Thiết kế hệ thống điều khiển và tự động hoá của máy đóng gói tự động bằng arduino

1.2.1 Khái niệm máy đóng gói tự động Máy đóng gói tự động là thiết bị máy móc có chức năng đưa sản phẩm ở các thể rắn, lỏng hay dạng bột, hạt vào bao bì rồi niêm phong bao bì ở trên cùng một loại máy. Khi sử dụng thiết bị, con người không cần phải tác động trực tiếp đến các quy trình đóng gói bao bì của sản phẩm. 1.2.2 Đặc điểm của thiết bị đóng gói tự động Thiết bị đóng gói tự động thường được cấu tạo theo cơ chế hoạt động bằng phương pháp định lượng. Những đặc điểm về thiết kế cùng tính năng hoạt động của thiết bị được lập trình sẵn và mang nhiều đặc điểm nổi bật như: Thiết bị có cấu tạo đơn giản, vận hành theo cơ chế tự động, các phụ kiện, cùng động cơ được sản xuất theo tiêu chuẩn nước ngoài nên người dùng sẽ không phải tốn nhiều thời gian, công sức trong việc đóng gói bao bì với công suất vượt trội. Kích thước của thiết bị đóng gói tự động nhỏ, phù hợp trong những nhà máy, doanh nghiệp sản xuất có quy mô nhỏ và vừa bởi nó không chiếm quá nhiều diện tích sử dụng. Khả năng đóng, cắt bao bì chính xác cùng chức năng đóng gói đa dạng các sản phẩm. Đặc biệt với những loại sản phẩm dạng lỏng, bột và hạt… rất khó đóng gói và yêu cầu về độ chính xác cao. Thiết bị hoạt động với công suất liên tục, chính xác, giá thành phù hợp và hiệu suất vận hành ổn định. Người dùng không tốn quá nhiều chi phí để đầu tư sản phẩm. 1.2.3 Cấu tạo chính của máy đóng gói tự động Để thiết bị máy đóng gói tự động luôn vận hành trơn tru thì hệ thống máy móc đóng gói tự động bao gồm những bộ phận như: – Phần điện: gồm vi điều khiển , bo mạch chính, đồng hồ điều khiển nhiệt, điện trở, motor, sensor quang… – Phần mềm: ngôn ngữ lập trình , phần mềm lập trình – Phần cơ khí: gồm các chi tiết khung máy, máng tạo túi, phễu chứa nhiên liệu, dao cắt, hộp tốc độ, cơ cấu định lượng, trục quay…

CHƯƠNG 1 : KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ MÁY ĐÓNG GÓI

1.1 Đặt vấn đề

Trong thời đại hiện nay điều khiển tự động hóa không còn là xa lạ đối với hầu hết

các ngành công nghiệp Sự phát triển nhanh chóng của khoa học, máy tính và công nghệtruyền thông đã giúp cho việc điều khiển, vận hành dây chuyền sản xuất trở nên đơn giản,chính xác, nhanh chóng và trở nên hiệu quả hơn bao giờ hết Chính vì vậy,việc học tập,nghiên cứu những ứng dụng của các ngành sử dụng công nghệ cao là một yêu cầu cầnthiết và có tác dụng to lớn đối với các kỹ sư kĩ thuật Và một trong số những thành tựutrong lĩnh vực điều khiển tự động đó là ứng dụng của bộ điều khiển lập trình Arduino vàosản xuất Nhờ những đặc tính nổi trội mà Arduino có thể ứng dụng vào rất nhiều ngànhcũng như các công đoạn sản xuất khác nhau Một trong số đó là đóng gói sản phẩm – 1công đoạn hoàn toàn có thể làm thủ công nhưng với sự trợ giúp của Arduino thì năng suấtcũng như hiệu quả được tăng lên đáng kể Và cũng vì vậy mà chúng em thực hiện đồ ánvới đề tài “Thiết kế điều khiển động cơ servo ứng dụng trong máy đóng gói ” Thông quabài đồ án này, em có hội tiếp cận và sử dụng Arduino, đồng thời em cũng có những trảinghiệm thực tế vô cùng hữu ích trong quá trình làm đồ án Nó giúp em cũng cố vữngchắc hơn nữa những kiến thức đã học trong nhà trường và nâng cao kĩ năng làm việc thựctế

Tuy nhiên trong khuôn khổ bài báo cáo, em chỉ có thể trình bày một cách tổng quát

về máy đóng gói tự động, mặc dù vẫn còn nhiều thiếu sót Chính vì vậy trong tương lai

em mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô, để chúng em hoàn thiện hơn nữa

1.2 Giới thiệu máy đóng gói tự động

1.2.1 Khái niệm máy đóng gói tự động

Máy đóng gói tự động là thiết bị máy móc có chức năng đưa sản phẩm ở các thểrắn, lỏng hay dạng bột, hạt vào bao bì rồi niêm phong bao bì ở trên cùng một loại máy.Khi sử dụng thiết bị, con người không cần phải tác động trực tiếp đến các quy trình đónggói bao bì của sản phẩm

1.2.2 Đặc điểm của thiết bị đóng gói tự động

Thiết bị đóng gói tự động thường được cấu tạo theo cơ chế hoạt động bằngphương pháp định lượng Những đặc điểm về thiết kế cùng tính năng hoạt động của thiết

bị được lập trình sẵn và mang nhiều đặc điểm nổi bật như:

- Thiết bị có cấu tạo đơn giản, vận hành theo cơ chế tự động, các phụ kiện, cùng động cơđược sản xuất theo tiêu chuẩn nước ngoài nên người dùng sẽ không phải tốn nhiều thờigian, công sức trong việc đóng gói bao bì với công suất vượt trội

- Kích thước của thiết bị đóng gói tự động nhỏ, phù hợp trong những nhà máy, doanhnghiệp sản xuất có quy mô nhỏ và vừa bởi nó không chiếm quá nhiều diện tích sử dụng

- Khả năng đóng, cắt bao bì chính xác cùng chức năng đóng gói đa dạng các sản phẩm.Đặc biệt với những loại sản phẩm dạng lỏng, bột và hạt… rất khó đóng gói và yêu cầu về

độ chính xác cao

- Thiết bị hoạt động với công suất liên tục, chính xác, giá thành phù hợp và hiệu suất vậnhành ổn định Người dùng không tốn quá nhiều chi phí để đầu tư sản phẩm

1.2.3 Cấu tạo chính của máy đóng gói tự động

Để thiết bị máy đóng gói tự động luôn vận hành trơn tru thì hệ thống máy móc đóng gói

1.2.4 Nguyên lý hoạt động của thiết bị đóng gói tự động

Máy đóng gói tự động thường bao gồm các chức năng chính đó là định lượng sảnphẩm, tạo túi, rót nhiên liệu và đóng gói bao bì sản phẩm

Nguyên lý hoạt động cơ bản của thiết bị đóng gói tự động là sự kết hợp giữanhững bộ phận điều khiển bằng dòng điện tử phổ biến Arduino cùng các chi tiết cơ cấu

cơ khí Qua hệ thống cơ khí được kết hợp với một hoặc nhiều motor trong hệ truyền động

dây đai, bánh răng, dây xích được kết hợp với bộ phận trục quay để biến chuyển độngquay tròn thành hệ thống chuyển động tịnh tiến Chu trình của thiết bị được lặp đi lặp lạinhiều lần cho đến khi công việc được thực hiện tới công đoạn đóng gói của sản phẩmcuối cùng.

Trên đây là khái niệm về thiết bị đóng gói tự động, cùng cấu tạo và nguyên lý hoạtđộng của máy đóng gói tự động Hy vọng với những thông tin trên có thể giúp ngườidùng dễ dàng điều khiển và áp dụng quy trình sản xuất trong những điều kiện môi trườngkhác nhau để hỗ trợ chúng ta trong việc tiết kiệm chi phí, nguồn nhân lực và thời gianhiệu quả

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 2.1 Các thiết bị có trong hệ thống

2.1.1 Motor Servo

Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt Không giống như động cơ thông thường

cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển với góc quaynằm trong khoảng giới hạn Mỗi loại servo có kích thước, khối lượng và cấu tạo khácnhau Có loại thì nặng chỉ 9g (chủ yếu dùng trên máy bay mô mình), có loại thì sởhữu một momen lực tương đối (vài chục Newton/m), hoặc có loại thì khỏe và nhông sắcchắc chắn

Hình 2.1 Micro Servo 9g

Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo

RC (radio-controlled) Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điềukhiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi Động

cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này

2.1.2 Hoạt động và cấu tạo

Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở Việc thiết lậpmột hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơhoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng

Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Khiđộng cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về một mạch điều khiển Nếu có bầt kỳ

lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu

ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch chođộng cơ đạt được điểm chính xác

1 Motor

2 Electronics Board

3 Positive Power Wire (Red)

4 Signal Wire (Yellow or White)

5 Negative or Ground Wire (Black)

6 Potentiometer

7 Output Shaft/Gear

8 Servo Attachment Horn/Wheel/Arm

9 Servo Case

10.Integrated Control Chip

Hình 2.2: Cấu tạo cơ bản của một động cơ (motor) servo

Để quay động cơ, tín hiệu số được gới tới mạch điều khiển Tín hiệu này khởiđộng động cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế Vị trí của trục vôn kế chobiết vị trí trục ra của servo Khi vôn kế đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽtắt động cơ Mặc dù ta có thể chỉnh quay liên tục nhưng công dụng chính của động cơservo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng giới hạn

2.1.3 Thông số kỹ thuật

Hình 2.2: Sơ đồ nối dây của Micro Servo

2.1.4 Điều biến độ rộng xung

Trục của động cơ servo R/C được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là điều biến độrộng xung (PWM) Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổnđịnh Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biến đổi từ

1 – 2 ms Các xung này được gởi đi 50 lần/giây Chú ý rằng không phải số xung trongmột giây điều khiển servo mà là chiều dài của các xung Servo đòi hỏi khoảng 30 –

60 xung/giây Nếu số này qua thấp, độ chính xác và công suất để duy trì servo sẽ giảm

Với độ dài xung 1 ms, servo được điều khiển quay theo một chiều (giả sử là chiềukim đồng hồ):

Hình 2.4 : Điều khiển trục ra của động cơ bằng cách điều chế độ rộng xung

Với độ dài xung 2 ms, servo quay theo chiều ngược lại Kỹ thuật này được gọi là tỉ

lệ số – chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển

2.1.5 Giới hạn quay

Các servo khác nhau ở góc quay được với cùng tín hiệu 1 – 2 ms (hoặc bất kỳ)được cung cấp Các servo chuẩn được thiết kế để quay tới và lui từ 90 độ – 180 độ khiđược cung cấp toàn bộ chiều dài xung Nếu ta cố điều khiển servo vượt quá những giớihạn cơ học của nó, hiện tượng này kéo dài hơn vài giây sẽ làm bánh răng của động

cơ bị phá hủy

2.2 Giới thiệu chung về arduino

Bo mạch Arduino hiện nay không còn xa lạ với người dùng tại Việt Nam Tuy nhiên, không phải ai cũng có thể học Arduino một cách hệ thống

- Tổng quan

Arduino board là một bo mạch nguồn mở nhằm đưa tới cho người dùng một sản

phẩm dễ sử dụng, dễ kết nối và lập trình Arduino board được thiết kế gồm một vi xử lý

dòng AVR (Arduino Due là dòng ARM), cổng USB, các chân analog input, digital I/O

… Ngôn ngữ lập trình cho Arduino dựa trên Wiring (ngôn ngữ Arduino) và được viết

trên phần mềm Arduino IDE

Arduino bao gồm cả Arduino board và Arduino IDE Định nghĩa chính xác Arduino

là gì thì thật là khó Arduino giúp gắn kết các nhiệm vụ một cách đơn giản nhất Ví dụ, bạn ao ước chế tạo một chiếc oto điều khiển từ xa, hay muốn có một hệ thống tưới cây tự động… thì Arduino sẽ giúp bạn!

- Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P Với Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông

- Hiện nay Arduino được biết đến ở Việt Nam rất rộng rãi Từ học sinh trung học, đến sinh viên và người đi làm Những dự án nhỏ và lớn được thực hiện một cách rất nhanh, các mã nguồn mở được chia sẻ nhiều trên diễn dàn trong nước và nước ngoài Giúp ích rất nhiều cho những bạn theo đam mê nghiên cứu chế tạo những sản phẩm có ích cho xã hội.

- Trong những năm qua, Arduino là bộ não cho hàng ngàn dự án điện tử lớn nhỏ,

từ những sản phẩm ra đời ứng dụng đơn giản trong cuộc sống đến những dự án khoa học phức tạp.

- Cứ như vậy, thư viện mã nguồn mở ngày một tăng lên, giúp ích cho rất nhiều người mới biết đến Arduino cũng như những chuyên viên lập trình nhúng và chuyên gia cùng tham khảo và xây dựng tiếp nối

- Bạn muốn thiết kế điều khiển thiết bị thông qua cảm biến ánh sáng, Đo nồng độ hóa chất, khí ga và xử lý thông qua cảm biến nồng độ và cảm biến khí, Bạn muốn làm 1

con robot mini, Bạn muốn quản lý tắt mở thiết bị điện trong nhà, bạn muốn điều khiển motor, nhận dạng ID, Khó hơn xíu là bạn muốn làm một máy CNC hoặc máy in 3D mini, máy bay không người lái (Flycam) một hệ thống thu thập dữ liệu thông qua GSM, xử lý ảnh,điều khiển vạn vật thông qua internet giao tiếp với điện thoại thông minh

- Để làm được điều đó, từ đơn giản đến phức tạp bạn cần sử dụng ngôn ngữ lập trình Arduino dựa trên sơ đồ, hệ thống của bạn thiết kế, thông qua phần mềm

Arduino IDE, để thực hiện những yêu cầu đó đưa về bộ phận xử lý trung tâm (Arduino).

Khi tiếp xúc với Arduino Nano đó là sự tiện dụng, đơn giản, có thể lập trình trực tiếp bằng máy tính (nhờ Arduino Uno R3) và đặc biệt hơn cả đó là kích thước của nó Kích thước của Arduino Nano cực kì nhỏ chỉ tương đương với đồng 2 nghìn gấp lại 2 lần thôi (1.85cm x 4.3cm), rất thích hợp cho các bạn bắt đầu học vì giá rẻ hơn Arduino Uno nhưng dùng để tất cả các thư viện của mạch này Bài này nhằm mục đích giới thiệu về mạch Arduino Nano và các thông số kĩ thuật, cùng với đó là những gợi ý ứng dụng khi bắt đầu với mạch này

Hình 3.1 Arduino uno

Hình 3.2 Giao diện Arduino 1.0.6

Lập trình arduino là gì? Chúng ta có thể hiểu về Arduino như sau:

Arduino được xem là nền tảng của “mã nguồn mở” được dùng để tạo nên các loại ứng dụng trong lĩnh vực điện tử, khả năng tương tác với các thiết bị tương ứng nhau hoặctương tác với môi trường để thuận lợi hơn

Arduino được ví như chiếc máy tính mini để người sử dụng dùng để lập trình, xây dựng và thực hiện các loại dự án về điện tử một cách hữu ích nhất mà không cần đến sự xuất hiện của các loại công cụ chuyên biệt dùng riêng cho quá trình phục vụ nạp code.Arduino gồm có hai phần chính đó là phần cứng và phần mềm.

- Phần cứng:

Vi điều khiển (hay còn được gọi với cái tên khác là board mạch mã nguồn mở) Một

số board được sử dụng như:

+ Arduino Uno: là một loại board mạch đơn giản nhất phù hợp với đối tượng mới

bắt đầu Dữ liệu số bao gồm 14 chân, đầu vào gồm 6 chân 5V, khả năng phân giải là

1024 mức Chạy với tốc độ 16MHz, điện áp từ 7V đến 12V Kích thước của Board này là5,5x7cm Giá 200.000 đồng

+ Arduino Micro: Bao gồm có đến 20 chân, trong đó chân có thể phát PWM có 7

chân Thiết kế khá nhỏ gọn, nhẹ, kích thước bảng board là 5 x 2cm

+ Arduino Pro: Thiết kế mới, chân số không có sẵn, tùy vào số chân bạn sử dụng để

gắn trực tiếp và giúp tiết kiệm được khoảng không lớn Thường có 2 loại đó là loại có nguồn 3.3V và loại có 5V

+ Arduino Nano: Nếu nói về board có kích thước nhỏ gọn nhất chính là board

Arduino Nano, lắp đặt dễ dàng với kích thước của board này chính là 2 x 4cm

+ Arduino Mega: Là bộ phận được thiết kế với chân số lên đếm 64 chân, trong đó

có 14 chân phát PWM, 4 cổng truyền tiếp Kích thước của board là 5 x 10 cm

+ Arduino Leonardo: Là board không có cổng nối USB dùng lập trình Được thiết

kế tại một chip nhỏ điều khiển Kết nối qua COM ảo và có thể kết nối với chuột và bàn phím

- Phần mềm: Các phần mềm dành riêng hỗ trợ cho sự tích hợp IDE với tác dụng

soạn thảo, nạp chương cho board và biên dịch code

- Các ứng dụng trong đời sống: Trong đời sống Arduino được sử dụng nhiều và khá

quan trọng trong việc chế tạo ra các thiết bị điện tử chất lượng cao Một số ứng dụng dành cho Arduino chính là:

+ Lập trình cho robot: Là bộ phần quan trọng nằm tài trung tâm xử lý, điều khiển được hoạt động của con robot Có khả năng thực hiện đọc cảm biến, dùng trong điều khiển động cơ của sản phẩm.

+ Thực hiện lập trình các loại game tương tác: Arduino tương tác với các trò chơi các loại trò chơi Tetrix, Marico và nhiều những game khác

+ Lập trình máy bay không người lái

+ Là một trong những bộ phần quan trọng trong cây đèn giao thông, các hiệu ứng đèn nháy được cài đặt làm nổi bật các biển quảng cáo

+ Điều khiển thiết bị ánh sáng cảm biến tốt

+ Ứng dụng trong máy in màu 3D, điều khiển cảm biến báo hiệu khi bánh chín

- Khả năng kết nối với những thiết bị khác:

+ Hoạt động một cách độc lập là điều mà Arduino hoàn toàn có thể thực hiện được.+ Kết nối với các thiết bị máy tính, cho phép truy cập vào những tệp dữ liệu thuộc tính cảm biến bên môi trường ngoài và cung cấp phản hồi các thông tin

+ Liên kết, kết nối được với các Arduino khác nhau

+ Kết nối được với nhiều các thiết bị khác, các chip điều khiển

3.2 Cảm biến

- Khái niệm:

Cảm biến là thiết bị phản ứng với các tác động (in put) từ môi trường vật lý xung quanh nó.Các tác động cụ thể có thể là ánh sáng, nhiệt, chuyển động, độ ẩm, áp suất hoặcmột trong nhiều hiện tượng môi trường khác.Tương tác lại (out put) thường là tín hiệu điện tử, tín hiệu này chuyển đổi lên màn hình con người có thể đọc được tại vị trí cảm biến hoặc được truyền qua để đọc hoặc xử lý tiếp.

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó

Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trình khác.Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò (Test probe), có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ đó lại được gọi luôn là

"cảm biến" Tuy nhiên trong nhiều trường hợp thì thuật ngữ cảm biến ít dùng cho vật có kích thước lớn Thuật ngữ này cũng không dùng cho một số loại chi tiết, như

cái núm của công tắc bật đèn khi mở tủ lạnh, dù rằng về mặt hàn lâm núm này làm việc như một cảm biến

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:

Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tiagamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyểnđộng, gia tốc, từ trường, trọng trường,

Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,

Các hiện tượng cần cảm biến rất đa dạng, cũng như phương cách chế ra các cảm biến, và những cảm biến mới liên tục phát triển Việc phân loại cảm biến cũng phức tạp

vì khó có thể đưa ra đủ các tiêu chí phân loại cho tập hợp đa dạng như vậy được

- Cảm biến nhiệt độ LM35

LM35 là một cảm biến nhiệt độ Analog (A0 đến A5 trên board Arduino Uno).

LM35 không cần phải canh chỉnh nhiệt độ khi sử dụng

LM35 thay đổi nhiệt độ nhanh và chính xác.