Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa, hiện đại hóa và sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành Điện tự động công nghiệp đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất lao động và ứng dụng vào đời sống sản xuất. Trong kiến trúc hiện đại, cửa là bộ phận thiết yếu nhưng các loại cửa truyền thống bộc lộ nhiều bất tiện do bắt buộc phải có lực tác động cơ học trực tiếp từ con người để đóng và mở. Những nhược điểm thực tế bao gồm: gây khó khăn, cản trở khi người đi qua đang mang vác vật nặng; làm tiêu tốn thời gian đóng mở; tạo cảm giác bất tiện và dễ gây ùn tắc, va chạm tại các khu vực công cộng có mật độ lưu thông cao như công sở, sân bay, bệnh viện, nhà ga hay trung tâm thương mại. Ngoài ra, tại những không gian sử dụng hệ thống điều hòa nhiệt độ, việc cửa không được đóng kín kịp thời do ý thức người sử dụng không đồng đều dẫn đến thất thoát nhiệt và lãng phí điện năng lớn. Do đó, việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống cửa đóng mở tự động là nhu cầu thực tiễn cấp thiết.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một mô hình cửa đóng mở tự động hai cánh trượt nhằm mô tả cấu tạo, hình dáng, nguyên lý vận hành cơ khí và mạch điều khiển của hệ thống trong thực tế.
  2. Khảo sát nguyên lý hoạt động, cấu trúc phần cứng của hệ vi điều khiển họ MCS-51 thông qua vi điều khiển AT89C51.
  3. Rèn luyện kỹ năng tra cứu, đọc và dịch tài liệu kỹ thuật (datasheet) của các vi mạch điện tử tích hợp phục vụ thiết kế hệ thống.
  4. Xây dựng mạch cảm biến phát hiện người bằng tia hồng ngoại, khối biến đổi tương tự - số, mạch công suất cầu H điều khiển đảo chiều và điều chỉnh tốc độ động cơ DC.
  5. Lập trình điều khiển cho vi điều khiển AT89C51 và mô phỏng sự hoạt động của mạch điều khiển trên phần mềm chuyên dụng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển cửa trượt tự động hai cánh, bao gồm kết cấu truyền động cơ khí, mạch giao tiếp cảm biến quang - hồng ngoại, mạch biến đổi tín hiệu, bộ điều khiển trung tâm vi điều khiển AT89C51 và động cơ điện một chiều 12V kết hợp mạch công suất L298.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu dừng lại ở mức độ tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm; thực hiện khảo sát các dòng cửa tự động phổ biến trên thị trường Việt Nam; thời gian hoàn thành đồ án tốt nghiệp vào năm 2016 tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng:

  • Lý thuyết vi điều khiển cấu trúc Harvard họ MCS-51 (Intel): Phân tách độc lập không gian bộ nhớ chương trình (ROM) và bộ nhớ dữ liệu (RAM), hệ thống cổng vào/ra (I/O) và các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR).
  • Lý thuyết chuyển đổi tương tự - số (ADC): Sử dụng vi mạch ADC0804 với phương pháp biến đổi đại lượng điện áp liên tục từ cảm biến sang dữ liệu số nhị phân 8 bit.
  • Lý thuyết truyền động và điều khiển động cơ điện một chiều: Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập $U_ư = E_ư + (R_ư + R_f)I_ư$. Phương pháp đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng điện phần ứng $I_ư$ và phương pháp điều chỉnh vận tốc thông qua điều chỉnh điện áp phần ứng $U_ư$ bằng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM).
  • Lý thuyết quang điện tử và sóng hồng ngoại: Sử dụng sóng điện từ có bước sóng $\lambda > 760\text{ nm}$ (cụ thể diode phát có $\lambda = 940\text{ nm}$), kết hợp nguyên lý quang dẫn (thay đổi nội trở của cảm biến quang khi có bức xạ chiếu vào) và mạch so sánh điện áp dùng bộ khuếch đại thuật toán LM358P.
  • Mô hình trạng thái máy hữu hạn (FSM - Finite State Machine) để đặc tả chu trình hoạt động logic của hệ thống cửa.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu sơ đồ chân, giản đồ xung, thông số làm việc từ datasheet của các vi mạch bán dẫn (AT89C51, ADC0804, L298, LM358, 7805, PNA4602M).
  • Phương pháp khảo sát thực tế: Khảo sát thị trường các dòng cửa tự động thông dụng (cửa kéo, cửa cuốn, cửa trượt; phân loại theo tải trọng trên/dưới 200 kg/2 cánh; phân loại theo mạch điều khiển phi tiếp điểm hoặc bộ điều khiển lập trình LOGO!).
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán lựa chọn thông số linh kiện mạch nguồn, khối công suất cầu H, kết cấu cơ khí truyền động dây cu roa - puly, thanh ray và bánh xe con lăn.
  • Phương pháp mô phỏng điện tử: Ứng dụng phần mềm Proteus (phân hệ ISIS để mô phỏng tương tác giữa phần mềm vi điều khiển với mạch phần cứng; phân hệ ARES/AREA để định tuyến thiết kế mạch in PCB).

Nguồn dữ liệu:

  • Dữ liệu thông số kỹ thuật trích xuất từ tài liệu hướng dẫn (datasheet) của các nhà sản xuất linh kiện: Intel, National Semiconductor, SGS-Thomson.
  • Dữ liệu thực nghiệm đo đạc điện áp, dòng điện, kích thước hình học của mô hình khung cơ khí và mạch điện tử do tác giả trực tiếp lắp ráp, khảo sát.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cửa trượt tự động được triển khai đồng bộ giữa kết cấu cơ khí chính xác và hệ thống mạch điện tử điều khiển vi xử lý:

Phân hệ / Khối chức năng Linh kiện / Vật liệu sử dụng Thông số kỹ thuật và đặc tính vận hành
Khung cơ khí Thép hộp $15\text{ mm} \times 15\text{ mm}$ Hàn ghép nối tạo khung định hình, làm sạch bề mặt và sơn tĩnh điện
Cánh cửa Kính phẳng Độ dày kính $5\text{ mm}$, phía trên gá vào thanh nhôm định hình chữ H
Cơ cấu truyền động Thanh ray, con lăn, puly, dây cu roa, rãnh trượt dưới Thanh ray thép; puly và con lăn gia công bằng sắt; rãnh trượt dưới bằng nhôm định hình
Khối nguồn nuôi Biến áp hạ áp, cầu diode 1N4007, IC 7805, tụ lọc Điện áp vào $220\text{ VAC}$, điện áp ra thứ cấp $12\text{ V}$ và $5\text{ V}$; tụ lọc sơ cấp $C_1 = 1000\ \mu\text{F}$, tụ chống tự kích $C_2 = 10\ \mu\text{F}$; dòng ra $5\text{ V} - 500\text{ mA}$
Khối điều khiển trung tâm Vi điều khiển AT89C51 (họ MCS-51) Thạch anh $12\text{ MHz}$ (hoặc $11.0592\text{ MHz}$); bộ nhớ trong gồm 4 KB ROM/EPROM và 128 Byte RAM; 4 cổng xuất nhập 8-bit (P0, P1, P2, P3)
Khối cảm biến phát hiện Diode phát hồng ngoại, sensor PNA4602M, IC so sánh LM358P Bước sóng diode phát $\lambda = 940\text{ nm}$, góc phát $40^\circ$, công suất $200\text{ mW}$; sensor thu làm việc ở tần số sóng mang $38\text{ kHz}$; mạch so sánh dùng biến trở phân áp $5\text{ k}\Omega$ hoặc $10\text{ k}\Omega$
Khối chuyển đổi ADC Vi mạch ADC0804 Độ phân giải 8 bit, nguồn nuôi $+5\text{ V}$; mạch tạo dao động tích hợp gồm $R = 10\text{ k}\Omega$, $C = 150\text{ pF}$ cho tần số $f = 606\text{ kHz}$; thời gian biến đổi $110\ \mu\text{s}$
Khối công suất truyền động Vi mạch cầu H tích hợp L298D Tích hợp 2 mạch cầu H, điện áp hoạt động tối đa $46\text{ V}$, dòng tải danh định $2\text{ A}$ (tổng dòng DC đỉnh chịu đựng $4\text{ A}$); có chân current sensing giám sát quá dòng
Cơ cấu chấp hành Động cơ điện một chiều (DC Motor) Điện áp danh định $12\text{ VDC}$, vận hành quay hai chiều (thuận/nghịch), dẫn động cơ cấu kéo mở/đóng cửa trượt

Hệ thống điều khiển quy định chu trình chuyển động nhiều cấp vận tốc nhằm tối ưu thời gian lưu thông và độ an toàn:

  • Khi cảm biến ghi nhận có người hoặc vật thể di chuyển vào vùng quét, vi điều khiển kích hoạt mở cửa với tốc độ cao $v_1$ để giải phóng lối đi nhanh nhất.
  • Khi cánh cửa di chuyển đến gần cuối hành trình mở, hệ thống tự động giảm vận tốc xuống mức thấp nhất $v_3$ để cửa tiếp cận điểm dừng một cách chính xác, êm ái, loại bỏ va đập cơ khí.
  • Sau khi tín hiệu từ cảm biến kết thúc và duy trì một khoảng thời gian trễ an toàn là 5 giây, cửa bắt đầu chu trình đóng lại với vận tốc nhanh $v_2$.
  • Khi gần hết hành trình đóng, vận tốc tiếp tục được hãm giảm xuống mức $v_3$ nhằm tránh va chạm mạnh giữa hai mép cánh cửa.
  • Trong toàn bộ quá trình đang đóng, nếu cảm biến phát hiện có vật cản hoặc người tiếp tục đi tới, hệ thống lập tức đảo chiều động cơ để mở bung cửa ra, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người sử dụng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung về cửa đóng mở tự động, kết cấu cơ khí

Nội dung chương 1 tập trung phân tích tổng quan về công nghệ cửa tự động và chi tiết kết cấu phần cơ khí của mô hình:

  • Phân tích ưu điểm và nhược điểm của các dạng cửa tự động phổ biến hiện nay:
    • Cửa kéo: Cấu tạo đơn giản, cánh cửa chắc chắn nhưng động cơ phải treo cố định lên trần nhà bằng dây kéo, tiềm ẩn rủi ro mất an toàn trong quá trình sử dụng.
    • Cửa cuốn: Gọn nhẹ, tiện dụng, chi phí sản xuất thấp, vận hành bằng động cơ công suất nhỏ qua trục cuộn; nhược điểm là độ chắc chắn cơ học không cao, độ bền thấp hơn các loại khác.
    • Cửa trượt: Cơ cấu chuyển động tịnh tiến (rãnh thẳng) hoặc xoay tròn (rãnh cong), kết cấu thanh mảnh, thẩm mỹ, tạo cảm giác sang trọng và an toàn, rất phổ biến tại Việt Nam.
  • Kết quả khảo sát thực tế phân loại cửa theo tải trọng (dưới 200 kg/2 cánh, trên 200 kg/2 cánh và loại chịu lực đặc thù đặt hàng riêng); phân loại theo số lượng cánh (1 cánh hoặc 2 cánh); phân loại mạch điều khiển (mạch điều khiển phi tiếp điểm, hoặc ứng dụng bộ lập trình LOGO! tại các địa điểm ga tàu, sân bay).
  • Thuyết minh chi tiết các bộ phận kết cấu cơ khí của mô hình chế tạo: khung sắt hộp $15\text{ mm} \times 15\text{ mm}$ sơn tĩnh điện; hai cánh cửa bằng kính dày $5\text{ mm}$ kẹp thanh nhôm chữ H; cụm bánh xe con lăn bằng sắt gia công cơ khí; hệ thống dẫn hướng puly kéo dây cu roa; thanh ray treo bằng thép chịu lực và máng trượt nhôm dẫn hướng phía dưới.
  • Xác lập các yêu cầu kỹ thuật đối với mô hình: kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy cơ khí cao, mạch điện vận hành chính xác; chu trình đóng mở đa cấp tốc độ ($v_1, v_2, v_3$) và độ trễ đóng cửa được ấn định ở mức 5 giây.

Chương 2: Giới thiệu các linh kiện, thiết bị, phần mềm sử dụng trong hệ thống cửa đóng mở tự động

Chương này đi sâu vào cấu trúc phần cứng, nguyên lý chuyển đổi tín hiệu và các phần tử bán dẫn được lựa chọn cho hệ thống:

  • Cấu trúc phần cứng vi điều khiển AT89C51 thuộc họ MCS-51: Bộ vi xử lý 8-bit, 40 chân DIP, 4 KB ROM nội, 128 Byte RAM nội, tần số thạch anh dao động chuẩn $12\text{ MHz}$ (chu kỳ máy $1\ \mu\text{s}$, lệnh nhân/chia tốn $4\ \mu\text{s}$), 4 cổng vào ra P0 đến P3. Thuyết minh chức năng chuyên biệt của các chân tín hiệu điều khiển bộ nhớ ngoài gồm PSEN (chân 29 cho phép đọc mã chương trình ngoài), ALE (chân 30 chốt địa chỉ byte thấp trên Port 0), EA\ (chân 31 chọn thực thi ROM nội hay ROM ngoại) và ngõ vào RST (chân 9 lập lại trạng thái khởi động khi giữ mức cao tối thiểu 2 chu kỳ máy).
  • Mạch nguồn ổn áp $5\text{ V}$: Sử dụng biến áp hạ áp kết hợp bộ nắn dòng 4 diode 1N4007, tụ lọc nguồn hóa học $C_1 = 1000\ \mu\text{F}$, IC ổn áp tuyến tính 7805 (chân 1 Input $> 7\text{ V}$, chân 2 GND, chân 3 Output cố định $+5\text{ V}$, dòng cực đại $500\text{ mA}$) và tụ gốm $C_2 = 10\ \mu\text{F}$ dập dao động tự kích.
  • Vi mạch biến đổi tương tự - số ADC0804: Cấu tạo 20 chân, thời gian chuyển đổi danh định không dưới $110\ \mu\text{s}$ (hoặc dưới $100\ \mu\text{s}$ trong chế độ tối ưu), bộ tạo dao động trên chip ghép tụ $150\text{ pF}$ và điện trở $10\text{ k}\Omega$ sinh tần số $606\text{ kHz}$. Thuyết minh chu trình giao tiếp vi xử lý thông qua việc điều khiển các chân tích cực mức thấp CS, WR, RD và ngắt báo kết thúc chuyển đổi INTR.
  • Cảm biến hồng ngoại và mạch xử lý tín hiệu: Cặp phát - thu hồng ngoại sử dụng bước sóng $\lambda = 940\text{ nm}$, góc mở bức xạ $40^\circ$, công suất tiêu tán $200\text{ mW}$, dòng $100\text{ mA}$; cảm biến thu chuyên dụng PNA4602M làm việc tại tần số điều chế $38\text{ kHz}$. Phân tích nguyên lý tạo ngưỡng logic qua mạch so sánh điện áp dùng IC LM358P kết hợp biến trở phân áp tinh chỉnh độ nhạy theo khoảng cách.
  • Mạch công suất cầu H L298D: Chip 15 chân tích hợp 2 cầu H độc lập, hỗ trợ điện áp cấp tải lên đến $46\text{ V}$, dòng tải định mức $2\text{ A}$ mỗi kênh (chịu xung dòng đỉnh tới $4\text{ A}$), các ngõ vào tương thích chuẩn logic TTL (chân In1, In2, In3, In4 và các chân Enable EnA, EnB phục vụ băm xung PWM điều khiển tốc độ).
  • Động cơ điện một chiều (DC Motor): Phân tích chi tiết cấu tạo phần tĩnh (Stato gồm cực từ chính bằng các lá thép kỹ thuật điện dày $0{,}5 - 1\text{ mm}$, cực từ phụ, gông từ, nắp gang, chổi than gắn lò xo ép lên cổ góp) và phần quay (Rôto gồm lõi sắt phần ứng dập rãnh thông gió dày $0{,}5\text{ mm}$, cuộn dây phần ứng, và cổ góp tạo từ các phiến đồng cách điện mica dày $0{,}4 - 1{,}2\text{ mm}$). Phân tích phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập, lý giải nguyên nhân chọn phương pháp đảo chiều dòng điện phần ứng $I_ư$ thay vì đảo chiều dòng kích từ $I_{kt}$ (nhằm tránh sinh ra sức điện động tự cảm lớn gây đánh thủng lớp cách điện cuộn kích từ).
  • Phần mềm Proteus: Ứng dụng công cụ ISIS mô phỏng tương tác động giữa mã nạp vi điều khiển và sơ đồ mạch nguyên lý; ứng dụng ARES/AREA thiết kế layout mạch in.

Chương 3: Thiết kế mô hình điều khiển hệ thống cửa tự động sử dụng hệ vi xử lý 80C51

Chương 3 tổng hợp toàn bộ các nghiên cứu thành thiết kế mô hình cụ thể:

  • Sơ lược chức năng và mối liên kết logic giữa các khối: khối nguồn, khối vi điều khiển trung tâm AT89C51, khối cảm biến hồng ngoại tiền xử lý qua LM358P và ADC0804, khối công suất cầu H L298D dẫn động động cơ DC 12V.
  • Đặc tả hệ thống theo mô hình trạng thái máy hữu hạn (FSM): Thiết lập thuật toán chuyển đổi trạng thái dựa trên các tín hiệu đầu vào từ cảm biến vật cản và công tắc giới hạn hành trình (mở hết, đóng hết) tương ứng với các trạng thái dừng, mở nhanh ($v_1$), hãm mở ($v_3$), trễ thời gian (chờ 5 giây), đóng nhanh ($v_2$), hãm đóng ($v_3$) và mở khẩn cấp khi có vật cản trong lúc đóng.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch hoàn chỉnh: Định vị ghép nối chi tiết từng chân tín hiệu giữa vi điều khiển AT89C51 với các linh kiện ngoại vi; tổ chức mạch tạo xung dao động thạch anh và mạch Reset tự động khi bật nguồn.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển cho chip AT89C51 xử lý các sự kiện đóng mở tự động.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Xây dựng thành công mô hình cơ khí cửa trượt hai cánh với khung thép hộp $15\text{ mm} \times 15\text{ mm}$ sơn tĩnh điện, cánh kính dày $5\text{ mm}$, cơ cấu thanh ray thép, puly và bánh xe con lăn hoạt động ổn định.
  • Thiết kế hoàn chỉnh mạch điện tử ổn áp nguồn $+5\text{ V}$ sử dụng IC 7805 dòng $500\text{ mA}$, tụ lọc $1000\ \mu\text{F}$ và biến áp hạ áp từ lưới điện $220\text{ VAC}$ ra hai cấp điện áp $12\text{ V}$ và $5\text{ V}$.
  • Thiết kế mạch cảm biến hồng ngoại hoạt động chính xác ở bước sóng $\lambda = 940\text{ nm}$, sử dụng mạch so sánh ngưỡng LM358P và mạch biến đổi ADC0804 với thời gian lấy mẫu xấp xỉ $110\ \mu\text{s}$ ở tần số clock $606\text{ kHz}$.
  • Thiết kế mạch lực cầu H dùng vi mạch L298D, thực hiện thành công việc đảo chiều quay động cơ điện một chiều 12V thông qua phương pháp đảo chiều dòng điện phần ứng $I_ư$ và kiểm soát tốc độ qua các mức $v_1, v_2, v_3$.
  • Hiện thực hóa thuật toán điều khiển cửa thông minh với thời gian trễ đóng tự động là 5 giây khi không còn người qua lại, kèm theo cơ chế tự động mở lại ngay lập tức nếu xuất hiện người chắn cửa trong chu trình đóng.

Giải pháp và đề xuất kỹ thuật từ tác giả:

  • Sử dụng phương pháp đảo chiều dòng điện phần ứng của động cơ một chiều, tuyệt đối không dùng giải pháp đảo chiều dòng kích từ nhằm triệt tiêu nguy cơ quá áp làm thủng cách điện của cuộn dây kích từ.
  • Đề xuất ghép song song hai mạch cầu H trong IC L298D trong trường hợp cần tăng gấp đôi khả năng chịu tải dòng điện cho các loại động cơ DC có công suất lớn hơn.
  • Ứng dụng điện trở cảm biến dòng (sensing resistor) đấu nối từ chân current sensing của L298D xuống đất để đo sụt áp, từ đó giúp vi điều khiển giám sát dòng tải nhằm bảo vệ quá tải và kẹt cửa cơ khí.
  • Khuyến nghị sử dụng phần mềm Proteus (ISIS) để kiểm thử toàn diện mã lệnh vi điều khiển tương tác với mạch điện tử trước khi tiến hành làm mạch in thực tế bằng công cụ ARES/AREA.

Đóng góp của đồ án:

  • Tác giả đã cụ thể hóa kiến thức lý thuyết liên ngành (Điện, Điện tử, Cơ khí, Vi điều khiển, Lập trình điều khiển) vào một mô hình vật lý trực quan, có khả năng ứng dụng thực tế.
  • Xây dựng được tài liệu mô tả chi tiết, hướng dẫn quy trình khảo sát, chọn lựa linh kiện, tính toán mạch lực và mạch điều khiển cho hệ thống cửa tự động bằng họ vi điều khiển AT89C51.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Đề tài chỉ dừng lại ở quy mô chế tạo mô hình thực nghiệm nhỏ dùng khung thép hộp $15\text{ mm} \times 15\text{ mm}$ và cánh kính $5\text{ mm}$, chưa trực tiếp triển khai trên hệ thống cửa công nghiệp cỡ lớn có tải trọng cánh vượt trên 200 kg.
  • Nguồn cấp động cơ chỉ giới hạn ở mức 12VDC công suất nhỏ; mạch cầu H L298D chỉ đáp ứng dòng tải danh định 2A (hoặc 4A khi ghép song song), do đó chưa thể điều khiển trực tiếp các loại động cơ công nghiệp tải nặng.
  • Hệ thống cảm biến quang hồng ngoại dựa trên cặp thu phát phản xạ hoặc chặn tia có thể bị suy giảm độ nhạy trong các môi trường công nghiệp có nhiều bụi bẩn hoặc bị ánh sáng mặt trời mạnh chiếu thẳng trực tiếp.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

  • Nâng cấp phần cứng mạch điều khiển từ vi điều khiển 8-bit AT89C51 lên các dòng vi điều khiển hiệu năng cao hơn hoặc tích hợp bộ điều khiển lập trình công nghiệp chuyên dụng như PLC/LOGO! để tăng cường khả năng chống nhiễu trong môi trường nhà xưởng.
  • Thiết kế tầng mạch công suất sử dụng MOSFET hoặc IGBT rời để kéo các động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều có dải công suất lớn, phục vụ cho các cửa tự động hạng nặng trên 200 kg.
  • Nghiên cứu cải tiến giải thuật điều khiển vị trí và tốc độ chính xác hơn bằng việc tích hợp cảm biến đo vị trí (encoder) thay thế cho việc chỉ dùng các công tắc hành trình cơ học thông thường.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị học thuật và thực tiễn đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự động công nghiệp, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa: Đồ án là tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về cấu trúc đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống nhúng điều khiển cơ cấu chấp hành.
  • Người nghiên cứu thực hiện các đề tài về ứng dụng vi điều khiển 8051: Nội dung chương 2 và chương 3 cung cấp chi tiết về ghép nối ngoại vi, từ cách tạo xung thạch anh, mạch reset nguồn, kết nối bộ biến đổi tín hiệu ADC0804 đến phương pháp điều khiển vi mạch công suất L298D.
  • Các kỹ thuật viên thiết kế cơ điện: Phần phân tích kết cấu cơ khí truyền động cửa trượt (thanh ray, con lăn sắt, rãnh trượt nhôm, cơ cấu kéo cáp/cu roa) và phương trình đặc tính cơ động cơ DC kích từ độc lập là nguồn tư liệu hữu ích cho việc tính toán cơ cấu dẫn động tự động hóa.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả chọn giải pháp đảo chiều dòng điện phần ứng thay vì đảo chiều dòng kích từ để đổi chiều quay động cơ DC?
Theo phân tích trong văn bản, cuộn dây kích từ của động cơ điện một chiều có hệ số điện cảm rất lớn do có nhiều vòng dây. Khi thay đổi dòng kích thích $I_{kt}$ trong lúc máy đang quay, hiện tượng tự cảm sẽ sinh ra một sức điện động cảm ứng rất cao. Điện áp quá độ này có thể đánh thủng lớp cách điện của cuộn dây kích thích gây hư hỏng động cơ. Do đó, phương pháp đảo chiều dòng điện phần ứng $I_ư$ là giải pháp an toàn và tối ưu kỹ thuật được lựa chọn.

2. Vi mạch cầu H L298D có các thông số giới hạn nào và làm thế nào để tăng gấp đôi dòng tải?
IC L298D có điện áp danh nghĩa hoạt động lên tới $46\text{ V}$ (hoặc danh nghĩa tối đa lớn hơn $50\text{ V}$), tổng dòng điện một chiều chịu đựng tối đa đạt $4\text{ A}$ và dòng làm việc danh định $2\text{ A}$ mỗi kênh. Để tăng dòng tải của chip lên gấp đôi khi điều khiển động cơ có tải trọng lớn hơn, tác giả đề xuất giải pháp kỹ thuật là đấu nối song song hai mạch cầu H bên trong cùng một IC với nhau bằng cách nối chung các chân có cùng chức năng tương ứng.

3. Khối cảm biến quang trong đồ án sử dụng linh kiện gì và nguyên lý xác định vật cản như thế nào?
Mạch cảm biến sử dụng diode phát bức xạ hồng ngoại có bước sóng $\lambda = 940\text{ nm}$ kết hợp với mắt thu hồng ngoại chuyên dụng (như PNA4602M tần số $38\text{ kHz}$ hoặc photodiode). Nguyên lý hoạt động dựa trên sự biến đổi nội trở của mắt thu: ở điều kiện bình thường, nội trở mắt thu rất lớn (khoảng vài trăm $\text{k}\Omega$); khi có tia hồng ngoại phản xạ từ vật thể chiếu vào, nội trở giảm xuống mạnh (chỉ còn vài chục $\Omega$), làm tăng điện áp trên cực anot. Tín hiệu này được đưa vào IC LM358P so sánh với điện áp ngưỡng do biến trở phân áp thiết lập để tạo ra mức logic xuất ra bộ điều khiển.

4. Chu trình điều khiển chuyển động của cửa được thiết lập vận tốc và thời gian trễ ra sao?
Hệ thống được lập trình với 3 cấp vận tốc: khi phát hiện đối tượng, cửa mở ra với vận tốc nhanh $v_1$, sau đó giảm tốc xuống $v_3$ khi gần hết hành trình để dừng êm. Khi tín hiệu cảm biến ngắt, hệ thống đếm thời gian trễ 5 giây rồi mới kích hoạt chu trình đóng với vận tốc nhanh $v_2$. Gần cuối hành trình đóng, cửa tiếp tục giảm tốc về $v_3$ nhằm tránh va đập mạnh giữa hai cánh. Trong quá trình đóng, nếu cảm biến ghi nhận có người bước vào, cửa lập tức chuyển hướng mở ra ngay.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Phạm Xuân Vượng đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế mô hình hệ thống điều khiển cửa trượt tự động hai cánh ứng dụng vi điều khiển họ 80C51 (AT89C51). Công trình kết hợp chặt chẽ giữa tính toán kết cấu cơ khí chính xác (khung thép, thanh ray, puly, bánh xe) với thiết kế hệ thống điện tử hoàn chỉnh từ khối ổn áp nguồn 7805, mạch cảm biến hồng ngoại tiền xử lý qua LM358P và ADC0804, cho đến mạch công suất cầu H L298D điều khiển động cơ điện một chiều 12V. Kết quả nghiên cứu đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về an toàn, thẩm mỹ và vận hành thông minh nhiều cấp tốc độ, là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư ngành Điện tự động công nghiệp.