vi Chương 1: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN THƯỜNG SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH MÁY UỐN SẮT MINI 3D .... Chương 1: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN THƯỜNG SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH MÁY U
Trang 1ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CÔNG TRÌNH BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN
CHO MÔ HÌNH MÁY UỐN SẮT MINI 3D
Giảng viên hướng dẫn : Đinh Hải Lĩnh Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Thắng
Hà Nội – năm 2020
Trang 2MỞ ĐẦU
Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang một ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng lọat những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho họat động của con người đạt hiệu quả cao
Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công–nông-lâm-ngư nghiệp cho đến các nhu cầu cần thiết trong họat động đời sống hằng ngày
Một trong những ứng dụng rất quan trọng của công nghệ điện tử là kỹ thuật điều khiển tự động Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị tự động
Trong ngành xây dựng trước đây, việc uốn các chi tiết sản phẩm thép chủ yếu làm bằng tay, vừa tốn thời gian, vừa tốn nhiều sức lao động của người công nhân nhưng năng suất, hiệu quả mang lại là không cao
Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy uốn thép phục vụ cho nhu cầu của xã hội là rất cần thiết
Mục tiêu nghiên cứu:
Thiết kế chế tạo mạch điều khiển cho mô hình máy uốn sắt mini 3D
Đối tượng nghiên cứu:
Mạch điều khiển máy uốn sắt mini 3D
Phạm vi nghiên cứu:
Máy uốn sắt mini 3D
Phương pháp nghiên cứu:
Phân tích tổng hợp lí thuyết
Phương pháp chế tạo thực nghiệm
Kết quả dự kiến đạt được
Mạch điều khiển mô hình máy uốn sắt mini 3D
Nội dung của khóa luận:
Sinh viên thực hiện đề tài
Nguyễn Đức Thắng
Trang 3NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn)
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Chữ ký, họ tên)
Trang 4NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện)
GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
(Chữ ký, họ tên)
Trang 5MỤC LỤC
MỞ ĐẦU i
NHẬN XÉT iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ vi
Chương 1: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN THƯỜNG SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH MÁY UỐN SẮT MINI 3D 1
1.1 Giới thiệu Adruino 1
1.1.2 Khả năng của bo mạch Arduino 2
1.1.3 Các loại bo mạch Arduino 2
1.2 Giới thiệu về Drive Drv8825 3
1.3 Khái quát về IC 7805 4
1.3.1 Mạch ổn áp 5V dùng 7805 4
1.4 Giới thiệu về Servo 5
Chương 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY UỐN DÂY SẮT MINI 3D 7
2.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển 7
2.2 Nguyên lí hoạt động và sơ đồ mạch điều khiển 10
2.2.1 Nguyên lý hoạt động 10
2.2.2 Sơ đồ mạch điều khiển 11
2.3 Thiết kế mạch trên phần mềm Altium 12
2.4 Chế tạo mạch điều khiển mô hình máy uốn sắt mini 3D 18
2.4.1 Chế tạo mạch in 18
2.4.2 Hàn linh kiện vào mạch in 19
Chương 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 22
3.1 Xây dựng sơ đồ thuật toán: 22
3.2 Lập trình các chương trình điều khiển 24
Chương 4: LẮP GHÉP VÀ THỬ NGHIỆM 29
4.1 Các bước vận hành 29
Trang 64.2 Kết quả vận hành 32
KẾT LUẬN 1
PHỤ LỤC 2
(Chương trình điều khiển máy uốn dây sắt mini 3D) 2
DANH MỤC THAM KHẢO 18
Trang 7DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ
Hình 1 1 Arduino Uno 1
Hình 1 2 Bo mạch Arduino 3
Hình 1 3 Driver DRV8825 3
Hình 1 4 Sơ đồ IC7805 4
Hình 1 5 Sơ đồ mạch ổn áp 5v sử dụng IC 7805 4
Hình 1 6 Sơ đồ động cơ Servo 5
Hình 2 1 Sơ đồ khối mạch điều khiển 7
Hình 2 2 Sơ đồ mạch điều khiển máy uốn sắt mini 11
Hình 2 3 Mở file_project 12
Hình 2 4 Tạo tên cho file 12
Hình 2 5 Tạo tên cho file mạch nguyên lí 13
Hình 2 6 Tạo file mạch PCB 13
Hình 2 7 Khối vi điều khiển Hình 2 8 Khối Driver 14
Hình 2 9 Khối động cơ step 14
Hình 2 10 Kết nối dây các khối với nhau 15
Hình 2 11 Soát lỗi linh kiện 15
Hình 2 12 Sắp xếp các linh kiện PCB 15
Hình 2 13 Cài đặt kích thước lỗ 16
Hình 2 14 Cài đặt kích thước dây 16
Hình 2 15 Cài đặt mạch 2 lớp 17
Hình 2 16 Nối Mạch 17
Hình 2 17 Mạch mô phỏng trong Altium 18
Hình 2 18 Mặt trước mạch in 2 lớp 18
Hình 2 19 Mặt sau mạch in 2 lớp 19
Hình 2 20 Thao tác gắn linh kiện vào mạch 19
Hình 2 21 Thao tác hàn chân linh kiện 20
Hình 2 22 Hàn linh kiện vào mạch 20
Hình 2 23 Gắn vi điều khiển và driver vào mạch 20
Trang 8
Hình 3 1 Sơ đồ thuật toán 22
Hình 3 2 Sơ đồ thuật toán chương trình tự động hình sao 23
Hình 3 3 Chương trình chạy tự đông hình lập phương 24
Hình 4 1: Kết nối nguồn điện 29
Hình 4 2: Giao diện Arduino IDE 30
Hình 4 3: Chọn vi điều khiển 30
Hình 4 4: Chọn chip xử lí 31
Hình 4 5: Chọn Port 31
Hình 4 6: Nạp code cho vi điều khiển 32
Hình 4 7: Chọn chế độ thủ công 32
Hình 4 8: Chế độ nhập số thủ công manual mode 33
Hình 4 9: Lệnh đùn dây 33
Hình 4 10: Hình ảnh thực tế khi nhập lệnh f10 33
Hình 4 11: Lệnh xoay trục Z 33
Hình 4 12: Hình ảnh thực tế khi nhập z90 34
Hình 4 13: Lệnh bẻ cong 34
Hình 4 14:Hình ảnh thực tế khi nhập b-40 34
Hình 4 15: Sản phẩm hình lập phương khi chạy tự động 35
Trang 9Chương 1: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN THƯỜNG SỬ
DỤNG TRONG MÔ HÌNH MÁY UỐN SẮT MINI 3D
1.1 Giới thiệu Adruino
Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng
tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng
Hình 1 1 Arduino Uno
Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết
bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình
Arduino là một nền tảng mà mọi thiết bị phần cứng đều được làm sẵn và chuẩn hóa, người dùng chỉ cần chọn những thứ mình cần, ráp lại là có thể chạy được Bạn muốn làm xe điều khiển từ xa? Arduino cung cấp cho bạn module điều khiển động cơ
có sẵn mạch điều khiển có sẵn, mạch thu phát sóng không dây có sẵn
Hệ thống đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc, cường
độ ánh sáng, màu sác vật thể, lưu lượng nước phát hiện chuyển động, phát hiện kim loại,khí độc,…)
Các thiết bị hiện thị (màn hình LCD,đèn LED,…)
Các module chức năng hỗ trợ kết nối có dây với các thiết bị khác hoặc các kết nối không dây thông dụng, định vị GPS, nhắn tin SMS
Trang 101.1.1 Phần cứng của Arduino
Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield Vafai shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khác nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Arduino tương thích Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16MHz mặc dù một vài thiets kế như lilypad chạy tại 8MHz và bỏ qua bộ điều khiển chỉnh điện áp onboard do hạn chế và kích cỡ thiết bị Một vi điều khiển Arduino
1.1.2 Khả năng của bo mạch Arduino
Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8 bit mega AVR của Atmel với hai chip phổ biến nhất là Atmega328 và Atmega2560 Các dòng vi xử lý này cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với các loại bộ nhớ ROM, RAMva Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuốt tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI
1.1.3 Các loại bo mạch Arduino
Về mặt chức năng, các bo mach Arduino được chia thành hai loại: loại bo mạch chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính Các bo mạch chính về cơ bản là giống nhau về chức năng tuy nhiên về mặt cấu hình như số lương I/O dung lượng bộ nhớ hay kích thước có sự khác nhau Một số bo có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth
Các bo mở rộng chủ yếu mở rộng thêm một số tính năng cho bo mạch chính ví
dụ như tính năng kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ
Trang 11Hình 1 2 Bo mạch Arduino
1.2 Giới thiệu về Drive Drv8825
Hình 1 3 Driver DRV8825
Driver động cơ bước DRV8825 với đầy đủ các tính năng của môt driver chuyên nghiệp: điều chỉnh dòng giới hạn, vi bước ( 1/32 bước), bảo vệ quá dòng, quá nhiệt, v.v
Driver DRV8825 hoạt động ở dải điện áp cao từ 8.2V đến 45V và có thể đạt được xấp xỉ 1,8A trên mỗi pha mà không cần tản nhiệt Driver có có các chân ra và bề mặt gần như đồng nhất với module A4988 vì vậy nó có thể dùng thay thế cho board đó trong nhiều ứng dụng khác nhau
Thông số kỹ thuật:
Điện áp cung cấp: 8.2~45VDC
Dòng trung bình (RMS) : 1.5A , dòng đỉnh ( Peak) lên đến 2.5A
Trang 126 độ phân giải bước khác nhau: full, half step, 1/4 step, 1/8 step, 1/16 step, 1/32 step Điện áp điều khiển : 3.3V và 5V
Tự động ngắt khi quá nhiệt, quá dòng
Bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ quá tải
1.3 Khái quát về IC 7805
Là loại IC cung cấp điện áp ngõ ra với giá trị ổn định mặc dù trong lúc đó điện áp ngõ vào IC thay đổi liên tục và thiếu sự ổn định IC 7805 chỉ là một trong rất nhiều loại IC ổn áp khác nhưng khả năng ổn áp cao IC 7805 được phân loại là một loại IC
điều chế điện áp DC dương vì ngõ ra của IC này luôn có
mức điện áp dương so với mức điện áp nối mass (GND) 7805 được thiết kế bao gồm:
Hình 1 4 Sơ đồ IC7805
Chân thứ nhất là để cấp điện áp DC đầu vào, chân thứ 2 là chân để đấu với mass (chân GND), chân thứ 3 là chân ngõ ra điện áp ổn áp, IC 7825 có điện áp ra là 5V
1.3.1 Mạch ổn áp 5V dùng 7805
Hình 1 5 Sơ đồ mạch ổn áp 5v sử dụng IC 7805
Trang 13Cấp điện áp đầu vào qua J2 (tương ứng theo các chân âm dương) và điện áp 5V
ở ngõ ra sẽ được lấy qua chân J1 Tụ C1 và C2 để lọc điện áp đầu vào cấp cho chân Vi của IC 7805, tụ C1 có các dụng cung cấp điện áp tạm thời cho chân Vi khi nguồn đột ngột bị sụt áp, tụ C2 là tụ gốm nên trở kháng lớn, C2 có tác dụng ngăn nguồn đầu vào tăng áp đột ngột Tụ C3 và C4 để lọc điện áp cấp cho tải tiêu thụ lấy từ chân Vo của IC
7805, tụ C3 có các dụng cung cấp điện áp tạm thời cho tải khi điện áp tải đột ngột bị sụt áp, tụ C4 trở kháng lớn, C4 có tác dụng lọc nhiễu điện áp đầu ra
1.4 Giới thiệu về Servo
Một số loại servo phổ biến có hỗ trợ điều khiển vị trí Thông thường, các cơ cấu servo có thể là điện, thủy lực hoặc khí nén Chúng hoạt động trên nguyên lý phản hồi
âm, trong đó đầu vào điều khiển được so sánh với vị trí thực tế của hệ thống cơ khí được đo lường bằng một số loại cảm biến tại đầu ra Sự sai lệch của tín hiệu giữa giá trị thực tế và giá trị đặt được khuếch đại, chuyển đồi được dùng để điều khiển hệ thống theo hướng cần thiết để giảm hoặc loại bỏ sai số Quá trình này là một trong những ứng dụng được sử dụng rộng rãi của lý thuyết điều khiển Các servo điển hình có thể cung cấp một đầu ra là chuyển động tròn (góc quay) hoặc đầu ra chuyển động thẳng Động cơ Servo là một bộ phận của hệ thống điều khiển chuyển động của máy móc Một trong các bộ phận không thể thiếu giúp Động cơ Servo có thể hoạt động đó chính là Driver servo Tương tự như driver của máy tính
Hình 1 6 Sơ đồ động cơ Servo
Trong công nghiệp động cơ servo là loại cảm biến phản hồi vị trí, thường là một bộ code hóa có độ chính xác cao, trong khi trong các động cơ RC hoặc nhỏ hơn, cảm biến vị trí thường là một chiết áp đơn giản Vị trí thực tế được tìm thấy bởi các thiết bị này được đưa trở lại bộ phát hiện lỗi nơi nó được so sánh với vị trí đích Sau
đó, theo lỗi, bộ điều khiển sửa vị trí thực tế của động cơ để khớp với vị trí đích
Trang 14Động cơ thường dùng là bộ truyền động kích thước nhỏ được sử dụng để điều khiển xe ô tô, thuyền, máy bay, v.v Chúng cũng được sử dụng bởi các sinh viên kỹ thuật để chế tạo robot, tạo ra cánh tay robot, robot lấy cảm hứng sinh học, robot hình người, v.v
Trang 15Chương 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY
UỐN DÂY SẮT MINI 3D
2.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển
Sơ đồ mạch gồm 3 khối là khối nguồn, khối điều khiển, và khối thực thi
Khối nguồn bao gồm : nguồn tổ ong 12V dùng để cấp nguồn cho khối điều khiển, IC ổn áp LM 7805 để hạ áp 12V xuống 5V để cấp cho động cơ Servo
Khối điều khiển bao gồm : Vi điều khiển Arduino Nano và 3 DRV 8825 có tác dụng điều khiển chuyền tín hiệu đến khối thực thi
Khối thực thi gồm : 1 động cơ Servo, 1 công tắc hành trình và 3 động cơ bước step
Hình 2 1 Sơ đồ khối mạch điều khiển
2.1.1 Các linh kiện dùng trong mạch điều khiển
Dựa vào thông số kĩ thuật và thông qua tìm hiểu các thiết bị trên mạng, em đã chọn các thiết bị dưới đây vì giá thành phù hợp, hợp lí Và đã được biết một vài thiết
bị qua chương trình học
Trang 16Các linh kiện dùng trong mạch điều khiển được liệt kê và mô tả như trong bảng
Lực kéo:
3.5 kg-cm (180.5 ozin) ở 1.5A
IC ổn áp
LM7805
Điện áp vào lớn nhất: 20V Điện áp vào nhỏ nhất: 7V Kiểu đóng vỏ: TO-220 Dòng đầu ra: 1.5A Điện áp ổn định: 5V
Công tắc
hành trình
OMRON
Dòng điện tối đa: 15A
- Công suất AC: 15A / 125 - 250VAC
- Công suất DC: 0.6A/125VDC - 0.3A/250VDC
Trang 17Số chân Digital I/O: 22
Vi điều khiển: Atmega328p Điện áp hoạt động: 5v Kích thước bo mạnh: 18 x 45 mm
Điện áp điều khiển: 3.3V và 5V Bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ quá tải
Dòng chịu tải: 1.5A Momen xoắn: 0.55Nm Góc mỗi bước 1.8 độ
Trang 18Kích thước: 198 x 98 x 42mm
Điện Trở
1K
Model: 1K Ohm - 1/4W Nhiệt độ hoạt động: -55oC –
155oC Linh kiện xuyên lỗ: 0.5mm Loại: Điện trở cố định Sai số: 5%
2.2 Nguyên lí hoạt động và sơ đồ mạch điều khiển
2.2.1 Nguyên lý hoạt động
Để cung cấp nguồn cho toàn mạch ta sử dụng nguồn vào 12V lấy từ nguồn tổ ong Vi điều khiển được cấp nguồn 12V thông qua 2 chân Vin, GND và 3 driver DRV8825 cũng được cấp nguồn 12V từ nguồn tổ ong Động cơ Servo được cấp nguồn điện áp 5v từ bộ ổn áp LM7805 Dây tín hiệu của Servo được kết nối với chân D2 của
vi điều khiển Công tắc hành trình được kết nối với chân D11 để truyền trạng thái đóng ngắt cho vi điều khiển 3 Drvier DRV8825 được cấp nguồi 12v trược tiếp từ nguồn tổ ong và 2 chân kết nối với vi điều khiển dir, step lần lượt là D10, D9, D8, D7, D6, D5
3 động cơ bước được kết nối với 3 Driver DRV8825 qua 4 chân 1A 1B 2A 2B Khi step bender quay chạm công tác hành trình Công tác hành trình chuyển trạng thái cấp xung cho vi điều khiển Vi điều khiển sẽ điều khiển steep bender quay ngược 1300 bước so với công tác hành trình, điểm này được đặt làm gốc của máy Để điều khiển 2 động cơ bước còn lại ta cần nhập thông số vào màn hình nối tiếp của phần mềm Arduino
Trang 192.2.2 Sơ đồ mạch điều khiển
Sơ đồ mạch điều khiển được thiết kế như hình 2.2
Hình 2 2 Sơ đồ mạch điều khiển máy uốn sắt mini
Trang 202.3 Thiết kế mạch trên phần mềm Altium
Các bước vẽ mạch điều khiển trên Alitium
Bước 1: mở file_project
Hình 2 3 Mở file_project
Bước 2: Tạo tên cho file
Hình 2 4 Tạo tên cho file
Trang 21Bước 3: Tạo file mạch nguyên lí
Hình 2 5 Tạo tên cho file mạch nguyên lí
Bước 4: Tạo file mạch PCB
Hình 2 6 Tạo file mạch PCB
Trang 22Hình 2 7 Khối vi điều khiển Hình 2 8 Khối Driver
Hình 2 9 Khối động cơ step
Trang 23Bước 5: Kết nối dây các khối với nhau
Hình 2 10 Kết nối dây các khối với nhau
Bước 6: Kiểm tra các thiết bị mạch
Hình 2 11 Soát lỗi linh kiện
Bước 7: Sắp xếp linh kiện PCB
Trang 24Bước 8: Cài đặt kích thước lỗ
Hình 2 13 Cài đặt kích thước lỗ
Bước 9: Cài đặt kích thước dây
Hình 2 14 Cài đặt kích thước dây
Bước 10: Cài đặt mạch 2 lớp
Trang 25Hình 2 15 Cài đặt mạch 2 lớp
Bước 11: Nối mạch
Hình 2 16 Nối Mạch
Trang 26Bước 12: Mạch mô phỏng trong altium
Hình 2 17 Mạch mô phỏng trong Altium
2.4 Chế tạo mạch điều khiển mô hình máy uốn sắt mini 3D
Trang 27Hình 2 19 Mặt sau mạch in 2 lớp
2.4.2 Hàn linh kiện vào mạch in
Những linh kiện gồm 5 tụ 100uF/25V,IC ổn áp 7805,2 trở 1k, jump nguồn và một số linh kiện khác
Hình 2 20 Thao tác gắn linh kiện vào mạch
Trang 28Hình 2 21 Thao tác hàn chân linh kiện
Hình 2 22 Hàn linh kiện vào mạch
Gắn vi điều khiển và driver vào mạch
Hình 2 23 Gắn vi điều khiển và driver vào mạch
Trang 29Hình 2 24 Kết nối dây điện
Trang 30Chương 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 3.1 Xây dựng sơ đồ thuật toán:
Thuật toán là phần quan trọng giúp xây dựng chương trình phần mềm trên vi điều khiển và trên máy tính
Hình 3 1 Sơ đồ thuật toán