Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

Các hệ thống điều khiển tự động này cho phép phủ lên trên một bề mặt với địa hình bất kỳ, trong một khoảng diện tích rất nhỏ những lượng vật chất chất lỏng rất nhỏ và có thể điều khiển đ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS: Mai Anh Tuấn

Hà Nội – Năm 2011

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Mai Anh Tuấn

Hà Nội – Năm 2011

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS Mai Anh Tuấn, người thầy

đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi được làm việc tại viện ITIMS

Xin gửi lời cảm ơn tới các bạn trong nhóm nghiên cứu và một số đồng nghiệp đã giúp

tôi trong quá trình nghiên cứu

Học viên

Nguyễn Đình Dũng

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 2 

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ 4

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 9

1.1 Giới thiệu về công nghệ Nano 9

1.2 Công nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng 11

1.3 Tổng quan về hệ thống điều khiển 15

1.4 Tổng quan các hệ chuyển động 17

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM 34

2.1 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống 34

2.2 Thuật toán điều khiển hệ thống 66

2.3 Phát triển chương trình điều khiển và dao diện người dùng 67

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THẢO LUẬN 71

3.1 Mạch điều khiển 71

3.2 Mô hình hệ thống 76

3.3 Phần mềm điều khiển (phần phụ lục ) 77

3.4 Kết quả thực nghiệm 77

KẾT LUẬN 81

1 Kết luận 81

2 Hướng phát triển đề tài 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 85

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

tính và ngoại vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU  

Bảng 1.4.1 Tham số cho cơ cấu hai chuyển động đồng phẳng 21

Bảng1.4.2 Tham số DH cho cổ tay khớp cầu 22

Bảng 1.5.1: Bảng thông số kỹ thuật IC 89C51 30

Bảng 1.5.2: Ý nghĩa các chân của RS232 32

Bảng 2.1.1: Thông số kỹ thuật của bộ nguồn 37

Bảng 2.1.2: Qui định chân của RS232 38

Bảng 2.1.3: Bảng giá trị lựa chọn các linh kiện trong mạch 41

Bảng 2.1.4: Bảng lựa chọn giá trị các linh kiện trong mạch cho 3 đông cơ 43

Bảng 2.1.5: Bảng chú thích cách bắt vitme 53

Bảng 2.1.6: Bảng giá trị tính lực theo nhà sản xuất cho con trượt 55

Bảng 2.1.7 :Chế độ điều khiển đầy bước một pha 63

Bảng 2.1.8: Chế độ điều khiển đầy bước hai pha 63

Bảng 2.1.9: Chế độ nửa bước 64 Bảng 3.1.1: Chức năng các khối trong sơ đồ 71

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ  

Hình 1.2.1 Sơ đồ mô tả hệ phun nhiệt phân sử dụng dòng khí nén 14

Hình 1.4.1 Hệ thống kiểu tọa Descarde 18

Hình 1.4.2 Hệ thống kiểu tọa độ trụ 18

Hình 1.4.3 Hệ thống kiểu tọa độ cầu 19

Hình 1.4.4 Hệ thống hoạt động theo hệ tọa độ góc 19

Hình 1.4.5 Hệ thống kiểu Scara 20

Hình 1.4.6 Tay máy có hai chuyển động phẳng 21

Hình 1.4.7 Gán hệ trục tọa độ cho cổ tay khớp cầu 23

Hình 1.4.8 Sự biểu diễn các góc Euler 24

Hình 1.4.9 Hệ Stanford 26

Hình 1.5.1: Sơ đồ khối của AT89C51 29

Hình 1.5.2 Sơ đồ chân của vi diều khiển 89C51 29

Hình 1.5.3: Sơ đồ chân RS232 32

Hình 2.1.1 Sơ đồ khối điều khiển Hệ thống 35

Hình 2.1.2 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 36

Hình 2.1.3 Sơ đồ nối ghép của MAX232 với 8051 theo modem không 37

Hình 2.1.4 Sơ đồ chân và sơ đồ logic IC MAX232 40

Hình 2.1.5 Sơ đồ nguyên lý các khối xử lý trung tâm 41

Hình 2.1.6 Sơ đồ nguyên lý khối công suất cho một động cơ 42

Hình 2.1.7 Sơ đồ chân của IRF540N 46

Hình 2.1.8 Cách kết nối cảm biến 47

Hình 2.1.9 Hình chiếu của hệ thống 48

Hình 2.1.10 Hinh chiếu trục đo 48

Hình 2.1.11 Cơ cấu tọa độ Đecac 49

Hình 2.1.12 Ví dụ chuyển đổi gốc tọa độ 50

Hình 2.1.13 Hình chiếu Vít me đai ốc 51

Hình 2.1.14 Hình ảnh mặt cắt của vít me 51

Hình 2.1.15 Hình ảnh thực tế của vít me đai ốc 52

Hình 2.1.16 Cách bắt vitme 53

Hình 2.1.17 Hình chiếu Con trượt 55

Hình 2.1.18 Hình ảnh thực tế thanh trượt, con trượt 55

Hình 2.1.19 Các bước lắp ghép con trượt và thanh trượt 56

Hình 2.1.22 Cân mặt phẳng, khoảng cách giữa hai thanh trượt 58

Hình 2.1.23 Cân mặt phẳng giữa con trượt và thanh trượt 58

Hình 2.1.24 Gắn kết mặt phẳng trên hai thanh trượt 59

Hình 2.1.25 Hình ảnh thật khớp nối mềm 60

Hình 2.1.26 cấu tạo động cơ bước hỗn hợp 61

Hình 2.1.27 động cơ bước từ trở thay đổi nhiều tầng 62

Hình 2.1.28 Cấu trúc 1 cầu H 65

Hình 2.2.1 Lưu đồ khối thuật toán điều khiển chính 66

Hình 2.2.2 Sơ đồ khối lưu đồ thuật toán điều khiển hai trục tọa độ X, Y 67

Hình 2.2.3 Sơ đồ khối lưu đồ thuật toán điều khiển trục tọa độ Z 67

Hình 2.3.1 Giao diện điều khiển 68

Hình 2.3.2 Chọn chế độ 68

Hình 2.3.3 Chế độ Draw 69

Hình 2.3.4 Chế độ nhập từ bàn phím 69

Hình 2.3.5 Chế độ Load File 70

Hình 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý cụ thể từng khối 72

Hình 3.1.2 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển 73

Hình 3.1.3 Sơ đồ sắp xếp linh kiện của Mainboard 74

Hình 3.1.4 Sơ đồ mặt dưới của Mainboard 74

Hình 3.1.5 Sơ đồ nguyên lý khối công suất 75

Hình 3.1.6 Sơ đồ sắp xếp linh kiện của mạch công suất 75

Hình 3.1.7 Sơ đồ mặt dưới của mạch công suất 76

Hình 3.1.8 Hình ảnh sản phẩm mô hình hệ thống 76

Hình 3.1.9: Ảnh chụp thí nghiệm lần thứ nhất 77

Hình 3.1.10: Ảnh chụp thí nghiệm lần thứ hai 78

Hình 3.1.11: Ảnh chụp thí nghiệm lần thứ ba 79

Hình 3.1.12: Ảnh chụp thí nghiệm lần thứ bốn 80

MỞ ĐẦU

Năng lượng có vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội loài người Các nguồn năng lượng chính hiện nay gồm có năng lượng hóa thạch và năng lượng tái tạo Tuy nhiên, các nguồn năng lượng này không phải là vô hạn và ngày càng cạn kiệt Xu hướng hiện hay là hạn chế phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch Nguồn năng lượng thay thế quan trọng hiện nay là năng lượng mặt trời thông qua hệ thống pin mặt trời

Trên thị trường hiện nay, ngoài pin mặt trời trên cơ sở Silic chiếm phần lớn thị phần, cũng đã bắt đầu xuất hiện các sản phẩm khác silic, các vật liệu màng mỏng vô

cơ hoặc hữu cơ Pin mặt trời sử dụng vật liệu Silic có hiệu suất lớn, vòng đời dài nhưng giá thành cao, vì vậy sử dụng pin mặt trời màng mỏng với giá thành thấp đồng thời tăng hiệu suất chuyển đổi đang là hướng nghiên cứu hấp dẫn hiện nay

Có nhiều phương pháp chế tạo pin mặt trời màng mỏng đang được nghiên cứu phát triển hiện nay Trong đó có hai cách tiếp cận được sử dụng gồm phương pháp vật lý

và phương pháp hóa học Phương pháp vật lý bao gồm bốc bay trong chân không, phún xạ, epitaxy chùm phân tử (tiếp cận từ trên xuống – Top Down),…Các phương pháp hóa học bao gồm lắng đọng hóa học từ pha hơi và từ dung dịch, trong đó các phương pháp như sol-gel, nhúng phủ, quay phủ và phun nhiệt phân thuộc nhóm phương pháp lắng đọng hóa học từ dung dịch (tiếp cận từ dưới lên – Bottom Up) Phun nhiệt phân là kỹ thuật tạo màng bằng cách phun các giọt dung dịch có chứa các tiền chất lên bề mặt đế được gia nhiệt, màng được hình thành trên đế thông qua phản ứng hóa học giữa các tiền chất Phun nhiệt phân được Chamberlin và Skarman

sử dụng lần đầu tiên vào năm 1966 để chế tạo màng CdS trong pin mặt trời [1]

Sự phát triển của kỹ thuật phủ phun đòi hỏi những thiết bị phụ trợ để phân phối nhiều loại vật liệu khác nhau trong đó khối lượng hoặc thể tích vật liệu được phân phối phải ở cỡ nano gram hoặc nano lít, với độ chính xác cao Xu hướng này cũng

đã có mặt tại Việt Nam và đang có đà phát triển rất nhanh Nghiên cứu, phát triển các hệ thống điều khiển tự động, đáp ứng các nhu cầu thực tế đa ngành nói trên có ý nghĩa rất quan trọng trong việc duy trì và cải thiện tốc độ phát triển của các chuyên ngành có liên quan

Các hệ thống điều khiển tự động này cho phép phủ lên trên một bề mặt với địa hình bất kỳ, trong một khoảng diện tích rất nhỏ những lượng vật chất (chất lỏng) rất nhỏ

và có thể điều khiển được

Nghiên cứu chế tạo hệ phân phối vật liệu mang tính liên ngành cao và khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau ví dụ trong công nghệ in điện tử, trong y sinh, trong nông nghiệp, trong sản xuất dược phẩm, trong nghiên cứu chế tạo vật liệu nano [2]

Nhóm của Larson đã rất thành công trong việc chế tạo bộ phận phân phối dùng hiệu ứng áp điện tử, dựa trên công nghệ vi cơ điện tử và hiện đã đăng ký thành công sáng chế tại Mỹ cho sản phẩm này [3] Bộ phận vòi phun có thể được nạp đầy thông qua một mao quản bằng cách nhúng trong dung dịch sẽ được phân phối, sau đó được đưa tới những vị trí mong muốn trên đế Tại đó, cảm biến phát siêu âm sẽ được kích hoạt ở một tần số phù hợp và nhỏ dịch với thể tích xác định Các nhà khoa học thuộc nhóm nghiên cứu của Giáo sư Michael Winokur, trường đại học Wisconsin cũng đã sử dụng phương pháp này để chế tạo các đi-ôt phát quang [4] Hiện nay, nước ta đã có một số phòng thí nghiệm nghiên cứu về khoa học, công nghệ Nano như: Viện Vật lý và Ðiện tử, Viện Khoa học Vật liệu (thuộc trường Ðại học Bách khoa Hà Nội), Viện Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ, Ðại học Khoa học Tự nhiên (thuộc Ðại học Quốc gia Hà Nội), Ðại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh….Những Viện, Trung tâm nghiên cứu này đã đạt được những kết quả đáng khích lệ trong thời gian qua như nhóm của TS Tống Duy Hiển tại Phòng thí nghiệm Nano, thuộc Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu nhiều ứng dụng của công nghệ và vật liệu nano [5] Tại Đại học Bách Khoa Hà nội, nhóm cảm biến sinh học do TS Mai Anh Tuấn đứng đầu cũng đã sử dụng các hệ phân phối vật liệu nano nhưng ở mức rất thô sơ để cố định các phần tử cảm nhận lên trên các vi cảm biến nhằm phát hiện các chất gây ô nhiễm hoặc virut gây bệnh [6,7]

Nhằm tìm hiểu và phát triển một hệ thống phân phối vật liệu na no, trước mắt ở quy

mô phòng thí nghiệm, tác giả đã lựa chọn đề tài “Phát triển hệ thống phân phối vật liệu na no, định hướng ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng”

Luận văn được chia làm 3 phần:

Chương 1: Tổng quan

Trong chương 1, tác giả đã mô tả một cách tổng quát các bộ phận cấu thành của một

hệ phun phủ vật liệu ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng Đồng thời lựa chọn được thuật toán điều khiển, ý tưởng thiết kế

Chương 2: Tính toán, thiết kế phần cứng và phần mềm cho hệ thống điều khiển

Trong chương 2, tác giả xin trình bày các bước tính toán, thiết kế phần cứng cũng như phần mềm điều khiển hệ thống phun phủ dựa trên các nguồn lực sẵn có tại

nhóm nghiên cứu

Chương 3: Kết quả thảo luận

Trong chương 3, tác giả đưa ra, các bản vẽ thiết kế mạch điều khiển, chương trình

điều khiển, và kết quả thảo luận

Kết luận

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Các hệ thống phân phối vật liệu nano là xu hướng không thể khác nhằm giải quyết các yêu cầu trong tổng hợp vật liệu, phân phối vật liệu lên các đế được thiết kế sẵn…Trong xu hướng phát triển này, ngành vi cơ khí và điều khiển tự động đã góp phần rất lớn vào việc tăng tốc các ứng dụng của vật liệu micro nano vào cuộc sống Các hệ thống điều khiển tự động này cho phép phủ lên trên một bề mặt trong một khoảng diện tích rất nhỏ những lượng vật chất (chất lỏng) rất nhỏ và có thể điều khiển được [3]

Hệ này thường bao gồm các hệ thống treo, chuyển động theo ba chiều độc lập nhau trong không gian với độ thay đổi và có thể điều khiển được Điều này cho phép hệ thống có thể thực hiện tốt các tác vụ trong không gian hẹp mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao Hệ thống thường đi kèm phần mềm điều khiển, ghép nối máy tính hoặc sử dụng các hệ thống nhúng cho phép điều khiển thiết bị một cách độc lập, tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng

Trong chương 1, tác giả sẽ trình bày tổng quan về công nghệ nano, cũng như các phương pháp chế tạo vật liệu màng mỏng nano, cụ thể là công nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng CuZnSn, nghiên cứu công nghệ phun phủ nhiệt phân và lựa chọn thiết kế cho hệ thống phun phủ vật liệu nano

1.1 Giới thiệu về công nghệ Nano

“công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi [7]

một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử

1.1.2 Vật liệu Nano

Vật liệu nano là lĩnh vực nghiên cứu dựa trên khoa học về vật liệu với công nghệ nano Nó nghiên cứu về vật liệu với các đặc tính hình học trên thang nano mét, và đặc biệt là các vật liệu có các tính chất đặc biệt xuất phát từ kích thước nano Thang nano thường được định nghĩa nhỏ hơn một phần mười micro mét trong ít nhất một chiều (dài, rộng hoặc cao), tuy nhiên thuật ngữ này nhiều khi cũng được sử dụng

cho các vật liệu nhỏ hơn một micro mét [8]

1.1.3 Chế tạo vật liệu Nano

Các vật liệu nano có thể thu được bằng hai cách tiếp cận phổ biến, mỗi phương pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phương pháp chỉ có thể được

áp dụng với một số vật liệu nhất định

Tiếp cận từ dưới lên (Bottom-Up)

Bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo (colloidal chemistry), phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, và kết tủa, lắng đọng hóa học ở pha hơi [9] Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano

Ưu điểm của phương pháp tổng hợp theo tiếp cận từ dưới lên là các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại Đặc điểm của tiếp cận này này là rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu Nhưng nó cũng có nhược điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thể

là một khó khăn Ví dụ, phương pháp sol-gel tuy giản đơn, có thể điều khiển được kích thước hạt trong quy trình chế tạo Tuy nhiên, độ lặp lại không cao

Tiếp cận từ trên xuống (Top-Down)

Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn [9] Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay Phương pháp cơ học có ưu điểm là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với một lượng lớn vật liệu Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và

thường khó có thể đạt được hạt có kích thước nhỏ Phương pháp này thường được dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ như là kim loại

Ngoài ra, tiếp cận từ trên xuống còn bao gồm các phương pháp quang khắc (lithography), lắng đọng vật lý (bốc bay trong chân không, phún xạ) Các phương pháp này được áp dụng hiệu quả để chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt, người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách tạo vật liệu từ đế Các phương pháp này thường cho vật liệu có chất lượng cao, chính xác, độ lặp lại cao nhưng đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn [9]

Phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nổ điện (electro-explosion), đốt laser (laser ablation), bốc bay nhiệt độ cao, plasma Nguyên tắc của các phương pháp này

là hình thành vật liệu nano từ pha khí Nhiệt phân là phương pháp có từ rất lâu, được dùng để tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon Phương pháp đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại vật liệu nhưng lại chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm

vì hiệu suất của chúng thấp Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể đến 9000 C [10]

1.2 Công nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng

1.2.1 Giới thiệu về pin mặt trời – cơ chế hoạt động

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các chuyển tiếp p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện [11]

Nhiều lọai vật liệu khác nhau được thử nghiệm cho pin mặt trời Có hai tiêu chí khi đánh giá pin mặt trời là hiệu suất và giá cả Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời Ở điều khiển chuẩn năng lượng mặt trời chiếm khoảng trong đó

10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa, sử dụng pin có nhiều mối nối nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

Hiệu suất là đại lượng đặc trưng cho mức sử dụng hữu ích năng lượng của một hệ thống nào đó, bằng tỉ số năng lượng hữu ích với tổng năng lượng mà thống nhận được Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với sự bức xạ là một yếu tố quyết định trong giá thành Nói chung hiệu suất của toàn hệ thống là tầm quan trọng của nó Để tạo nên ứng dụng thực sự của pin tích hợp năng lượng mặt trời, điện năng tạo nên được nối với mạng lưới điện sử dụng các bộ chuyển đổi Các pin năng lượng thực tế

• Silic đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

• Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các lọai trên có độ dày 300 µm tạo thành và xếp lại để tạo nên module

Trong thế giới của ngành năng lượng mặt trời dạng quang điện (PV), có nhiều công nghệ chất bán dẫn hiện được sử dụng làm các tấm pin mặt trời PV Tuy thế, hai dạng đã được sử dụng rộng rãi hơn hết là silicon tinh thể và màng mỏng

Silicon tinh thể

Các tấm silicon tinh thể được xây dựng bằng cách đầu tiên đưa một tấm silicon qua một quy trình xử lý nhiều công đoạn, tạo thành một tế bào năng lượng mặt trời Sau

đó các tế bào này được ghép lại với nhau để tạo thành tấm pin mặt trời Silicon kết tinh, còn được gọi là silicon mỏng, là vật liệu lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trong các tấm pin mặt trời thương mại

Màng mỏng

Các tấm pin mặt trời được sản xuất bằng cách đặt các lớp vật liệu bán dẫn mỏng lên

những bề mặt khác nhau, thường là thủy tinh Màng mỏng (Thin film) là một hay

nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại (chiều rộng và chiều dài) Khái niệm "mỏng" trong màng mỏng rất đa dạng,

có thể chỉ từ vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet, hay hàng micromet Khi chiều dày của màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đường tự do trung bình của điện tử (cỡ 10 đến

100 nm) hoặc các chiều dài tương tác thì tính chất của màng mỏng hoàn toàn thay đổi so với tính chất của vật liệu khối Hiện nay màng mỏng đang là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ của khoa học và công nghệ vật liệu, vật lý chất rắn với nhiều khả năng ứng dụng to lớn trong đời sống hàng ngày, trong sản xuất

Gần đây, pin mặt trời màng mỏng đạt hiệu suất 19,9%, lập nên kỉ lục thế giới mới

về kiểu pin này Các loại pin mặt trời dựa trên silicon đa tinh thể đạt hiệu suất 20,3% Pin màng mỏng sử dụng các lớp vật liệu bán dẫn cực kì mỏng Loại pin màng mỏng này cần ít năng lượng hơn và có thể được chế tạo bằng nhiều quá trình,

do đó chi phí sẽ rẻ hơn Chúng lí tưởng cho các ứng dụng không gian vũ trụ và thị trường điện tử xách tay do trọng lượng nhẹ

Các nhà nghiên cứu cũng lập nên kỉ lục thế giới nhờ những cải tiến về chất lượng vật liệu được sử dụng trong suốt quá trình sản xuất, góp phần làm tăng công suất của pin [10]

1.2.2 Phương pháp phun phủ nhiệt phân

Phun phủ nhiệt phân là kỹ thuật tạo màng bằng cách phun các giọt dung dịch có chứa các tiền chất lên bề mặt đế được gia nhiệt, màng được hình thành trên đế thông qua phản ứng hóa học giữa các tiền chất So với các phương pháp lắng đọng khác, phương pháp phun nhiệt phân có nhiều ưu điểm sau:

• Phản ứng tạo pha mong muốn xảy ra nội tại trong từng giọt chất lỏng nên màng tạo ra có độ đồng nhất cao về thành phần hóa học, hình thái và kích thước hạt

• Các tính chất vật liệu như kích thước hạt, bề dày màng có thể điều khiển bằng cách thay đổi điều kiện công nghệ như nồng độ dung dịch phun, tốc độ phun, thời gian phun

• Phun nhiệt phân không đòi hỏi công nghệ khắt khe, quá trình phun được thực hiện ở áp suất khí quyển

• Có thể tạo được màng đơn lớp, đa lớp

• Không hạn chế về vật liệu làm đế

1.2.3 Cấu tạo của hệ phun nhiệt phân

Phun nhiệt phân có thể phân loại thành nhiều kỹ thuật khác nhau như phun nhiệt phân ngọn lửa, phun nhiệt phân khí nén, phun nhiệt phân siêu âm, phun tĩnh điện

Hình 1.1 là sơ đồ mô tả cấu tạo của hệ phun nhiệt phân sử dụng dòng khí nén

Hình 1.2.1 Sơ đồ mô tả hệ phun nhiệt phân sử dụng dòng khí nén

Trong hệ phun nhiệt phân, đầu phun là bộ phận quan trọng quyết định những tính chất của tiền chất khi ra khỏi đầu phun và rơi trên đế Trong khi đó, hệ thống điều

khiển lại có thể đảm bảo được độ tin cậy về khoảng cách đầu phun tới đế, tốc độ phun, tốc độ dịch chuyển của đầu phun, nhiệt độ đế và thậm chí áp suất môi trường (áp suất phun, áp suất rút lưu chất) Yêu cầu đối với đầu phun là kích thước phải đủ nhỏ để dung dịch tạo màng khi phun phải tạo thành không gian chứa các hạt sương

mù có đường kính rất nhỏ Ngoài ra, vật liệu làm đầu phun phải trơ về mặt hóa học

để tránh bị ăn mòn khi tiếp xúc với dung dịch phun

Khí được sử dụng trong phương pháp cũng phải đạt được yêu cầu nhất định Trước hết, khí phải là khí trơ về mặt hóa học với các chất tạo màng để tránh phản ứng hóa học với chất tạo màng hình thành nên tạp chất không mong muốn Mặt khác, khí phải có độ sạch cao để có thể tạo ra màng có chất lượng cao

Một yếu tố quan trọng khác đối với một hệ phun nhiệt phân là nhiệt độ đế do quá trình phản ứng hóa học tạo màng thường xảy ra ở nhiệt độ cao khoảng vài trăm độ Diện tích phun phủ phụ thuộc vào khoảng cách từ đầu phun đến đế, tuy nhiên mỗi lần phun chỉ được một diện tích nhỏ (do góc mở của van phun), vì vậy để đạt được diện tích phun phủ có thể thay đổi được, cần phải di chuyển vòi phun

Trong đề tài này, tác giả tập trung vào phát triển hệ thống phân phối vật liệu (điều chỉnh tọa độ của vòi phun theo ba trục X, Y và Z) trong đó chú trọng tới nghiên cứu

và phát triển hệ thống điều khiển, các thuật toán phù hợp nhằm thỏa mãn các nhu cầu phân phối vật liệu nêu trên

1.3 Tổng quan về hệ thống điều khiển

Một hệ điều khiển là một hoặc một tập các thiết bị dùng để điều khiển trạng thái của một hệ hay thiết bị khác Có hai loại hệ điều khiển nói chung là điều khiển logic và điều khiển tuyến tính

Một hệ điều khiển logic có thể điều khiển một loạt các cơ cấu chấp hành theo một tuần tự nhất định để thực hiện một nhiệm vụ, ví dụ hệ thống đóng gói hay phân loại sản phẩm Đối với hệ điều khiển tuyến tính, một vòng điều khiển bao gồm cảm biến, thuật toán điều khiển và cơ cấu chấp hành, được sắp xếp theo một trật tự để điều khiển các tham số của một quá trình

a Hệ điều khiển vòng hở

Một bộ điều khiển vòng hở, còn gọi là bộ điều khiển không có phản hồi, là một kiểu

bộ điều khiển tính toán đầu vào điều khiển chỉ dựa trên trạng thái hiện tại và mô hình của hệ Một đặc tính của bộ điều khiển vòng hở là nó không sử dụng phản hồi

để xác định liệu đầu ra của nó đã đạt đến giá trị mong muốn hay chưa Điều này có nghĩa là hệ không quan sát đầu ra của quá trình mà nó điều khiển Như vậy, một hệ điều khiển vòng hở không thể sửa hoặc hiệu chỉnh lỗi mà nó gây ra Nó cũng không thể bù nhiễu cho hệ thống

Điều khiển vòng hở rất hiệu quả với các hệ có mô hình toán học chính xác trong đó mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra có thể được mô hình bằng công thức toán học

Ví dụ xác định điện áp cung cấp cho động cơ điện để điều khiển một tải cố định, để đạt được một tốc độ mong muốn là một ví dụ về hệ điều khiển vòng hở Nếu tải không được biết trước, tốc độ động cơ có thể biến đổi theo tải cũng như điện áp, và

bộ điều khiển vòng hở sẽ không đảm bảo điều khiển chính xác tốc độ

Một ví dụ là hệ thống băng tải yêu cầu chuyển động với một tốc độ cố định Với một điện áp không đổi, băng tải sẽ di chuyển ở các tốc độ khác nhau tùy thuộc vào tải của động cơ Để băng tải chuyển động với một tốc độ cố định, điện áp của động

cơ phải được điều chỉnh Trong trường hợp này, cần một bộ điều khiển vòng kín Một hệ điều khiển vòng hở thường dùng với các quá trình đơn giản do cấu trúc đơn giản và giá thành thấp, đặc biệt trong các hệ không yêu cầu phản hồi Một ví dụ khác là hệ thống máy giặt, thời gian giặt phụ thuộc vào người vận hành

b Hệ điều khiển vòng kín

Bất cứ hệ điều khiển nào mà đầu ra được giám sát và so sánh với đầu vào và sự sai khác được sử dụng để tác động lên hệ cho đến khi đầu ra đạt đến giá trị đặt trước được gọi là hệ điều khiển vòng kín

c Phương pháp nội suy trên máy tính

Ở phương pháp này, khi biết được tọa độ để phân phối vật liệu, phần mềm trên máy tính sẽ thực hiện tính toán xử lý các thuật toán, nội suy rồi mới truyền dữ liệu xuống

vi điều khiển Vi điều khiển chỉ có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ máy tính và điều khiển mạch công suất cho động cơ Sau đó, đưa tín hiệu phản hồi về máy tính

d, Xác định tọa độ chuyển động

- Bước chuyển động

Trong khâu tính toán bước chuyển động của bàn máy phân phối vật liệu, bàn máy được dẫn động từ một động cơ bước qua vit me Vị trí của bàn máy được xác định được nhờ tính toán các bước chuyển động của động cơ bước và bước truyển động của vít me gắn trong cụm truyền dẫn, được tính theo công thức (1.3.1):

- Cảm biến từ tiệm cận

Cảm biến tiệm cận dùng phát hiện vật thể kim loại từ tính, kim loại không từ tính (như Nhôm, đồng ) Với vật liệu kim loại có từ tính, cảm biến từ tiệm cận loại điện cảm là lựa chọn phù hợp trong khi đó đối tượng trên cơ sở vật liệu phi kim có thể được phát hiện nhờ sử dụng cảm biến tiệm cận kiểu điện dung

Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu qua sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện Cảm biến loại này đáp ứng được hầu hết các điều kiện môi

trường lắp đặt như nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, chống nước, chống hóa chất

1.4 Tổng quan các hệ chuyển động

Đối với hệ thống phân phối vật liệu nano được mô tả trong luận văn này, cần thực hiện hai chuyển động cơ bản - chuyển động tịnh tiến theo hướng X,Y,Z trong không gian Descarde, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động; chuyển động quay quanh các trục X,Y,Z ký hiệu là R (Rotation)

Tùy thuộc vào loại vật liệu cần phân phối, mức độ phức tạp của thiết kế trên đế cần phân phối, sự tổ hợp các chuyển động R và T (Translation) và tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau, các kết cấu thường găp là hệ thống kiểu hệ tọa độ Descarde, tọa độ trụ, tọa độ cầu, hệ thống kiểu Scara, hệ tọa độ góc

Hệ thống kiểu tọa độ Descarde

Hình 1.4.1 Hệ thống kiểu tọa Descarde Trong hệ thống này, có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục tọa

độ gốc Vùng hoạt động có dạng khối chữ nhật Với kết cấu đơn giản, hệ thống này

có độ cững vững cao, độ chính xác thấp vì vậy nó thường dùng để vận chuyển hoặc phân phối vật liệu, lắp ráp hàn trong mặt phẳng

Hệ thống kiểu tọa độ trụ

Vùng làm việc của hệ thống có dạng hình trụ rỗng Cấu hình R.T.T, có khớp R chuyển động quay, còn hai khớp T chuyển động tịnh tiến, như hình 1.4.2

Hình 1.4.2 Hệ thống kiểu tọa độ trụ

Hệ thống kiểu tọa độ cầu

Trong hệ thống này, vùng làm việc có dạng hình cầu, thường độ cứng vững của loại

hệ thống này thấp hơn sơ với 2 loại trên Ví dụ hệ thống 3 bậc tự do R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu tọa độ cầu như hình 1.4

Hình 1.4.3 Hệ thống kiểu tọa độ cầu

Hệ thống kiểu tọa độ góc

Đây là kiểu hệ thống được dùng nhiều hơn cả Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay Trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục kia Các chuyển đông định hướng khác cũng là các chuyển động quay Vùng làm việc của tay máy này gần giống với một phần khối cầu Tất cả các chuyển động đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng Ưu điểm nổi bật của hệ thống kiểu tọa độ góc là gọn nhẹ, có vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ của bản thân, độ linh hoạt cao

Hình 1.4.4 Hệ thống hoạt động theo hệ tọa độ góc

Hệ thống kiểu tọa độ Scara

Hình 1.4.5 Hệ thống kiểu Scara

Hệ thống Scara ra đời vào năm 1979 tại trường Đại học Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu hệ thống mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất [17] Cánh tay chuyển động mềm dẻo tùy theo từng ứng dụng cụ thể Loại hệ thống này thường dùng trong công việc lắp ráp Ba khớp đầu tiên của kiểu hệ thống này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đêu theo phương thẳng đứng Sơ đồ của hệ thống Scara như hình 1.4.5

Phân tích động học thuận cơ cấu chuyển động

Để xác định phương trình động học của các chuyển động, quy tắc Denavit–Hartenberg được sử dụng (gọi tắt là bảng thông số D-H)

Sau đây là các bước thực hiện để xây dựng phương trình động học:

Bước 1: Xác định các trục khớp và đặt tên tương ứngz K0 z n−1

Bước 2: Xác lập hệ tọa độ nền Đặt gốc của hệ tọa độ này tại bất kỳ điểm nào trên

trục z0 Các trục x0và y0được chọn theo qui tắc tam diện thuận

Lặp i= 1 , ,n− 1lần thực hiện bước 3 đến bước 5

Bước 3: Xác định các gốc O ilà giao điểm của đường vuông góc chung giữaz ivà

Bước 5: Xác định y ithỏa qui tắc tam diện thuận

Bước 6: Xác định hệ tọa độ tác động cuối o n x n y n z n Giả sử khớp nlà khớp quay, đặt

x và y ntạo thành tam diện thuận

Bước 7: Lập bảng tham số cho các khâu chuyển động

Hình 1.4.6 Tay máy có hai chuyển động phẳng

Bảng 1.4.1 Tham số cho cơ cấu hai chuyển động đồng phẳng

0 1 0

0

0 0

1 0 0

0

0 1 0

0

0 0

2 2 2

2

2 2 2

2

2

1 1 1

1

1 1 1

1

1

s a c

s

c a s

c

A

s a c

s

c a s

0 0

0 1

0 0

0

0

12 2 1 1 12

12

12 2 1 1 12

12 2

1

0

2

s a s a c

s

c a c a s

T cho hướng của o2x2y2z2đối với hệ tọa độ nền

Ví dụ 2: Cổ tay khớp cầu (Spherical Wrist)

Trục z3,z4,z5đồng quy tại điểm O Tay máy Stanford có cổ tay thuộc dạng này

Bảng1.4.2 Tham số DH cho cổ tay khớp cầu

Hình 1.4.7 Gán hệ trục tọa độ cho cổ tay khớp cầu

Ta thấy rằng ba biến khớp cuối θ4,θ5,θ6là các góc Euler φ ,,θ ψtương ứng đối với hệ tọa độ O3x3y3z3 Ta có

0

0 0 1

0

0 0

0 0

4 4

4 4

4

c s

s c

0 0 1 0

0 0

0 0

5 5

5 5

5

c s

s c

1 0 0

0 0

0 0

6

6 6

6 6

c s

s c

0

1

6 5 4 5 4 6 4 6 5 4 6 4 6 5 4

6 5 4 5 4 6

5 4 6

4 6 5 4 3 6

3 6 6

d s c s c s

c c s

s c c c O R A

(2) Quay quanh trục yhiện hành một góc θ;

(3) Quay quanh trục zhiện hành một góc ψ

Hình 1.4.8 Sự biểu diễn các góc Euler

θψ

θ

θφψφψθφψφψ

θ

φ

θφψφψθφψφψ

θ

φ

ψψ

ψψθθ

θθ

φ

c s

s c

s

s s c c s c s s c

c

c

s

s c c s s c c s

s c c s

s c

0 0 0

0 1 0 0 1

0

0

0 0

, ,

31

23 22

21

13 12

11

r r

r

r r

r

r r

Tùy vào dấu của các tham số mà hàm Atan sẽ chọn góc phần tư cho góc θ Nếu cả

hai tham số bằng 0, thì hàm Atan không xác định

− +

23 22 21

13 12 11 0

1

1 0

0

0 ) ( ) (

0 ) ( ) ( 1 0

0

0 0

r r r

r r r

r r r c

s

s c

c c s s s c

c

s

c s s c s

s c

c

ψφψ

φψ

φψφψφψ

φ

ψφψφψφψ

φ

) , tan(

) , tan(r11 r21 A r11 r12

23 22 21

13 12 11 0

1

1 0

0

0 ) ( ) (

0 ) ( ) (

r r r

r r r

r r r c

s

s c

ψφψ

φ

) , tan(

) , tan( r11 r21 A r11 r12

=

−

Phân tích động học ngược các cơ cấu chuyển động

Cho trước một ma trận biến đổi homogenous 4x4 sau:

θ = 1, 2, , của phương trình sau

H

T n0 (θ1,K,θn) = (1.4.14) trong đó

) ( ) ( )

vàHbiểu diễn vị trí và hướng mong muốn của cơ cấu tác động cuối

Đưa đến việc giải 12 phương trình phi tuyến với nẩn sau:

ij n

T = (θ1,K,θ ) = , i= 1 , 2 , 3, j= 1 , , 4 (1.4.16) trong đó T ij,h ijtương ứng là 12 phần tử có giá trị của 0

Khảo sát hệ sau

Hình 1.4.9 Hệ Stanford Giả sử rằng vị trí và hướng của hệ tọa độ trên cơ cấu tác động cuối được cho trước như sau:

Để giải bài toán động học ngược ta quan tâm nhất việc tìm nghiệm dạng đóng hơn

là tìm nghiệm bằng phương pháp số vì hai lý do Thứ nhất, trong một số ứng dụng, như đi theo vết đường hàn được cung cấp bởi hệ thống vision, các phương trình động học ngược phải được giải với tốc độ nhanh, khoảng 20 mili giây, và các biểu thức đóng cho nghiệm trực tiếp thì thực tế hơn là dùng phương pháp số Thứ hai, các phương trình động học nói chung có nhiều nghiệm Tìm lời giải bằng biểu thức đóng cho phép ta đưa ra các qui tắc chọn nghiệm đặc biệt trong một số nghiệm khả

dĩ

Chọn nghiệm cho bài toán động học ngược phụ thuộc vào yếu tố toán học và công nghệ Ví dụ, chuyển động của khớp quay có thể bị giới hạn nhỏ hơn một vòng quay3600 đưa đến việc không phải tất cả nghiệm của phương trình động học đều có

được vị trí vật lý thật tương ứng trên tay máy

Ta sẽ giả sử rằng với vị trí và hướng cho trước sao cho phương trình trên tồn tại nghiệm Khi một nghiệm được xác định bởi phương trình toán học, nó phải được kiểm tra thêm xem có thỏa mãn mọi rằng buộc trên khoảng chuyển động khả dĩ của khớp

1.5 Hướng thiết kế phần điều khiển

Hoạt động cơ bản của hệ thống điều khiển hệ thống phân phối được thực hiện cũng giống như các loại giao tiếp khác Dữ liệu được truy xuất từ phần mềm thiết kế chuyên dụng và được lưu trong bộ nhớ của máy tính, bảng điều khiển được thiết kế thông qua giao diện Visual Basic, sau đó được xuất ra qua cổng giao tiếp nối tiếp RS232 đưa đến vi điều khiển để điều khiển động cơ bước tới vị trí cần phân phối,

cứ như vậy hết vị trí này đến vị trí khác, khi nào mà máy tính gửi lệnh dừng thì động cơ ngừng hoạt động, có nghĩa là điểm truy xuất từ máy tính gửi xuống để phân phối vật liệu đã hết hoặc gặp lệnh dừng Khi ấy hệ thống tự động thiết lập lại trở về vị trí gốc Sau mỗi lần thực thi bộ điều khiển lại gửi lệnh về máy tính để thông báo đã thực hiện xong công việc và chờ lần ra lệnh tiếp theo Lần ra lệnh này máy tự động cập nhật tọa độ mới coi điểm đang đứng là gốc tọa độ mới O’

1.5.1 Khối vi xử lý

Bộ vi điều khiển (Micro-controller), là mạch tích hợp trên một chíp có thể lập trình được ,dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó

Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng các bộ vi điều khiển điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thoại, lò viba Trong hệ thống sản xuất

tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong hệ thống, dây chuyền tự động Các hệ thống càng "thông minh" thì vai trò của vi điều khiển càng quan trọng

Vi xử lý AT89C51 được chế tạo bởi hãng ATMEL Về cơ bản AT89C51 có cấu trúc bên trong, sơ đồ chân cũng như sử dụng tập lệnh tương thích với họ MCS51 của hãng INTEL

Hình 1.5.1: Sơ đồ khối của AT89C51

Hình 1.5.2 Sơ đồ chân của vi diều khiển 89C51 Các đặc điểm của AT89C51 được tóm tắt như sau:

Bảng 1.5.1: Bảng thông số kỹ thuật IC 89C51

Chức năng các chân của AT89C51

AT89C51 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập Trong đó có 24

chân có tác dụng kép (có nghĩa 1 chân có 2 chức năng), mỗi đường có thể hoạt động

như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của các bus dữ

liệu và bus địa chỉ Các Port nhập xuất

ˆ Port 0: là port có 2 chức năng ở các chân 32 – 39 của AT89C51 Trong các thiết

kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường IO Đối với

các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ

liệu

ˆ Port 1 : là port IO trên các chân 1-8 Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2, …

có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần Port 1 không có chức năng

khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị bên ngoài

ˆ Port 2: là 1 port có tác dụng kép trên các chân 21 - 28 được dùng như các đường

xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở

rộng

ˆ Port 3: là port có tác dụng kép trên các chân 10 - 17 Các chân của port này có

nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của

8951 như ở bảng sau:

1.5.2 Các phương pháp giao tiếp với máy tính

a Giao tiếp với máy tính thông qua khe cắm mở rộng (cổng truyền song song)

Bên trong máy tính, ngoài những khe cắm dùng cho card vào - ra, card màn hình, vẫn còn những khe cắm để trống Để giao tiếp với máy tính, ta có thể thiết kế card

mở rộng để gắn vào khe cắm mở rộng này Ở máy tính PC/XT rãnh cắm chỉ có 1 loại với độ rộng 8 bit và tuân theo tiêu chuẩn ISA (Industry Standard Architecture) Rãnh cắm theo tiêu chuẩn IS có 62 đường tín hiệu, qua các đường tín hiệu này máy tính có thể giao tiếp dễ dàng với thiết bị bên ngoài thông qua card mở rộng

b Giao tiếp qua cổng truyền nối tiếp ( Port COM)

IBM PC cung cấp 2 cổng nối tiếp: COM1 và COM2 Các cổng này giao tiếp theo tiêu chuẩn RS232 Chúng có thể được nối với một Modem để dùng cho mạng điện thoại, hay nối trực tiếp với một máy tính khác Dữ liệu được truyền qua cổng này theo cách nối tiếp, nghĩa là dữ liệu được gởi đi nối tiếp nhau trên 1 đường dây Do các dữ liệu được truyền đi từng bit một nên tốc độ truyền chậm, các tốc độ truyền

có thể là 300, 600, 1200, 2400, 4800bps, 9600bps, chiều dài dữ liệu có thể là 5, 6, 7 hoặc 8 bit và kết hợp với các bit Start, Stop, Parity tạo thành một khung (frame) Ngoài ra cổng này còn có các điều khiển thu (Receive), phát (Trans), kiểm tra Cách giao tiếp này cho phép khoảng cách truyền dữ liệu xa, tuy nhiên tốc độ truyền rất chậm tốc độ tối đa là 20kbps

+ Giới thiệu chuẩn RS232

Để đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị truyền dữ liệu nối tiếp ta sử dụng chuẩn giao tiếp được gọi là RS232 Việc truyền dữ liệu qua cổng COM được tiến hành theo cách nối tiếp Nghĩa là các bit dữ liệu được truyền đi nối tiếp nhau trên một đường dẫn Loại truyền này có khả năng dùng cho những ứng dụng có yêu cầu truyền khoảng cách lớn hơn, bởi vì các khả năng gây nhiễu là nhỏ đáng kể hơn khi dùng một cổng song song (cổng máy in)

+ Sơ đồ chân của RS232

Hình 1.5.3: Sơ đồ chân RS232 Thông số cụ thể như sau:

Bảng 1.5.2: Ý nghĩa các chân của RS232

Việc truyền dữ liệu xảy ra ở trên hai đường dẫn Qua chân cắm ra TXD máy tính gởi dữ liệu của nó đến KIT Vi điều khiển Trong khi đó các dữ liệu mà máy tính nhận được, lại được dẫn đến chân RXD các tín hiệu khác đóng vai trò như là tín hiệu hổ trợ khi trao đổi thông tin, và vì thế không phải trong mọi trường hợp ứng dụng đều dùng hết Vì tín hiệu cổng COM thường ở mức +12V, -12V nên không tương thích với điện áp TTL nên để giao tiếp KIT Vi điều khiển Pic 16F877A với máy tính qua cổng COM ta phải qua một vi mạch biến đổi điện áp cho phù hợp với mức TTL, ta chọn vi mạch MAX232 để thực hiện việc tương thích điện áp

b Giao tiếp qua cổng PRINT (cổng máy in)

IBM PC cho phép sử dụng đến 3 cổng song song có tên là LP1, LP2 và LP3 Kiểu giao tiếp song song được dùng để truyền dữ liệu giữa máy tính và máy in Khác với cách giao tiếp qua Port Com, ở cách giao tiếp này dữ liệu được truyền song song cùng một lúc 8 bit Vì thế nó có thể đạt tốc độ cao Connector của Port này có 25

chân bao gồm 8 chân dữ liệu và các đường tín hiệu bắt tay (Handshaking ) Tất cả các đường Data và tín hiệu điều khiển đều ở mức logic hoàn toàn tương thích với mức TTL Hơn nữa, người lập trình có thể điều khiển cho phép hoặc không cho phép các tín hiệu tạo Interrupt từ ngõ vào nên việc giao tiếp đơn giản và dễ dàng Tuy nhiên, giao tiếp với mức logic TTL nên khoảng cách truyền bị hạn chế so với cách truyền qua Port Com, đồng thời cáp truyền cũng phức tạp hơn Đó là nhược điểm của cách giao tiếp này

Chương 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM

Trong chương 1, tác giả đã mô tả một cách tổng quát các bộ phận cấu thành của một

hệ phun phủ vật liệu ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng Đồng thời lựa chọn được thuật toán điều khiển, ý tưởng thiết kế Trong chương 2 này, tác giả xin trình bày các bước tính toán, thiết kế phần cứng cũng như phần mềm điều khiển hệ thống phun phủ dựa trên các nguồn lực sẵn có tại nhóm nghiên cứu

2.1 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống

Trong hệ điều khiển hệ thống, điều cốt lõi cần quan tâm phát triển là bộ điều khiển, đây được coi là bộ xử lý trung tâm của hệ thống Nó có nhiệu vụ thu thập các dữ liệu từ bên ngoài: cảm biến phím bấm, bộ giải mã thông qua bộ xử lí trung tâm thực hiện các thuật toán định trước, sau đó đưa ra lệnh xử lý tác động vào mạch công suất, làm khuếch đại đòng điện và điện áp đủ lớn điều khiển các động cơ cho các trục x, y, z, đưa bàn máy tới các vị trí phân phối vật liệu theo tính toán, đồng thời điều khiển đầu phun vi phân phối vật liệu Dưới đây là sơ đồ khối của hệ điều

khiển, hình 2.1.1

2.1.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển

Hình 2.1.1 Sơ đồ khối điều khiển Hệ thống Trong đó, hệ thống gồm ba động cơ chuyển động độc lập trên ba hướng x, y, z trong không gian Ba động cơ này được điều khiển bởi bộ vi xử lý thông qua mạch giao tiếp và cảm biến hồi đáp tín hiệu Hệ thống được điều khiển thông qua máy tính

2.1.2 Tính toán thiết kế khối nguồn

Khối nguồn có vai trò quan trọng trong việc cấp nguồn và hoạt động ổn định của mạch và động cơ Hệ thống hoạt động đòi hỏi dòng nuôi có giá trị cao và ổn định

Do đó, nguồn cấp cần: đảm bảo đủ công suất để chịu tải ở thời điểm khởi động động cơ và trong suốt quá trình các động cơ hoạt động, đồng thời phải thỏa mãn yêu

cầu hoạt động ổn định, không là nguồn gây nhiễu cho các mạch chức năng trong hệ thống, , chống việc khởi động lại chíp điều khiển trong quá trình hệ thống hoạt động

Bảng 2.1.1 Thông số kỹ thuật của bộ nguồn

TT Khối nguồn Tải sử dụng

2.1.3 Khối giao tiếp truyền thông

Hình 2.1.3 Sơ đồ nối ghép của MAX232 với 8051 theo modem không

Người sử dụng muốn thay đổi nội dung hiển thị sẽ nhập thông tin trên máy tính, nội dung muốn hiển thị này được gửi xuống Vi điều khiển thông qua cổng COM theo chuẩn giao tiếp RS232 Các máy tính thường có 2 cổng nối tiếp theo chuẩn RS –

232, cổng thứ nhất là COM1 thường dùng cho chuột, còn cổng thứ hai COM2 thường dùng cho các mục đích ghép nối khác như các mođun điều khiển, thiết bị đo lường, v.v Khi cần nhiều hơn 2 cổng ta có thể lắp đặt các card mở rộng trên đó có thêm 1 hay 2 cổng RS – 232 Sử dụng cổng COM sẽ mang lại nhiều ưu điểm ngay

cả với những mạch

ghép nối đơn giản Vì:

● Khả năng chống nhiễu của cổng nối tiếp cao hơn cổng máy in

● Thiết bị ngoại vi có thể lắp ngay khi máy tính đang hoạt động

● Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua cổng nối tiếp

● Kinh tế hơn trong công nghiệp so với cổng song song vì tiết kiệm được dây truyền dẫn tín hiệu