đồ án hệ thống đo cơ điện tửtnut

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ - KHOA ĐIỆN TỬ
--------------------------------------Ngô Mạnh Đức
THIẾT KẾ BỘ KHỐNG CHẾ SỐ LƯỢNG SẢN PHẨM ỨNG DỤNG
TRONG NHÀ MÁY NƯỚC ĐÓNG CHAI

Chuyên ngành : Cơ điện tử

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : NGÔ VĂN AN

THÁI NGUYÊN – Năm 2017

KHOA ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
------------o0o------------

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ


Sinh Viên Thực hiện: Dương Văn Lượng
Ngô Mạnh Đức
Nguyễn Văn Hương

Giáo viên hướng dẫn: Ngô Văn An

MSSV

K135520114033

MSSV

K135520114014

MSSV

K135520114016

Tên đề tài: Thiết kế bộ khống chế số lượng sản phẩm ứng dụng trong nhà
máy nước đóng chai
Lớp: K49CĐT.01
Kết quả cần đạt được:
•

Thuyết minh:

01 Bản

•

Sản phẩm thật: 01 Sản phẩm
Ngày giao đề tài: ……06/102016…………………….....…………………
Ngày hoàn thành: ....…09/01/2017…………………………………………...
Trưởng bộ môn

Giáo viên hướng dẫn

Phạm Thành Long

Ngô Văn An


LỜI CAM ĐOAN
Chúng em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng chúng em và
được sự hướng dẫn khoa học của Thầy Ngô Văn An. Các nội dung nghiên cứu, kết
quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước
đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh
giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu
tham khảo.
Ngoài ra, trong đồ án còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu
của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
về nội dung đồ án của mình.Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên
không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do chúng em gây ra trong
quá trình thực hiện (nếu có).
Sinh viên thực hiện
Dương Văn Lượng
Ngô Mạnh Đức
Nguyễn Văn Hương


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
-----------o0o------------.................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
......................
Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2017
Ký tên


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................1
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN...................................................................2
LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................................4
DANH MỤC BẢNG BIỂU..................................................................................................5

Chương 1.................................................................................................................6
TỔNG QUAN VÀ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC.....................................................................6
1.1 Tổng quan chung......................................................................................................6
1.1.1 Vai trò của hệ thống đếm sản phẩm..................................................................................6
1.1.2 Phân loại.............................................................................................................................6

1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo cơ điện tử..................................................................8
1.3 Vị trí, vai trò của hệ thống đo trong hệ thống Cơ điện tử....................................9
1.4 Một số ứng dụng.....................................................................................................10
1.4.1 Đếm bao xi măng trong nhà máy xi măng.......................................................................10
1.4.2 Đóng chai nước ngọt........................................................................................................11
1.4.3 Ứng dụng đếm,dừng tầng thang máy.............................................................................11

1.5 Kết luận.....................................................................................................................12

Chương 2...............................................................................................................13
SƠ ĐỒ CẤU TRÚC MẠCH ĐO..............................................................................13
2.1 Sơ đồ cấu trúc mạch đo.........................................................................................13
2.2 Vai trò chứ năng của từng khối.............................................................................13
2.2.1 Cảm biến...........................................................................................................................13
2.2.2 Vi xử lý..............................................................................................................................16
2.2.3 Hiển thị..............................................................................................................................31

2.3 Kết luận.....................................................................................................................35

Chương 3...............................................................................................................36
THIẾT KẾ MẠCH VÀ MÔ PHỎNG........................................................................36
3.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế mô phỏng..............................................................36
3.2 Thiết kế mạch nguyên lí..........................................................................................38
3.2.1 Sơ đồ mạch nguyên lý.....................................................................................................38
3.2.2 Một số linh kiện trong mạch.............................................................................................39

3.3 Mạch in.....................................................................................................................43
3.4 Mô phỏng mạch 3D.................................................................................................44
3.5 Kết luận.....................................................................................................................44

Chương 4...............................................................................................................45
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN......................................................................................45
4.1 Kết quả và bàn luận................................................................................................45
1


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

4.1.1 Mạch thực.........................................................................................................................45
4.1.2 Kết quả đã đạt được.........................................................................................................46
4.1.3 Kết quả chưa đạt được....................................................................................................46

4.2 Kết luận.....................................................................................................................46
PHỤ LỤC.........................................................................................................................48

2

Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

LỜI NÓI ĐẦU
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 video trên mạng, tài liệu và sách báo về các dây truyền sản
xuất trong nhà máy 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.
Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn
toàn chưa được áp dụng trong những khâu đếm sản phẩm, đóng bao bì mà vẫn còn
sử dụng nhân công.
Từ những điều đã được thấy đó và khả năng của nhóm tác giả, nhóm tác giả
muốn làm một điều gì nhỏ để góp phần vào giúp người lao động bớt phần mệt nhọc
chân tay mà cho phép tăng hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời đảm bảo
được độ chính xác cao. Nên dưới sự hướng dẫn tận tình của giảng viên Ngô Văn
An, nhóm tác giả quyết định chọn đồ án môn học Các hệ thống đo Cơ điện tử Thiết
kế bộ khống chế số lượng sản phẩm ứng dụng trong nhà máy nước đóng chai vì nó
rất gần gũi với thực tế và nó thật sự rất có ý nghĩa đối với chúng em vì đã làm được
một phần nhỏ đóng góp cho xã hội.
Do tài liệu tham khảo bằng Tiếng Việt còn hạn chế, trình độ có hạn và kinh
nghiệm trong thực tế còn non kém nên đồ án này chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Vì

vậy chúng em mong là sẽ nhận được sự đóng góp và chỉ bảo của các thầy cô trong
khoa.
Chúng em xin chân thành cám ơn!

3


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
3.1

3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
4.1

Nội dung
Các phần tử cơ bản của một hệ thống đo trong cơ điện tử
Mô hình hệ thống cơ điện tử
Đếm bao xi măng trong nhà máy xi măng
Dây truyền đóng nắp chai
sơ cấu trúc mạch đo
Led thu phát hồng ngoại
Cấu tạo của transistor quang
Sơ đồ chân của IC 8051
tổ chức bộ nhớ
Bản đồ bộ nhớ data trên chip
sơ đồ khối bên trong
Led 7 thanh
Mã led 0 đến 9
Điều khiển led 7 thanh
Led 7 loại anot chung
Led 7 canot chung

Phần mềm mô phỏng proteus
Phần mềm Altium Designer
Phần mềm lập trình Keil C
Sơ đồ mạch nguyên lý
Nút bấm
Điện trở
Giá trị các điện trở
LM324
tranzitor C1815
Thạch anh
Sơ đồ nối dây mạch in
Sơ đồ mạch mô phỏng 3D
Mạch thực

4

Trang
9
10
11
12
14
15
16
19
21
21
22
33
34

34
35
36
38
39
40
41
41
41
42
43
44
44
45
46
47


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6

2.7
2.8
2.9
2.10
2.11

Nội dung
chức năng chân P3.0-P3.7
các bít trạng thái
các thanh ghi
Các thanh ghi chức năng của timer trong 8051
Tóm tắt thanh ghi chức năng TMO
Tóm tắt thanh ghi chức năng TMOD
Tóm tắt thanh ghi IE
Các loại cờ ngắt
Các vectơ ngắt
Mã led anot chung
Mã led canot chung

5

Trang
20
24
27
28
29
29
31
32

32
35
36


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

Chương 1
TỔNG QUAN VÀ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC
1.1 Tổng quan chung
1.1.1 Vai trò của hệ thống đếm sản phẩm
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật
điện tử nói riêng. Kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vựckhoa học
kỹ thuật , quản lý, công nghiệp hóa tự động hóa. Do đó chúng ta phải nắm bắt vận
dụng nó một cách hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển của nền khoa học kỹ
thuật thế giới nói chung và phát triển của kỹ thuật điện tử nói chung. Việc áp dụng
lĩnh vực điện tử vào nghành sản xuất sản phẩm gia dụng trong nhà và các hệ thống
quản lý sản xuất đang được đưa vào ứng dụng rộng rãi hơn và phù hợp với chức
năng cụ thể của nó làm tăng năng suất làm việc cho dây truyền làm việc. Phù hợp
với tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa nền công nghiệp nước ta. Trong thực tế
các nhà máy sản xuất lớn đã ứng dụng việc đếm sản phẩm trong khâu đóng gói sản
phẩm bằng các mạch điện tử làm tăng năng suất lao động và giảm chi phí nhân
công, tự động hóa dây truyền công nghiệp, chính xác hóa trong sản phẩm. Mạch
đếm sản phẩm mà chúng em được giao làm đồ án mô phỏng một hệ thống đếm sản
phẩm của dây truyền công nghiệp.
1.1.2 Phân loại
a. Với mạch đếm sản phẩm dùng IC rời có:







Các ưu điểm sau:
Cho phép tăng hiệu suất lao động
Đảm bảo độ chính xác cao
Tần số đáp ứng của mạch nhanh, cho phép đếm với tần số cao
Khoảng cách đặt phần phát và phần thu xa nhau cho phép đếm những sản







phẩm lớn.
Tổn hao công suất bé, mạch có thể sử dụng pin hoặc acquy
Khả năng đếm rộng
Giá thành hạ
Mạch đơn giản dễ thực hiện
Nhược điểm:

6


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

 Với việc sử dụng kỹ thuật số khó có thể đáp ứng được việc thay đổi số đếm.
Muốn thay đổi một yêu cầu nào đó của mạch thì buộc lòng phải thay đổi
phần cứng. Do đó mỗi lần phải lắp lại mạch dẫn đến tốn kém về kinh tế mà
nhiều khi yêu cầu đó không thực hiện được bằng phương pháp này.
 Với sự phát triển mạnh của nghành kỹ thuật số đặc biệt là cho ra đời các họ
vi xử lí và vi điều khiển rất đa chức năng do đó việc dùng kỹ thuật vi xử lí,
kỹ thuật vi điều khiển đã giải quyết những bế tắc và kinh tế hơn mà phương
pháp dùng IC rời kết nối lại không thực hiện được.
b. Với mạch đếm sản phẩm dùng kỹ thuật vi xử lí:
Ngoài những ưu điểm như đã liệt kê trong phương pháp dùng IC rời thì mạch đếm
sản phẩm dùng kỹ thuật vi xử lí còn có những ưu điểm sau:
 Mạch có thể thay đổi số đếm một cách linh hoạt bằng việc thay đổi phần
mềm, trong khi đó phần cứng không cần thay đổi mà mạch dùng IC rời
không thể thực hiện được mà nếu có thể thực hiện được thì cũng cứng nhắc
mà người công nhân cũng khó tiếp cận, dễ nhầm.
 Số linh kiện sử dụng trong mạch ít hơn.
 Mạch đơn giản hơn so với mạch đếm sản phẩm dùng IC rời và có phần cài
đặt số đếm ban đầu
 Mạch có thể lưu lại số liệu của các ca sản xuất
 Mạch có thể điều khiển đếm được nhiều dây chuyền sản xuất cùng lúc bằng
phần mềm.
 Mạch cũng có thể kết nối giao tiếp được với máy tính thích hợp cho những
người quản lí tại phòng kỹ thuật nắm bắt được tình hình sản xuất qua màn
hình của máy vi tính.
Nhưng trong thiết kế người ta thường chọn phương pháp tối ưu nhưng để kinh
tế hơn do đó chúng em chọn phương pháp đếm sản phẩm dùng kỹ thuật vi điều
khiển.
c. Phương pháp đếm sản phẩm dùng vi điều khiển:
Ngoài những ưu điểm có được của hai phương pháp trên, phương pháp này còn

có những ưu điểm :

7


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

 Trong mạch có thể sử dụng ngay bộ nhớ trong đối với những chương trình có
quy mô nhỏ, rất tiện lợi mà vi xử lí không thực hiện được.
 Nó có thể giao tiếp nối tiếp trực tiếp với máy tính mà vi xử lí cũng giao tiếp
được với máy tính nhưng là giao tiếp song song nên cần có linh kiện chuyển
đổi dữ liệu từ song song sang nối tiếp để giao tiếp với máy tính.
1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo cơ điện tử
Tổng hợp sơ đồ nguyên lý sản phẩm Cơ điện tử nhằm thể hiện được các mô đun cấu
thành nên sản phẩm, thấy được sự tích hợp và ghép nối giữa các thành phần này. Có
thể biểu diễn sơ đồ này dưới dạng khối như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Cơ điện tử
Trong đó ý nghĩa các khối được như sau:
- Phần công tác: là phần trực tiếp đưa ra các thao tác công nghệ.
- Đo lường: là modul kết nối đối tượng với bộ điều khiển, nó tạo tín hiệu phản hồi
làm đầu vào cho bộ điều khiển.
- Mô hình hóa: là modul tạo tín hiệu đặt cho bộ điều khiển.
- Bộ điều khiển: nhận tín hiệu từ modul đo lường, tính toán hiệu chỉnh và đưa lệnh
điều khiển nguồn động lực để có các thao tác chính xác.
- Cơ cấu chấp hành (CCCH): là modul tạo nguồn động lực cho phần công tác, nó
nhận lệnh điều khiển trực tiếp từ bộ điều khiển.
- DSP: Khối xử lý tín hiệu số.

8


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

Hình 1.2 Mô hình hệ thống Cơ điện tử
1.3 Vị trí, vai trò của hệ thống đo trong hệ thống Cơ điện tử
Mô đun đo lường được bố trí ở cuối hệ thống để thu thập được thông tin hoạt động
của Phần công tác, hệ thống đo tạo ra sự kết nối và tương tác giữa phần công tác và
bộ điều khiển, từ hệ thống đo ta có tín hiệu phản hồi để làm đầu vào khởi tạo bài
toán hiệu chỉnh ở bộ điều khiển.
Tín hiệu thu được từ hệ thống đo thường ở dạng Analog nên cần phải mã hóa và xử
lý trước khi đưa vào Bộ điều khiển (Bộ điều khiển làm việc với Digital Signal).
Quá trình này được thực hiện nhờ Bộ DSP 1 (mô đun xử lý tín hiệu), các quá trình
này có thể gồm khuếch đại, chuyển đổi AD, lọc, điều chế, tách sóng…
- Khuếch đại: khi tín hiệu nhỏ thì cần khuếch đại, bản chất quá trình này là dùng
các mạch khuếch đại có thể làm tăng biên độ hoặc tần số của tín hiệu cho phù hợp.
- Chuyển đổi AD: chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, bản chất quá trình
này là mã hóa thông tin.
- Lọc: là quá trình ngăn không cho một số tín hiệu có tần số tạp đi qua, quá trình
này giúp loại bỏ các tín hiệu nhiễu từ bên ngoài tác động vào hệ thống.

9


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

- Điều chế: khi cần truyền dẫn không dây trong trường hợp trung tâm điều khiển
nằm cách xa phần công tác. Bản chất quá trình này là ghép tín hiệu cần xử lý có
biên độ nhỏ vào sóng mang cao tần để có đủ năng lượng truyền đi xa mà không làm
méo dạng tín hiệu.
- Tách sóng: là quá trình thu hồi lại tín hiệu nguyên thủy từ tín hiệu điều chế.
1.4 Một số ứng dụng
1.4.1 Đếm bao xi măng trong nhà máy xi măng

Hình 1.3 Đếm bao xi măng trong nhà máy xi măng
 Đây là bộ đếm sản phẩm được thiết kế với các chức năng phức tạp.
 Đếm chính xác sản phẩm đi qua băng chuyền trong mọi trường hợp: sản
phẩm đi qua tuần tự, nhiều bao dính liền nhau, bao dừng đột ngột ngay bộ
đếm, các loại sản phẩm có kích thước khác nhau.
 Vừa đếm vừa phân tích và tính được diện tích mặt cắt của sản phẩm. Cài đặt
tự động phát hiện những sản phẩm lỗi.
 Sử dụng công nghệ nhận dạng siêu âm nên hoạt động tốt trong môi trường
nhiều bụi mà không cần vệ sinh đầu cảm biến, khắc phục nhược điểm của cơ
cấu đếm cơ khí.

10


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

 Bảng hiển thị dạng Led số với các kích cỡ khác nhau.
 Hoạt động liên tục: bộ đếm hoạt động bình thường ngay cả khi mất điện lưới.

 Bộ đếm được đặt trong vỏ hộp bảo vệ chắc chắn, chống va đập.
 Kết nối phần mềm quản lý đo đếm sản phẩm trên máy tính.
 Mở rộng thêm truyền thông dữ liệu đi xa qua mạng di động GSM..
1.4.2 Đóng chai nước ngọt
Bộ đếm sản phẩm được thiết kế trên dây chuyền sản xuất nước ngọt, có nhiệm
vụ là đếm số lượng chai, phát hiện chai lỗi có lượng nước ngọt không đủ. Khi thùng
hoặc két nước ngọt đủ số lượng, tự động chuyển két, thùng khác vào thông qua tự
động hoặc báo lên màn hình để nhân viên tự cho vào.

Hình 1.4 Dây truyền đóng nắp chai
1.4.3 Ứng dụng đếm,dừng tầng thang máy
● Sử dụng móng ngựa (cảm biến quang) để đếm tầng :
Một cái đếm lên và một cái đếm xuống. Các cờ sẽ đặt ở các tầng mỗi chiều của
mỗi tầng có hai cờ :một cờ đổi tốc độ và một cờ dừng tầng ).khi thang máy chạy
tốc độ cao đến gặp cờ tốc độ thì bộ vi xử lý sử dụng vi xử lý hoặc plc sẽ điều chỉnh
11


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

biến tần cho thang máy chạy chậm lại với tốc độ đặt trước (tốc độ bò là để giảm tốc
và khi có tín hiệu gọi thang máy tăng tốc từ từ và tiếp tục thự hiện quá trình
chạy,encoder sẽ kiểm soát tốc độ máy kéo chạy và dừng chính xác tránh hiện tượng
trôi tầng). Khi thang máy bò đến gặp cờ dừng thì dưng hẳn.
1.5 Kết luận
Qua chương một giúp chúng ta hiểu khái quát về vị trí ,vai trò của hệ thống đo trong
sơ đồ cấu trúc cơ điện tử.Ngoài ra còn biết thêm về ứng dụng quan trọng của đếm
sản phẩm trong nhiều lĩnh vực khác nhau.Đó cũng là nền tảng để ta xây dựng cụ thể

hơn ở chương 2.

12


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

Chương 2
SƠ ĐỒ CẤU TRÚC MẠCH ĐO
2.1 Sơ đồ cấu trúc mạch đo

Hình 2.1 Sơ cấu trúc mạch đo
Cảm biến biến đổi các đại lượng vật lý đầu vào thành các tín hiệu rồi chuyển tín
hiệu đến vi xử lý. Vi xử lý thực hiện các thao tác xử lý, xuất tín hiệu đến đầu ra, sau
đó chuyển đến mạch hiển thị. Muốn vi xử lý làm việc thì phải có sự can thiệp của
lập trình trên PC.
2.2 Vai trò chứ năng của từng khối
2.2.1 Cảm biến
a. Giới thiệu chung về mạch cảm biến
Để cảm nhận mỗi lần sản phẩm đi qua thì cảm biến phải có phần phát và phần
thu. Phần phát phát ra ánh sáng hồng ngoại và phần thu hấp thụ ánh sáng hồng
ngoại vì ánh sáng hồng ngoại có đặc điểm là ít bị nhiễu so với các loại ánh sáng
khác. Hai bộ phận phát và thu hoạt động với cùng tần số. Khi có sản phẩm đi qua
giữa phần phát và phần thu, ánh sáng hồng ngoại bị che bộ phận thu sẽ hoạt động
với tần số khác tần số phát như thế tạo ra một xung tác động tới bộ phận xử lí. Vậy
bộ phận phát và bộ phận thu phải có nguồn tạo dao động. Bộ phận dao động tác
động tới công tắc đóng ngắt của nguồn phát và nguồn thu ánh sáng.
13

Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

-Ở đây ta sử dụng cảm biến quang thu phát riêng khối cảm biến quang chữ U
Có ưu điểm là :
+ Khoảng cách phát xạ xa nhất trong các loại cảm biến quang
+Có thể hoạt động trong các môi trường khắc nhiệt (bụi,bẩn,độ nhiễu cao…).
+ Phát hiện chính xác vật thể, độ tin cậy cao.
b. Các linh kiện trong mạch cảm biến
●Cấu trúc thiết kế

Hình 2.2 Led thu phát hồng ngoại
Cấu trúc của cảm biến quang khá đơn giản, bao gồm 3 thành phần chính:
1. Bộ phát sáng
2. Bộ thu sáng
3. Mạch xử lý tín hiệu ra
● Cấu trúc trong
Bộ phát sáng
-

Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED

-

Ánh sáng được phát ra theo xung. Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm
biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn
khác. (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng).

-

Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED
laze. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá.
Ngoài ra cũng có LED vàng.
14


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

Bộ thu sáng
-

Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang). Bộ
phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ. Hiện nay
nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên
dụng ASIC.Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý
và chức năng vào một vi mạch (IC). Tất cả các dòng cảm biến quang Omron
ra mắt gần đây (như E3Z, E3T, E3F2) đều sử dụng ASIC.

+ Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của
loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản
xạ khuếch tán). Bạn sẽ tìm hiểu rõ hơn về các chế độ hoạt động này trong
chương sau.
Photon Transistor
Photon Transistor cũng tương tự như transistor thông thường nhưng chỉ khác ở
chỗ nó không có cực bazơ, thay cho tác dụng khống chế của dòng vào cực bazơ là

sự khống chế của chùm sáng đối với dòng colector của transitor hoặc có cực bazơ,
nhưng khống chế tín hiệu là ánh sáng.
-

Cấu tạo của transistor quang

Hình 2.3 Cấu tạo của transistor quang
+ Hình thức bên ngoài của nó khác với transistor thông thường ở chỗ trên vỏ
của có cửa sổ trong suốt cho ánh sáng chiếu vào. Ánh sáng qua cửa sổ này
chiếu lên miền bazơ của transistor. Chuyển tiếp PN emitor được chế tạo như
các transistor thông thường, nhưng chuyển tiếp PN colector, thì do miền
15


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

bazơ cần được chiếu sáng, cho nên nó có nhiều hình dạng khác nhau, cũng
có dạng hình tròn nằm giữa tâm miền bazơ.
+ Khi sử dụng transistor quang mắc mạch tương tự như transistor mắc chung
emitor (CE). Chuyển tiếp emitor được phân cực thuận còn chuyển tiếp
colector được phân cực nghịch. Có nghĩa là transistor quang được phân cực ở
chế độ khuyếch đại.
- Dòng điện trong transistor:
+ Vì nối thu được phân cực nghịch nên có dòng rỉ Ico chạy giữa thu – nền và
vì nối nền - phát được phân cực thuận nên dòng thu là ( + 1)Ico đây là dòng
tối của quang transistor. Khi chiếu ánh sáng vào miền bazơ, trong miền bazơ
có sự phát xạ cặp điện tử lỗ trống làm xuất hiện dòng I L. Do ánh sáng khiến
dòng thu trở thành: Ic = ( + 1) .(Ico + IL)

+ Đặc tuyến của transistor quang cũng giống như đặc tuyến Volt- ampere của
transistor thông thường mắc EC. Điều khác nhau ở đây là các tham số không
phải là dòng Ib mà là lượng chiếu sáng.
+ Đặc tuyến Volt ampere của transistor quang ứng với khoảng Uce nhỏ cũng có
thể gọi là miền bão hòa vì khi ấy do sự tích tụ điện tích có thể coi như
chuyển tiếp colector được phân cực thuận. Cũng tương tự như trong trường
hợp transistor thông thuờng, độ dốc đặc tuyến trong miền khuyếch đại.
Mạch tín hiệu ra
+ Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang / ASIC thành
tín hiệu On / Off được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá
mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt.
+ Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín
hiệu ra là tiếp điểm rơ le vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ
yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN).
+ Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng
đo đếm.
2.2.2 Vi xử lý
16


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

Với khối xử lí người ta có thể dùng IC rời hoặc khối vi xử lí. Nếu sử dụng vi
xử lí trong khối xử lý, người ta có thể thiết kế mạch điện giao tiếp được với máy
tính nên dễ dàng cho việc điều khiển từ xa và bằng việc thay đổi phần mềm có thể
mở rộng chương trình điều khiển mạch điện đếm nhiều dây chuyền trong cùng một
thời điểm hay lưu lại các số liệu trong các ca sản xuất, đó là lí do chúng em sử dụng
vi xử lí trong khối xử lí. Cùng với thời gian, con người đã cho ra đời nhiều loại vi

xử lí từ 8 bit đến 64 bit với cải tiến ngày càng ưu việt nhưng tùy theo mục đích sử
dụng mà vi xử lí 8 bit vẫn còn tồn tại. Trong đồ án này chúng em sử dụng vi điều
khiển 8051. 8051 cũng là vi xử lí 8 bit nhưng có chứa bộ nhớ bên trong và có thêm
2 bộ định thời ngoài ra nó có thể giao tiếp nối tiếp trực tiếp với máy tính mà vi xử lí
8 bit như 8085 cũng giao tiếp được với máy tính nhưng là giao tiếp song song nên
cần có IC chuyển đổi dữ liệu từ song song sang nối tiếp để giao tiếp với máy tính.
Với bộ nhớ trong 8051 thích hợp cho những chương trình có quy mô nhỏ,tuy nhiên
8051 có thể kết hợp được với bộ nhớ ngoài cho chương trình có quy mô lớn.
a.Giới thiệu cấu trúc phần cứng 8051
 Sơ đồ chân 8051
8051 là IC vi điều khiển (Microcontroller) do hãng Intel sản xuất. IC này có
đặc điểm như sau:










4k byte ROM,128 byte RAM
4 Port I/O 8 bit.
2 bộ đếm/ định thời 16 bit.
Giao tiếp nối tiếp.
64k byte không gian bộ nhớ chương trình mở rộng.
64k byte không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng.
Một bộ xử lý luận lý (thao tác trên các bít đơn).
210 bit được địa chỉ hóa.

Bộ nhân / chia 4.

17


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

Hình 2.4 Sơ đồ chân của IC 8051
 Chức năng về các chân của 8051
Port 0: từ chân 32 đến chân 39 (P0.0 _P0.7). Port 0 có 2 chức năng: trong các thiết
kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường IO, đối với
thiết kế lớn có bộ nhớ mở rộng nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu.
Port 1: từ chân 1 đến chân 9 (P1.0 _ P1.7). Port 1 là port IO dùng cho giao tiếp với
thiết bị ngoài nếu cần.
Port 2: từ chân 21 đến chân 28 (P2.0 _P2.7). Port 2 là một port có tác dụng kép
dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị
dùng bộ nhớ mở rộng.
Port 3: từ chân 10 đến chân 17 (P3.0 _ P3.7). Port 3 là port có tác dụng kép. Các
chân của port này có nhiều chức năng, có công dụng chuyển đổi có liên hệ đến các
đặc tính đặc biệt của 8051 như ở bảng sau :
18


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

Bảng 2.1 Chức năng chân P3.0-P3.7

PSEN (Program store enable): PSEN là tín hiệu ngõ ra có tác dụng cho phép đọc
bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE\ của Eprom cho
phép đọc các byte mã lệnh.
PSEN ở mức thấp trong thời gian 8051 lấy lệnh. Các mã lệnh của chương trình
được đọc từ Eprom qua bus dữ liệu, được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong 8051 để
giải mã lệnh. Khi 8051 thi hành chương trình trong ROM nội PSEN ở mức cao.
ALE (Address Latch Enable): Khi 8051 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, Port 0 có chức
năng là bus địa chỉ và dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ. Tín hiệu
ra ALE ở chân thứ 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ
và dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt.
Tín hiệu ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vai trò là địa
chỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động.
EA\ (External Access): Tín hiệu vào EA\ ở chân 31 thường được mắc lên mức 1
hoặc mức 0. Nếu ở mức 1, 8051 thi hành chương trình từ ROM nội. Nếu ở mức 0,
8051 thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng. Chân EA\ được lấy làm chân cấp
nguồn 21V khi lập trình cho Eprom trong 8051.
RST (Reset): Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất 2 chu kỳ máy, các
thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống. Khi
cấp điện mạch phải tự động reset.
Các ngõ vào bộ dao động X1, X2: Bộ tạo dao động được tích hợp bên trong 8051.
Khi sử dụng 8051, người ta chỉ cần nối thêm tụ thạch anh và các tụ. Tần số tụ thạch
anh thường là 12 Mh.

19


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

b.Cấu trúc bên trong vi điều khiển
 Tổ chức bộ nhớ

Hình 2.5 tổ chức bộ nhớ
 Bảng tóm tắt các vùng nhớ 89C52
Bản đồ bộ nhớ data trên chip như sau:

Hình 2.6 Bản đồ bộ nhớ data trên chip
-

Bộ nhớ bên trong 8051 bao gồm ROM và RAM. RAM bao gồm nhiều thành
phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank thanh
ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt.

-

8051 có bộ nhớ theo cấu trúc Harvard: có những vùng nhớ riêng biệt cho
chương trình và dữ liệu. Chương trình và dữ liệu có thể chứa bên trong 8051
nhưng 8051 vẫn có thể kết nối với 64 k byte bộ nhớ chương trình và 64k
byte bộ nhớ dữ liệu mở rộng.

20


Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử

GVHD: Ngô Văn An

 Sơ đồ khối bên trong

Hình 2.7 Sơ đồ khối bên trong
Ram bên trong 8051 được phân chia như sau:
• Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1Fh.
• Ram địa chỉ hóa từng bit có địa chỉ từ 20H đến 2FH.
• Ram đa dụng từ 30H đến 7FH.
• Các thanh ghi chức năng đặc biệt từ 80H đến FFH.
Ram đa dụng:
-

Mọi địa chỉ trong vùng ram đa dụng đều có thể được truy xuất tự do
dùng kiểu địa chỉ trực tiếp hay gián tiếp. Ví dụ để đọc nội dung ô nhớ ở
địa chỉ 5FH của ram nội vào thanh ghi tích lũy A : MOV A,5FH.

-

Hoặc truy xuất dùng cách địa chỉ gián tiếp qua R0 hay R1. Ví dụ 2 lệnh
21