Nghiên cứu thiết kế, thể tạo thử nghiệp mô hình robot ứng dựng trong vận chuyển, bốc xếp hóa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIÊP VIỆT NAM
KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CƠNG TRÌNH
BỘ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA
-------------------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, THỂ TẠO THỬ NGHIỆP MƠ HÌNH
ROBOT ỨNG DỰNG TRONG VẬN CHUYỂN, BỐC XẾP HÓA

Giáo viên hướng dẫn

: Ths. Lê Minh Đức

Sinh viên thực hiện

: Phạm Hữu Tình

Mã sinh viên

: 1851080299

Lớp

: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử

Khóa

: K63

Hà Nội - 2022

LỜI NĨI ĐẦU
Trong mơi trường Cơng nghiệp hóa – Hiện đại hóa của Đất nước. Có rất nhiều
xưởng sản xuất và nhà máy ở khắp nơi trên cả nước. Có rất nhiều trong số đó được
ứng dụng và trang bị những cơng nghệ hiện đại trong q trình sản xuất. Mọi ngành
công nghiệp đều cần phải đảm bảo đủ những tiêu chuẩn của ngành sản xuất và quan
trọng là tính: “Chính xác”, “Nhanh ngọn”, “Tự động” đó là 3 yếu tố cần thiết nhất
của một hệ thống phân loại sản phẩm hiện đại. Nhờ đó mà năng suất và chất lượng
lao động ngày càng được cải thiện và tiệm cận sự hồn hảo. Chính vì vậy tủ điện là
một thiết bị điện tử không thể thiếu trong bất kỳ một cơng ty, nhà xưởng nào bởi đó
là đầu não trung tâm cung cấp, điều khiển hệ thống điện cho các thiết bị trong trạm,
xưởng... Mỗi một loại tủ điện sẽ có một vai trị khác nhau trong cuộc sống.
Xuất phát từ những l ý do trên, em thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp:
“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, THỂ TẠO THỬ NGHIỆP MƠ HÌNH ROBOT ỨNG
DỰNG TRONG VẬN CHUYỂN, BỐC XẾP HĨA.”.
Khóa luận tốt nghiệp của em gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về Robot trong sản xuất.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3: Thiết kế lắp ráp mơ hình.
Chương 4: Vận hành thử nghiệm mơ hình.
Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy
giáo ThS.Lê Minh Đức và anh Phạm Hồng Dương công ty Điện tử Anh Việt, em đã
hồn thành khóa luận đúng thời hạn. Do thời gian làm đồ án có hạn và trình độ cịn
nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự
đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như là của các bạn sinh viên để bài khóa luận
này hồn thiện hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS.Lê Minh Đức, các thầy cô giáo trong
bộ môn kỹ thuật điện và tự động hóa Trường Đại Học Lâm Nghiệp Việt Nam đã tạo
điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp.

Hà nội, tháng 08 năm 2022
Sinh viên thực hiện

Phạm Hữu Tình

i


NHẬN XÉT
(Của giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên: ………………………………………………………………….
Mã sinh viên: ….……………………………………………………………………...
Lớp: ...………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………...
Kết luận: Đồng ý/Không đồng ý cho sinh viên…………nộp báo cáo khóa luận
tốt nghiệp.
Hà Nội, ngày……. tháng…… năm……
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Chữ ký, Họ tên)

ii


NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên: ………………………………………………………………...
Mã sinh viên: ….……………………………………………………………………...
Lớp: ...………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
(Chữ ký, họ tên)

iii


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................... i
MỤC LỤC ........................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................... vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TRONG SẢN XUẤT. .................. 1
1.1. Giới thiệu chung về Robot. ........................................................................ 1
1.2. Phân loại Robot......................................................................................... 2
1.3. Ứng dụng Robot trong vận chuyển hàng hóa. ........................................ 2
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT ................................................................... 2
2.1. Thu phát sóng RF (Radio Frequency). ....................................................... 3
2.2. Cơ chế hoạt động của dây chuyền sản xuất sử dụng PLC. ........................ 6
2.2.1. Bộ vi điều khiển, bộ vi xử lý, bộ xử lý tín hiệu số (DSP) và mạng truyền
thông công nghiệp. ............................................................................................ 6
2.2.2. Mơ hình hoạt động của dây truyền sản xuất robot:............................... 11
2.2.3. Cơ chế hoạt động của PLC giao tiếp với các Robot: ............................ 12
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ LẮP RÁP MÔ HÌNH ............................................ 13

3.1 Danh sách thiết bị mơ hình cần thiết. ........................................................ 13
3.2 Sơ đồ khối trung tâm điều khiển. .............................................................. 13
3.2.1. Cấu tạo bên ngoài. ................................................................................. 13
3.2.2. Cấu tạo trong và nguyên lý hoạt động: ................................................. 14
3.3 Sơ đồ khối mơ hình Robot ........................................................................ 26
3.3.1 Cấu tạo bên ngồi. .................................................................................. 26
3.3.2. Cấu tạo bên trong và nguyên lý hoạt động. .......................................... 27
3.4. Sơ đồ khối máy CNC và các khâu dỡ xếp hàng. ..................................... 36
3.4.1. Cấu tạo bên trong Máy CNC và nguyên lý hoạt động. ......................... 36
3.4.2. Cấu tạo bên trong khâu xếp, dỡ hàng và nguyên lý hoạt động. ............ 37
3.5. Bộ HMI hiển thị điều khiển Robot........................................................... 38
iv


CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ VẬN HÀNH MƠ HÌNH. ................................ 40
4.1. Vận hành mơ hình. ................................................................................... 40
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 42
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................ 43

v


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Bảng so sánh giữa chế độ truyền đơn công và song công ................ 5
Bảng 3.1 Danh sách thiết bị mơ hình .............................................................. 13
Bảng 3.2. Sơ đồ chân của LM298 ................................................................... 29

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Robot Shakey ..............................................................................................1
Hình 1.2. Ngun bản của Robot Hexapod TU Munich .............................................2
Hình 2.1. Biểu thị sóng mang (sóng RF) ....................................................................3
Hình 2.2. Điều chế biên độ hoặc AM .........................................................................4
Hình 2.3. Điều chế tần số hoặc FM.............................................................................4
Hình 2.4. Sóng tín hiệu từ Anten ................................................................................5
Hình 2.5. Cấu tạo trong của chip vi điều khiển...........................................................6
Hình 2.6. Cấu tạo trong của vi xử lý ...........................................................................7
Hình 2.7. Bộ xử lý tín hiệu số DSP .............................................................................8
Hình 2.8. Đặc điểm nổi bật của bộ xử lý tín hiệu số DSP ..........................................9
Hình 2.9. Mơ hình phân cấp mạng truyền thơng cơng nghiệp ..................................10
Hình 2.10. Sơ đồ mơ hình vận chuyển hàng hóa của Robot. ....................................11
Hình 3.1. Mạch PLC thực tế. ....................................................................................13
Hình 3.2. Sơ đồ khối mạch PLC ...............................................................................14
Hình 3.3. Mạch nguyên lý của bộ điều khiển trên Altium .....................................15
Hình 3.4. Khối nguồn của PLC. ................................................................................16
Hình 3.5. Chip vi điều khiển PIC 18F46K22 ............................................................16
Hình 3.6. Sơ đồ khối PIC18F46K22. ........................................................................18
Hình 3.7. Sơ đồ chân PIC nối đến các linh kiện .......................................................19
Hình 3.8. Khối module sóng RF ...............................................................................20
Hình 3.9. Module phát sóng NRF24L01 ...................................................................20
Hình 3.10. Cấu tạo trong của NRF24LO1 ................................................................21
Hình 3.11. Sơ đồ RF kết nối với vi điều khiển. ........................................................21
Hình 3.12. IC ổn áp LM1117 ....................................................................................22
Hình 3.13. IC 74HC125 ............................................................................................22
Hình 3.14. Các cổng vào ra của PLC. .......................................................................23
Hình 3.15. IC đệm dịng ULN2803...........................................................................24
Hình 3.16. Sơ đồ chân trong ULN2803 ....................................................................24

Hình 3.17. Trở băng 10k Ohm ..................................................................................25

vii


Hình 3.18. Sơ đồ khối cổng đầu nạp chương trình và các header của HMI .............25
Hình 3.19. Bộ nạp PICKIT 3 ....................................................................................25
Hình 3.20. Mơ hình phác họa Robot. ........................................................................26
Hình 3.21. Robot lắp ráp thực tế. ..............................................................................26
Hình 3.22. Mạch nguyên lý Robot trên Altium ........................................................27
Hình 3.23. Sơ đồ chân PIC của Robot. .....................................................................28
Hình 3.24. Mạch hàn thực tế. ....................................................................................29
Hình 3.25. Module LM298 .......................................................................................29
Hình 3.26. Động cơ DC giảm tốc 12V......................................................................30
Hình 3.27. Thanh cảm biến dị đường BFD-1000 ....................................................31
Hình 3.28. Sơ đồ nối dây của thanh cảm biến với PIC. ............................................32
Hình 3.29. Các nhiệm vụ của mắt cảm biến dị đường. ............................................32
Hình 3.30. Sơ đồ nối dây của máy CNC với PLC ....................................................36
Hình 3.31. Module cảm biến hồng ngoại TCRT5000...............................................36
Hình 3.32. Nguyên lý hoạt động của mắt cảm biến ..................................................37
Hình 3.33. Sơ đồ nối dây của khâu xếp, dỡ hàng với PLC .......................................38
Hình 3.34. Bộ phím bấm cây xăng ATEL. ...............................................................38
Hình 4.1. Mơ hình Robot chay trên sàn ....................................................................40

viii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TRONG SẢN XUẤT.
1.1 Giới thiệu chung về Robot.
Khái niệm Robot ra đời đầu tiên vào ngày 09/10/1922 tại New York, khi

nhà soạn kịch người Tiệp Kh Karen Kapek đã tưởng tượng ra một cỗ máy hoạt
động một cách tự động, nó là niềm mơ ước của con người lúc đó. Từ đó ý tưởng
thiết kế, chế tạo Robot đã luôn thôi thúc con người. Đến năm 1948, tại phịng thí
nghiệm quốc gia Argonne, Goertz đã chế tạo thành công tay máy đôi (masterslave manipulator). Đến năm 1954, Goertz đã chế tạo tay máy đôi sử dụng động
cơ servo và có thể nhận biết được lực tác động lên khâu cuối. Năm 1956 hãng
Generall Mills đã chế tạo tay máy hoạt động trong việc thám hiểm dại dương.
Năm 1968 R.S. Mosher, của General Electric đã chế tạo một cỗ máy biết đi bằng
4 chân. Hệ thống vận hành bởi động cơ đốt trong và mỗi chân vận hành bởi một
hệ thống servo thủy lực. Năm 1969, đại học Stanford đã thiết kế được Robot tự
hành nhờ nhận dạng hình ảnh.
Năm 1970 con người đã chế tạo được Robot tự hành Lunokohod, thám
hiểm bề mặt của mặt trăng.

Hình 1.1. Robot Shakey

Trong giai đoạn này, ở nhiều nước khác cũng tiến hành công tác nghiên
cứu tương tự, tạo ra các Robot điều khiển bằng máy tính có lắp đặt các loại cảm
biến và thiết bị giao tiếp người và máy.
Theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các Robot ngày càng được chế tạo
nhỏ gọn hơn, thực được nhiều chức năng hơn, thông minh hơn. Một lĩnh vực được
nhiều nước quan tâm là các Robot tự hành, các chuyển động của chúng ngày càng
đa dạng, bắt chước các chuyển động của chân người hay các loài động vật như:
bò sát, động vật 4 chân... Và các loại xe Robot (robocar) nhanh chóng được ứng
dụng rộng rãi trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt(FMS).

1


Hình 1.2. Nguyên bản của Robot Hexapod TU Munich

1.2. Phân loại Robot.
Phân loại Robot công nghiệp theo các ngành nghề công nghiệp.
- Robot sử dụng trong ngành sản xuất oto xe máy – Automotive Industry.
- Robot sử dụng trong gia cơng cơ khí.
-

Robot sử dụng trong ngành dược phẩm, y tế.
Robot sử dụng trong ngành hóa chất.
Robot sử dụng trong ngành công nghiệp gỗ.

-

Robot sử dụng trong ngành chế tạo linh kiện điện tử.

1.3. Ứng dụng Robot trong vận chuyển hàng hóa.

- Robot vận chuyển hàng trong nhà máy, công xưởng là các sản phẩm tự động
hóa có khả năng điều hướng dưới sự lập trình của con người.
+ Robot vận chuyển có thể hoạt động liên tục 24/24h, đây là ưu điểm vượt trội
nếu so sánh vào sức người, con người không thể làm việc liên tục 24h.
+ Robot vận chuyển có thể di chuyển hàng hóa từ tất cả các vị trí được lập
trình sẵn, bao qt tồn bộ nhà xưởng, điều này một nếu dùng sức người khó có thể
đáp ứng được nếu diện tích kho hàng hóa quá lớn.
+ Robot vận chuyển có thể di chuyển được khối lượng hàng hóa lớn hơn,
nhanh chóng và năng suất. Con người chỉ cần giám sát và theo dõi tồn bộ q trình,
việc cịn lại sẽ hồn tồn được tự động.
+ Tồn bộ quy trình được vận hành tự động, người lao động chỉ cần giám sát
và lập trình theo đúng yêu cầu kỹ thuật.
+ Cung cấp giải pháp di chuyển an tồn, hiệu quả, tiết kiệm chi phí tối ưu cho
doanh nghiệp.

+ Ngồi ra robot vận chuyển cịn cịn làm tăng hiệu suất, tăng tính cạnh tranh
cho doanh nghiệp.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

2


2.1. Thu phát sóng RF (Radio Frequency).
Trong viễn thơng, sóng mang, tín hiệu sóng mang hay chỉ là sóng mang, là
một dạng sóng (thường là hình sin) được điều chế (sửa đổi) với tín hiệu mang thơng
tin nhằm mục đích truyền tải thơng tin. Sóng mang này thường có tần số cao hơn
nhiều so với tín hiệu đầu vào.
Tần số của kênh RF được hiểu đúng nhất là tần số của sóng mang.
Sóng mang là sóng thuần có tần số khơng đổi, hơi giống sóng sin. Bản thân nó
khơng mang nhiều thơng tin mà chúng ta có thể liên quan đến (chẳng hạn như lời nói
hoặc dữ liệu).

Hình 2.1. Biểu thị sóng mang (sóng RF)

Để bao gồm thơng tin lời nói hoặc thơng tin dữ liệu, cần phải đặt một sóng
khác (được gọi là tín hiệu đầu vào) lên trên sóng mang. Q trình áp đặt tín hiệu đầu
vào lên sóng mang được gọi là q trình điều chế. Nói cách khác, điều chế thay đổi
hình dạng của sóng mang để mã hóa bằng cách nào đó lời nói hoặc thông tin dữ liệu
mà chúng ta muốn mang theo. Điều chế giống như ẩn một đoạn mã bên trong sóng
mang.
- Bất kỳ sóng nào cũng có ba tính chất cơ bản:
+ Biên độ - chiều cao của sóng.
+ Tần số - một số sóng truyền qua trong một giây nhất định.
+ Pha - trong đó pha ở bất kỳ thời điểm nào.
Có nhiều cách khác nhau để điều biến sóng mang. Đầu tiên, người dùng có thể

điều chỉnh chiều cao của sóng mang. Nếu cường độ của tín hiệu đầu vào thay đổi theo
độ lớn của giọng nói của người dùng và sau đó thêm tín hiệu này vào sóng mang, thì
biên độ của sóng mang sẽ thay đổi tương ứng với tín hiệu đầu vào được đưa vào đó.
Đây được gọi là điều chế biên độ hoặc AM (Amplitude Modulation).

3


Hình 2.2. Điều chế biên độ hoặc AM

Tần số của tín hiệu đầu vào cũng có thể được thay đổi. Nếu tín hiệu đầu vào
này được thêm vào sóng mang thuần, do đó nó sẽ làm thay đổi tần số của sóng mang.
Bằng cách đó, người dùng có thể sử dụng các thay đổi của tần số để mang thông tin
giọng nói. Đây được gọi là điều chế tần số hoặc FM (Frequency Modulation).

Hình 2.3. Điều chế tần số hoặc FM

Hai chiến lược này có thể được kết hợp để tạo ra một sơ đồ thứ ba. Trên thực
tế, bất kỳ chiến lược nào kết hợp tín hiệu đầu vào với sóng mang để mã hóa giọng
nói hoặc thơng tin hữu ích khác được gọi là sơ đồ điều chế.
Các sơ đồ điều chế có thể là tương tự hoặc kỹ thuật số. Sơ đồ điều chế tương
tự có sóng đầu vào thay đổi liên tục giống như sóng sin. Trong sơ đồ điều chế kỹ
thuật số, nó phức tạp hơn một chút. Giọng nói được lấy mẫu ở một số tốc độ và sau
đó được nén và chuyển thành một luồng bit - một luồng gồm các số 0 và 1 - và điều
này đến lượt nó được tạo thành một loại sóng cụ thể sau đó được chồng lên sóng
mang.
- Anten
Anten được định nghĩa là “phần của hệ thống truyền hay nhận được thiết kế
để bức xạ hay nhận sóng điện từ”. Nói cách khác, anten lấy tín hiệu RF (được sinh ra
bởi radio) và bức xạ nó vào trong khơng khí hay anten có thể nhận sóng điện từ cho

radio.
- Có hai chức năng trong một hệ thống thông tin liên lạc:

4


+ Khi kết nối với máy phát, nó thu thập các tín hiệu AC và gửi thẳng.
+ Hoặc phát xạ sóng RF đi theo mơ hình cụ thể cho từng loại ăng-ten.
+ Khi kết nối với máy thu, anten lấy sóng RF mà nó nhận được và gửi tín hiệu
AC cho máy thu.
+Việc truyền RF của một anten thường được so sánh hoặc tham chiếu đến một
bộ bức xạ đẳng hướng.
+ Có hai cách để tăng cơng suất phát ra một Anten.
+Tạo ra công suất mạnh hơn tại máy phát (khơng ưu tiên vì tốn kém).
+Truyền hoặc hội tụ tín hiệu RF được phát xạ từ anten.

Hình 2.4. Sóng tín hiệu từ Anten

Là sự biến thiên của độ khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ, là nguyên nhân chủ yếu
dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà kết quả của nó là tổn hao tín hiệu sóng.
* Độ khuếch đại của anten:
Độ khuếch đại anten là kết quả việc tập trung phát sóng vơ tuyến vào một
chùm hẹp hơn.
Bằng việc giới hạn độ rộng chùm (beamwidth) tính theo độ ngang (horizontal)
và độ dọc (vertical) mà vẫn giữ nguyên công suất phát sẽ cho một sóng vơ tuyến được
phát đi xa hơn.
- Có 3 chế độ truyền: Simplex (đơn cơng), half duplex (bán song cơng) và full
duplex (song cơng tồn phần). Chế độ truyền xác định hướng của luồng tín hiệu giữa
hai thiết bị được kết nối.
Bảng 2.1. Bảng so sánh giữa chế độ truyền đơn công và song công

So sánh

Simplex

Half Duplex

Full Duplex

Hướng truyền tín
hiệu

Đơn hướng

Hai chiều, mỗi lần
theo một hướng

Hai chiều, đồng thời
theo hai hướng

Gửi/Nhận

Bên gửi chỉ có
thể gửi dữ liệu

Bên gửi có thể gửi và
nhận dữ liệu, nhưng
chỉ thực hiện được

Bên gửi có thể gửi

và nhận dữ liệu
cùng một lúc

5


một hành động vào
một thời điểm
Hiệu suất

Chế độ truyền
kém nhất

Tốt hơn chế độ
Simplex

Chế độ truyền tốt
nhất

Ví dụ

Bàn phím và
màn hình

Bộ đàm

Điện thoại

* Bộ phận phát:
Bao gồm bộ mã hóa và bộ phát ASK. Bộ mã hóa tạo địa chỉ có 8 bit và 4 bit.

Chúng ta có thể đặt địa chỉ bằng cách sử dụng công tắc DIP được kết nối trong bộ mã
hóa A0 – A7. Trong trường hợp thiết lập 1 địa chỉ trong mạch phát, địa chỉ này sẽ
được u cầu trong phần thu. Chính vì lý do nà nên phần máy thu và máy phát phải
được đặt trong cùng một địa chỉ.
* Bộ phận thu:
Bộ phận thu cung được hoạt động ở mức 433,92 MHz và có độ nhạy cao. Bộ
thu ASK hoạt động từ 4,5 đến 5,5 VDC và có cả đầu ra tuyến tính và kỹ thuật số. Bộ
phận thu sẽ được nhận dữ liệu từ máy phát. Sau đó, bộ giải mã sẽ giải mã dữ liệu và
kích hoạt chân đầu ra tương ứng.
2.2. Cơ chế hoạt động của dây chuyền sản xuất sử dụng PLC.
2.2.1. Bộ vi điều khiển, bộ vi xử lý, bộ xử lý tín hiệu số (DSP) và mạng truyền thơng
cơng nghiệp.
a. Vi điều khiển.
Là một máy tính được tích hợp trên một chip (single chip microcomputer)
được tạo ra qua VLSI. Vi điều khiển cũng được gọi là bộ điều khiển nhúng bởi vì vi
điều khiển và các mạch điện hỗ trợ được tích hợp hoặc nhúng vào thiết bị mà nó kiểm
sốt. Vi điều khiển có nhiều bit khác nhau giống như vi xử lý (cho đến nay thì có các
loại vi điều khiển 4bit, 8bit, 16bit, 32bit, 64bit và 128 bit).

Hình 2.5. Cấu tạo trong của chip vi điều khiển

6


- Vi điều khiển thường chứa các linh kiện sau:
+ Bộ xử lý trung tâm (CPU).
+ Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM).
+ Bộ nhớ chỉ đọc (ROM).
+ Cổng đầu vào / đầu ra.
+ Bộ đếm thời gian và bộ đếm.

+Cổng giao tiếp nối tiếp.
+ Mạch dao động.
b. Bộ vi xử lý.
Bộ vi xử lý CPU được cấu tạo từ 3 phần chính: khối điều khiển (CU- Control
Unit), khối tính toán ALU (Arithmetic Logic Unit), các thanh ghi (Registers).
* Khối điều khiển (CU- Control Unit): có nhiệm vụ thơng dịch các lệnh của
chương trình và điều khiển hoạt động, được điều tiết bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống.
Tốc độ xung nhịp hệ thống tạo ra các xung nhịp tín hiệu chuẩn thời gian gọi là tốc độ
xung nhịp – tốc độ đồng hồ tính bằng triệu đơn vị mỗi giây – MHz.
* Khối tính tốn ALU (Arithmetic Logic Unit): có chức năng thực hiện các
phép tốn và logic sau đó ra kết quả cho các thanh ghi hoặc bộ nhớ.
* Các thanh ghi (Registers): là các bộ nhớ có dung lượng nhỏ nhưng tốc độ
truy cập rất cao, dùng để lưu trữ tạm thời các toán hạng, kết quả tính tốn, địa chỉ các
ơ nhớ hoặc thơng tin điều khiển.

Hình 2.6. Cấu tạo trong của vi xử lý

* Tốc độ của bộ vi xử lý: tốc độ xử lý của CPU ngoài phụ thuộc vào mức xung
nhịp và cache thì nó cịn phụ thuộc vào các phần khác (như bộ nhớ trong, RAM, hay
bo mạch đồ họa). Xung nhịp CPU càng cao, BUS RAM càng cao và SSD có tốc độ
đọc ghi càng cao thì bộ máy tính làm việc càng nhanh.
* FSB - (Front Side Bus): là tốc độ truyền tải dữ liệu ra vào CPU hay là tốc độ
dữ liệu chạy qua chân CPU.

7


* Bộ nhớ Cache: bộ nhớ đệm của CPU dùng để lưu các phần của chương trình,
các tài liệu sắp được sử dụng. Khi cần, CPU sẽ tìm thơng tin trên cache trước khi tìm
trên bộ nhớ chính.

c. Bộ xử lý tín hiệu số (DSP).
DSP là tên viết tắt của Digital Signal Processor hay bộ xử lý tín hiệu số là một
bộ vi xử lý có thể lập trình được cho một mục đích chun dụng nào đó. Tuy nhiên,
nó được thiết kế để nhằm điều khiển theo thời gian thực luồng truyền rất liên tục của
một khối lượng lớn dữ liệu số giúp nhằm cải tiến chất lượng cũng như sửa đổi, bổ
sung tùy theo yêu cầu riêng. Hơn nữa, DSP được sử dụng rộng rãi để nhằm xử lý
dòng dữ liệu liên tục của âm thanh, video cùng đồ họa.

Hình 2.7. Bộ xử lý tín hiệu số DSP

- Những đặc điểm nổi bật của thiết bị xử lý tín hiệu DSP gồm có:
+ DSP mang khả năng phân chia đều dải tần số âm thanh ra cho 2 loa là loa
sub và loa full (2 way và 3 way…).
+ Giúp cân bằng âm sắc (equalizer) để giúp hệ thống dàn loa thích hợp hơn
với nhiều khơng gian khác nhau.
+ Giới hạn mọi hệ thống thang âm để nhằm bảo vệ tối đa loa trên các thiết bị
âm thanh của người dùng.
+ Đảo Phase nhằm mục đích giúp tăng khả năng cộng hưởng của âm thanh
được tốt nhất.
+ Canh delay giúp cho âm thanh phát ra đều của thiết bị loa.
+ Giảm đi sự biến động về âm lượng của âm thanh mang lại cho người dùng
một bản nhạc hồn hảo hơn bao giờ hết.
Hiện nay, đã có rất nhiều thiết bị giúp xử lý tín hiệu DSP khác nhau và ứng
mỗi thiết bị sẽ có những chức năng khác nhau để đáp ứng được nhu cầu sử dụng của
từng người. Tuy nhiên, đa số các thiết bị DSP đều đã có được những chức năng trên
và xử lý âm thanh rất tốt.

8

Hình 2.8. Đặc điểm nổi bật của bộ xử lý tín hiệu số DSP

- Một số khác biệt giữa DSP và Vi điều khiển:
+ DSP thường khơng có bộ nhớ chương trình flash. Chúng cần phần mềm để
được 'tải' vào. Trong khi đó, các bộ vi điều khiển có bộ nhớ chương trình khơng tắt
được bên trong, một số có khả năng lưu trữ EPROM.
+ DSP nhanh hơn nhiều cho các hoạt động toán học số nguyên, trong khi nhiều
bộ vi điều khiển khơng có phần cứng.
+ DSP nhanh hơn nhiều cho các hoạt động điểm nổi. Trong vi điều khiển, điều
này phải được thực hiện trong phần mềm.
+ DSP được định hướng là một thiết bị đầu vào / đầu ra với 'máy tính nhanh'.
Vi điều khiển là một thiết bị đa tính năng với một số cách giao tiếp với thế giới, tuy
nhiên khơng có cách nào là nhanh nhất.
+ DSP không được thiết kế để trở thành một thiết bị 'mạnh mẽ'. Họ cần một
bảng được thiết kế tốt để làm việc đúng. Vi điều khiển có thể làm việc trên bảng thử
nghiệm.
+ Bộ vi xử lý có nhiều hướng dẫn đến đa phương tiện, tính năng sao chép bộ
nhớ, v.v., mà DSP khơng có.
+ DSP là một bộ vi xử lý máy tính nhanh, rất hiệu quả để tính tốn và di chuyển
dữ liệu, trong khi đó, vi điều khiển là một thiết bị linh hoạt hơn với nhiều tính năng
hơn.
d. Mạng truyền thơng cơng nghiệp.
Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm
chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp nhằm mục đích ghép
nối các thiết bị cơng nghiệp giúp các thiết bị có thể giao tiếp được với nhau và kiến
tạo thành một mạng lưới, một hệ thống đồng nhất có sự phân cấp và được kiểm soát
chặt chẽ.

9

Hình 2.9. Mơ hình phân cấp mạng truyền thơng cơng nghiệp

Một trong những hệ thống bus tiêu biểu là Profibus: là một mạng Fieldbus
được thiết kế để giao tiếp giữa máy tính và PLC. Dựa trên nguyên tắc token bus không
đồng bộ ở chế độ thời gian thực, PROFIBUS xác định mối quan hệ truyền thông giữa
nhiều master và giữa Master-slave, với khả năng truy cập theo chu kì và khơng theo
chu kì, tốc độ truyền tối đa lên tới 500 kbit/s (trong một số ứng dụng có thể lên tới
1,5Mbp hay 12Mbp). Khoảng cách bus tối đa không dùng bộ lặp (repeater) là 200m
và nếu dùng bộ lặp khoảng cách tối đa có thể đạt được là 800m. Số điểm (node) tối
đa nếu khơng có bộ lặp là 32 và là 127 nếu có bộ lặp. Profibus sử dụng phương tiện
truyền tin xoắn đôi và RS485 chuẩn công nghiệp trong các ứng dụng sản xuất hoặc
IEC 1158-2 trong điều khiển q trình. PROFIBUS cũng có thể sử dụng Ethernet
TCP/IP.
- Profibus có 3 kiểu giao thức là: PROFIBUS DP, PROFIBUS PA, PROFIBUS
FMS.
* Ưu điểm của Profibus.
+ Được sử dụng rộng rãi, hoạt động ổn định, đơn giản, đáng tín cậy dễ mở
rộng hệ thống.
+ Hỗ trợ mạng tại các cấp độ thiết bị, điều khiển q trình.
+ Sẵn có giao diện cho các ứng dụng variable speed drive và trung tâm điều
khiển động cơ (Profibus DP).
+ Sử dụng trong môi trường an toàn (Intrinsically Safe) (đối với các thiết bị
Profibus PA).
+ Các cổng nối (gateway) cho phép tích hợp Profibus PA trực tiếp với mạng
Profibus DP.
+ Giao diện chủ (host) sẵn có cho hầu hết PLC, DCS và các hệ thống máy
tính.
+ Thiết bị gateway hỗ trợ trực tiếp các mạng bus sensor chi phí thấp hơn, đặc
biệt là AS-Interface.

10


* Nhược điểm của Profibus
+ Profibus DP không hỗ trợ ứng dụng Intrinsically Safe.
+ Những yêu cầu rằng buộc về hệ thống dây cáp, điện, tiếp đất, bọc và đầu
cuối phải được tính đến trong q trình thiết kế và lắp đặt.
2.2.2. Mơ hình hoạt động của dây truyền sản xuất robot:
Cơ chế điều khiển mơ hình robot của PLC, các chu trình Robot hoạt động chạy
thành một vịng trịn khép kín.

Hình 2.10. Sơ đồ mơ hình vận chuyển hàng hóa của Robot.

Cơ chế điều khiển mơ hình Robot của PLC, các chu trình Robot hoạt động
chạy thành một vịng trịn khép kín. Cơ chế các bước hoạt động của Robot trong q
trình sản xuất, có tất cả 28 chu trình Robot chạy và dừng vận chuyển hàng hóa. Robot
chạy đến từng các vị trí khác nhau để.
1. Chu trình xếp hàng hóa lên Robot.
Khi có tín hiệu của cảm biến trên giỏ hàng có hàng thì PLC phát tín hiệu song
RF robot sẽ chạy đến vị trí của máy xếp hàng, bốc hàng lên robot cảm biến trên robot
sẽ báo robot đã có hàng và chạy đến vị trí làm việc tiếp theo.
2. Chu trình làm việc máy CNCA khi robot tới.
Robot di chuyển đến vị trí máy cncA Robot sẽ dừng và cảm biến của máy
cncA thông báo trên xe robot đang có hàng. Máy cncA sẽ quét trạng thái và làm việc.
3. Chu trình làm việc máy CNCB khi robot tới.
Robot di chuyển đến vị trí máy cncB Robot sẽ dừng và cảm biến của máy
cncA thông báo trên xe Robot đang có hàng. Máy cncB sẽ quét trạng thái và làm việc.
4. Chu trình dỡ hàng hóa xuống Robot.

11


Khi robot làm xong máy cncB Robot sẽ di chuyển đến vị trí dỡ hàng, ở vị trí
dỡ hàng robot buộc phải dừng. Khi đó cảm biến thơng báo trên xe đang có hàng cần
phải dỡ hàng. Khi dỡ hàng cảm biến thơng báo trên xe xác nhận khơng có hàng nữa
thì Robot sẽ chạy.
2.2.3. Cơ chế hoạt động của PLC giao tiếp với các Robot:
Bộ điều khiển PLC giao tiếp với các Robot bằng tần sóng RF, trung tâm điều
khiển PLC phát tín hiệu đầu ra, vào cho Robot và các module cảm biến:
- Các Robot vận chuyển và bộ điều khiển PLC được giao tiếp với nhau bằng
song RF.
- Các module cảm biến, cơng tắc hành trình và motor của các máy CNC sẽ
được điều khiển qua 16 cổng vảo ra của PLC.
* Các cổng vào (Input): có 8 cổng:
Các cổng input của PLC sẽ nhận các tín hiệu của các cảm biến và cơng tắc
hành trình. Khi các cảm biến phát hiện có hàng hóa và Robot thì PLC sẽ nhận được
tín hiệu đồng thời phát ra cho các cổng đầu ra để làm việc.
* Các cổng ra (Output): có 8 cổng:
Các cổng đầu ra output sẽ điều khiển motor của các máy CNC, PLC sẽ điều
khiển motor làm việc theo ý của người lập trình điều khiển.

12


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ LẮP RÁP MƠ HÌNH
3.1 Danh sách thiết bị mơ hình cần thiết.
Bảng 3.1 Danh sách thiết bị mơ hình

STT

MƠ TẢ THIẾT BỊ
CHÍNH

1

Bộ điều khiển PLC

2

Robot vận chuyển hàng

3

Thiết bị cảm biến xếp hàng

TÍNH
Cái

1

Cái

2

TCRT5000

Cái

1

CNC

Cái

2

TCRT5000

Cái

1

Bằng
vi điều khiển

Máy quét trạng thái CNCA-

4

ĐƠN VỊ

SỐ
LƯỢNG

CHI TIẾT

B

5

Thiết bị cảm biến dỡ hàng

6

HMI điều khiển

Cái

2

7

Khung sàn mơ hình

Cái

1

8

Bộ nguồn DC 12V

Cái

1

PS-305D

3.2 Sơ đồ khối trung tâm điều khiển.

Bộ trung tâm vận hành mô hình điền khiển các thiết bị Robot, máy CNC và
các khâu trong mơ hình sản xuất. Trung tâm vận hành sử dụng bộ vi điều khiển kết
hợp với bộ điều khiển từ xa sóng RF.
3.2.1. Cấu tạo bên ngồi.
Mạch điều khiển được thiết kế và hàn bằng tay, đi dây trong mạch bằng thủ
công. Bộ điều khiển được tạo trên bo mạch test phíp đồng lỗ PCB.

Hình 3.1. Mạch PLC thực tế.

-

Các bộ phận có trong mạch.

13


1. Nguồn đầu vào mạch -5V.
2. Chip vi điều khiển mạch.
3. Bộ thu phát sóng RF.
4. Module điều khiển trạng thái các máy CNC.
5. Các cổng đầu ra – Output.
6. Các cổng đầu vào – Input.

Hình 3.2. Sơ đồ khối mạch PLC

3.2.2. Cấu tạo trong và nguyên lý hoạt động:
a. Sơ đồ mạch nguyên lý PLC.
Mạch nguyên lý được thiết kế trên phần mềm Altium và thử nghiệm mô phỏng
thực tế luôn trên bo mạch.

14


Hình 3.3. Mạch nguyên lý của bộ điều khiển trên Altium

15


Cấu trúc board mạch PLC bao gồm 5 khối mạch.
 Khối nguồn của bộ điều khiển:

Hình 3.4. Khối nguồn của PLC.

Tạo ra các điện áp 5V và 3.3V để cung cấp cho vi điều khiển và cũng là điểm
cấp nguồn cho các thiết bị bên ngoài sử dụng. Mạch điều khiển sử dụng điện áp 5V
từ nguồn cung cấp lớn và IC ổn áp NCP1117 để tạo điện áp 3.3V. Đây đều là những
IC ổn áp tuyến tính, tuy hiệu suất khơng cao nhưng ít gợn nhiễu và mạch đơn giản.
Sử dụng đèn và loa beep báo thiết bị đã được cấp nguồn, trạng thái lỗi và ngắt
khi bị chập.
 Khối chip vi điều khiển.
Mạch điều khiển sử dụng chip PIC18F46K22.

Hình 3.5. Chip vi điều khiển PIC 18F46K22

Vi điều khiển PIC18F46K22 có hiệu suất xử lý cao cùng với độ bền tốt. Với
các tính năng hàng đầu có hiệu suất cao và sử dụng trong các ứng dụng thiết yếu, vi
điều khiển này là một sự lựa chọn hợp lý. Đặc tính của PIC18F46K22.
- CPU RISC hiệu suất cao:
+ Bộ nhớ EEPROM đến 1024 byte.

16