Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin. Do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Xuất phát từ những bài học thực tập trên lớp và tham quan các doanh nghiệp sản xuất, chúng em đã được thấy nhiều khâu được tự động hóa trong quá trình sản xuất. Một trong những khâu đơn giản trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sản phẩm làm ra được đếm một cách tự động.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
BÀI TẬP LỚN PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
“Phân tích và thiết kế mạch đếm sản
phẩm”
Giảng viên hướng dẫn: ThS Tống Văn Luyên
Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 2
1 Nguyễn Mạnh Toản
2 Trần Văn Thụy
Hà Nội, 2020
Trang 2NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
1 Họ và tên sinh viên: MSV:
2 Tên đề tài:
3 Tổng quát về thuyết minh:
Số trang: số chương số sản phẩm:
Số hình ảnh: số bảng số liệu: số TLTK:
4 Những nội dung chính đã thực hiện được so với yêu cầu của nhiệm vụ đề ra:
5 Những ưu điểm chính
6 Những điểm hạn chế cần khắc phục:
7 Đánh giá chung:
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ………
Trang 3
-LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử màtrong đó là kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật,quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin Do đó chúng ta phải nắm bắt vàvận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹthuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng
Xuất phát từ những bài học thực tập trên lớp và tham quan các doanh nghiệp sản xuất,chúng em đã được thấy nhiều khâu được tự động hóa trong quá trình sản xuất Một trongnhững khâu đơn giản trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sản phẩmlàm ra được đếm một cách tự động
Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chưađược áp dụng trong những khâu đếm sản phẩm, đóng bao bì mà vẫn còn sử dụng nhâncông
Từ những điều đã được thấy và khả năng của chúng em, chúng em muốn làm một điều
gì nhỏ để góp phần vào giúp người lao động bớt phần mệt nhọc chân tay mà cho phéptăng hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời đảm bảo được độ chính xác Nênchúng em quyết định thiết kế một mạch đếm sản phẩm vì nó rất gần gũi với thực tế Đểlàm được mạch này cần thiết kế được hai phần chính là: bộ phận cảm biến và bộ phậnđếm
Bộ phận cảm biến: bộ cảm biến phát và bộ cảm biến thu Thông thường người ta sửdụng phần phát là LED hồng ngoại để phát ra ánh sáng hồng ngoại mục đích để chốngnhiễu so với các loại ánh sáng khác, còn phần thu là transistor quang để thu ánh sánghồng ngoại
Bộ phận đếm có nhiều phương pháp thực thi đó là:
- Lắp mạch dùng kỹ thuật số với các IC đếm, chốt, so sánh ghép lại
- Lắp mạch dùng kỹ thuật vi xử lý
- Lắp mạch dùng kỹ thuật vi điều khiển
Trang 4Mục Lục
Trang
LỜI NÓI ĐẦU 3
Mục Lục 4
DANH MỤC HÌNH 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU 5
LỜI CẢM ƠN 6
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 7
1.Đặt vấn đề, lý do chọn đề tài 7
2.Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài 8
3.Tính cấp thiết của đề tài 8
4.Mục tiêu nghiên cứu 8
5.Đối tượng – phạm vi nghiên cứu 9
6.Phương pháp nguyên cứu 9
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10
1.1 Nội dung nghiên cứu 10
1.1.1 Tổng quan về họ vi điều khiển 8051 10
1.1.2 IC ổn áp LM7805 14
1.1.3 Cảm biến hồng ngoại 15
1.1.4 LED 7 đoạn Anode chung 16
1.1.5 Một số linh kiện khác 18
1.2 Các phần mềm sử dụng 20
1.2.1 Phần mềm Proteus 20
1.2.2 Phần mềm lập trình – Keil C 20
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM MẠCH ĐẾM SẢN PHẨM 21
2.1 Nguyên lý hoạt động và sơ đồ khối chức năng 21
2.1.1 Nguyên lý hoạt động 21
2.1.2 Sơ đồ khối 21
2.1.3 Lưu đồ giải thuật 22
2.2 Mô phỏng khối vi điều khiển AT89S52 và hiển thị LED 7 đoạn 22
2.3 Mô phỏng khối nguồn 23
2.4 Mạch mô phỏng hoàn chỉnh 24
2.5 Thi công mạch thật 25
2.6 Chương trình nạp cho vi điều khiển 26
2.7 Thực Nghiệm 27
2.7.1 Sơ đồ nguyên lý mạch dùng phần mềm Proteus 27
2.7.2 Kết quả thực hiện đếm sản phẩm trên mạch thực tế 27
2.7.3 Hoàn thiện mô hình bang chuyền mini 28
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 29
Kết luận 29
Kiến nghị - Hướng phát triển 29
TÀI LIỆU THAM KHẢO 30
BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC 30
Trang 5DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Sơ đồ chân vi điều khiển AT89S52 10
Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển AT89S52 14
Hình 1.3: IC ổn áp LM7805 14
Hình 1.4: Mắt thu và mắt phát hồng ngoại 15
Hình 1.5: Hình dạng và cấu tạo LED 7 ddaonj Anode chung 16
Hình 1.6: Hình dạng LED 7 đoạn 17
Hình 1.7: Hình dạng và sơ đồ chân IC CD4093 18
Hình 1.8 :Hình dáng các loại tụ điện gốm- tụ hóa 19
Hình 1.9: Ký hiệu và cấu tạo Transistor 19
Hình 1.10: Ký hiệu và hình dáng điện trở 19
Hình 2.1: Sơ đồ mạch thiết kế 21
Hình 2.2: Lưu đồ giải thuật 22
Hình 2.3: Sơ đồ mạch khối vi điều khiển và hiển thị 22
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lí mạch nguồn 5VDC 23
Hình 2.5: Sơ đồ mạch đếm sản phẩm trên proteus 24
Hình 2.6: Mạch in PCB 24
Hình 2.7: Mô hình mạch đếm hoàn chỉnh 25
Hình 2.8: Chương trình nạp cho vi điều khiển 26
Hình 2.9: Sơ đồ mô phỏng mạch chạy trên Proteus 27
Hình 2.10: Kết quả đếm sản phẩm trên mạch thực tế 27
Hình 2.11: Mô hình bang chuyền mini đã hoàn thiện……… …28
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Các chức năng đặc biệt của port 3……… 11
Bảng 2: Nội dung các thanh ghi sau khi vi điều khiển bị reset………13
Bảng 3: Bảng mã hiển thị LED 7 đoạn Anode chung……… 16
Trang 6Bảng 4: Bảng phân chia công việc……… 30
LỜI CẢM ƠN
Để thực hiện Bài tập lớn này không thể không kể đến những sự hỗ trợ của giađình, thầy cô và bạn bè Trước tiên em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới giảng viênhướng dẫn Tống Văn Luyên – thầy trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho nhóm em Sựgiúp đỡ ủng hộ đó chính là nguồn động lực to lớn giúp em hoàn thành Bài tập lớn này.Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!
Trang 7TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1 Đặt vấn đề, lý do chọn đề tài
Trong kỷ nguyên công nghệ hiện nay, sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kỹthuật, các mô hình đếm sản phẩm, băng truyền đếm sản phẩm ra đời dựa vào công nghệchế tạo vi mạch và lập trình nhúng cho vi điều khiển Vi điều khiển tích hợp nhỏ gọn,giá thành thấp, tính linh động cao, tiết kiệm nguồn năng lượng
Hiện nay, ở Việt Nam và thế giới có rất nhiều loại mô hình đếm sản phẩm, băngtruyền đếm sản phẩm đã được thiết kế thi công giúp con người giảm chi phí nhân công,quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin Mô hình đếm sản phẩm tự động,giúp bớt được nhiều sức lao động và thời gian, giúp tăng hiệu suất lao động, đồng thờiđảm bảo độ chính xác
Ngày nay, các vi điều khiển đã có một bước phát triển mạnh với mật độ tích hợp cao,khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ năng lượng ít và giá thành thấp Khi được nạp phần mềmnhúng, các vi điều khiển này sẽ hoạt động độc lập theo ứng dụng cụ thể
Xuất phát từ những bài học thực tập trên lớp và tham quan các doanh nghiệp sảnxuất, chúng em đã được thấy nhiều khâu được tự động hóa trong quá trình sản xuất Mộttrong những khâu đơn giản trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sảnphẩm làm ra được đếm một cách tự động
Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chưađược áp dụng trong những khâu đếm sản phẩm, đóng bao bì mà vẫn còn sử dụng nhâncông
Từ những điều đã được thấy và khả năng của chúng em, chúng em muốn làm một điều
gì nhỏ để góp phần vào giúp người lao động bớt phần mệt nhọc chân tay mà cho phéptăng hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời đảm bảo được độ chính xác Nênchúng em quyết định thiết kế mô hình mạch đếm sản phẩm vì nó rất gần gũi với thực tế
Để làm được mô hình mạch này cần thiết kế được năm phần chính là: module cảm biếnhồng ngoại, module hiển thị LED 7 đoạn, module nguồn cung cấp, module băng truyền
và module vi điều khiển AT89S52
Trang 8Từ những ý tưởng thiết kế trên, nhóm chúng em chọn đề tài nghiên cứu “THIẾT KẾ
MẠCH ĐẾM SẢN PHẨM DÙNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI” với mong muốn đề tài
có thể ứng dụng tốt trong cuộc sống thực tế
Chính vì thế ý tưởng tìm hiểu và nghiên cứu mô hình đếm sản phẩm ra đời nhằm để:
Ứng dụng thực tiễn được những kiến thức đã học ở trường
Tìm hiểu cách thức hoạt động của các module trong mô hình đếm sản phẩm
Nghiên cứu phát triển đưa vào thực tế
Phát triển thêm những kiến thức còn hạn hẹp của bản thân
2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài
Hiện nay, trong và ngoài nước đã phát triển và thương mại hóa các mô hình đếm sảnphẩm, máy đếm tiền, máy đếm số lượng xe ra vào cung cấp cho doanh nghiệp cónguyên dây chuyền sản xuất tự động hóa hoàn toàn
3 Tính cấp thiết của đề tài
Tính khoa học: Hiện tại các mô hình đếm sản đã được thương mại hóa ra thị trường
ưa chuộng Nhóm chúng em tìm hiểu và nghiên cứu nguyên lý hoạt động của từngmodule mô hình mạch đếm sản phẩm, mô hình hóa mạch đếm sản phẩm và đi đến khắcphục một số lỗi còn mắc phải Từ đó phát triển mô hình mạch đếm sản phẩm, thươngmại hóa mô hình mạch đếm sản phẩm và ứng dụng mô hình trong thực tế
Tính kinh tế: Mô hình mạch đếm sản phẩm giúp doang nghiệp, cơ quan xí nghiệpgiảm chi phí nhân công, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin
4 Mục tiêu nghiên cứu
- Tối ưu hóa mô hình mạch đếm sản phẩm độ chính xác cao.
- Giảm chi phí công nhân cho doanh nghiệp, mô hình mạch đếm sản phẩm hoàn toàn
tự động hóa, quản lý, cung cấp thông tin theo yêu cầu
- Nâng cao kiến thức bản thân.
- Thực nghiệm các kiến thức đã học được ở trường.
Trang 95 Đối tượng – phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mạch đếm sản phẩm gồm các module nguồn,
module cảm biến hồng ngoại, module hiển thị LED 7 đoạn, module xử lý vi điềukhiển AT89S52, module băng truyền
- Phạm vi nghiên cứu: Đếm số lượng sản phẩm đi qua băng truyền và hiển thị số sản
phẩm LED 7 đoạn bằng phương pháp chốt
6 Phương pháp nguyên cứu
- Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết của đề tài.
- Đọc hiểu một số tài liệu liên quan đến đề tài.
- Thảo luận nhóm để thống nhất ý kiến.
- Thiết kế mô hình phần cứng.
- Thiết kế phần mềm.
- Tham khảo ý kiến chuyên gia.
- Thực nghiệm và kiểm chứng đối tượng.
- Báo cáo và nghiệm thu đề tài.
Trang 10CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Nội dung nghiên cứu
1.1.1 Tổng quan về họ vi điều khiển 8051
Vi điều khiển là một IC lập trình, vì vậy Vi điều khiển cần được lập trình trước khi
sử dụng Mỗi phần cứng nhất định phải có chương trình phù hợp kèm theo, do đótrước khi viết chương trình đòi hỏi người viết phải nắm bắt được cấu tạo phầncứng và các yêu cầu mạch điện cần thực hiện
Cấu trúc phần cứng vi điều khiển AT89S52
- Interrupt Control: Tín hiệu điều khiển ngắt
- CPU (Control processor Unit): Đơn vị xử lý trung tâm
- Xtal: Mạch tạo dao động nội kết hợp với tụ thạch anh bên ngoài để tạo dao động
- Bus Control: Các đường tín hiệu điều khiển
- Other Register: Các thanh ghi khác (thanh ghi vùng Ram đa dụng và thanh ghi đặcbiệt)
- I/O port: 4 port xuất nhập (P0, P1, P2, P3)
- Timer/Counter: Các bộ định thời/bộ đếm
- Serial Port: Port nối tiếp truyền nhận UART
- RAM (Random Acess Memory): Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dùng để lưu dữ liệu256byte
- ROM (Read Only Memory): Bộ nhớ chỉ đọc dạng FLASH ROM được tích hợpdùng để lưu chương trình 8 Kbyte
Hình 1.1: Sơ đồ chân vi điều khiển AT89S521
Trang 11Chức năng hoạt động các port
Port0:
- Chức năng port0 được dùng làm các đường điều khiển I/O (Input- Output)
- Bộ nhớ mở rộng bên ngoài thì port0 có chức năng là bus địa chỉ và bus dữ liệu AD7 ÷AD0
Port1:
- Có chức năng là các đường điều khiển I/O
- Chân P1.0 và P1.1 phục vụ cho Timer T2
- Chân P1.5, P1.6, P1.7 có chức năng nạp dữ liệu nối tiếp cho bộ nhớ chương trình nằmbên trong vi điều khiển
Port2:
- Chức năng port2 được dùng làm các đường điều khiển I/O
- Bộ nhớ mở rộng bên ngoài thì port2 có chức năng là bus địa chỉ cao A8÷A15
Port3:
- Có chức năng là các đường điều khiển I/O
- Các chức năng khác của port3
Bảng 1: Các chức năng đặc biệt của port 3
P3.0 RxD Ngõ vào nhận dữ liệu UARTP3.1 TxD Ngõ xuất dữ liệu UARTP3.2 INT0 Ngõ vào ngắt ngoài thứ 0P3.3 INT1 Ngõ vào ngắt ngoài thứ 1P3.4 T0 Ngõ vào nhận xung đếm Timer/Counter 0P3.5 T1 Ngõ vào nhận xung đếm Timer/Counter 1P3.6 WR Tín hiệu điều khiển ghi dữ liệu
P3.7 RD Tín hiệu điều khiển đọc dữ liệu
Các ngõ tín hiệu điều khiển
Ngõ tín hiệu P ENS (Program store enable)
P ENS là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mởrộng, thường được nối đến chân OE(output enable hoặc RD) của EPROM cho phépđọc các byte mã lệnh
Trang 12P ENS ở mức thấp trong thời gian AT8S952 lấy lệnh Các mã lệnh của chương trìnhđược đọc từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh bên trongAT89S52 để giải mã lệnh Khi AT89S52 thi hành chương trình trong ROM nội P ENS
sẽ ở mức logic 1
Ngõ tín hiệu điều khiển ALE (Address Latch Enable )
Khi AT89S52 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, port 0 có chức năng là bus địa chỉ và bus dữliệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ra ALE ở chân thứ 30 dùnglàm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kết nối chúngvới IC chốt
Tín hiệu ra ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vai trò là địachỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động
Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1
6 lần tần số dao động trên chip và có thể đượcdùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống Chân ALE được dùng làmngõ vào xung lập trình cho EPROM trong AT89S52
Ngõ tín hiệu EA(External Access)
Tín hiệu vào EA ở chân 31 nối nguồn 5 VDC (mức 1) hoặc nối GND (mức 0) Nếu
EA = 1, AT89S52 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp 4Kbyte Nếu EA = 0, AT89S52 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng
Chân EA được lấy làm chân cấp nguồn V ppkhi nạp chương trình cho FLASH ROMtrong AT89S52
Ngõ tín hiệu RST (Reset)
Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset của AT89S52 Khi ngõ vào tín hiệu này đưalên cao ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thíchhợp để khởi động hệ thống Khi cấp điện mạch tự động Reset
Bảng 2: Nội dung các thanh ghi sau khi vi điều khiển bị rest
Trang 13Các ngõ vào bộ dao động X1, X2
được tíchhợp bên trong AT89S52, khi sử dụng AT89S52 người thiết kế chỉ cần kết nối thêmthạch anh và các tụ như hình vẽ trong sơ đồ Tần số thạch anh đuợc sử dụng choAT89S52 trong phạm vi nhỏ hơn 24Mhz, thường là 12Mhz
Thanh ghi trạng thái PSW 00 H
Thanh ghi con trỏ SP 07 H
Trang 14Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển AT89S52
- RAM trong 8051 được phân chia như sau:
- Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1FH
- RAM địa chỉ hoá từng bít có địa chỉ từ 20H đến 2FH
- RAM đa dụng từ 30H đến 7FH
- Các thanh ghi chức năng đặc biệt từ 80H ñến FFH
1.1.2 IC ổn áp LM7805
Điện áp đầu vào (Input): 9VDC
Điện áp đầu ra (Output): 5 VDC
Chân số 1 là chân ngõ vào (Input), chân số 2 là chân mass (GND), chân số 3 làchân ngõ ra (Output)
Ngõ ra output luôn ổn định ở 5VDC dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi
Hình 1.3: IC ổn áp LM7805
Trang 151.1.3 Cảm biến hồng ngoại
Khái niệm về tia hồng ngoại
Ánh sáng hồng ngoại là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường, có
bước sóng khoảng λ = 0.80µm → 0.94µm, tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận
tốc ánh sáng
Tia hồng ngoại dễ bị hấp thu, khả năng xuyên thấu kém Trong điều khiển từ xa,chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng Do đó khi thu phải đúng hướng
Ứng dụng của tia hồng ngoại trong điện tử
Hồng ngoại được ứng dụng rộng rãi vì dễ tạo ra và không chịu các ảnh hưởng điện
từ Vì vậy, được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực liên lạc và điều khiển Tuy nhiên, nóchưa thật sự là một giải pháp hoàn hảo cho thông tin liên lạc vì bị ảnh hưởng bởi nhữngnguồn phát tia hồng ngoại khác như: ánh sáng mặt trời, những vật bức xạ nhiệt
Truyền và thu tín hiệu hồng ngoại
Để thuận lợi cho việc ứng dụng tia hồng ngoại trong lĩnh vực liên lạc và điềukhiển, tránh các tín hiệu nhiễu, ta phải mã hóa tín hiệu hồng ngoại khi phát để chỉ ra chophía thu đâu là tín hiệu cần thu, đâu là nhiễu môi trường xung quanh
Để mã hóa tín hiệu hồng ngoại, thông thường người ta sẽ chèn thêm tín hiệu xungvuông tần số từ 30 – 60kHz vào tín hiệu hồng ngoại, sử dụng phổ biến nhất khoảng36kHz
Khi đó, Module thu chỉ tiếp nhận các tần số trong khoảng này và lọc bỏ các tần sốkhác Sau đó đua vào giải mã để có được tín hiệu mong muốn
Giao tiếp giữa mắt phát và mắt thu hồng ngoại
Hình 1.4: Mắt thu và mắt phát hồng ngoại