THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ NHẬN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU LASER TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SAN PHẲNG MẶT ĐỒNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ NHẬN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU LASER TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SAN PHẲNG MẶ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ NHẬN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU LASER TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

SAN PHẲNG MẶT ĐỒNG

Họ và tên sinh viên: ĐẶNG VĂN CHUNG

LÊ HOÀNG HIỆP

Tháng 06 năm 2013

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ NHẬN VÀ XỬ LÍ TÍN HIỆU LASER TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SAN PHẲNG MẶT ĐỒNG

Tác giả

ĐẶNG VĂN CHUNG

LÊ HOÀNG HIỆP

Khóa luận tốt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu

cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:

TH.S TRẦN THỊ KIM NGÀ PGS.TS NGUYỄN VĂN HÙNG

tháng 6 năm 2013

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay,

chúng tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và

bạn bè

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Cơ khí - Công nghệ đặc biệt là

quý thầy cô bộ môn Cơ Điện tử đã hỗ trợ nhiệt tình chúng tôi trong quá trình thực hiện

đề tài này

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Hùng và Cô Th.s

Trần Thị Kim Ngà đã tận tình giúp đỡ chúng tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Cám ơn các bạn trong bộ môn Cơ Điện tử, Khoa Cơ khí – Công nghệ Trường

Đại học Nông Lâm TP.HCM đã tạo điều kiền để chúng tôi thực hiện đề tài

Cuối cùng, với tất cả tấm lòng mình, chúng tôi xin cảm ơn gia đình, người thân

- những người đã luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian

học tập và thực hiện luận văn này

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013

Đặng Văn Chung

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu “Thiết kế chế tạo thiết bị nhận và xử lý tín hiệu Laser trong

hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng”

Địa điểm thực hiện: Phòng bộ môn Cơ điện tử trường Đại học Nông Lâm TP.HCM

Thời gian thực hiện: từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2013

Khảo sát thiết bị nhận laser ngoại nhập (LR410 hãng Trimble) ở trung tâm Năng Lượng ĐH Nông Lâm hiện có để tìm hiểu nguyên lý Từ đó chúng tôi tiến hành thực

hiện luận văn “Thiết kế chế tạo thiết bị nhận và xử lý tín hiệu Laser trong hệ

thống điều khiển san phẳng mặt đồng” để có thể ứng dụng những nghiên cứu của

mình nhằm nội địa hóa một số cụm thiết bị của hệ thống

Mô hình được thiết kế, chế tạo để có thể nhận được tín hiệu laser từ bộ phát laser, tín hiệu laser này được sử dụng để nhận biết máy kéo đang ở vùng đất có độ cao như thế nào,sau đó đưa ra 3 mức tín hiệu: mức cao(H), mức giữa(O) và mức thấp(L) để điều khiển cụm gàu san tương ứng với các trạng thái: hạ gàu, duy trì, nâng gàu

MỤC LỤC

Trang

TRANG TỰA……… i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH viii

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1.Đặt vấn đề 1

1.2.Mục đích đề tài 1

1.3.Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Nội dung nghiên cứu 2

Chương 2: TỔNG QUAN 3

2.1 Sơ lược về hệ thống san phẳng mặt đồng 3

2.2 Tìm hiểu thiết bị nhận tia laser 4

2.3.Hệ thống nhận tín hiệu laser hiện có (nhập từ công ty Trimble) : 6

2.4 Sơ lược các phần tử dùng trong hệ thống 7

2.4.1.Các linh kiện dùng trong bộ phận xử lý tín hiệu 7

2.4.1.1.Quang trở 7

2.4.1.2.IC LM324 8

2.4.2.Các linh kiện dùng trong thiết bị điều khiển 10

2.4.3.Phần mềm lập trình 11

Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

3.1.Nội dung đề tài 13

3.2.Phương pháp thực hiện 13

3.3.Cơ sở thiết kế mô hình xử lý tín hiệu và thiết bị điều khiển của cụm thiết bị điều khiển laser 13

3.3.1.Thiết bị xử lí tín hiệu 13

3.3.2.Thiết bị điều khiển 13

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 14

4.1.Kết quả tính toán thiết kế, chế tạo mô hình nhận xử lý tín hiệu laser 14

4.1.1.Yêu cầu thiết kế 14

4.1.2.Tính toán, thiết kế, chế tạo 14

4.1.3.Kết quả chế tạo 25

4.1.4 Kết nối thiết bị nhận tín hiệu với mô hình 25

4.2.Kết quả khảo nghiệm và nhận xét chung 26

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 30

5.1.Kết luận 30

5.2.Đề nghị 30

Tài liệu tham khảo 31

Phụ lục 32

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PTCB Phần tử cảm biến

IRRI International Rice Research Institute CAEM Center for Agricultural Energy and Machinery

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng Trang Bảng 2.1 Kí hiệu chân của LM324 10

Bảng 4.1 Khảo sát tín hiệu từ thiết bị nhận 27

Bảng 4.2 Khảo sát tín hiệu từ thiết bị nhận và hộp điều khiển 27

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình Trang

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy san phẳng Laser 3

Hình 2.2 Hệ thống san phẳng laser lắp trên máy kéo MTZ 80 4

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị Laser Levelling 4

Hình 2.4 Thiết bị nhận lắp trên dụng cụ đo độ cao 5

Hình 2.5 Thiết bị nhận lắp trên gàu san 5

Hình 2.6 Cấu tạo bộ nhận laser 6

Hình 2.7 Cấu tạo quang trở 7

Hình 2.8 Ký hiệu quang trở 7

Hình 2.9 Hình thật một quang trở 8

Hình 2.10 IC LM324 8

Hình 2.11 Sơ đồ chân LM324 9

Hình 2.12 Vi điều khiển PIC16F877A 11

Hình 2.13 Sơ đồ chân PIC16F877A 11

Hình 2.14 Quá trình lập trình, biên dịch và nạp 12

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị nhận và xử lý tín hiệu laser 15

Hình 4.2 Một phần tử cảm biến 15

Hình 4.3 Sơ đồ kết nối hai phần tử cảm biến 16

Hình 4.4 Sơ đồ kết nối các phần tử cảm biến 17

Hình 4.5 Cách đặt các phần tử cảm biến 18

Hình 4.6 Sơ đồ toàn bộ ba mức hệ thống 19

Hình 4.7 Mạch nguyên lý nhận tín hiệu 20

Hình 4.8 Mặt trước mạch cảm biến nhận laser 21

Hình 4.9 Mặt sau mạch cảm biến nhận laser 22

Hình 4.10 Mạch xử lý trung tâm 23

Hình 4.11 Lưu đồ giải thuật 24

Hình 4.12 Kết quả của thiết bị nhận thực tế 25

Hình 4.13 Kết nối hộp điều khiển với mô hình thực tế 26

Hiện nay tại một số nơi ở nước ta như Bạc Liêu, Cần Thơ, Lâm Đồng đang áp dụng phương pháp san phẳng mặt ruộng điều khiển bằng laser và bước đầu đã mang lại lợi ích khả quan nhưng chưa được phổ biến vì giá thành của sản phẩm tương đối cao, kĩ thuật vận hành và bảo trì sữa chữa chưa được phổ biến, các phụ kiện tương đối

xa lạ với người nông dân Trên cơ sở đó được sự phân công giáo viên hướng dẫn,

chúng tôi nghiên cứu và thực hiện đề tài: ” Thiết kế chế tạo thiết bị nhận và xử lý

tín hiệu Laser trong hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng” để đáp ứng nhu

cầu nội địa hóa sản phẩm

1.2.Mục đích đề tài

Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị nhận và xử lí tín hiệu laser của hệ thống san phẳng mặt đồng làm cơ sở cho việc chế tạo nội địa hóa một số cụm thiết bị của hệ thống, phục vụ nhu cầu san phẳng đồng ruộng ở Việt Nam

1.3.Phạm vi nghiên cứu

Khảo sát mô hình thực và đã chế tạo mô hình thiết bị nhận và xử lí tín hiệu laser, nên giới hạn mức độ ổn định ở mức thử nghiệm

1.4 Nội dung nghiên cứu

Khảo nghiệm, phân tích thiết bị hiện có (Trimble LR410) hiện có tại Trung tâm Năng lượng (CAEM) trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh để xây dựng phương án thiết kế…

Thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị phận và xử lý tín hiệu laser trong hệ thống san phẳng mặt đồng

Khảo nghiệm và đánh giá kết quả từ thiết bị thu tín hiệu laser thực tế

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1.Sơ lược về hệ thống san phẳng mặt đồng

 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống san phẳng laser được thể hiện như Hình 2.1 và hệ thống thực được thể hiện như Hình 2.2:

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy san phẳng laser

1 Thiết bị phát tia laser; 6 Ống dầu thủy lực;

2 Xi lanh thủy lực; 7 Van thủy lực;

3 Thiết bị nhận tín hiệu; 8 Hộp điều khiển;

4 Gàu san; 9 Máy kéo

5 Bộ phận làm mát dầu thủy lực;

Thiết bị phát laser (1) được đặt trên giá đỡ, phát ra tia laser tạo thành một mặt phẳng laser cố định song song nằm ngang Thiết bị nhận tín hiệu laser (3) lắp cố định trên cụm gàu san (4) sẽ xác định vị trí tương đối của gàu san so với mặt phẳng laser khi hai bánh xe mang gàu san lên vùng cao hay xuống vùng đất trũng rồi truyền tín hiệu về bộ điều khiển (8) Sau khi xử lý, tín hiệu được truyền tới hộp phân phối thuỷ lựcđể kích đóng hoặc mở các vị trí của van thuỷ lực (7) lúc này dầu được đưa từ bơm qua các đường ống dẫn (6) đến điều khiển cơ cấu chấp hành (xi lanh thủy lực 2) Dầu

trả về thùng được làm mát qua bộ phận làm mát dầu (5) Nghĩa là khi cụm gàu san lên vùng đất cao thì thiết bị điều khiển sẽ điều khiển cho xi lanh thủy lực đi xuống làm hạ gàu san để lấy đất, khi cụm gàu san xuống vùng đất thấp thì điều khiển cho xi lanh thủy lực sẽ đẩy lên, gàu san được nâng lên để thả đất Gàu san được nâng lên hoặc hạ xuống sao cho vạch chuẩn trên thiết bị nhận (được cài đặt sẵn) luôn nằm trên mặt phẳng laser

Hình 2.2: Hệ thống san phẳng laser lắp trên máy kéo MTZ 80

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị Laser Levelling

2.2.Tìm hiểu thiết bị nhận tia laser

Là một thiết bị dùng để xác định chiều cao của mặt phẳng laser nó gồm có các

tế bào nhạy cảm với ánh sáng laser gọi là cảm biến ánh sáng laser Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của bộ nhận là phải có khả năng đáp ứng nhanh vì thời gian

Tín hiệu

phát laser

Thiết bị nhận tia laser

Thiết bị xử

lý tín hiệu

Cơ cấu chấp hành

Hình 2.2 Hệ thống san phẳng laser lắp trên máy kéo MTZ 80

kích hoạt của ánh sáng laser là rất ngắn, tại thời điểm này nó phải truyền thông tin về cho bộ điều khiển

Phương trình tính toán thời gian kích hoạt của ánh sáng laser tới thiết bị nhận:

RN

d T



30



Trong đó:

d – đường kính tia laser, [m];

R – khoảng cách giữa thiết bị phát và thiết bị thu laser, [m];

N – tốc độ quay của đèn phát laser, [vòng/phút]

Thiết bị nhận được đặt trên trụ của cụm gàu san Cảm biến ánh sáng laser sẽ xác định độ chênh lệch của mặt phẳng laser được phát ra từ thiết bị phát so với mức chuẩn

ở 3 mức: mức giữa(O), mức thấp(L) và mức cao(H) Trong quá trình di chuyển của cụm gàu san thiết bị nhận sẽ cho biết được độ chênh lệch của gàu san khi ở vùng đất cao hay vùng đất trũng và sẽ truyền tín hiệu về cho thiết bị điều khiển xử lý để nâng hạ gàu san Tín hiệu xuất ra từ thiết bị nhận về cho thiết bị xử lý tín hiệu là dòng điện một chiều DC từ 3V ÷ 8V Ngoài ra còn có thiết bị nhận laser lắp trên thước đo chiều cao dùng để đo chiều cao nhấp nhô ban đầu của mặt đồng trước khi san phẳng

Hình 2.4 Thiết bị nhận lắp trên dụng cụ đo

độ cao

Hình 2.5 Thiết bị nhận lắp trên

gàu san

2.3.Hệ thống nhận tín hiệu laser hiện có (nhập từ công ty Trimble) : hiện có tại

trung tâm Năng Lượng ĐH Nông Lâm

2 – Lỗ cắm dây nối với thiết bị điều khiển

3- Cáp truyền tín hiệu về thiết bị điều khiển

Thông số kỹ thuật thiết bị nhận laser (Trimble LR410):

Nhiệt độ hoạt động và bảo quản -40°C đến +71°C (-40°F đến +160°F)

-55°C đến +85°C (-67°F đến +185°F) Khối lượng <2.8 kg (6.3 lb)

Điện thế đầu vào 9 đến 30V DC

Cường độ dòng điện 500 mA tối đa 12V DC

Góc quét cho phép của chùm tia laser 360°

Độ ẩm 100%, chống chọi với thời tiết

2.4.Sơ lược các phần tử dùng trong hệ thống

2.4.1.Các linh kiện dùng trong thiết bị phận xử lý tín hiệu

2.4.1.1.Quang trở

Quang trở có cấu tạo gồm một lớp chất bán dẫn phủ trên một lớp nhựa cách điện Có hai điện cực gắn vào lớp bán dẫn đó và trên bề mặt của lớp bán dẫn có phủ một lớp chất chống phản quang nhằm tăng độ nhạy sáng của quang trở

Các hợp chất bán dẫn thường dùng có thể là: CdS, CdSe, ZnS hoặc các hỗn hợp tinh thể khác, nói chung là các vật liệu nhạy quang

Hình 2.7 Cấu tạo quang trở

Hình 2.8 Ký hiệu quang trở

Hình 2.9 Hình thật một quang trở

Nguyên lý làm việc của quang trở là: khi có bức xạ chiếu vào, chất bán dẫn hấp thu năng lượng làm phát sinh các điện tử tự do và lỗ trống, tức sự dẫn điện tăng lên và giảm điện trở của chất bán dẫn Các đặc tính điện và độ nhạy của quang trở tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo quang trở

 Sơ đồ chân của IC LM324 

Hình 2.11 Sơ đồ chân LM324

 Một số thông số kĩ thuật của IC LM324:

1 Điện áp cung cấp: từ 5V – 32V

Áp ngõ vào: từ 0 – 32V đối với nguôn đơn và ±15V đối với nguồn đôi

2 Công suất của LM324 loại chân cắm (Dip): khoảng 1W

Chân số Chức năng Chân số Chức năng

1 Đầu ra (1) 8 Đầu ra (3)

2 Lối vào đảo (1) 9 Lối vào đảo (3)

3 Lối vào không đảo (1) 10 Lối vào không đảo (3)

5 Lối vào không đảo (2) 12 Lối vào không đảo (4)

6 Lối vào đảo (2) 13 Lối vào đảo (4)

7 Đầu ra (2) 14 Đầu ra (4)

Bảng 2.1.Kí hiệu chân của LM324

LM324 được sử dụng rộng rãi trong kĩ thuật điện tử như: trong các mạch khuếch đại, mạch so sánh, mạch trừ, mạch cộng, mạch điều khiển PID… Trong đề tài này, các IC LM324 được sử dụng trong các mạch cảm biến của thiết bị cảm biến Nó được kết nối với các quang trở và nhận tín hiệu từ quang trở để tiến hành so sánh

2.4.2.Các linh kiện dùng trong thiết bị điều khiển

 Vi điều khiển PIC16F877A

Cấu trúc tổng quát của PIC 16F877A gồm:

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ nhớ

dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O Có 8 kênh chuyển đổi A/D

 Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:

- Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

- Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep

- Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ Postcaler

- Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rộng xung

- Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ

- Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển

RD, WR

 Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:

- Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần

- Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần

- Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm

- Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm

- Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân

- Watchdog Timer với bộ dao động trong

- Chức năng bảo mật chương trình

 Vi điều khiển PIC16F877A và sơ đồ chân:

Hình 2.12 Vi điều khiển PIC16F877A

 Quá trình nạp cho PIC16F877A

Hình 2.14 Quá trình lập trình, biên dịch và nạp

Chương 3

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1.Nội dung đề tài

Tìm hiểu cảm biến nhận ánh sáng laser

Thiết kế, chế tạo thiết bị nhận và xử lý tín hiệu laser trong hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng

 Nghiên cứu linh kiện thay thế phù hợp

 Đưa ra quyết định lựa chọn phương pháp phù hợp nhất

3.3.Cơ sở thiết kế mô hình xử lý tín hiệu và thiết bị điều khiển của cụm thiết bị điều khiển laser

Qua nghiên cứu mô hình thực tế và khảo sát yêu cầu của hệ thống, sau đó đưa

ra cách thiết kế và chế tạo các bộ phận cho hệ thống

3.3.1.Thiết bị xử lí tín hiệu

Trong hệ thống thực tế, thiết bị nhận tín hiệu được sử dụng là các cảm biến nhận ánh sáng laser, với đề tài này thì chúng tôi sử dụng các quang trở Các quang trở này sẽ giảm điện trở xuống khi có nguồn ánh sáng mạnh chiếu vào, ta lấy tín hiệu từ

sự thay đổi này mà đưa về bộ điều khiển để xử lý

3.3.2.Thiết bị điều khiển

Nhận tín hiệu thu được từ thiết bị thu ánh sáng laser, sau đó đưa ra các mức tín hiệu để điều khiển van khí nén trong cơ cấu chấp hành