Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho mô hình hệ thống phân loại sản phẩm tự động phục vụ công tác đào tạo tại trường cao đẳng công nghiệp sao đỏ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển cho mô hình hệ thống phân loại sản phẩm tự động phục vụ công tác đào tạo tại Trường Cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển cho mô hình hệ thống phân loại sản phẩm tự động phục vụ công tác đào tạo tại Trường Cao

Mục lục

Lời cam đoan 1

Lời cảm ơn 2

Mục lục 3

Danh mục các bảng biểu 5

Danh mục các hình vẽ 6

Mở đầu 8

Chương 1: Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm trong đào tạo tại

trường CĐCN Sao đỏ Error! Bookmark not defined.

1.1 Nhu cầu về tự động hóa trong doanh nghiệp Error! Bookmark not

defined.

1.2 Nhu cầu sử dụng thiết bị tự động hóa trong đào tạo Error! Bookmark

not defined.

1.3 Hệ thống điều khiển tự động .Error! Bookmark not defined.

1.4 Mô hình phân loại và đóng gói sản phẩm tại trường CĐCN Sao đỏ

Error! Bookmark not defined.

1.4.1 Sơ đồ tổng quan mô hình phân loại và đóng gói sản phẩm Error!

Bookmark not defined.

1.4.2 Phân loại sản phẩm Error! Bookmark not defined.

1.4.3 Đóng gói sản phẩm Error! Bookmark not defined.

Chương 2: Giới thiệu một số linh kiện sử dụng trong đề tàiError! Bookmark not def

2.1 Tổng quát về vi điều khiển .Error! Bookmark not defined.

2.1.1 Khái niệm .Error! Bookmark not defined.

2.1.2 Lịch sử phát triển Error! Bookmark not defined.

2.1.3 Vai trò của vi điều khiển trong quá trình tự động hóa Error!

Bookmark not defined.

2.1.4 Ưu và nhược điểm của bộ vi điều khiển Error! Bookmark not

defined.

2.2 Vi điều khiển MCS51 .Error! Bookmark not defined 2.2.1 Cấu tạo Error! Bookmark not defined 2.2.2 Nguyên lý hoạt động .Error! Bookmark not defined 2.3 Cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của LCD16x2 Error!

Bookmark not defined.

2.3.1 Cấu tạo và chức năng các chân Error! Bookmark not defined 2.3.2 Nguyên lý làm việc và ứng dụng Error! Bookmark not defined 2.4 Cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của ICTLP621 Error!

Bookmark not defined.

2.4.1 Cấu tạo Error! Bookmark not defined 2.4.2 Nguyên lý và ứng dụng .Error! Bookmark not defined.

Chương 3: thiết kế bộ điều khiển cho mô hình hệ thống phân loại sản

phẩm sử dụng vi điều khiển Error! Bookmark not defined.

3.1 Thiết kế phần cứng .Error! Bookmark not defined 3.1.1 Thiết kế mạch điện .Error! Bookmark not defined 3.1.2 Thiết kế mạch in Error! Bookmark not defined 3.1.3 Sản phẩm sau khi thiết kế và lắp đặt Error! Bookmark not defined 3.2 Thiết kế phần mềm .Error! Bookmark not defined 3.2.1 Lưu đồ thuật toán Error! Bookmark not defined 3.2.2 Chương trình điều khiển Error! Bookmark not defined 3.3 Thực nghiệm, hiệu chỉnh hệ thống Error! Bookmark not defined 3.3.1 Thực nghiệm Error! Bookmark not defined.

3.3.2 Hiệu chỉnh hệ thống .Error! Bookmark not defined Kết luận và hướng phát triển Error! Bookmark not defined.

1 Kết luận .Error! Bookmark not defined.

2 Hướng phát triển của đề tài .Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined.

Mở đầu

1 Lý do lựa chọn đề tài

Công cuộc ‘‘công nghiệp hoá, hiện đại hoá” mà Việt Nam tiến hành trong hơn 20 năm qua đã đem lại nhiều thành công to lớn trong mọi lĩnh vực: đời sống, kinh tế xã hội Uy tín và vị thế của nước ta trên trường Quốc Tế ngày càng nâng cao, ngày càng hấp dẫn đối với các nhà đầu tư trong và ngoài nước

Sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế, sự đầu tư ồ ạt của các nhà đầu tư nước ngoài đặt ra một thách thức to lớn đối với nền giáo dục và đào tạo của Việt Nam là phải tạo ra nguồn nhân lực có trình độ cao đáp ứng yêu cầu phát triển của kinh tế xã hội

Trong xu thế phát triển và hội nhập, đứng trước thách thức chung của nền giáo dục và đào tạo nước nhà, trường Cao Đẳng Công Nghiệp Sao Đỏ trong những năm qua đã có những nỗ lực trong việc nâng cao chất lượng đào tạo với phương châm ‘‘đào tạo những gì xã hội cần” Một trong những biện pháp để nâng cao chất lượng đào tạo để ‘‘Đào tạo những gì xã hội cần” đó là tăng cường cơ sở vật chất theo hướng sát với thực tế sản xuất: Các mô hình, các thiết bị thí nghiệm, thực hành được đầu tư mua sắm, sản xuất mô phỏng các dây chuyền sản xuất tự động trong thực tế, các thiết bị, mô hình này mô phỏng các dây chuyền sản xuất tự động điều khiển bằng PLC

Là một giáo viên của Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Sao Đỏ sau 2 năm tham gia nghiên cứu học tập cao học chuyên ngành Đo lường và tin học công nghiệp – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, nhận thấy những mặt mạnh, tính linh hoạt của vi điều khiển ứng dụng trong tự động hoá, nhất là ở những

phạm vi ứng dụng nhỏ và vừa nên tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế bộ

điều khiển cho mô hình hệ thống phân loại sản phẩm tự động phục vụ công

tác đào tạo tại Trường Cao đẳng Công nghiệp Sao Đỏ” để làm luận văn tốt

nghiệp cao học của mình Đề tài sẽ giúp cho việc xây dựng các bộ điều khiển bằng vi điều khiển để linh hoạt thay thế các bộ PLC điều khiển các mô hình, thiết bị mô phỏng các dây chuyền sản xuất trong thực tế phục vụ công tác giảng dạy

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu xây dựng mạch điện điều khiển mô hình hệ thống phân loại sản phẩm tự động phục vụ đào tạo tại trường Cao Đẳng Công Nghiệp Sao Đỏ

- Nghiên cứu xây dựng phần mềm điều khiển mô hình hệ thống phân loại sản phẩm tự động phục vụ đào tạo tại trường Cao Đẳng Công Nghiệp Sao Đỏ

- Thực nghiệm và hoàn thiện bộ điều khiển mô hình hệ thống phân loại và

3 Nội dung nghiên cứu.

- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc của mô hình phân loại sản phẩm

tự động phục vụ đào tạo tại trường Cao Đẳng Công Nghiệp Sao Đỏ

- Nghiên cứu cấu tạo, đặc tính của các linh kiện MCS51, TLP621,

- Thiết kế mạch điện phần cứng, xây dựng phần mềm điều khiển và giám sát mô hình hệ thống phân loại sản phẩm tự động phục vụ đào tạo tại trường Cao Đẳng Công Nghiệp Sao Đỏ

- Lắp đặt, thực nghiệm, đánh giá hiệu quả và chất lượng hệ thống

4 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu mô hình hệ thống phân loại sản phẩm tự động tại khoa

ĐT-TH trường CĐ CN Sao Đỏ

- Thiết kế, hoàn thiện bộ điều khiển mô hình hệ thống phân loại sản phẩm

tự động phục vụ đào tạo tại trường Cao Đẳng Công Nghiệp Sao Đỏ

5 Đối tượng nghiên cứu

- Lý thuyết về vi điều khiển

- Phương án thiết kế và lắp đặt, thực nghiệm và kiểm tra mô hình hệ thống

tự phân loại sản phẩm tự động của trường CĐCN Sao đỏ

6 Phương pháp nghiên cứu

6.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu.

- Nghiên cứu tài liệu viết về quá trình tự động hóa và điều khiển bằng vi

điều khiển để đưa ra cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm tự động

- Nghiên cứu các đề tài, các công trình khoa học về bộ điều khiển bằng vi

điều khiển để rút kinh nghiệm và làm cơ sở phát triển đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết về cách thiết kế, lập trình, lắp đặt bộ điều khiển bằng vi điều khiển

nguyên tắc mang tính phổ biến để cho kết quả thực nghiệm được khách quan

7 Cấu trúc của đề tài

Mở đầu

Chương 1: Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm trong đào tạo tại

trường CĐCN Sao đỏ

Chương 2: Giới thiệu một số linh kiện sử dụng trong đề tài

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho mô hình hệ thống phân loại sản

phẩm tự động sử dụng vi điều khiển

Kết luận và khuyến nghị

Tài liệu tham khảo

Chương 1: Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm trong đào tạo tại trường CĐCN Sao đỏ

1.1 Nhu cầu về tự động hóa trong doanh nghiệp

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, công nghệ đã làm thay đổi về chất của quá trình sản xuất Xu thế hàng hóa cạnh tranh toàn cầu đòi hỏi chất lượng sản phẩm, năng suất lao động là chiến lược phát triển của các doanh nghiệp Do vậy, một trong những biện pháp hữu hiệu là các doanh nghiệp phải ứng dụng khoa học kỹ thuật mới thông qua những dây chuyền tự động hóa cao vào quá trình sản xuất

Thực tiễn tốc độ phát triển công nghiệp ở Việt Nam rất nhanh Chúng ta

đang phấn đấu đến năm 2010 có khoảng trên 320 nghìn doanh nghiệp tạo việc làm cho khoảng 15 triệu lao động và đến năm 2020 Việt Nam trở thành một nước công nghiệp phát triển với các khu công nghiệp, khu chế xuất và các khu kinh tế mở lớn

Các doanh nghiệp đều nhận thức được tầm quan trọng tất yếu của quá trình tự động hóa và có xu hướng đầu tư mới thiết bị tự động hóa ở rất nhiều lĩnh vực như :

- Các dây chuyền gia công cơ khí

- Các dây chuyền lắp ráp ôtô, xe máy, linh kiện điện tử

- Các dây chuyền gia công dệt may

- Các dây chuyền chế biến thủy sản

- Các dây chuyền đóng gói và phân loại sản phẩm

- Các dây chuyền chế biến thực phẩm

- Tự động hóa hệ thống chiếu sáng, hệ thống bán hàng ở các siêu thị, khách sạn, công ty

- Tự động hóa các hệ thống cung cấp nước, khí đốt

- Tự động hóa đóng mở cửa các sân bay, nhà ga, bãi xe

- Điều khiển robot tự động để thay thế con người làm những công việc nặng nhọc, nguy hiểm

Như vậy nhu cầu về thiết bị tự động ở các doanh nghiệp là rất lớn và ngày càng trở lên cấp thiết ở tất cả các loại hình doanh nghiệp từ sản xuất, lắp ráp,

chế biến sản phẩm cho tới kinh doanh và các dịch vụ khác

1.2 Nhu cầu sử dụng thiết bị tự động hóa trong đào tạo

Với mục tiêu đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao đáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp Các trường cần tập trung các nguồn lực và đẩy mạnh công tác nghiên cứu khoa học để ứng dụng chế tạo những thiết bị, đồ dùng dạy học hiện đại vào giảng dạy Nói cách khác ngành công nghiệp, dịch vụ đã và đang

sử dụng những dây chuyền tự động nào thì học sinh, sinh viên cần phải được học tập, thực tập và làm thí nghiệm trên những mô hình hoặc dây chuyền công nghệ tương tự

Nội dung bài giảng phải có thiết bị, mô hình tương tự như yêu cầu sản xuất của các doanh nghiệp thì chương trình đào tạo mới không lạc hậu Học sinh, sinh viên được học tập trong điều kiện gắn lý thuyết với thực tế sản xuất thì chất lượng đào tạo mới thực sự tốt

Do nhu cầu tự động hóa trong công nghiệp ngày càng tăng cho nên các trường đại học, cao đẳng, trung cấp chuyên nghiệp, trung cấp nghề và cao

đẳng nghề đều có ngành học về điều khiển tự động và tự động hóa nhằm cung cấp cho xã hội đội ngũ kỹ sư, cử nhân và công nhân kỹ thuật có chuyên ngành

về điều khiển tự động

Trường Cao đẳng Công nghiệp Sao Đỏ là một cơ sở đào tạo đang thực hiện mục tiêu đa dạng hoá các loại hình đào tạo, đào tạo ở nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ, do vậy nhu cầu mua sắm, trang thiết bị tiên tiến, hiện đại là rất lớn Lượng học sinh, sinh viên tăng nhanh trong những năm gần đây, nên nhu cầu thiết bị càng trở nên cấp thiết Đặc biệt ở một số khoa có nhu cầu cao về các thiết bị, mô hình điều khiển tự động như khoa Điện, Điện tử-Tin học, Cơ khí,

Động lực

Tuy nhiên việc trang bị những thiết bị, mô hình tự động kịp thời, đồng bộ với các doanh nghiệp là việc làm khó khăn đối với các trường Cho nên nhà trường ngoài việc tăng cường đầu tư có chọn lọc những thiết bị tự động mới

đồng bộ thì việc đẩy mạnh công tác nghiên cứu khoa học, ứng dụng lắp đặt các mô hình, những thiết bị dạy học tự động phù hợp cho giảng dạy, gắn với thực tế sản xuất là một bước đi đúng, mang lại hiệu quả kinh tế cao

1.3 Hệ thống điều khiển tự động

Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống điều khiển tự động được mô tả hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống điều khiển tự động

- Thông số môi trường: Bao gồm thông số điện và thông số phi điện Là các thông tin từ các tác động điều khiển gửi tới trung tâm điều khiển

Hệ thống điều khiển

- Thiết bị vào: Công tắc, nút bấm, cảm biến, bộ chuyển mức, mạch biến

đổi v.v

- Hệ thống điều khiển: Trung tâm điều khiển các thiết bị điều khiển có thể

là mạch điều khiển Rơle, hệ vi điều khiển, hệ vi xử lý hoặc PLC Chúng có chức năng nhận tín hiệu điều khiển từ các thiết bị vào, thực hiện các logic điều khiển và cấp tín hiệu điều khiển cho các cơ cấu chấp hành:

+ Tín hiệu đầu vào: Là các đại lượng vật lý qua các sensor tiếp điểm, sensor từ, sensor quang cho ta mức logic Ngoài ra còn có sensor cho ta tín hiệu tương tự, tín hiệu ra là một dải điện áp

+ Xử lý tín hiệu vào là bộ phận phối hợp mức tín hiệu sao cho tín hiệu đa

về có tính an toàn cao cho các khối xử lý tiếp theo

+ Thực hiện các thuật toán logic hay bộ điều khiển: Thực hiện quá trình thu thập và xử lý tín hiệu, điều chỉnh tham số và công nghệ đa tín hiệu điều khiển khối công suất

+ Khối công suất: Để điều khiển cơ cấu chấp hành, đáp ứng được yêu cầu

đã đề ra Hiện nay các hệ thống giao tiếp với cơ cấu chấp hành thường sử dụng rơle, transistor công suất, IC công suất chuyên dụng trong giới hạn của đề tài

đã sử dụng Transistor công suất kết hợp với rơle vừ có tính chất cách ly về

điện và cung cấp đủ công suất cho cơ cấu chấp hành

- Cơ cấu chấp hành: Là các hệ thống truyền động, biến đổi tín hiệu điều khiển thành tác động điều khiển

- Tác nhân điều khiển: Là những yếu tố tác động trực tiếp hoặc gián tiếp

đến các thông số môi trường

1.4 Mô hình phân loại và đóng gói sản phẩm tại trường

CĐCN Sao đỏ

1.4.1 Sơ đồ tổng quan mô hình phân loại và đóng gói sản phẩm

Mô hình phân loại và đóng gói sản phẩm theo chiều cao và mầu sắc tại phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp khoa ĐT-TH trường cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ có sơ đồ tổng quan được mô tả trên (Hình 1.2):

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quan mô hình phân loại và đóng gói sản phẩm

- Sản phẩm: Mô hình phân loại và đóng gói sản phẩm theo mầu sắc sử dụng mẫu chi tiết hình trụ tròn đường kính 20mm, chiều cao h=20mm, sản phẩm có chiều cao vượt hoặc không đạt độ cao h = 20mm thì được coi là phế phẩm Vật mẫu có ba màu khác nhau đó là: Màu trắng, màu đỏ và màu đen

- Hệ thống cấp phôi: Mô hình phân loại và đóng gói sản phẩm theo mầu sắc sử dụng phương pháp cấp phôi kiểu ống dẫn

- Hệ thống điều khiển: Có rất nhiều phương pháp để thực hiện điều khiển cho dây chuyền phân loại, đóng gói sản phẩm như: Sử dụng vi xử lý, vi điều khiển, điều khiển thông qua ghép nối máy tính và điều khiển bằng PLC Trong

đề tài này lựa chọn điều khiển bằng vi điều khiển

- Hệ thống kiểm tra kích thước: Mô hình phân loại và đóng gói sản phẩm theo mầu sắc sử dụng xi lanh khí và sensor cảm biến chiều cao

- Hệ thống phân loại màu sắc: Mô hình phân loại và đóng gói sản phẩm theo mầu sắc sử dụng 2 sensor nhận biết mầu sắc KS-G22 và BZJ-211 được mô tả trong (Hình 1.3)

Hình 1.3 Cảm biến mầu KS-G22 và BZJ-211 → Thông số kỹ thuật của hai cảm biến mầu được trình bày trong (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến màu

→ Nguyên lý làm việc của hai cảm biến mầu KS-G22 và BZJ-211 được mô tả trong (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Trạng thái của hai cảm biến màu

* Hệ thống đếm và đóng gói sản phẩm: Thực hiện nhiệm vụ đếm số sản phẩm cùng màu và đóng gói theo từng màu sắc quy −ớc

- Nguyên lý làm việc:

Khi có sản phẩm nằm trong ống cấp phôi, cảm biến SS1 phát hiện và chuyển tín hiệu điều khiển về hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển cấp tín hiệu điều khiển mở van khí V1 điều khiển Xilanh X1 Xilanh X1 mở đẩy sản phẩm vào khay chứa của băng tải Sau khi sản phẩm vào vị trí khay chứa,

hệ thống điều khiển cấp tín hiệu mở van V2 điều khiển xilanh X2 để hạ đầu

Hình 1.4 Cơ cấu cấp phôi

đo kích thước Cảm biến kích thước sẽ kiểm tra kích thước và gửi thông tin về

hệ thống điều khiển để xác nhận kích thước của sản phẩm Sau khi thông tin

về kích thước đã được xác nhận, hệ thống điều khiển cấp lệnh khởi động động cơ băng tải dịch chuyển sản phẩm qua hệ thống kiểm tra kích thước

b Phân loại sản phẩm theo mầu sắc

Hình 1.6 Cơ cấu phân loại theo màu sắc

SS4SS3

đ−ợc hai màu đỏ và màu trắng, nếu sản phẩm màu trắng thì đầu ra của cảm biến SS4 sẽ tác động lên mức logic cao 24VDC, (hình 1.7b)

Bảng 1.3 Trạng thái của các cảm biến màu

Cảm biến

Căn cứ theo bảng trạng thái của cảm biến mà hệ thống điều khiển sẽ xác nhận đ−ợc trạng thái màu sắc của sản phẩm đề từ đó cấp tín hiệu điều khiển cơ cấu đóng gói sản phẩm

Hình 1.7 Phân loại sản phẩm theo màu sắc

1.4.3 Đóng gói sản phẩm

- Cấu tạo:

Phương pháp đóng gói sản phẩm được lựa chọn là phương pháp đóng gói theo kiểu hộp Mỗi vị trí đóng hộp dành cho một sản phẩm có màu sắc được quy định trước

Cơ cấu đóng gói sản phẩm (hình 1.8a và 1.8b) gồm:

1- Cảm biến xác định vị trí đóng gói (SS5)

1 Cảm biến xác định vị trí đóng gói SS5

2- Xilanh X3 đẩy sản phẩm từ băng tải vào vị trí đóng gói

3- Công tắc từ SW4 báo vị trí của xilanh X3

4- Khay chứa sản phẩm

5- Cần gạt sản phẩm

6- Rãnh trượt

12

3

4

Hình 1.8a Cơ cấu đếm và đóng gói sản phẩm

Khi có sản phẩm đi qua rãnh trượt, cặp cảm biến thu phát SS6 nhận được tín hiệu và gửi tín hiệu về hệ thống điều khiển, hệ thống điều khiển sẽ thực hiện lệnh đếm số sản phẩm cho mỗi gói

Khi số lượng sản phẩm của một hộp chứa lớn hơn hoặc bằng số sản phẩm quy định, hệ thống điều khiển sẽ cấp tín hiệu cảnh báo thùng chứa đã đầy sản phẩm cần thay đổi hộp chứa khác

Với cấu tạo phần cứng của mô hình phân loại và đóng gói sản phẩm như vậy, ban đầu hệ thống được nhập về sử dụng phầm mềm điều khiển là các chương trình viết cho PLC Sử dụng các bộ PLC để điều khiển toàn bộ hệ thống

Trong nội dung của đề tài, tác giả nghiên cứu cấu trúc phần cứng, từ đó nghiên cứu cấu tạo, đặc tính của các linh kiện, lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch in cho mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển MCS51, thiết kế mạch lực, viết phần mềm cho vi điều khiển MCS51 Sau khi đã thiết kế xong hệ thống sẽ thi công lắp đặt để điều khiển mô hình phân loại và đóng gói sản phẩm

Chương 2: Giới thiệu một số linh kiện sử dụng

là sự tích hợp của nhiều thành phần, mỗi thành phần có chức năng riêng và

cùng được tích hợp trong một chíp

Về mặt cấu trúc của vi điều khiển được thiết kế dựa trên những nguyên tắc cấu trúc máy tính Vi điều khiển chính là một máy tính nhỏ để thực hiện một dãy các số liệu, dữ kiện của quá trình sản xuất và thường được thiết kế cùng với một số loại IC chuyên dụng để tạo ra các ứng dụng có tính chuyên dụng cao và thường được gắn ngay tại nơi sản xuất để thuận tiện cho vận hành và theo dõi

Trên thế giới vi điều khiển được sản xuất đa dạng về chủng loại do các hãng sản xuất như: Intel, Philips,

2.1.2 Lịch sử phát triển

Trong thập niên cuối thế kỷ XX, từ sự ra đời của công nghệ bán dẫn, kỹ thuật điện tử đã có sự phát triển vượt bậc Các IC chuyên dụng được tích hợp với mật độ cao và rất cao trong một diện tích nhỏ, nhờ vậy các thiết bị điện tử nhỏ hơn và nhiều chức năng hơn Các thiết bị điện tử ngày càng nhiều chức năng trong khi giá thành ngày càng rẻ hơn, chính vì vậy điện tử có mặt tại khắp mọi nơi

Bước đột phá mới trong công nghệ điện tử, công ty trẻ tuổi Intel cho ra đời

bộ vi xử lý đầu tiên Đột phá ở chỗ: “ Đó là một kết cấu logic mà có thể thay

đổi chức năng của nó bằng chương trình ngoài chứ không phát triển theo

h-ướng tạo một cấu trúc phần cứng chỉ thực hiện theo một chức năng nhất định như trước đây” ( Trích từ dòng 17 đến 19, trang 3, ‘ Kỹ thuật Vi Xử Lý và lập trình Assembly cho hệ vi xử lý’, tác giả Đỗ Xuân Tiến, nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật) Hay nói cách khác phần cứng chỉ đóng vai trò thứ yếu, phần mềm đóng vai trò chủ đạo đối với các chức năng cần thực hiện Nhờ vậy vi xử

lý có sự mềm dẻo hóa trong các chức năng của mình Ngày nay vi xử lý có tốc

độ tính toán rất cao và khả năng xử lý rất lớn

Vi xử lý có các khối chức năng cần thiết để lấy dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu ra ngoài sau khi đã xử lý Chức năng chính của vi xử lý chính là

xử lý dữ liệu, chẳng hạn như cộng, trừ, nhân, chia, so sánh.vv Vi xử lý không có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị ngoại vi, nó chỉ có khả năng nhận và xử lý dữ liệu

Để vi xử lý hoạt động cần có chương trình kèm theo, các chương trình này

điều khiển các mạch logic và từ đó vi xử lý xử lý các dữ liệu cần thiết theo các yêu cầu Chương trình là tập hợp các lệnh để xử lý dữ liệu thực hiện từng lệnh

được lưu trữ trong bộ nhớ, công việc thực hiện lệnh bao gồm: Nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã lệnh và thực hiện sau khi đã giải mã

Để thực hiện các công việc với các thiết bi cuối cùng, chẳng hạn điều khiển động cơ, hiển thị ký tự lên màn hình đòi hỏi phải kết hợp vi xử lý với các mạch điện giao tiếp với bên ngoài và được gọi là thiết bị I/O ( Nhập/ Xuất) hay còn gọi là các thiết bị ngoại vi Bản thân các vi xử lý khi đứng một mình không có hiệu quả sử dụng, nhưng khi là một thành phần của máy tính thì hiệu quả ứng dụng của vi xử lý là rất lớn Vi xử lý kết hợp với các thiết bị khác được sử dụng trong các hệ thống lớn, phức tạp đòi hỏi phải xử lý một

lượng các phép tính phức tạp và tốc độ nhanh Chẳng hạn như các hệ thống sản xuất tự động trong công nghiệp, các tổng đài điện thoại, các robot có khả năng hoạt động phức tạp

Bộ xử lý có khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tính toán, xử lý và thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích nguời dùng, rất hiệu quả đối với các bài toán lớn Tuy nhiên đối với các ứng dụng vừa và nhỏ với yêu cầu tính toán không lớn thì việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc Bởi vì

hệ thống dù lớn hay nhỏ, nếu dùng vi xử lý thì đòi hỏi các khối mạch điện giao tiếp phức tạp như nhau Các khối này bao gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và chương trình thực hiện, các mạch giao tiếp ngoại vi để nhập xuất và điều khiển Các khối này liên kết với vi xử lý thông qua đường BUS để thực hiện công việc Để thiết kế và điều khiển các khối này đòi hỏi người thiết kế phải biết tinh tường về các thành phần của bộ vi xử lý, bộ nhớ, các thiết bi ngoại vi

Hệ thống được tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không gian, mạch in phức tạp Kết quả là giá thành sản phẩm cuối cùng rất cao, không phù hợp để áp dụng cho các hệ thống vừa và nhỏ

Vì một số nhược điểm trên nên các nhà chế tạo đã tích hợp một ít bộ nhớ

và một số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất được gọi là Microcontroller – Vi điều khiển Hãng Intel đã lần lượt cho ra đời các sản phẩm như sau:

- Năm 1976 với chíp đầu tiên trong họ MCS48

- Đến năm 1980 hãng Intel cho ra đời họ MCS51 là chuẩn công nghệ cho nhiều họ vi điều khiển phát triển sau này với bộ nhớ 4KB ROM, 128 byte RAM, 32 đường nhập xuất, một cổng nối tiếp và hai bộ định thời 16 bits

- Năm 1981 đến 1986 hãng Intel lần lượt cho ra đời chíp 8052,8053,8055 với nhiều tính năng được cải tiến

Hiện nay Intel không còn cung cấp các loại vi điều khiển họ MCS51 nữa

và thay vào đó là các hãng sản xuất nh−: ATMEL, Philips, AMD, Siemens, Matra&Dllas, Semiconductors đ−ợc cấp phép làm nhà cung cấp thứ hai cho các chíp MCS51 và đ−ợc đổi tên chíp theo các hãng sản xuất nh− :

Hãng ATMEL: Cho ra đời các loại chip AT89Cxx với các thông số kỹ thuật cơ bản theo (Bảng2.1):

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của Chíp AT89Cxx

Trong quá trình sản xuất của hãng ATMEL đã cải tiến và đ−a ra dòng chíp mang số hiệu AT89Sxx với các thông số kỹ thuật cơ bản theo (Bảng 2.2):

Bảng 2.2 Thông số cơ bản của chíp AT89Sxx

Hãng Phillips: Cho ra đời các loại chip P89C51xx với các thông số kỹ thuật cơ bản theo (Bảng 2.3):

Bảng 2.3 Thông số cơ bản của chíp P89C51Rxx

RAM

Dung l−ợng XRAM

Dung l−ợng

P89C51RAx 256 bytes 256 Bytes 8 Kbytes Nối tiếp

Trong quá trình sản xuất của hãng Phillips đã cải tiến và đưa ra dòng chíp

mang số hiệu P89Vxx với các thông số kỹ thuật cơ bản theo (Bảng 2.4):

Bảng 2.4 Thông số cơ bản của chíp P89V51Rxx

Tên

chíp

Dung lượng RAM

Dung lượng

Chế độ nạp

Vi điều khiển được ứng dụng trong các dây truyền tự động vừa và nhỏ, các

robot có chức năng đơn giản, trong máy giặt, ô tô, quảng cáo v.v…

Hiện nay có rất nhiều họ vi điều khiển trên thị trường với nhiều ứng dụng

khác nhau trong đó họ MCS51 được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới và ở Việt Nam

2.1.3 Vai trò của vi điều khiển trong quá trình tự động hóa

Trong các loại hình điều khiển tự động thì vi điều khiển đóng vai trò chủ

đạo, được sử dụng rộng rãi và chiếm vị trí quan trọng nhất trong các thiết bị

điều khiển trong công nghiệp Vai trò chính của vi điều khiển trong quá trình

tự động hóa là:

- Trong quá trình hoạt động thì vi điều khiển giám sát, điều khiển trạng thái hoạt động của hệ thống qua các tín hiệu phản hồi từ các thiết bị nạp vào, sau đó sẽ dựa trên chương trình xử lý logic và toán học để xác định các công việc cần thiết và đưa đến các thiết bị đầu ra

- Vi điều khiển có thể sử dụng để điều chỉnh các quá trình đơn giản và lặp lại hoặc một vài trong số chúng có thể liên kết với các thiết bị điều khiển chủ hoặc máy chủ khác thông qua một mạng ngắn để dễ điều khiển thống nhất các quá trình phức tạp như: Chuẩn CAN, I2C, RS232, RS485,…

- Điều khiển bằng vi điều khiển giải quyết một số vấn đề:

+ Tốc độ sản xuất ra một sản phẩm của thiết bị và của dây chuyền nhanh + Giá nhân công và vật liệu làm ra sản phẩm hạ

+ Chất lượng sản phẩm cao và ít phế phẩm

+ Thời gian dừng của máy và thiết bị là tối thiểu

+ Máy sản xuất có giá thành thấp

Thực tiễn nền công nghiệp Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển nhanh Các doanh nghiệp hầu hết đều nhận thức được tầm quan trọng và vai trò tất yếu của quá trình tự động hóa dây chuyền sản xuất, từ đó có xu hướng trang bị cho mình những dây chuyền tự động phù hợp với chức năng sản xuất

mà phổ biến nhất là vi điều khiển của hãng Phillips

2.1.4 Ưu và nhược điểm của bộ vi điều khiển

+ Ưu điểm của bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển

- Vi điều khiển có khả năng tương tự như khả năng của vi xử lý, nhưng cấu trúc phần cứng dành cho người dùng đơn giản hơn

- Kết cấu mạch điện dễ dàng, đơn giản hơn nhiều và có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị bên ngoài

- Có giá thành rẻ hơn PLC, ứng dụng phổ biến không đòi hỏi tính phức tạp của phần cứng

- Nhờ khả năng điều khiển theo chương trình và khả năng bổ xung các linh kiện để cấu thành một hệ thống xử lý, điều khiển mạnh và mềm dẻo

- Thiết kế được các sản phẩm có tính chuyên dụng trong đo lường và điều khiển như: Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất, thiết bị thăm dò dầu khí và định vị,… ngoài ra còn ghép nối được với các thiết bị, hỗ trợ thiết bị và điều khiển thiết

bị điện tử công nghiệp cũng như trong dân dụng

- Kết cấu mạch nhỏ gọn, giảm kích thước định hình

- Kết nối các vi điều khiển với nhau trong hệ thống điều khiển tự động lớn

- Tiêu tốn rất ít năng lượng, điện áp sử dụng từ: 3V3 đến 5V với dòng điện tiêu tốn 100mA

+ Nhược điểm của bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển

- Thiết kế mạch điều khiển và xử lý đòi hỏi kỹ thuật viên có trình độ hiểu biết về cấu tạo linh kiện điện tử, kỹ thuật mạch điện tử, kỹ thuật xung, kỹ thuật số và kỹ năng thiết kế mạch điện tử

- Yêu cầu đội ngũ kỹ thuật viên có trình độ về tin học ứng dụng từ khá trở lên

- Bộ vi điều khiển có tốc độ xử lý giới hạn (f<40MHz)

- Số lần nạp chương trình bị giới hạn <1.000lần

Mặc dù còn có những hạn chế nhưng với những tính năng ưu việt nổi bật như vậy, nên bộ điều khiển lập trình vi điều khiển được sử dụng phổ biến rộng rãi tại các doanh nghiệp, trong các cơ sở sản xuất Đặc biệt các cơ sở đào tạo cũng như các trường đã và đang nghiên cứu ứng dụng lập trình vi điều khiển cho các thiết bị gia công, chế tạo hệ thống đóng gói và phân loại sản phẩm tự

động phục vụ đào tạo Phù hợp với điều kiện sản xuất, tài chính và nguồn nhân lực ở từng doanh nghiệp, các trường và cơ sở đào tạo

2.2 Vi điều khiển MCS51

2.2.1 Cấu tạo

Vi điều khiển về cơ bản được cấu tạo theo tổ chức Module thành phần có

thể được mô tả chi tiết theo (Hình 2.1)

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo chung của vi điều khiển họ MCS51

Với họ 8051 đời đầu hiện nay ít sử dụng mà chuyển sang các sản phẩm thế

hệ sau Cụ thể là vi điều khiển của hãng Phillips, vi điều khiển của hãng Phillips có các thông số về kỹ thuật như sau:

- Dung lượng bộ nhớ FLASH ROM: Vi điều khiển P89C51Rxx có dung lượng nhớ từ (8 đến 64) KBytes FLASH ROM Đối với vi điều khiển

P89V51RD2 có dung lượng nhớ từ (16 đến 72) KBytes FLASH ROM bên trong để lưu trữ chương trình Nhờ vậy mà vi điều khiển có thể nạp < 2.000 lần

+ Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển (Hình 2.2)

Hình 2.2 Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển

Bộ nhớ chia làm 5 khối chính tùy thuộc vào từng loại IC

* Từ Block 0 đến Block 4, trong đó Block 0 và Block 1 mỗi Block tương ứng 8 Kbyte có địa chỉ từ (0ữ4000 ) là vi điều khiển P89C51RB2

* Từ Block 0 đến Block 2: Có dung lượng 32Kbytes bộ nhớ, tương ứng với vi điều khiển P89C51RC2

* Từ Block 0 đến Block 4: Có dung lượng 64Kbytes bộ nhớ, tương ứng với

vi điều khiển P89C51RD2

* Boot ROM: Chiếm 1Kbytes có địa chỉ từ (FC00 ữ FFFF) là vùng bộ nhớ dùng để khởi động cho vi điều khiển Vùng này được nhà sản xuất thiết lập, không sử dụng vùng dữ liệu này

- Cổng giao tiếp: Có 4 cổng giao tiếp vào/ra - 8 bits, có thể hoạt động độc lập với nhau

Cổng P0 thường dùng để truyền và nhận dữ liệu vì thế các chân này

được cấu tạo dưới dạng mở để người sử dụng có thể thiết lập trở kháng tải đầu

ra nhằm phối hợp trở kháng cho BUS dữ liệu Tuy nhiên, khi thiết kế cần chú

ý dòng điện giới hạn của các chân này không vượt quá 25mA Trong chế độ giao tiếp với bộ nhớ ngoài được dùng làm các đường đánh địa chỉ byte thấp Cổng P1: Dùng để truyền và nhận dữ liệu, tuy nhiên người ta thường ít dùng vì khó phối hợp trở kháng với các mạch ngoài Do đó thường dùng để

điền khiển và thu nhận tín hiệu dưới dạng logic Mặt khác, cổng P1 còn có chức năng rất quan trọng trong qúa trình điều khiển tuyến tính (PID) cụ thể cho phép điều khiển 5 kênh điều chế độ rộng xung (PWM) Thường được dùng để điều khiển tốc độ động cơ và điều khiển phi tuyến trong chế độ sử dụng DAC

Cổng P2: Dùng để truyền và nhận dữ liệu theo hai hướng, trong chế độ giao tiếp với bộ nhớ ngoài thì cổng P2 là các đường tín hiệu địa chỉ byte cao Cổng P3: Dùng để truyền và nhận dữ liệu theo hai hướng, các chân của cổng P3 có chức năng được mô tả trong (Bảng 2.5):

Bảng 2.5 Chức năng các chân của cổng P3

Các chân có chức năng đặc biệt:

+ Chân Reset: Cổng vào Reset ở chân số 9 là cổng vào làm tươi bộ nhớ hay nói cách khác dùng để thiết lập trạng thái ban đầu cho vi điều khiển

+ Chân XTAL1 và XTAL2: Hai chân này có vị trí chân là 18 và 19 được

sử dụng để nhận nguồn xung clock từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép nối với thạch anh và các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định

+ Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN (Program store enable): Tín hiệu được xuất ra ở chân 29 dùng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài Chân này thường được nối với chân OE (output enable) của ROM ngoài Khi

vi điều khiển làm việc với bộ nhớ chương trình ngoài, chân này phát ra tín hiệu kích hoạt ở mức thấp và được kích hoạt 2 lần trong một chu kỳ máy Khi thực thi một chương trình ở ROM nội, chân này được duy trì ở mức logic không tích cực (logic 1) Khi không sử dụng không cần kết nối chân này

chức năng là Bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ở chân ALE dựng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và các đường dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt Các xung tín hiệu ALE

có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động đưa vào vi điều khiển như vậy có thể dựng tín hiệu ở ngõ ra ALE làm xung clock cung cấp cho các phần tử khác của hệ thống, khi không sử dụng có thể bỏ trống chân này

+ Chân EA: Dùng để xác định chương trình thực hiện được lấy từ ROM nội hay ROM ngoại Khi EA nối với +5V thì vi điều khiển thực hiện lấy từ bộ nhớ nội, khi EA nối với 0V thì vi điều khiển thực hiện chương trình lấy từ bộ nhớ ngoài

- Bộ định thời: Có từ 2 đến 3 bộ định thời 16 bits

- Cổng giao tiếp: Một cổng giao tiếp nối tiếp theo chuẩn RS232

- Ngắt: Có 5 ngắt, trong đó có 2 ngắt ngoài và 3 ngắt thời gian

- Điều chế độ rộng xung (PWM): Có 5 đường tín hiệu điều khiển độ rộng xung

- Cấu hình tương thích với họ 8051 của hãng Intel

- Đánh địa chỉ bộ nhớ ngoài lên đến 64Kbytes bộ nhớ

- Điện áp làm việc: 5VDC ± 5%

- Các vị trí trên RAM được định địa chỉ theo từng byte bằng các số hệ HEX

Các bank thanh ghi có địa chỉ 00H đến 1FH

210 vị trí được định địa chỉ bit

Vùng RAM thông thường

Các thanh ghi có chức năng đặc biệt có địa chỉ từ 80H đến FFH

- Các bank thanh ghi: Các bank thanh ghi có địa chỉ byte từ 00H đến 1FH,

có 8 thanh ghi trong mỗi bank, các thanh ghi được đặt tên từ R0 đến R7, các

thanh ghi này được đặt mặc định trong bank 1 Có 4 bank thanh ghi và tại mỗi thời điểm chỉ có một bank thanh ghi được truy xuất với các thanh ghi từ R0

đến R7, để thay đổi việc truy xuất các thanh ghi trên các bank thanh ghi, người ta phải thay đổi giá trị các bit chọn bank trong thanh ghi trạng thái PSW bằng các câu lệnh trong chương trình Các lệnh dựng các thanh ghi từ R0 đến R7 mất khoảng không gian lưu trữ ít hơn và thời gian thực hiện nhanh hơn so với các lệnh dựng các bộ nhớ RAM khác, ngoài ra các thanh ghi này còn có thêm một số chức năng đặc biệt khác, vì lý do này các dữ liệu sử dụng thường

được người viết chương trình đưa vào lưu trong các thanh ghi này Ngoài ra,

có thể truy xuất thanh ghi trên các bank thanh ghi như với các bộ nhớ bình thường khác

- Vùng RAM truy xuất từng bít: Trên RAM nội có 210 bộ nhớ bít được

định địa chỉ và có thể truy xuất đến từng bít, các bít nhớ này cũng được định

địa chỉ bằng các số Hex Trong đó có 128 bít nằm trong các bộ nhớ có địa chỉ byte từ 20H đến 2FH, các bit nhớ còn lại chia trong nhóm thanh ghi có chức năng đặc biệt

- Vùng RAM thông thường: Vùng RAM này có địa chỉ byte từ 30H đến 75FH dùng để lưu trữ dữ liệu, được truy xuất theo từng byte

- Các thanh ghi có chức năng đặc biệt: Các thanh ghi này được định địa chỉ byte, một số được định thêm địa chỉ bit, địa chỉ của các thanh ghi này nằm trong khoảng 80H đến FFH, các thanh ghi đặc biệt này được dùng để xác lập trạng thái hoạt động cần thiết cho vi điều khiển

- Các thanh ghi có địa chỉ 80H, 90H, A0H, B0H: Đây là các thanh ghi kiểm tra và điều khiển mức logic của các Port, có thể truy xuất và xác lập các thanh ghi này với địa chỉ byte hoặc tên riêng lần lượt là P0, P1, P2, P3 tương ứng với các cổng xuất và nhập số liệu