Máy bán hàng tự động

Đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình máy bán hàng tự động” mà nhóm được giao, thật sự là một thử thách, do nguyên lý hoạt động, kết cấu cơ khí, phương pháp điều khiển của các máy loại này

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhất là trong lĩnh vực

điều khiển và truyền thông, rất nhiều máy, hệ thống tự động thông minh ra đời, đã

làm thay đổi về mọi mặt cuộc sống của con người Cụ thể trong công nghiệp là cácmáy tự động, các trạm sản xuất linh hoạt, các nhà máy thông minh Trong dândụng là các thiết bị phục vụ trong các gia đình như máy giặt, tủ lạnh, các hệ thốngbảo vệ, chiếu sáng tự động… Trong trao đổi, mua bán cũng xuất hiện các thiết bị tự

động như các máy ATM, các máy thanh toán card, các máy bán cà phê….Với

những chiếc máy đó việc mua bán, trao đổi của con người trở lên thuận tiện hơn.Trong báo cáo này, nhóm muốn đề cập đến một trong những chiếc máy tự động ứngdụng trong giao thương, đó là máy bán hàng tự động

Đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình máy bán hàng tự động” mà nhóm được

giao, thật sự là một thử thách, do nguyên lý hoạt động, kết cấu cơ khí, phương pháp

điều khiển của các máy loại này hoàn toàn xa lạ với các thành viên của nhóm, các

tài liệu về những chiếc máy này hoàn toàn không có Nhưng chính thách thức đócũng là động lực để nhóm làm việc Qua đề tài, các thành viên của nhóm đã pháttriển được nhiều kĩ năng như làm việc nhóm, cách tiếp cận với vấn đề mới, cáchgiải quyết vấn đề…Hơn thế nữa trong quá trình làm đề tài, nhóm đã vận dụng đượcnhững kiến thức đã học như thiết kế cơ khí, lập trình điều khiển, thiết kế hệ thống…

để giải một bài toán rất thực tế

Để hoàn thành tốt đề này, trước tiên và trên hết, chúng con muốn cảm ơn bố

mẹ, cảm ơn bố mẹ đã sinh ra chúng con, đã nuôi dạy chúng con, hiểu chúng con,

ủng hộ chúng con Bố mẹ cũng là động lực để chúng con phấn đấu

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nhữ Quý Thơ và các thầy cô trong bộ

môn Cơ Điện Tử, cũng như các thầy cô trong khoa cơ khí đã giúp đỡ chúng em

trong thời gian làm đề tài Và hơn nữa, cảm ơn thầy đã dìu dắt, trang bị kiến thức cảchuyên môn lẫn cuộc sống cho chúng em trong bốn năm qua Sau khi ra trường,chúng em mong vẫn được thầy, và các thầy cô giúp đỡ, chỉ bảo

Đồng thời nhóm cũng cảm ơn các bạn trong lớp CĐT1_K1 đã có những góp ý

quý báu cho nhóm Và cảm ơn về tình bạn của các bạn

Do thời gian có hạn nên cũng không thể tránh được những sai sót trong quátrình làm đề tài Nhóm mong được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và cácbạn để có thể hoàn thiện đề tài tốt hơn

Xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2010

Sinh viên thực hiện:

Cù Huy Hoàng Nguyễn Văn Phong Lương Văn Tuấn Nguyễn Thị Thủy

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.1 Giới thiệu chung 3

1.2 Các vấn đề đặt ra 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu 4

1.4 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu 4

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MÁY BÁN HÀNG TỰ ĐỘNG 5

2.1 Máy bán hàng tự động 5

2.2 Sơ lược về các loại tiền xu 5

2.2.1 Các loại tiền xu kim loại trên thế giới 5

2.2.2 Các loại tiền xu Việt Nam 6

2.3 Các phương pháp nhận dạng tiền xu: 9

2.3.1 Đo đường kính 10

2.3.2 Đo khối lượng 10

2.3.3 Nhận dạng dựa trên sự biến đổi điện dung 11

2.3.4 Nhận dạng dựa trên kỹ thuật xử lý tín hiệu số 11

2.3.5 Nhận dạng dựa trên vật liệu chế tạo tiền xu 12

2.4 Cảm biến nhận dạng tiền xu 20

2.4.1 Một số module cảm biến nhận dạng tiền xu 20

2.4.2 Modul nhận dạng tiền xu trong đề tài 20

2.4.3 Thông số kỹ thuật 21

2.5 Bộ điều khiển của máy 22

2.5.1 Các port vào/ra 24

2.5.2 Ngắt ngoài 24

2.5.3 Timer, Counter 24

2.5.4 Giao tiếp SPI 24

2.6 Cơ cấu chấp hành 25

2.6.1 Động cơ bước 25

2.6.2 Động cơ DC 28

CHƯƠNG III MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 30

3.1 Xây dựng mô hình cơ khí 30

3.2 Mô hình hoá hệ thống điều khiển 31

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 34

4.1 Thiết kế và thi công hệ thống cơ khí 34

4.1.1 Thiết kế module phân loại lưu trữ và trả lại tiền xu 34

4.1.2 Thiết kế module chứa và trả sản phẩm 39

4.1.3 Khung máy 45

4.2 Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển 45

4.2.1 Đối tượng điều khiển: 45

4.2.2 Yêu cầu của việc điều khiển: 46

4.2.3 Phần mạch điều khiển 46

4.3 Xây dựng thuật toán điều khiển 57

4.3.1 Thuật toán điều khiển chung của máy 58

4.3.2 Thuật toán xử lý chọn sản phẩm 59

4.3.3 Thuật toán trả lại hàng 60

4.3.4 Thuật toán trả lại tiền thừa 61

CHƯƠNG V KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ 63

5.1 Kết quả 63

5.2 Nguyên nhân và biện pháp khắc phục 63

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung

Máy bán hàng tự động là một chiếc máy thông minh có thể tự động thực hiệngiao dịch mua, bán các loại hàng có trong kho của nó với khách hàng Người mua

là khách hàng, người bán là chiếc máy đó Thao tác mua, bán về cơ bản diễn ra bìnhthường như truyền thống

Với sự xuất hiện của máy bán hàng tự động trong những năm gần đây đã tạo

ra sự phát triển mạnh mẽ các dịch vụ công cộng như bán nước uống, đồ ăn nhanh…Những máy bán hàng tự động này xuất hiện chủ yếu ở những chỗ tập trung đôngngười như: siêu thị, ngân hàng, hoặc ở những khu vui chơi giả trí

Những lợi ích mà máy bán hàng tự động đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thể

như:

- Với một chiếc máy bán hàng, việc mua bán có thể diễn ra bất cứ thời gian

nào, trong điều kiện thời tiết nào

- Một chiếc máy bán hàng tự động có thể coi tương đương một quầy hàng nhỏ,chuyên bán một số mặt hàng Hơn nữa quầy hàng này không cần nhân viên bánhàng, nên tiết kiệm được tiền lương trả cho nhân viên

- Máy bán hàng tự động có diện tích nhỏ nên có thể đặt được ở nhiều nơi, tậndụng được nhiều khoảng trống, và có thể tiết kiệm được tiền thuê mặt bằng

- Mọi người thường có tâm lý e ngại khi mua một số mặt hàng ở các quầyhàng, thì việc mua ở các máy bán hàng tự động, hoàn toàn thoải mái

- Các loại máy bán hàng tự động được thiết kế giao tiếp ngày càng thân thiệnvới người sử dụng Việc thực hiện mua sản phẩm rất dễ dàng, và không sai xót

- Bằng việc sử dụng những đồng tiền xu sẽ làm thay đổi suy nghĩ của mọi

người trong việc sử dụng và lưu thông những đồng tiền xu Các máy hiện đại có khảnăng thanh toán bằng thẻ tín dụng, nên có thể giảm được lượng tiền mặt lưu thông

- Trước tiên, đó là công nghệ dùng để nhận dạng tiền, cụ thể trong đề tài lànhận dạng các loại tiền xu Việt Nam Các thiết bị nhận dạng bán trên thị trường sửdụng nhiều công nghệ khác nhau, với giá cả, độ tin cậy, tốc độ xử lý rất khác nhau.

Và đặc biệt rất khó mua tại Việt Nam

- Trong việc thiết kế và chế tạo được hệ thống cơ khí phải chính xác, đảm bảocho máy chạy êm, không bị kẹt trong quá trình hoạt động Đặc biệt là việc thiết kế

hệ thống phân loại tiền, trả tiền, và hệ thống trả hàng

- Việc xây dựng được thuật toán điều khiển và phương pháp điều khiển chomáy cũng gặp nhiều vấn đề khó khăn, vừa phải đảm bảo điều khiển cho máy hoạt

động được chính xác, dự phòng được các lỗi xảy ra khi máy hoạt động, vừa phải

làm sao cho việc lập trình đơn giản nhất có thể

- Cơ cấu chấp hành sử dụng trong máy là động cơ DC và động cơ bước, cần

được điều khiển chính xác

- Máy phải tuyệt đối an toàn, có độ tin cậy cao

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Máy bán hàng tự động là một sản phẩm đã được phát triển trên thị trường, và làmột sản phẩm cơ điện tử, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm đã áp dụng phươngpháp nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu mô hình của các chiếc máy bán đã có sẵn trên thị trường, kếtcấu, giao diện, tính năng của những chiếc máy đó Từ đó áp dụng để thiết kế tronggiới hạn đề tài

- Áp dụng phương pháp luận trong thiết kế cơ điện tử vào thiết kế máy, cụ thểlà:

+ Thiết kế theo tuần tự, và đồng thời

+ Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa trước khi hoànthiện thiết kế trước khi chế tạo

+ Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như mong muốn, hoặc

chưa được thiết kế trong các hệ thống thật trước đó, chế tạo mẫu mạch điện Sau

cùng, chế tạo thật mô hình máy

1.4 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu

Một chiếc máy bán hàng tự động có rất nhiều tính năng Tuy nhiên trongphạm vi một đề tài tốt nghiệp, với những giới hạn về thời gian, tài chính và tầm hiểubiết, nhóm chỉ chế tạo một mô hình máy bán hàng tự động với tính năng sau:

- Đề tài chỉ nghiên cứu máy bán những loại hàng bằng chai, lon và dạng hộp

- Máy chỉ giao dịch với những đồng xu có mệnh giá 5000đ, 2000đ và 1000đ

- Máy không có chức năng giữ lạnh đồ uống

- Máy chỉ dùng một vi điều khiển 8 bit để điều khiển

- Vỏ máy được chế tạo bằng vật liệu đơn giản

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MÁY BÁN HÀNG TỰ ĐỘNG

2.1 Máy bán hàng tự động

Máy bán hàng tự động là một sản phẩm tự động hóa đã rất phổ biến trên thếgiới Ở các nước phát triển như Nhật, Mỹ, EU…., sản phẩm này đã trở lên thôngdụng với người dân Các loại máy náy, bán rất nhiều các loại mặt hàng từ các loại

nước đóng chai, đến các loại đồ ăn, các sản phẩm dân dụng… Và mới đây nhất là

chiếc máy bán vàng tự động Các loại máy này trên thế giới đã rất hoàn thiện về kếtcấu, tính năng sử dụng, và độ hoàn thiện, đa dạng trong công nghệ nhận biết loạithiết bị dùng để thanh toán như có thể dùng tiền xu, tiền giấy, thẻ tín dụng hay bằngtin nhắn SMS qua điện thoại di động…

Ở Việt Nam, năm 2003 khi tiền xu đưa vào lưu thông, máy bán hàng tự động

cũng đã xuất hiện, nhưng sự phát triển loại máy này ở Việt Nam rất chậm chạp Gần

đây là xuất hiện các loại máy tự động thanh toán bằng tiền polyme Xu hướng này

có vẻ được chấp nhận hơn do tâm lý ngại dùng tiền xu của người Việt Nam

Trong đề tài này nhóm chế tạo một chiếc máy bán hàng tự động thanh toán

bằng tiền xu

Về cơ bản, một máy bán hàng tự động bao gồm một hay nhiều kho hàng đểchứa sản phẩm, các máy hiện đại, các kho được thiết kế có chức năng giữ nhiệt độmặt hàng ở mức mong muốn Một hay một số thiết bị dùng để khách hàng thanhtoán tiền, đó có thể là một thiết bị nhận dạng tiền mặt, một thiết bị trừ tiền trongcard hay một thiết bị kết nối mạng để trả tiền qua sms…Các cơ cấu chấp hành để

đưa hàng ra, đó là các động cơ, xilanh thủy lực…Các thiết bị hiển thị, có thể là màn

hình led hoặc màn hình cảm ứng Các nút bấm, các cơ cấu trả tiền thừa Bộ điềukhiển và các cảm biến…

Trong chương này, nhóm sẽ giới thiệu lý thuyết các công nghệ, các nguyên lý,

các thiết bị mà nhóm sử dụng trong đề tài

2.2 Sơ lược về các loại tiền xu

Nhận dạng tiền xu là một việc quan trọng khi thiết kế, chế tạo máy bán hàng tự

động Trên thế giới, các modul nhận dạng tiền xu đã được chuẩn hoá về kích thước(

theo một số mẫu quy định ) giúp các nhà chế tạo có thể thay thế dễ dàng khi modulnhận dạng tiền xu gặp trục trặc kỹ thuật

2.2.1 Các loại tiền xu kim loại trên thế giới

Hầu hết các nước trên thế giới kể cả các nước có hệ thống thanh toán khôngdùng tiền mặt tiền kim loại vẫn sử dụng phổ biến trong các giao dịch nhỏ bởi vì tiềnkim loại mang lại lợi ích thiết thực cho cả nhà phát hành và người sử dụng Đối với

người phát hành tiền kim loại bền hơn nên tiết kiệm được chi phí phát hành trong

dài hạn Đối người sử dụng tiền kim loại sạch hơn không bị rách nát, không hấp thụtạp chất như tiền giấy và phù hợp với việc sử dụng các loại hình dịch vụ tự độnghoá Tuy nhiên tiền kim loại nặng hơn, khó đếm và dễ rơi hơn tiền giấy Mặc dù vậytrong xã hội hiện đại không thể thiếu tiền kim loại khi các dịch vụ thương mại tự

động hoá phát triển

Tuỳ theo tập quán sử dụng và điều kiện đặc thù của mỗi nước mà có sự khácbiệt đáng kể về đường kính và trọng lượng đồng tiền Ở châu Âu đồng tiền nhỏ nhất

có đường kính 14mm đồng tiền lớn nhất là 31mm, đồng tiền nhẹ nhất là 0,55 gam,đồng tiền nặng nhất là 13,5 gam Ở châu Á đồng tiền nhỏ nhất có đường kính là15mm đồng tiền lớn nhất có đường kính 32mm, đồng tiền nhẹ nhất có trọng lượng0.45 gam, đồng tiền nặng nhất có trọng lượng 15,5 gam

Qua nghiên cứu người ta đưa ra đường kính tối ưu của đồng xu nằm trongkhoảng 15 đến 30 mm vì nó thuận tiện cho việc sử dụng mà vẫn đảm bảo tiết kiệm

chi phí đúc dập Đồng tiền kim loại có mệnh giá lớn nhất phải nên có đường kính

nhỏ hơn 30 mm và trọng lượng dưới 10 gam để dự phòng khi cần phát hành đồngtiền kim loại có mệnh giá lớn hơn trong tương lai Chiều dày của đồng tiền kim loạiphải lớn hơn 1mm để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật trong quá trình đúc cắt phôi đậptiền đồng thời tạo thuận lợi cho việc sử dụng tiền kim loại Nhìn bề ngoài đồng tiền

có mệnh giá lớn hơn có kích thước lớn hơn nhưng trên thực tế mối quan hệ nàykhông thể hiện rõ lắm ở hầu hết các bộ tiền kim loại trên thế giới bởi kích thước,trọng lượng của chúng còn phụ thuộc vào cách phân nhóm mệnh giá trong mỗi bộtiền kim loại

Về vật liệu đúc tiền, có thể phân chia thành ba nhóm chính: hợp kim, thép mạ

và kim loại thuần tuý Hợp kim có độ bền màu, độ chống mài mòn và chống oxi hoá

cao nhưng giá thành sản xuất cũng cao Vì vậy chúng được dùng để đúc các nhóm

tiền có mệnh giá cao trong bộ tiền kim loại của các nước, như 1 Euro, 2 Euro, 2

Đôla Canada, 1 Đôla Singapore…Hay như loại tiền 5000đ tại Việt Nam phát hành

tháng 12/2003

Thép mạ( mạ đồng hoặc niken) có độ bền kém hơn nhưng giá thành lại rẻ hơntrong khi vẫn đáp ứng được những yêu cầu về đúc, dập nên chúng được dùng để sảnxuất nhóm tiền có mệnh giá thấp hơn trong hệ thống Do tính chất vật liệu, tiền kimloại làm bằng thép mạ đồng dễ bị xỉn màu hơn tiền làm bằng hợp kim ngay cả khimới phát hành Ngoài ra tiền kim loại nói chung nhanh bị hỏng nếu tiếp xúc với cácchất ăn mòn Thực tế cho thấy đồng 1000đ và 2000đ làm bằng thép mạ đồng củaViệt Nam nhanh bị xỉn màu hơn các loại mệnh giá còn lại, nó không thể bền như

đồng 5000đ được làm bằng hợp kim CuAl16Ni2.

2.2.2 Các loại tiền xu Việt Nam

Việt Nam là một trong những nước đang trên đà phát triển, tiến hành côngnghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước nên hàng loạt các dịch vụ thương mại tự độnghoá xuất hiện Chính vì thế việc sử dụng tiền xu cho các dịch vụ này ngày càng trởnên cần thiết đối với người dân Việt Nam Nhận biết được điều đó, sau một thờigian dài vắng bóng tiền kim loại, kể từ năm 2003 ngân hàng nhà nước Việt Nam đãcho phát hành rộng rãi các loại tiền xu kim loại với các mệnh giá 5000, 2000, 1000,

500, 200 đồng Tiền xu Việt Nam có các đặc điểm như sau:

- Vật liệu: hợp kim (CuAl16Ni2)

- Mặt trước: hình quốc huy

- Mặt sau: dòng chữ “NGÂN HÀNG NHÀ NƯỚC VIỆT NAM”, số mệnh giá

- Mặt sau: dòng chữ “NGÂN HÀNG NHÀ NƯỚC VIỆT NAM”, số mệnh giá

- Mặt trước: hình quốc huy

- Mặt sau: dòng chữ “NGÂN HÀNG NHÀ NƯỚC VIỆT NAM”, số mệnh giá

- Mặt sau: dòng chữ “NGÂN HÀNG NHÀ NƯỚC VIỆT NAM”, số mệnh giá

500 đồng, chi tiết hoa văn dân tộc

- Mặt trước: hình quốc huy

- Mặt sau: dòng chữ “NGÂN HÀNG NHÀ NƯỚC VIỆT NAM”, số mệnh giá

200 đồng, chi tiết hoa văn dân tộc

2.3 Các phương pháp nhận dạng tiền xu:

Có rất nhiều phương pháp có thể xác định được các thông số của tiền xu Tuynhiên ở đây, đề tài chỉ trình bày những phương pháp được ứng dụng trong thực tế:

Hình 2.6 Sơ đồ khối các phương pháp xác định giá trị tiền xu

Hình 2.7 Nhận dạng tiền xu bằng phương pháp đo đường kính

Có thể xác định đường kính tiền xu bằng cách sử dụng cặp led thu phát hồngngoại với các vị trí định trước Dựa trên đường kính đã biết của các loại mệnh giá,

sơ đồ nguyên lý cơ cấu xác định giá trị mệnh giá được trình bày như hình 2.7 Đường kính của tiền xu sẽ làm thay đổi vị trí của led phát tương ứng vớiđường kính của tiền xu và các led thu 5000đ, 2000đ, 1000đ… sẽ nhận được tín hiệu

từ led phát Khi đó mệnh giá được xác định bằng phương pháp số với sự trợ giúpcủa vi điều khiển hoặc phần mềm

2.3.2 Đo khối lượng

VCC

+

-U2A

LM358

3 2

1

R4 R

R5 R R1

R

gnd

R3 R

Hình2.8 Nhận dạng tiền xu bằng khối lượng dùng loadcell

Để đo khối lượng của tiền xu, có thể dùng loadcell Tuy nhiên do khối lượng

của tiền xu nhỏ, độ sai lệnh của các xu nhỏ(sai lệch lớn nhất là 3.7g) vì vậy phải

dùng loadcell có độ nhạy lớn, đồng thời kết hợp với mạch có hệ số khuyết đại lớn

Khuyết điểm của phương pháp: thời gian đáp ứng khá chậm, đồng xu phải ởtrạng thái tĩnh khi đo, hơn nữa chi phí cao nên không thể áp dụng phương pháp nàytrong thực tế

2.3.3 Nhận dạng dựa trờn sự biến đổi điện dung

d

Đếm tần - xác

định mệnh giá theo xung đếm Tiền xu

Hỡnh 2.9 Nhận dạng tiền xu bằng phương phỏp biến đổi điện dung

Khi tiền xu được đưa vào giữa hai bản tụ, thỡ điện mụi giữa hai bản tụ sẽ thay

đổi dẫn đến điện dung tụ cũng thay đổi, làm cho tần số của mạch cộng hưởng thayđổi theo Mạch đếm tần sẽ đếm xung và xỏc định được tần số của tớn hiệu đưa vào

từ đú xỏc định được mệnh giỏ của tiền đưa vào

2.3.4 Nhận dạng dựa trờn kỹ thuật xử lý tớn hiệu số

Hỡnh 2.10 Nhận dạng dựa trờn kỹ thuật xử lý số tớn hiệu

Đõy là phương phỏp phức tạp dựa trờn kỹ thuật xử lý số Bản chất vật liệuđược thực hiện bằng cỏc phộp kiểm tra độ cứng, độ đàn hồi hay tương tỏc vậtlý…Và một cỏch thức được đề nghị là thực hiện việc phõn tớch tỏc động của tiền xu

khi va chạm với bề mặt xỏc định trước

Sơ đồ phõn tớch õm thanh va chạm của tiền xu được thực hiện như hỡnh 2.10

Từ thanh định hướng, tiền xu sẽ rơi tự do lờn bề mặt cứng(bản kim loại) Tại thời

điểm va chạm tiền xu sẽ nảy lờn nhiều lần và tạo thành chuỗi õm thanh dao động

ngắt quóng Như hỡnh 2.11 biểu diễn mẫu õm thanh va chạm của tiền xu lờn một bềmặt cú độ cứng lớn và khụng đàn hồi

Hình 2.11 Chuỗi âm thanh va chạm của tiền xu vào một bề mặt

Chuỗi âm thanh cho thấy các chuỗi thời gian đặc trưng:

- Khoảng thời gian nảy(Tnay) liên quan đến trọng lượng hình dạng và độ caoh

- Khoảng thời gian vang(Tvang) liên quan đến chất liệu và đặc tính bề mặt tiếpxúc

Việc phân tích các thông số thời gian và biên độ của chuỗi âm thanh này bằng

xử lý số sẽ cho ta kết quả chính xác về mệnh giá của tiền đưa vào Vì đây là phươngpháp hiện đại nên việc thực hiện khá phức tạp nhưng lại có độ chính xác rất cao

2.3.5 Nhận dạng dựa trên vật liệu chế tạo tiền xu

a, Khảo sát từ tính của vật liệu kim loại

- Các véc tơ trường:

Từ trường ngoài thường được biểu diễn bằng H và gọi là cường độ từ trường

Từ trường sinh ra trong một ống dây hình trụ(solenoid), gồm N vòng dây quấnkhít nhau với chiều dài l, và tại một dòng điện, cường độ từ trường được tính bằng:H=NI/l

Đơn vị đo H là ampe-vòng/mét hoặc A/m

Cảm ứng từ hay mật độ từ thông B, biểu thị từ trường bên trong chất chịu tácdụng của từ trường H Đơn vị đo của B là Tesla(W/m2) Cả B và H đều là những

vector trường đặc trưng bởi độ lớn và chiều trong không gian của trường

Cường độ từ trường và mật độ từ thông có quan hệ theo biểu thức sau:

Hình 2.12 Từ trường H do dòng điện đi qua ống dây sinh ra và khi có hoặc

không có vật rắn bên trong

Trong đó:

Trong chân không thì: B0= µ0H

µ0– Độ thẩm từ của chân không, là hằng số có giá trị 4π.10-7(H/m)

B0– Mật độ từ thông trong chân không

Có nhiều thông số mô tả tính chất từ của vật rắn, ví dụ tỉ số giữa độ thẩm từtrong vật liệu và độ thẩm tử trong chân không:

µr= µ/µ0

µr– Độ thẩm từ tương đối

Độ thẩm từ hoặc độ thẩm từ tương đối của vật liệu là số đo mức độ từ hóa vật

liệu hay khả năng mà từ trường B được cảm ứng trong vật liệu khi có từ trườngngoài H

Vector từ hóa(từ độ) µ của vật rắn được xác định theo biểu thức:

=µ0 + µ0

Khi ở trong từ trường H, các momen từ của vật liệu định hướng theo trường đo

và tăng cường nó bằng chính từ trường riêng của chúng Số hạng µ0 trong biểuthức trên chính là thành phần đóng góp đó

Độ lớn của tỷ lệ với trường đặt vào là:

=χm

χm– độ từ hóa(hệ số từ hóa) Hệ số từ hóa và độ thẩm từ tương đối liên hệ với

nhau theo:

χm= µr– 1

Các đơn vị từ trường rất dễ nhầm lẫn, bởi thực tế có hai hệ thống được sử dụng

phổ biến Một là SI(meter-kilogram-second), hệ kia là CGS – EMU(centimeter –gram – second – electromagnetic unit) Các đơn vị trong hai hệ đó và hệ số chuyển

đổi cho trong bảng 1 sau:

Bảng 1: Các đơn vị và các hệ số chuyển đổi giữa hai hệ SI và CGS – EMU

Đơn vị SIĐại

Đơn vị

EMU

động quỹ đạo của điện từ bởi trường ngoài

Moment từ có trị số rất nhỏ và hướng ngược chiều với từ trường ngoài Nhưvậy độ thẩm từ tương đối µr nhỏ hơn 1(tuy nhiên chỉ rất ít) và độ từ hóa là âm.Nghĩa là cường độ của từ trường B trong vật rắn nghịch từ vào khoảng -10-5 Khi

đặt vào giữa hai cực của một nam châm điện mạnh, các vật liệu nghịch từ sẽ bị hút

về phía những khu vực từ trường yếu

Hình 2.13 sẽ minh họa cấu hình các lưỡng cực từ nguyên tử của một vật liệu

moment lưỡng cực nguyên tử, khác với trình bày trước, các moment chỉ biểu thị cácmoment điện tử Sự phụ thuộc của B vào từ trường ngoài H đối với vật liệu nghịch

từ biểu diễn ở hình bên dưới

Hình 2.13 Tính chất của vật liệu thuận từ và nghịch từ

Tính nghịch từ có ở tất cả các vật liệu, nhưng vì nó rất yếu nên chỉ có thể quan

sát được khi không có các dạng từ tính khác, do đó chúng ít có ý nghĩa trong thực

tế

Bảng 2: Hệ số từ hóa ở nhiệt độ phòng của các vật liệu nghịch và thuận từ

hỗn loạn, do đó vật liệu sẽ không có vector từ hóa vĩ mô riêng Khi có từ trường

ngoài, các lưỡng cực nguyên tử này quay tự do và tính thuận từ chỉ thể hiện khi sự

quay này tạo ra một định hướng ưu tiên nào đó như hình trên Kết quả làm tăng từ

trường ngoài, gây ra một thẩm từ trường tương đối µr lớn hơn 1 và do đó độ từ hóa

tương đối nhỏ nhưng lại có giá trị dương

Cả hai chất thuận từ và nghịch từ đều được coi là vật liệu không từ tính, bởi vìchúng chỉ bị từ hóa khi có một từ trường ngoài Mật độ từ thông trong chúng hầu

như giống nhau trong chân không

b, Cảm biến dòng điện Foucault

Phần tử chính của cảm biến là một cuộn dây được cung cấp dòng điện có tần

số cao, nó sẽ tạo ra một từ trường thay đổi chung quanh cuộn dây Một vật kim loạinằm trong vùng từ trường này sẽ xảy ra hiệu ứng dòng điện Foucault Theo địnhluật Lenz, dòng điện này có chiều chống lại nguyên nhân tạo lên nó, nên một từ

thông ngược lại với từ thông của cuộn dây sẽ được sinh ra, điều này dẫn đến làm

giảm hệ số tự cảm của cuộn dây

Hình 2.14 Cảm biến dòng điện Foucault và mạch tương đương

Cảm biến từ trở thay đổi chỉ dùng với những đối tượng vật liệu sắt từ, cảmbiến dòng điện Foucault được dùng cả những vật là kim loại Tuy nhiên đáp ứngkhông chỉ phụ thuộc vào khoảng cách đối tượng, mà còn phụ thuộc đặc tính

điện (điện trở suất, độ từ thẩm) và những đặc tính hình học (dạng và kích thước).Đối tượng và cảm biến thường đặt trong môi trường không khí, việc lắp đặt có thể

bố trí trong môi trường cách điện, điều này cho phép tổn hao ít đối với tần sốdòng điện hoạt động Lý thuyết đơn giản về hoạt động của loại cảm biến này

được xây dựng dựa trên việc xem đối tượng kim loại như một mạch điện có hỗ cảm

M với cuộn dây Ta có:

Rút gọn:

Khi cuộn dây được cung cấp, tổng trở cuộn dây sơ cấp đã được biến đổi

do ghép thêm với cuộn thứ cấp

+ Điện trở cuộn dây sơ cấp gia tăng:

+ Điện cảm cuộn dây giảm:

+ Trong trường hợp đối tượng là vật dẫn điện tốt:

Và tổng trở tương đương cuộn dây sơ cấp rút gọn:

và bề dày của đồng xu Việc xác định mệnh giá của đồng xu dựa trên việc so sánh

đồng xu cần kiểm tra có giống đồng xu mẫu hay không

Hình 2.15 Cảm biến nhận dạng tiền xu dựa trên

nguyên lý dòng điện Foucault

- Cơ sở lý thuyết

Khi một đồng xu kim loại được đặt vào từ trường, nếu mẫu bỏ vào có cấu tạovật liệu kim loại có từ tính (nghịch từ, thuận từ) thì vật liệu sẽ bị từ hóa, và sẽ tạo ramột từ trường riêng cùng chiều(thuận từ) hoặc ngược chiều(nghịch từ) với từ trườngngoài Khi đó từ trường sẽ xâm nhập vào đồng tiền xu cần kiểm tra và tạo nên dòng

điện Foucault trong nó Tuỳ thuộc vào dạng vật liệu, hình dạng, bề dày của đồng xu

mà dòng điện Foucault này sinh ra từ trường chống lại Từ thông này có thể đo

được

- Nguyên lý hoạt động

Cảm biến gồm 3 cuộn dây: cuộn dây thứ cấp H2, cuộn sơ cấp H1 và H3, bacuộn giống nhau

Cuộn H2 được đặt ở giữa, đồng trục và cách đều 2 cuộn H1 và H2

Hai cuộn H1 và H2 mắc đối ngẫu

Cho dòng điện xoay chiều chạy qua 2 cuộn H1,H3 Khi đó từ thông sinh rabởi cuộn dây H1 sẽ sinh ra dòng điện Foucault trong đồng xu mẫu.Tùy thuộc vào

bề dày của đồng xu mẫu mà dòng Foucault này sinh ra một từ thông, từ thông này

sẽ gây ra một điện áp trên cuộn thứ cấp H2 Điện áp này mang thông số và đặc tínhcủa đồng xu mẫu

Tương tự như cuộn dây H3 nó sẽ sinh ra một điện áp ngược chiều với điện áp

của cuộn dây H2 sinh ra Nếu xu mẫu và xu cần nhận dạng giống nhau thì áp vi saitrên cuộn dây thứ H2 bằng 0 và ngược lại thì sẽ khác 0

Hình 2.16 Nhận dạng tiền xu bằng phương pháp cảm biến điện từ

Đây là mạch nguyên lý của cảm biến nhận dạng tiền xu theo kiểu

“Comparable coin selector – so sánh với đồng xu mẫu” trong các module nhận dạngtrước đây do Trung quốc sản xuất Chúng ta thường thấy trong các máy game xu tại

các siêu thị, các khu giải trí…Nhược điểm của phương pháp này là với một bộ cảmbiến ta chỉ nhận biết được một loại tiền xu tương ứng với đồng xu chúng ta cần sosánh Muốn nhận dạng được nhiều tiền xu thì ta phải thiết kế các bộ cảm biến nốitiếp với nhau, số bộ cảm biến tương ứng với số đồng xu mà chúng ta cần so sánh

Cách này được dùng rất nhiều trước đây

c, Cảm biến điện cảm

Nguyên lý và đặc tính tổng quát:

Sự dịch chuyển mà ta muốn biến đổi thành tín hiệu điện được thựchiện nhờ một trong những phần tử mạch từ, kéo theo sự thay đổi từ thôngtrong cuộn dây Khi phần tử di chuyển là một lõi sắt từ, một sự chuyển đổi sự dịch

- Sự thay đổi hệ số từ cảm (điện cảm thay đổi)

- Sự thay đổi độ ghép giữa các cuộn dây sơ và thứ cấp của biến áp (biến áp visai, microsyn) gây ra một sự thay đổi điện áp thứ cấp

Khi cuộn dây quay tròn so với một cuộn cố định, thì một cuộn giữ vaitrò phần cảm, còn cuộn kia phần ứng, nó tác động như một biến áp có độ ghép thay

đổi Cuộn sơ là phần cảm, cuộn thứ là phần ứng và tạo ra một điện áp hoạtđộng theo góc quay (biến trở điện cảm, resolver) Những thay đổi hệ số từ

cảm và hỗ cảm M theo sự dịch chuyển của lõi sắt thông thường có sự tuyếntính kém, điều này có thể cải thiện đáng kể nhờ việc bố trí hai cuộn dây đốikháng mà hệ số tự cảm L và hỗ cảm M thay đổi ngược nhau đối với cùngmột chuyển động Như vậy, ta đã thực hiện một sự bù trừ một phầnkhông tuyến tính (hoạt động push – pull) Cảm biến điện cảm được dùng trongmạch có nguồn cung cấp bởi một nguồn điện áp sin, có tần số thường giớihạn cỡ hàng chục kHz để giảm bớt những mất mát về từ và dòng điệnFoucault, cũng như ảnh hưởng điện dung ký sinh Điện áp đo υm, là kết quả của

sự biến đổi biên độ của điện áp cung cấp EScosSt bởi sự dịch chuyển x(t):

υm = K x(t) EScos(St+Φ)Rất hiếm, những thay đổi phần tử điện cảm có thể được dùng biến đổi tần sốcủa mạch dao động, tỉ lệ với sự dịch chuyển Trong mọi trường hợp, bất kỳloại biến đổi nào, tần số f của sự chuyển động phải rất nhỏ so với tần số sóng mang

fS để dễ dàng cho việc tách sóng: f< fS/ 10 Những cảm biến điện cảm nhạy đối vớinhững từ trường nhiễu, đó là lý do tại sao cần đặt những màn bảo vệ từ trong cuộndây

Hình 2.17 Cảm biến loại khe hở không khí thay đổi

Hệ số tự cảm L của cuộn dây có N vòng dây được diễn tả theo từ trở Rcủa mạch từ:

- chiều dài trung bình của đường sức trong lõi sắt và trong không khí

- tiết diện mạch từ và khe hở không khí

- độ từ thẩm tương đối của vật liệu từ( vào khoảng 103 đến 104)

µo= 4π.10 MKSA

2.4 Cảm biến nhận dạng tiền xu

2.4.1 Một số module cảm biến nhận dạng tiền xu

Hình 2.13 Module cảm biến nhận dạng tiền xu

Hình ở trên là các modul nhận dạng tiền xu ứng dụng dòng Foucault Cảmbiến nhận dạng gồm ba cuộn dây được mắc đồng trục tạo thành hai khe, một khe

đựng đồng tiền xu mẫu, khe kia để cho đồng xu cần kiểm tra chạy qua, nếu đồng xu

thật thì sẽ kích relay hoạt động nhận đồng xu vào, nếu là xu giả thì relay không

được kích động thì đồng xu được trả ra ngoài

2.4.2 Modul nhận dạng tiền xu trong đề tài

Trên cơ sở lý thuyết về cảm biến điện cảm, nhóm đã sử dụng bộ cảm biếnnhận dạng tiền xu EU1 Multi – Coin Coin Selecter do Trung Quốc sản xuất

Nguyên lý hoạt động của cảm biến này dựa tên nguyên lý cuộn cảm:

Hình 2.18 Phương pháp xác định giá trị theo sự biến thiên điện cảm

Tương tự như phương pháp biến đổi diện dung, ngõ vào chính là mạch daođộng LC Khi ta bỏ tiền vào giữa lõi cuộn dây thì khi đó điện cảm L của cuộn dây

sẽ thay đổi dẫn đến tần số dao động của mạch cũng thay đổi và sóng sin này đượcchuyển thành chuỗi xung vuông, kế đến đưa vào IC xử lý.Nhiệm vụ của IC là kiểm

có(giá trị mẫu được lấy mẫu từ trước và nạp vào trong IC) rồi đưa ra quyết địnhxem tiền xu đó là thật hay giả Nếu là giả thì relay sẽ không được kích hoạt và khi

đó đồng xu sẽ bị trả ra ngoài Nếu là thật relay sẽ kích hoạt, đóng nam châm điện

hút mở tay gạt, đồng xu được nhận vào máy Đồng thời, IC sẽ truyền tới ngõ ra số

xung do đồng xu tạo ra, ta sẽ nhận lấy số xung này để nhận biết giá trị của đồng xu.Thông thường, ta đưa vào vi điều khiển để xử lý và cho ra giá trị của đồng xu đó

Hình 2.19 Cảm biến nhận dạng tiền xu EU1

Hình 2.20 Bản vẽ kỹ thuật của cảm biến nhận dạng tiền xu

+ Cả hai ngân hàng A và B cùng là những đồng xu nhưng với tín dụng khácnhau(hai giá).

c, Lựa chọn :

4 hiển thị số(cho thấy đơn vị đo lường mà bạn cài đặt và tích luỹ giá trị)

d, Ngõ ra:

+ Xung / tổng hợp ngõ ra:

Thừa nhận rằng “giá”=10 đôla:

Cài đặt 10 đôla tiền xu: 10=10 chuyển ra ngõ ra 1 xungCài đặt 5 đôla tiền xu: 5<10 không phản xạ, cài đạt them 5 đôla tiền

2.5 Bộ điều khiển của máy

Bất kì một sản phẩm cơ điện tử thông minh nào muốn hoạt động được phải

có một bộ điều khiển trung tâm điều khiển mọi hoạt động của sản phẩm Bộ điềukhiển trung tâm này, ngày nay rất đa dạng có thể là một PC được đặt trong sảnphẩm đó, hoặc kết nối với sản phẩm đó thậm chí từ khoảng cách rất xa, cũng có thể

là một bộ PLC, hay vi điều khiển…

Trong đề tài, nhóm đã sử dụng một vi điều khiển làm bộ điều khiển trung tâm

cho máy Dòng chip được sử dụng là Atmega 128, một sản phẩm của hãng Atmel

Hình 2.21 Chip Atmega128

Dòng vi điều khiển này với các đặc tính và chức năng phù hợp được miêu tả

dưới đây

- 128 Kbytes bộ nhớ Flash có thể lập trình lại, với 10000 lần xóa, tẩy

- 4 Kbtes EEROM với 100000 lần xóa tẩy

- 4 Kbytes SRAM nội

- Trên dưới 64 Kbytes bộ nhớ ngoài

- Chế độ bảo vệ chương trình( Fuse)

- 64 thanh ghi I/.O

- 160 thanh ghi vào ra mở rộng

- 32 thanh ghi đa mục đích

- 2 timer 8 bit

- 2 thanh ghi 16 bit

- 2 kênh PWM 8 bit tương ứng

- 6 kênh PWM 16 bit tương ứng

- Bộ so sánh tương tự có thể lựa chọn ngõ vào.

- 2 khối USART lập trình được

- Khối truyền nhận nối tiếp SPI

chương trình đã được lập trình xảy ra trong ngắt, theo thứ tự ưu tiên của ngắt

Vi điều khiển Atmega 128 có 8 chân ngắt ngoài Sự kiện ngắt xảy ra khi có sự

chuyển điện áp đột ngột trên các chân này, nên có thể là rising, falling…

Các thanh ghi điều khiển ngắt là EICRA, EICRB, EIMSK và EIFR.\

2.5.3 Timer, Counter

Vi điều khiển Atmega 128 có 2 timer 8 bit : timer 0 và timer 2, và 2 timer 16

bit : timer 1 và timer 3 Các timer này có thể hoạt động ở các chế độ định thời, chế

độ đếm sự kiện, hoặc chế độ PWM (Chip Atmega128 có khả năng điều khiển tốc độđộc lập cho 8 động cơ DC)

Chế độ điều khiển hoạt động của các timer này rất phức tạp, chi tiết mặc địnhcác chế độ, xem cụ thể trong datasheet

2.5.4 Giao tiếp SPI

SPI là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao Đây là một chuẩn truyềnthông theo kiểu Mastr-Slave Một chip Master điều khiển quá trình truyền thông, và

các chip Slave được chip Master này điều khiển Truyền thông SPI, sử dụng 4 dây:

SCK, SS, MOSI, MISO Mỗi chân có một chức năng riêng biệt, được mô tả cụ thểtrong datasheet

Vận hành SPI trên AVR được thực hiện dựa trên việc đọc và ghi 3 thanh ghiSPCR, SPDR và SPSR Cụ thể về quá trình truyền nhận, phương thức lựa chọnMaster, Slave, cách thức một Slave nhận tín hiệu mặc định từ một Master, thamkhảo chi tiết trong datasheet

2.6 Cơ cấu chấp hành

Bộ điều khiển nhận các tín hiệu đầu vào, điều khiển các cơ cấu chấp hành hoạt

động Có thể nói đó là nguyên lý hoạt động chung của các sản phẩm tự động Trong

đề tài này, nhóm sử dụng cơ cấu chấp hành là động cơ bước và động cơ DC

2.6.1 Động cơ bước

- Giới thiệu về động cơ bước:

Động cơ bước là một cơ cấu chấp hành cơ - điện dùng để biến đổi năng lượngđiện thành chuyển động cơ học Đặc tính chuyển động của động cơ bước là rời rạc,trái ngược với đặc tính chuyển động quay liên tục của động cơ DC và AC Mỗi

xung dòng cấp cho cuộn dây stato, trục động cơ thực hiện một góc gọi là bước góc

Đặc đểm cơ bản của động cơ bước là tốc độ góc tỷ lệ với tần số xung vào Động cơbước điều khiển tín hiệu số được sử dụng khá rộng rãi trong máy điều khiển số NC,máy in, robot, máy photocopy và các máy khác Động cơ bước có thể điều khiển cả

về vị trí và tốc độ(dải tốc độ 0 đến 300 vòng/phút) mà không cần mạch cầu hồi tiếp

nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác vị trí Tần số cung cấp cho động cơ nằm ở

vùng tần số thấp Độ chính xác vị trí khoảng 1 đến 5% bước góc Với công nghệhiện nay, công nghiệp đã sản xuất động cơ bước với công suất lớn nhất là 2KW

Ưu việt của động cơ bước là chỗ nó có khả năng điều khiển trực tiếp bằng

mạch số Vì vậy, trong mạch điều khiển không cần mạch biến đổi số tươngtự(DAC) Và nó cũng không cần các chuyển mạch hoặc chổi than như động cơ mộtchiều (DC) Điều khiển vị trí bằng động cơ bước tránh sai sót tích luỹ chiều dài củachuyển động Động cơ bước được sử dụng trong các mạch điều khiển hở Một ưu

điểm khác của động cơ bước là ít gây ồn

Động cơ bước sản xuất theo tiêu chhuẩn góc hoặc theo công suất Dải bước

góc của động cơ từ 0.720 đến 900 tương ứng với 1.80 , 7.50, 150, 300 hoặc 900

Động cơ bước có ba kiểu: Động cơ nam châm vĩnh cửu PM, động cơ có biến

từ trở biến đổi VR và động cơ bước kiểu kết hợp hai dạng động cơ bước PM và VRgọi là động cơ lai

Động cơ bước có thể được miêu tả như là một động cơ điện không dùng bộ

chuyển mạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là stato, và roto là nam châm vĩnh cửuhoặc trong trường hợp động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệunhẹ có tính từ Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điềukhiển, và đặc biêt, các động cơ và bộ điều khiển phải được thiết kế để động cơ giữnguyên vị trí bất kì cố định nào, cũng như quay đến vị trí bất kì nào

Động cơ bước được sử dụng trong đề tài là động cơ lưỡng cực, bước góc 1,80.Cấu tạo:

Hình 2.22 Cấu tạo động cơ bước

Động cơ này gồm các mấu, khi có dòng điện đi qua, tạo thành các cặp cực.

Để điều khiển động cơ này, mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch

cầu H cho mỗi mấu Một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mỗimấu được điều khiển một cách độc lập

Tín hiệu đầu vào của mỗi mấu, điều khiển cả bước:

Trong trường hợp này, mạch điều khiển cần 4 chân đầu vào điều khiển Nhưng

có nhiều chíp điều khiển cầu H có một đầu vào điều khiển đầu ra, và một đầu vào

điều khiển hướng Trong trường hợp này, dãy điều khiển để động cơ chuyển độngnhư trường hợp trên là:

- Mạch điều khiển cho động cơ bước

Khi sử dụng các động cơ bước có công suất lớn, trong các máy công cụ, người

ta thường sử dụng các driver Nhưng giá thành của các loại driver này quá cao, và

cũng không cần thiết với yêu cầu sử dụng động cơ bước trong đề tài, nên nhóm đã

tự thiết kế mạch điều khiển, sử dụng cặp đôi L297, L298 Có nhiều mạch nguyên lý

để điều khiển động cơ bước, theo nguyên lý dùng cầu H để điều khiển điện vào mỗi

mấu, nhưng trong đề tài này, động cơ bước có kích thước nhỏ, điều khiển tốc độ và

vị trí không cần độ chính xác cao, nên cặp đôi này tỏ ra ưu việt, hoạt động ổn định,giá thành thấp, có thể điều khiển cả bước và nửa bước

Nguyên lý của mạch điều khiển:

Hình 2.23 Nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước

- IC L297

Trong mạch điều khiển động cơ này, IC L297 đóng vai trò như driver để điềukhiển các cầu H

L297 là IC điều khiển động cơ bước thường dùng trong các ứng dụng điều

khiển điện tử Nó có chức năng tạo ra 4 pha tín hiệu điều khiển tương ứng với 2 phacủa động cơ bước lưỡng cực hoặc 4 pha của động cơ bước đơn cực Sử dụng chipnày, có thể điều khiển động cơ bước ở chế độ nửa bước, chế độ bình thường và tíchhợp cả mạch PWM để điều chỉnh dòng điện cuộn dây trong động cơ Với IC này, để

điều khiển động cơ, chỉ cần tín hiệu xung clock, tín hiệu logic cho chiều quay, chế

độ IC này giúp giảm việc tạo các phase điều khiển (trước đây được tạo bằng các

chip vi xử lý) nên chương trình điều khiển động cơ rất gọn IC L297 thường dùngkèm với các IC mạch cầu công suất như L298N hoặc L293E

Lựa chọn chế độ điều khiển cả bước hoặc nửa bước bằng cách lựa chon điện

áp đầu vào ở chân HALF/FULL là mức cao hay mức thấp Nếu để mức cao, là điều

kiển nửa bước, còn mức thấp, là điều khiển cả bước

Chi tiết về dạng đóng gói chip, lược đồ khối, giản đồ xung các trường hợp điềukhiển nửa bước và cả bước, tham kảo trong phụ lục

- IC L298

IC L298 là một mạch cầu đôi có khả năng hoạt động ở điện thế cao(46V),dòng cao(4A) Nó được thiết kế tương thích chuẩn TTL và lái tải cảm kháng nhưrelay, cuộn solenoid, động cơ DC và động cơ bước Nó có 2 chân enable để chophép/không cho phép IC hoạt động, độc lập với các chân tín hiệu vào Cực phát của

transistor dưới của mỗi mạch cầu được nối với nhau và nối ra chân ngoài để nối vớiđiện trở cảm ứng dòng khi cần

Cụ thể chân vào ra, lược đồ khối, tham khảo trong phụ lục.

2.6.2 Động cơ DC

Động cơ DC cũng là một cơ cấu chấp hành cơ-điện, biến năng lượng điện

thành các chuyển động cơ học

Động cơ DC hoạt động được dựa trên 2 định luật Loren và Faraday Cấu tạo

của động cơ DC gồm phần ứng, phần kích từ, chổi than và cổ góp Có 5 loại động

cơ DC là : động cơ kích từ nối tiếp, động cơ kích từ song song, động cơ kích từ hỗn

hợp, động cơ kích từ độc lập và động cơ nam châm vĩnh cửu

Hình 2.24 Cấu tạo động cơ DC

Các trạng hoạt động của động cơ DC khá đơn giản, phân tích dựa trên đường

đặc tính cơ của động cơ Gồm các trạng thái khởi động và trạng thái hãm Do đườngđặc tính cơ là một đường thẳng, nên việc phân tích sự phụ thuộc của momen và vận

tốc của động cơ ở các trạng thái đơn giản

Hình 2.25 Đường đặc tính cơ động cơ DC

- Điều khiển tốc độ động cơ DC

Có nhiều phương pháp được sử dụng để điề khiển tốc độ cho động cơ điện mộtchiều.

Điều khiển tốc độ sử dụng mạch công suất tương tự: Bộ mạch công suất là

khâu kết nối giữa bộ điều khiển và động cơ Bộ mạch công suất tương tự là mạchkhuyếch đại dòng điện hoặc điện áp Mạch công suất sử dụng các transistor côngsuất, FET, Transistor Darlington, IC khuyếch đại Thường các bộ khuyếch đại làkhuyếch đại dòng điện

Điều khiển động cơ một chiều sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM): tín hiệu

vào mạch công suất có thể nhận trực tiếp từ vi xử lý của bộ điều khiển ( Không phảiqua bộ chuyển đổi DAC) Đó là một dãy xung có biên độ không đổi và độ rộng thay

đổi

Hình 2.26 Giản đồ xung phương pháp PWM

Điều khiển động cơ một chiều sử dụng mạch chỉnh lưu: Được áp dụng đối với

loại động cơ công suất lớn, sử dụng nguồn cấp là mạch xoay chiều được chỉnh lưuthành mạch một chiều Có thể thay đổi giá trị điện áp một chiều nhờ thay đổi góc

mở của các thiết bị chỉnh lưu Thiết bị mạch công suất thường sử dụng là các

thyristor Đóng mở các van công suất này sẽ thay đổi được giá trị điện áp Quá trìnhphát xung để điều khiển tốc độ động cơ:

Hình 2.27 Giản đồ phát xung mạch chỉnh lưu

Trong đề tài, với động cơ tương đối nhỏ, nhóm sử dụng phương pháp điều

khiển tốc độ bằng phương pháp PWM, mạch công suất là mạch cầu H, tích hợptrong IC L298

t t

t

CHƯƠNG III MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG

3.1 Xây dựng mô hình cơ khí

Mô hình hoá phần cơ khí máy bán hàng tự động

Hình 3.1 Bản vẽ mô hình cơ khí

Hình 3.1 thể hiện kết cấu cơ khí của máy bán hàng tự động, tất cả các chi tiết

được lắp ghép như hình vẽ

Các chi tiết bao gồm:

1 Khung máy, dùng để đỡ và gá đặt các chi tiết

2 Động cơ bước, dùng tạo chuyển động quay cho các cánh gạt tiền, gạt hàng

3 Khớp nối Oldham, dùng để nối giữa trục động cơ và trục cánh gạt hàng

4 Cánh gạt kho chứa lon Khi động cơ quay, sẽ tạo chuyển động quay chocánh này, gạt các lon Coca từ kho chứa xuống nơi người sử dụng nhận hàng Cánhgạt kho chứa chai tương tự

5 Kho chứa chai, được thiết kế dựa trên nguyên lý của các kho chứa phôitrong các trạm cấp phôi tự động, để chứa chai Lavie Kho chứa lon tương tự

6 Module lưu trữ tiền Tiền sau khi qua bộ nhận dạng được chứa ở đây

7 Máng dẫn tiền xu Dần tiền từ bộ phân loại đến các kho chứa tiền

8 Khay chứa tiền Để chứa tiền khi các kho chứa đã đầy

15 Gối đỡ Bốn gối đỡ dùng đỡ hai trục cánh gạt hàng

21 Kho chứa chai Tương tự kho chứa lon, kích thước lớn hơn

23 Cánh gạt thuốc lá Động cơ quay cánh gạt này sẽ gạt các bao thuốc từ hộp

đựng thuốc lá xuống nơi khách nhận hàng

24 Hộp chứa thuốc lá Chứa các bao thuốc

3.2 Mô hình hoá hệ thống điều khiển

Từ yêu cầu thiết kế một chiếc máy bán hàng tự động:

– Có khả năng thanh toán tự động bằng các loại tiền xu của Việt Nam, cụ thểtrong đề tài này là sử dụng 3 loại tiền 5000 VND, 2000 VND, 1000VND

– Máy sẽ bán 3 loại mặt hàng là 2 loại nước giải khát và thuốc lá

– Có giao diện thân thiện với người sử dụng

– Có các cơ cấu kho chứa hàng, trả hàng, trả tiền thừa phù hợp

– ……

Với yêu cầu trên, nhóm đã thiết kế một cách tổng quan sơ đồ khối của chiếc máy

Sơ đồ nêu rõ các khối đầu vào, khối điều khiển trung tâm, các cơ cấu chấp hành mà

nhóm sử dụng, cùng các bộ phận hiển thị, giao tiếp với người sử dụng

Bé ®iÒu khiÓn trung t©m

Tr¶ tiÒn 1K

Step2 Tr¶ tiÒn 2K

Step3 Tr¶ tiÒn 5K

Step4 Tr¶ hµng thuèc l¸

§éng c¬ DC2 tr¶ chai Lavie

§éng c¬ DC1 tr¶ lon Coca

Led 7 seg hiÓn thÞ tiÒn vµ sp

Bộ xử lý trung tâm:

Là một thiết bị có khả năng nhận và lập trình xử lý được các tín hiệu vào theoyêu cầu đầu vào của hệ thống này, đồng thời xuất được các tín hiệu theo yêu cầu.Với đề tài này, nhóm sử dụng một vi điều khiển: AT128, với các tính năng phù hợp

như: số đầu vào, ra lớn, khả năng làm việc ổn định, bộ nhớ chương trình đủ lớn để

lập trình

Đầu vào của hệ thống gồm có:

– Cảm biến nhận dạng tiền xu Có chức năng nhận biết các loại tiền thật, giả vàđưa tín hiệu sau khi nhận dạng vào cho bộ diều khiển trung tâm xử lý

– Khối phím bấm, dùng để giao tiếp giữa máy với khách hàng

– Khối cảm biến hồng ngoại, để phát hiện các đối tượng trong máy còn hay

không còn như hàng trong kho, tiền trong ống… Lựa chọn cảm biến hồng ngoại vìkhả năng tạo cặp thu – phát với khoảng cách khá lớn của loại cảm biến này, đồngthời có giá rẻ, làm việc ổn định Tín hiệu từ con thu được đưa vào bộ xử lý trung

tâm, để đưa ra các xử lý điều khiển phù hợp

Đầu ra của hệ thống gồm:

– Thiết bị hiển thị để giao tiếp giữa máy với khách hàng, lựa chọn là led 7thanh, trong đó có 5 led dùng để hiển thị số tiền khách hàng đưa vào, và 3 led dùng

để hiển thị số lượng mỗi loại sản phẩm người dùng lựa chọn

– 2 động cơ DC dùng để trả hàng lon Coca và chai nước lọc Do yêu cầu của

việc trả 2 loại hàng này là động cơ phải có momen lớn, có độ tự hãm tốt cả khi có

điện và không có điện Lựa chọn động cơ DC có hộp giảm tốc là phù hợp

– 4 động cơ bước để trả tiền và trả loại hàng dạng bao thuốc Do yêu cầu của

chuyển động này cần chính xác, nhưng lại không yêu cầu momen lớn, không chịu

va đập, nên động cơ bước rất phù hợp

Mô hình của hệ thống và thiết bị được lựa chọn là cơ sở để thiết kế các phần

cơ khí của máy, phần điện điều khiển

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG

4.1 Thiết kế và thi công hệ thống cơ khí

4.1.1 Thiết kế module phân loại lưu trữ và trả lại tiền xu

a, Thiết kế module phân loại tiền xu

- Thông số đặc trưng của các loại tiền xu Việt Nam

Sau khi qua cảm biến nhận dạng tiền xu, đồng xu sẽ lăn vào 1 máng dẫn chotới khi chạm phải các cữ chặn tương ứng với các đồng tiền xu để phân loại vào các

ống chứa riêng biệt Do trong đề tài không sử dụng đồng 500đ, 200đ nên nhiệm vụ

của máng ở đây là phân loại các đồng xu 5000đ, 2000đ, 1000đ vào các ống chứariêng biệt

Để phân loại các dạng tiền xu có nhiều cách thực hiện như đã trình bày ở trên.Sau khi đi vào bộ cảm biến nhận dạng tiền xu, những đồng xu giả sẽ được trả trực

tiếp ra ngoài, còn những đồng xu thật được đưa tới máng dẫn, nên ở đây để phânloại các loại đồng xu ta sử dụng phương pháp phân loại theo đường kính là dễ dàng

và tối ưu nhất Ta xét bảng giá trị các thông số đặc trưng của các loại tiền xu ở Việt

Nam như sau:

Bảng 3: Bảng thông số các loại tiền xu

Ta nhận thấy đồng xu 5000đ là lớn nhất có đường kính là 25,5mm , tiếp đó là

đồng 2000đ với đường kính 23,5mm, và đồng 1000đ nhỏ nhất với đường kính

19mm

Từ đặc điểm kỹ thuật của các đồng xu nên phương pháp phân loại tiền xu theo

đường kính giảm dần là biện pháp tối ưu nhất

- Phân loại tiền xu theo phương pháp đường kính giảm dần

Thực hiện theo cách này thì đồng 5000đ có đường kính lớn nhất sẽ tách rakhỏi máng dẫn trước tiếp đó là đồng 2000đ và cuối cùng là đồng 1000đ Ta phải sẻnhững rãnh nhỏ cho đồng xu lọt ra khỏi máng mỗi rãnh ta đặt các cữ chặt tương ứngvới kích thước đường kính đồng xu khi đồng xu lăn trên máng sẽ gặp các cữ chặnnày sẽ bị lật xuống ống tương ứng

Rãnh thiết kế phải lớn hơn bề dày của đồng xu lớn nhất nhưng không được lớn

Cữ chặn thứ nhất dùng để chặn đồng 5000đ, đường kính đồng 5000đ là

25,5mm, đường kính đồng 2000đ là 23,5mm, vậy chọn chiều cao từ cữ chặn thứ

nhất tới đáy rãnh phải nằm trong khoảng 24mm đến 25mm, như vậy thì đồng xu

5000đ sẽ bị chặn lại và rơi vào ống chứa 5000đ còn đồng 2000đ, 500đ, 200đ, 1000đ

sẽ chạy qua dễ dàng mà không bị chặn lại

Cữ chặn thứ ba dung để chặn đồng 1000đ(do nhóm không sử dụng các đồng

500đ và 200đ) Do đường kính đồng xu 1000đ là nhỏ nhất(19mm) nên chiều cao từ

cữ chặn này tới đáy rãnh từ 18mm hoặc có thể nhỏ hơn Tương tự đồng xu 1000đ sẽ

rơi vào ống chứa 1000đ

Hình 4.1 Máng dẫn phân loại tiền xu

Phân loại theo đường kính giảm dần có những ưu điểm là:

+ Độ dốc của máng trượt lớn khi đó tốc độ đồng xu lăn nhanh hơn

+ Tốc độ phân loại và khả năng xử lý nhanh

+ Có thể đặt các cảm biến nhận biết và đếm trực tiếp số đồng xu tương ứngchạy qua trên máng dẫn

b, Thiết kế module lưu trữ tiền xu

Module được thiết kế gồm 3 ống trụ chứa 3 loại tiền 5000đ, 2000đ, 1000đ.Sau khi đi qua máng phân loại chúng sẽ rơi vào các ống chứa tương ứng

Nơi dẫn tiền xu vào

rãnh

Cữ chặn 5000đ

Cữ chặn 2000đ

Cữ chặn 1000đ

Đường kính của đồng 5000đ là 25,5mm nên ta phải chọn đường kinh trong

của ống từ 27mm trở lên, nhưng để tiết kiệm chi phí chế tạo ta nên chọn những loại

ống trên thị trường sẵn có, do đó ta dùng ống nhựa đường kính 34mm

Đường kính của đồng 2000đ là 23,5mm, ta phải chọn đường kính trong củaống từ 25mm trở lên, như trên ta có thể dùng ống nhựa đường kính 27mm

Đường kính của đồng 1000đ là 19mm, ta chọn đường kính trong của ống từ

21mm trở lên, do đó ta vẫn có thể dùng ống nhựa đường kính 27mm(loại ống dày

hơn)

Hình 4.2 Ống chứa tiền xu

Ống được đặt cách mặt phẳng tay gạt của động cơ với những khoảng cáchtương ứng với chiều dày của mỗi loại tiền xu, sao cho sau mỗi một lần gạt chỉ có

một đồng tiền được đẩy ra

Trên mỗi ống ta lắp đặt hai bộ cảm biến thu phát, một bộ để báo tiền trong ống

đầy, bộ còn lại để báo tiền trong ống đã hết

Khi cảm biến báo đầy tiền ở bất kỳ ống chứa tiền nào hoạt động, ta sẽ điềukhiển động cơ quay thuận để cho tiền vào kho

Bình thường máy sẽ trả lại những đồng tiền thừa lớn trước nhưng nếu cảmbiến báo hết tiền ở bất kỳ ống chứa tiền nào hoạt động lúc đó ta sẽ điều khiển cho

động cơ ở các ống chứa tiền khác hoạt động để trả lại tiền thừa chính xác(động cơquay ngược)

c Thiết kế module trả lại tiền xu

Trả lại tiền đúng cho khách hàng là một việc quan trọng trong máy bán hàng tự

động Chính vì vậy đòi hỏi chúng ta phải thiết kế sao cho cơ cấu trả lại tiền xu trả

lại tiền phải đơn giản, chính xác và nhanh chóng

ống 1000đ

ống 2000đ

ống 5000đ

+ Cánh gạt.

+ Động cơ bước gắn trên giá để điều khiển cánh gạt

+ Khớp nối giữa động cơ và cánh gạt

- Cánh gạt tiền

Động cơ điều khiển cánh gạt là động cơ bước và do yêu cầu trả lại tiền phảinhanh chóng, chính xác nên nhóm đã chọn cánh gạt hình tròn có đường kính

130mm chung cho mỗi ống Trong mỗi cánh gạt có khoét 4 lỗ hình tròn cách nhau

900 có đường kính bằng đường kính của các ống chứa đồng xu tương ứng để đồng

xu có thể rơi vào đó, cánh gạt có thể gạt được 4 đồng xu khi động cơ quay 1 vòng

Đường kính của cánh gạt phù hợp cho việc trả lại tiền thừa, lưu tiền vào kho

khi ống chứa đầy, giảm mômen tác động lên trục động cơ Do đề tài chỉ sử dụng

đồng xu 5000đ, 2000đ, 1000đ ,và đồng xu 2000đ có chiều dày(1.8mm) nhỏ nhất

nên chiều dày cánh gạt được thiết kế có chiều dày 1.5mm khi đó thoả mãn trườnghợp của hai đồng xu còn lại

Đồng thời, cánh gạt được thiết kế như vậy, sẽ giảm được lực va chạm giữa

cánh gạt và tiền, cánh gạt và ống chứa Đảm bảo an toàn cho các chi tiết khi làmviệc

Và sau đây là kích thước, hình dáng của các cánh gạt:

Hình 4.3 Cánh gạt ống 5000đ

Hình dạng bề ngoài của các cánh gạt tương tự nhau

Module trả lại tiền thừa sau khi lắp ghép các chi tiết sẽ có hình dạng như sau:

Hình 4.6 Module chứa và trả lại tiền thừa

4.1.2 Thiết kế module chứa và trả sản phẩm

Máy chỉ bán những mặt hàng dạng như: dạng lon, dạng chai và dạng hộp Nênkhi thiết kế các kho chứa hàng, nhóm đã tính đến hình dạng của kho sao cho có thểtối ưu nhất như: gạt sản phẩm được dễ dàng nhất, chứa được nhiều sản phẩm nhất,

và có thể thay thế khi xảy ra lỗi kĩ thuật Vì những lý do đó nhóm đã đưa ra phươngpháp thiết kế dựa trên cơ sở của hệ thống cấp phôi tự động

Có ba loại kho chứa dành cho ba loại sản phẩm: dạng chai, dạng lon và dạng hộp

a, Kho chứa chai

Do chiều dài của chai là 170 mm,nên chiều rộng của kho chứa chai khi thiết kế

là 185mm để đảm bảo chai có thể lăn xuống đáy của kho một cách dễ dàng Hìnhdạng của kho chứa cho phép chứa được nhiều hàng và làm cho các sản phẩmchuyển động một cách dễ dàng

Tuy nhiên do sai số về hình dạng và kích thước trong quá trình chế tạo, nênkhi hoạt động, đôi khi vẫn xảy ra lỗi