 0° đến 180° bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM); module 4 kênh rơ-le sử dụng rơ-le Songle SRD-05VDC-SL-C kết hợp bộ cách ly quang Opto PC817 nhằm cách ly điện thế giữa khối điều khiển logic và khối thiết bị công suất.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, tổng hợp và phân tích các tài liệu kỹ thuật về cấu trúc phần cứng vi điều khiển, nguyên lý phân cực linh kiện bán dẫn và tài liệu lập trình phần mềm.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật và thực nghiệm: Thiết kế sơ đồ nguyên lý từng khối chức năng, tính toán thông số mạch dao động, mạch nạp Reset, thiết kế lưu đồ thuật toán và nạp chương trình điều khiển kiểm thử trực tiếp trên mô hình cơ điện tử.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ kiến trúc phần cứng đến phần mềm điều khiển:

Khối chức năng	Thành phần linh kiện chính	Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Xử lý trung tâm	Vi điều khiển AT89S52, thạch anh 12 MHz, tụ 22 pF, tụ 10 µF, trở 10 kΩ	Xử lý thuật toán, nhận tín hiệu cảm biến và công tắc, điều khiển cơ cấu chấp hành và quét hiển thị
Cảm biến	03 module cảm biến hồng ngoại LM393	CB1 (P0.6): phát hiện sản phẩm cần chọn; CB2 (P0.7): phát hiện sản phẩm lỗi; CB3 (P0.5): phát hiện thùng chứa
Hiển thị	04 LED 7 đoạn Anode chung, IC đảo 74HC04	02 LED hiển thị số lượng sản phẩm (P1, P3.4, P3.5); 02 LED hiển thị số lượng thùng (P2, P3.6, P3.7)
Chấp hành	Module 4 rơ-le 5V cách ly Opto PC817, động cơ Servo 5V	Điều khiển 2 động cơ DC (P3.2, P3.3), 2 van khí nén cho xi lanh (P3.0, P3.1) và cần gạt Servo (P0.4)
Công tắc	Nút nhấn khởi động và công tắc hành trình	Button_Start (P0.1), Button_HT (P0.3), CTHT_tren_pin1 (P0.0), CTHT_tren_pin2 (P0.2)
Khối nguồn	Nguồn cấp một chiều 5V DC và 24V DC	Cấp nguồn 5V cho vi điều khiển, cảm biến, Servo, động cơ DC; cấp 24V cho van điện từ khí nén

Quá trình triển khai phần cứng và phần mềm:

• Mạch tạo dao động và định thời: Sử dụng bộ dao động thạch anh 12 MHz kết hợp 2 tụ gốm 22 pF gắn vào chân XTAL1 và XTAL2. Chu kỳ máy của vi điều khiển được tính toán chính xác: $T = 12 / (12 \times 10^6) = 1,\mu\text{s}$, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lập trình các khoảng thời gian trễ và xung điều khiển. Mạch Reset sử dụng tụ hóa 10 µF và điện trở 10 kΩ tạo điện áp mức cao trong khoảng 2 chu kỳ máy (~2 µs) khi cấp nguồn để đưa hệ thống về trạng thái ban đầu.
• Điều khiển động cơ Servo bằng PWM: Tín hiệu PWM điều khiển vị trí Servo được tạo ra bằng cách cấu hình Timer 0 ở chế độ 1 (định thời 16-bit) và ngắt tràn Timer 0 (interrupt 1). Chu kỳ xung thiết lập ở mức 20.000 µs (20 ms). Khi phát hiện sản phẩm bình thường, duty cycle đặt bằng 0 (Servo ở góc 0°); khi cảm biến CB2 phát hiện sản phẩm lỗi, duty cycle được chuyển sang 32 (Servo quay góc 90°) để gạt sản phẩm lỗi ra khỏi băng tải.
• Thuật toán quét hiển thị và chống trễ: Bộ định thời Timer 1 chế độ 1 (nạp giá trị TH1 = 0xFC, TL1 = 0x18) tạo chu kỳ trễ cơ sở 1 ms cho hàm Delay_ms. Hàm Delay_cohienthi được xây dựng để vừa tạo độ trễ cho các tác vụ cơ học của xi lanh vừa liên tục quét tín hiệu từ các cảm biến CB1, CB2, CB3 và cập nhật hiển thị LED 7 đoạn, giải quyết triệt để hiện tượng bỏ sót sự kiện khi hệ thống đang trễ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống điều khiển và những linh kiện sử dụng trong thiết kế

Chương 1 trình bày tổng quan về nhu cầu tự động hóa trong khâu kiểm đếm sản phẩm và phân tích sâu các cơ sở lý thuyết phần cứng:

• Giới thiệu cấu trúc bên trong của vi điều khiển AT89S52, bao gồm khối CPU, các thanh ghi tích lũy A, B, đơn vị số học và logic (ALU), thanh ghi trạng thái chương trình (PSW), con trỏ ngăn xếp và cấu trúc 4 cổng xuất nhập P0 - P3 (32 chân đa năng).
• Khảo sát chức năng riêng của từng cổng, cấu trúc hoạt động của các chân điều khiển: PSEN (đọc bộ nhớ chương trình ngoài), ALE (chốt địa chỉ ngoài với tần số bằng 1/6 tần số dao động) và EA (cho phép truy xuất bộ nhớ nội hoặc ngoại).
• Phân tích chi tiết 4 chế độ hoạt động của Timer 0 và Timer 1: Chế độ 0 (định thời 13-bit), Chế độ 1 (định thời 16-bit với các thanh ghi TH và TL), Chế độ 2 (định thời 8-bit tự nạp lại giá trị từ TH sang TL khi xảy ra tràn), Chế độ 3 (phân chia Timer 0 thành hai bộ đếm 8-bit độc lập).
• Tổng hợp bảng tổ chức ngắt và địa chỉ vector ngắt của AT89S52: Ngắt ngoài 0 (INT0 - 0x0003), Ngắt tràn Timer 0 (0x000B), Ngắt ngoài 1 (INT1 - 0x0013), Ngắt tràn Timer 1 (0x001B), Ngắt cổng nối tiếp (Serial Port TI/RI - 0x0023) và Ngắt tràn Timer 2 (0x002B).
• Trình bày cấu tạo, sơ đồ chân và thông số kỹ thuật của các linh kiện: Thạch anh 12 MHz; tụ gốm 22 pF; tụ hóa 10 µF; điện trở phân cực; diode chỉnh lưu; LED đơn (điện áp 1,8V - 2,2V với màu đỏ và 2,8V - 3V với màu xanh); LED 7 đoạn Anode chung; rơ-le Songle SRD-05VDC-SL-C (chịu tải tiếp điểm AC 250V/10A hoặc DC 30V/10A); Opto PC817; module cảm biến hồng ngoại so sánh LM393; động cơ DC 5V; xi lanh khí nén đơn; van điện từ đảo chiều 5/2 DC 24V và động cơ Servo 5V.

Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 2 tập trung vào việc thiết kế cấu trúc mạch điện và sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống:

• Thiết lập sơ đồ khối chức năng tổng quát gồm 6 khối: Khối nguồn, Khối xử lý trung tâm, Khối cảm biến, Khối hiển thị, Khối chấp hành và Khối công tắc.
• Chi tiết hóa sơ đồ nguyên lý kết nối vi điều khiển AT89S52 với các thiết bị ngoại vi:
  • Port 1 kết nối bus dữ liệu LED 7 đoạn hiển thị số lượng sản phẩm; Port 2 kết nối bus dữ liệu LED 7 đoạn hiển thị số lượng thùng.
  • Chân P0.0, P0.1, P0.2, P0.3 kết nối lần lượt với công tắc hành trình trên xi lanh 1, nút khởi động (Start), công tắc hành trình trên xi lanh 2 và công tắc hành trình dưới xi lanh 2.
  • Chân P0.4 xuất xung PWM điều khiển động cơ Servo; P0.5, P0.6, P0.7 tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến thùng, cảm biến sản phẩm cần chọn và cảm biến sản phẩm lỗi.
  • Chân P3.0, P3.1 xuất tín hiệu điều khiển van khí nén của xi lanh 1 và xi lanh 2; P3.2, P3.3 điều khiển động cơ băng tải 2 và băng tải 1; P3.4 - P3.7 điều khiển cấp nguồn cho cực Anode của 4 LED 7 đoạn.
• Tính toán và thiết kế mạch dao động thạch anh tần số 12 MHz và mạch Reset tự động khi cấp nguồn kết hợp nút nhấn khởi động lại bằng tay.
• Thiết kế mạch công suất chấp hành sử dụng module 4 rơ-le kích hoạt mức thấp (0V) kết hợp Opto PC817 để cách ly hoàn toàn điện áp điều khiển vi xử lý với nguồn công suất của động cơ và van khí nén.

Chương 3: Chương trình điều khiển

Chương 3 trình bày giải thuật phần mềm và triển khai mã nguồn điều khiển:

• Đánh giá ưu nhược điểm của ngôn ngữ lập trình C trên môi trường Keil C Vision 4: Khả năng tối ưu hóa bộ nhớ hệ thống, cấu trúc linh hoạt hỗ trợ thao tác thanh ghi trực tiếp, cú pháp sát với tư duy logic thuật toán.
• Xây dựng sơ đồ lưu đồ thuật toán chi tiết cho chương trình chính (main) và các chương trình con:
  • Thuật toán hiển thị quét LED 7 đoạn (Hien_thi_San_Pham, Hien_thi_Thung) với việc giải mã hàng chục, hàng đơn vị và quét Anode luân phiên trong khoảng thời gian 1 ms.
  • Thuật toán đếm sản phẩm và đếm thùng (CB_DemSanPham, CB_DemSoThung) có tích hợp bộ đếm biến phụ (dem, dem1) nhằm chống rung tín hiệu và khử nhiễu tiếp điểm cảm biến.
  • Thuật toán xử lý sản phẩm lỗi (CB2_SanPhamLoi): Đọc tín hiệu cảm biến CB2, nếu có sản phẩm lỗi sẽ thiết lập chu kỳ xung PWM đưa Servo quay góc 90° để loại bỏ sản phẩm.
  • Thuật toán khởi tạo và điều chế xung PWM (PWM_Init, PWM_Set_Duty, Timer0Overflow): Quản lý thời gian mức cao ($T_{on}$) và mức thấp ($T_{off}$) qua việc nạp lại giá trị thanh ghi TH0 và TL0 trong trình phục vụ ngắt.
  • Thuật toán quản trị trạng thái hệ thống (state_main và Delay_cohienthi) duy trì việc đọc cảm biến liên tục trong lúc trễ cơ học.
• Triển khai toàn bộ mã nguồn chương trình bằng ngôn ngữ C, biên dịch và nạp trực tiếp vào chip AT89S52.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh gồm 2 băng tải dẫn động bằng động cơ DC 5V, 2 cơ cấu xi lanh khí nén hành trình 10 cm điều khiển bằng van điện từ 5/2 DC 24V, 1 cơ cấu gạt phân loại sản phẩm lỗi sử dụng động cơ Servo 5V và 3 cụm cảm biến hồng ngoại.
• Xây dựng mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển AT89S52 vận hành ổn định tại tần số thạch anh 12 MHz, thực thi chính xác chu trình điều khiển tuần tự.
• Hệ thống thực hiện chính xác các chức năng: Phân loại và gạt bỏ sản phẩm lỗi; đếm số lượng sản phẩm đạt chuẩn từ 1 đến 10 đưa vào thùng chứa; tự động dừng băng tải 1 khi thùng đầy; kích hoạt xi lanh 2 đẩy thùng chứa đủ 10 sản phẩm sang băng chuyền 2; nhận diện thùng trên băng chuyền 2 và đếm số lượng thùng từ 1 đến 5; tự động kích hoạt xi lanh 1 nạp thùng rỗng mới vào vị trí nhận và tái khởi động chu trình; hiển thị chính xác các giá trị đếm trên 4 LED 7 đoạn.

Giải pháp và đóng góp của đề tài:

• Đề xuất giải pháp phối hợp giữa bộ đếm phần mềm và hàm trễ tích hợp quét tín hiệu (Delay_cohienthi), giúp vi điều khiển đơn nhân 8-bit xử lý mượt mà tác vụ đa nhiệm (vừa trễ cơ học, vừa đọc cảm biến, vừa quét hiển thị LED).
• Thiết kế mạch giao tiếp công suất qua module rơ-le có tầng cách ly quang Opto PC817, giúp bảo vệ an toàn cho bộ vi điều khiển trước các xung nhiễu điện áp ngược từ cuộn hút van điện từ và chổi than động cơ DC.
• Cung cấp một mô hình thực nghiệm trực quan, kết hợp giữa lý thuyết vật lý điện tử và ứng dụng tự động hóa phục vụ các dây chuyền sản xuất quy mô nhỏ với chi phí thiết kế thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Khóa luận dừng lại ở mức độ nghiên cứu và chế tạo mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ, phục vụ mục đích học tập và ứng dụng thử nghiệm.
• Cơ chế nhận diện sản phẩm lỗi phụ thuộc vào cảm biến hồng ngoại (phân biệt qua độ tương phản màu sắc sáng/tối hoặc chiều cao vật cản che khuất chùm tia), chưa thể phát hiện các dạng khuyết tật phức tạp khác của sản phẩm như nứt vỡ, sai lệch trọng lượng hoặc sai quy cách kích thước chi tiết.
• Các thông số đếm (10 sản phẩm/thùng, 5 thùng) được gán cố định trong mã nguồn lập trình, chưa tích hợp bàn phím mềm bên ngoài để người vận hành chủ động thay đổi số lượng cài đặt theo nhu cầu thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Hoàn thiện kết cấu cơ khí và nâng cấp công suất phần cứng để mở rộng ứng dụng trên các dây chuyền sản xuất công nghiệp thực tế.
• Tích hợp thêm các dạng cảm biến chuyên dụng như cảm biến trọng lượng (Loadcell), cảm biến màu sắc hoặc hệ thống xử lý ảnh để nâng cao khả năng phân loại sản phẩm.
• Nghiên cứu bổ sung giao thức truyền thông nối tiếp UART để kết nối hệ thống với máy tính, hỗ trợ giám sát và lưu trữ dữ liệu sản xuất từ xa.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng:

• Sinh viên chuyên ngành Vật lý học (hướng Điện tử ứng dụng), Kỹ thuật Điện - Điện tử, Cơ điện tử và Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về thiết kế hệ thống nhúng với vi điều khiển 8-bit.
• Kỹ thuật viên và người nghiên cứu muốn tìm hiểu giải pháp ghép nối vi điều khiển AT89S52 với các thiết bị chấp hành khí nén (van 5/2, xi lanh) và động cơ điện.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao:

• Phương pháp tính toán chu kỳ máy, thiết kế mạch tạo dao động thạch anh và mạch Reset chuẩn xác cho họ vi điều khiển 8051 tại Chương 2.
• Kỹ thuật lập trình tạo xung PWM mềm điều khiển động cơ Servo bằng ngắt Timer 0 và giải pháp xây dựng hàm trễ tích hợp quét ngoại vi trên Keil C tại Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển AT89S52 trong hệ thống sử dụng nguồn dao động có tần số bao nhiêu và chu kỳ máy tương ứng là bao lâu?
Hệ thống sử dụng bộ dao động thạch anh có tần số $f = 12,\text{MHz}$ kết hợp với 2 tụ gốm 22 pF. Do vi điều khiển AT89S52 có bộ chia tần số với hệ số chia là 12, một chu kỳ máy bằng 12 lần chu kỳ dao động của xung clock: $T = 12 / (12 \times 10^6,\text{Hz}) = 10^{-6},\text{s} = 1,\mu\text{s}$.

2. Khối cảm biến của hệ thống bao gồm những loại nào và đảm nhiệm nhiệm vụ gì?
Khối cảm biến gồm 3 module cảm biến hồng ngoại sử dụng IC so sánh LM393 kết nối với cổng P0 của vi điều khiển: Cảm biến 1 (chân P0.6) phát hiện sản phẩm cần chọn để đếm số lượng; Cảm biến 2 (chân P0.7) phát hiện sản phẩm lỗi; Cảm biến 3 (chân P0.5) phát hiện thùng chứa sản phẩm trên băng chuyền thứ hai.

3. Cơ chế phân loại và xử lý sản phẩm lỗi được thực hiện như thế nào?
Khi cảm biến hồng ngoại CB2 phát hiện sản phẩm lỗi (xuất tín hiệu về chân P0.7), chương trình điều khiển gọi hàm CB2_SanPhamLoi(), khởi tạo chu kỳ PWM 20 ms và đặt PWM_Set_Duty(32). Tín hiệu điều khiển xuất ra chân P0.4 kích hoạt động cơ Servo quay một góc 90° để gạt sản phẩm lỗi ra khỏi băng tải. Khi không có lỗi, duty cycle bằng 0 và Servo ở góc 0°.

4. Chu trình hoạt động của hệ thống diễn ra như thế nào khi thùng chứa nhận đủ 10 sản phẩm?
Khi biến so_sanpham đạt giá trị 10, vi điều khiển xuất tín hiệu dừng động cơ băng tải 1 (DC1), kích hoạt van điện từ để xi lanh 2 đẩy thùng đầy sang băng tải 2 (do động cơ DC2 điều khiển). Cảm biến CB3 nhận diện thùng và tăng biến so_thung. Sau khoảng trễ 1 giây khi công tắc hành trình Button_HT tác động, xi lanh 1 kích hoạt đẩy thùng rỗng mới vào vị trí nhận, động cơ DC1 tái khởi động và biến đếm sản phẩm được đặt lại về 0.

5. Khối hiển thị được thiết kế và điều khiển bằng phương pháp nào?
Khối hiển thị sử dụng 4 LED 7 đoạn loại Anode chung kết hợp IC đảo 74HC04. Trong đó, 2 LED hiển thị số lượng sản phẩm kết nối dữ liệu thanh qua Port 1 (P1) và điều khiển cực Anode qua chân P3.4, P3.5; 2 LED hiển thị số lượng thùng kết nối qua Port 2 (P2) và điều khiển cực Anode qua chân P3.6, P3.7. Dữ liệu được hiển thị theo phương pháp quét luân phiên hàng chục và hàng đơn vị với chu kỳ trễ 1 ms.

Kết luận

Khóa luận "Hệ thống điều khiển băng tải và đếm số lượng sản phẩm bằng vi điều khiển" của tác giả Võ Trần Nguyên đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo mô hình tự động hóa phân loại, kiểm đếm sản phẩm. Bằng việc làm chủ cấu trúc phần cứng vi điều khiển AT89S52 kết hợp kỹ thuật lập trình C trên Keil C Vision 4, tác giả đã tích hợp thành công các cơ cấu cảm biến quang học, động cơ Servo và hệ thống chấp hành khí nén vào một quy trình vận hành đồng bộ. Đề tài thể hiện rõ tính ứng dụng thực tiễn trong việc giải quyết bài toán tự động hóa khâu đóng gói, kiểm soát số lượng cho các quy trình sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ NHỮNG LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ 1.1 Giới thiệu về hệ thống điều khiển Hiện này, trong các nhà máy hay doanh nghiệp sản xuất thì có nhiều khâu tự động hóa trong sản xuất. Một trong những khâu đơn giản trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sản phẩm làm ra được đếm một cách tự động. Tuy nhiên, trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc hoàn toàn tự động hóa còn chưa được áp dụng trong những khâu đếm sản phẩm mà vẫn sử dụng nhân công. Là sinh viên được học về chuyên ngành điện tử, em muốn khai thác và tìm hiểu ứng dụng của các vi điều khiển trong lĩnh vực tự động hóa.

Em muốn lập trình cho vi điều khiển AT89S52 để điều khiển băng tải và tự động đếm số lượng sản phẩm chạy trên băng tải. Từ đó, em quyết định chọn đề tài: “HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BĂNG TẢI VÀ ĐẾM SỐ LƯỢNG SẢN PHẨM BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp.2 Nguyên lý hoạt động “HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BĂNG TẢI VÀ ĐẾM SỐ LƯỢNG SẢN PHẨM BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN” bao gồm khối chính là: khối nguồn, khối xử lý trung tâm, khối chấp hành, khối cảm biến và khối hiển thị. Hệ thống hoạt động theo nguyên lý: gồm 2 động cơ DC dùng để kéo băng tải chạy, trên băng tải do động cơ DC 1 điều khiển thì được gắn 2 cảm biến để phát hiện sản phẩm ( một cảm biến để phát hiện sản phẩm lỗi, cảm biến còn lại để phát hiện sản phẩm cần chọn và đếm số lượng) và trên băng tải của động cơ DC 2 điều khiển thì có gắn 1 cảm biến dùng để phát hiện thùng đựng sản phẩm cần chọn và đếm số lượng thùng đó. Hệ thống còn có 2 xy lanh khí nén hành trình 10cm có nhiệm vụ để đẩy thùng đựng sản phẩm vào vị trí nhận sản phẩm và đẩy thùng đựng đủ sản phẩm cần chọn qua băng tải do động cơ DC 2 điều khiển.

Khối hiện thị gồm có 4 LED 7 đoạn trong đó 2 LED 7 đoạn dùng để hiển thị số lượng sản phẩm cần chọn và 2 LED 7 đoạn còn lại dùng để hiển thị số lượng thùng đựng sản phẩm. Lập trình cho vi điều khiển để điều khiển hoạt động của hệ thống như sau: Đầu tiên, bật công tắc khởi động hệ thống và xy lanh 1 đẩy thùng vào vị trí 3 nhận sản phẩm. Sau khi nhấn nút Start thì hệ thống bắt đầu làm việc, băng tải do động cơ DC 1 điều khiển chạy thì các sản phẩm di chuyển trên băng tải đó ( gồm sản phẩm lỗi và sản phẩm cần chọn) nếu cảm biến phát sản phẩm lỗi thì động cơ Servo quay gạt cần gạt để cho sản phẩm lỗi đó ra khỏi băng tải; nếu cảm biến phát hiện được sản phẩm cần chọn và hiển thị số lượng sản phẩm mà do cảm biến phát hiện được lên 2 LED 7 đoạn. Tiếp theo, nếu số lượng sản phẩm cần chọn vào trong thùng đựng đã đủ ( ví dụ: 10 sản phẩm cần chọn trong thùng) thì băng tải do động cơ DC 1 điều khiển dừng lại và xy lanh 2 sẽ đẩy thùng đựng này qua băng tải do động cơ DC 2 điều khiển, tại đây thùng sẽ di chuyển trên băng tải và được một cảm biến phát hiện được thùng đừng sản phẩm rồi hiển thị số lượng này lên 2 LED 7 đoạn còn lại.

Sau khoảng thời gian 1 giây sau khi xy lanh 2 đẩy thùng qua băng tải thì ngay lập tức thì xy lanh 1 sẽ đẩy thùng không vào vị trí nhận sản phẩm và đồng thời động cơ một hoạt động lại và hệ thống tiếp tục đếm sản phẩm.