THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÁT MẶT PHẲNG LASER TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SAN PHẲNG MẶT ĐỒNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÁT MẶT PHẲNG LASER
TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SAN PHẲNG MẶT ĐỒNG

Họ và Tên Sinh Viên: NGUYỄN CHIẾN THẮNG
TRẦN SỸ TÙNG
Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa: 2009-2013

Tháng 06 năm 2013


THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÁT MẶT PHẲNG LASER TRONG HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN SAN PHẲNG MẶT ĐỒNG

TÁC GIẢ

NGUYỄN CHIẾN THẮNG – TRẦN SỸ TÙNG

Khóa luận tốt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:
KS: ĐÀO DUY VINH
PGS.TS: NGUYỄN VĂN HÙNG

Tháng 06 năm 2013

i


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cả thầy cô Trường Đại học
Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các thầy cô khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã
dạy dỗ, giúp đỡ cho chúng em trong suốt khóa học vừa qua, thầy cô đã trang bị cho chúng
em những kiến thức quý báu từ cơ bản cho đến chuyên ngành để giúp ích cho chúng em
trong tương lai sau này.
Chúng em xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đối với thầy cô của bộ môn Cơ điện tử,
đặc biệt là thầy Nguyễn Văn Hùng và thầy Đào Duy Vinh, những người đã tận tình hướng
dẫn và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình làm đề tài tốt nghiệp.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người thân và bạn bè đã giúp đỡ và
ủng hộ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài tốt nghiệp.
Cuối cùng, em xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã dành thời gian quan tâm,
nhận xét và góp ý cho đề tài của chúng em.
Tp.HCM, ngày 10 tháng 6 năm 2013
Sinh viên thực hiện

NGUYỄN CHIẾN THẮNG
TRẦN SỸ TÙNG

ii


TÓM TẮT
Đề tài “thiết kế, chế tạo thiết bị phát mặt phẳng laser trong hệ thống điều khiển san
phẳng mặt đồng “
Đã được thực hiện với các kết quả chính gồm:


Đã khảo sát thiết bị phát mặt phẳng laser TOPCON



Đã thiết kế, chế tạo được thiết bị phát mặt phẳng laser trong hệ thống điều

khiển san phẳng mặt đồng.
- Cân bằng tự động mặt phẳng laser
- Tốc độ quay của đèn phát laser là 450 vòng/phút.
- Sai lệch độ nghiêng của mặt phẳng laser so với mặt ngang là 0,067 % (khảo sát
trên 30 m thì độ nghiêng của mặt phẳng laser so với mặt ngang là 20 mm).

iii


MỤC LỤC
Trang tựa.......................................................................................................... i
Lời cảm ơn ....................................................................................................... ii
Tóm tắt ............................................................................................................. iii
Mục lục ............................................................................................................ iv
Chương 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................... 1
1.2. Mục đích đề tài .................................................................................. 1
Chương 2: TỔNG QUAN ............................................................................... 2
2.1. Sơ lược về hệ thống san phẳng mặt đồng .......................................... 2
2.1.1. Sơ lược về thiết bị phát laser .................................................. 3
2.2. Tìm hiểu về tia laser .......................................................................... 5
2.2.1. Giới thiệu và phân loại ........................................................... 5
2.2.2 Mức an toàn của laser .............................................................. 6

2.2.3 Ứng dụng của laser .................................................................. 8
2.3. Sơ lược về vi điều khiển PIC 16F877A............................................ 8
2.3.1 Giới thiệu ................................................................................. 8
2.3.2. Chức năng các chân của PIC 16F877A. ................................. 9
2.4. Sơ lượt về bộ truyền vít me – đai ốc ................................................. 11
2.4.1 Công dụng và phân loại ............................................................ 11
2.4.2. Thông số hình học ................................................................... 13
2.5. Động cơ bước .................................................................................... 14
2.5.1. Sơ lược về động cơ bước ......................................................... 14
2.5.2. Cấu tạo động cơ bước .............................................................. 14
2.5.3. Hoạt động ................................................................................ 14
2.5.4. Ứng dụng ................................................................................. 15
2.6. Động cơ DC ........................................................................................ 16
iv


2.6.1. Giới thiệu động cơ DC ........................................................... 16
2.6.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động............................................ 16
2.7. Giới thiệu phần mềm lập trình vi điều khiển CCS ............................ 17
Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................... 18
3.1. Nội dung ........................................................................................... 18
3.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 18
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN....................................................... 19
4.1. Thiết kế phần cơ khí .......................................................................... 19
4.1.1 Cấu tạo thiết bị phát mặt phẳng laser ..................................... 19
4.1.2. Xác định số bậc tự do và phân tích chuyển động của cơ cấu .. 20
4.2 Tính toán thiết kế khung ..................................................................... 22
4.2.2. Thiết kế tấm đỡ ........................................................................ 24
4.2.3. Thiết kế cơ cấu cân bằng ......................................................... 24
4.2.4. Thiết kế bộ phận phát Laser .................................................... 25

4.2.5. Kết quả chế tạo ........................................................................ 27
4.3. Mạch điều khiển ............................................................................... 28
4.3.1 Sơ đồ khối ................................................................................ 28
4.4. Chương trình điều khiển .................................................................... 32
4.4.1. Sơ đồ điều khiển ...................................................................... 32
4.4.2. Lưu đồ giải thuật của chương trình điều khiển máy phát laser 33
4.5.Kết quả khảo nghiệm sơ bộ. ............................................................... 34
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................... 36
5.1. Kết luận ............................................................................................ 36
5.2. Đề nghị ............................................................................................ 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 37
Phụ lục 1. Bảng số liệu thực nghiệm ...................................................... 39
Phụ lục 2. Code cho Pic 16F877A …………………………………….42

v


DANH SÁCH CÁC HÌNH
TRANG

HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống san phẳng bằng laser ....................... 2
Hình 2.2: Hệ thống san phẳng thực tế ....................................................... 3
Hình 2.3: Cấu tạo thiết bị phát laser .......................................................... 4
Hình 2.4: Đầu phát tia laser ....................................................................... 5
Hình 2.5: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC 16F877A.................................... 9
Hình 2.6: Bộ truyền vít me – đai ốc .......................................................... 11
Hình 2.7: Mối ren ...................................................................................... 12
Hình 2.8: Biên dạng ren được sử dụng trong bộ truyền vít me-đai ốc ...... 13

Hình 2.9: Cấu tạo động cơ bước ................................................................ 14
Hình 2.10: Sơ đồ hoạt động của động cơ bước ......................................... 15
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước ................................................ 15
Hình 2.12: Cấu tạo động cơ DC ................................................................ 17
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị phát laser ............................................ 20
Hình 4.2: Lượt đồ động cơ cấu chấp hành ................................................ 22
Hình 4.3: Khung ........................................................................................ 24
Hình 4.4: Tấm đỡ....................................................................................... 25
Hình 4.5: Cơ cấu cân bằng ........................................................................ 26
Hình 4.6: Bộ phận phát laser ..................................................................... 27
Hình 4.7: Thiết kế cơ khí thiết bị phát mặt phẳng laser ............................ 28
Hình 4.8: Sơ đồ hệ thống điện ................................................................... 29
Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn .................................................... 29
Hình 4.10: Cảm biến SDS-139-1280......................................................... 31
Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ........................................... 32
Hình 4.12: Sơ đồ điều khiển thiết bị phát laser ......................................... 33
Hình 4.13: Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển thiết bị phát laser . 34
Hình 4.14: Sơ đồ bố trí thực nghiệm ......................................................... 36
vi


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề

Hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng bằng tia laser được áp dụng để san phẳng
mặt đồng sau khi thu hoạch, hiện nay hệ thống này đã được áp dụng thành công ở một số
nơi như Long An, Bạc Liêu, An Giang, Lâm Đồng, đem lại hiệu quả kinh tế cho người

dân, giúp đỡ tốn thời gian, công sức cho việc gieo trồng, tưới tiêu và canh tác, đặc biệt là
khâu san phẳng mặt đồng trước khi gieo trồng.
Tuy nhiên phần lớn thiết bị là mua từ nước ngoài, đồng thời việc bảo trì, sửa chửa
khó khăn, do đó để góp phần phát triển và nội địa hóa hệ thống, dưới sự phân công của
giáo viên hướng dẫn chúng em đã tiến hành thực hiện khóa luận “Thiết kế, chế tạo thiết
bị phát mặt phẳng Laser trong hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng”.
1.2.
-

Mục đích đề tài:

Thiết kế, chế tạo thiết bị phát mặt phẳng laser, nhằm để phát ra mặt phẳng laser
cung cấp tín hiệu cho thiết bị nhận và điều khiển mô hình san phẳng mặt đồng,
góp phần phát triển kỹ thuật và từng bước thay thế thiết bị ngoại nhập.

-

Ứng dụng những kiến thức đã học trong ngành cơ điện tử vào thực tế và công việc
sau này.

1


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1.

Sơ lược hệ thống san phẳng mặt đồng.
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống san phẳng laser được thể hiện như hình 2.1 và hệ

thống thực được thể hiện như hình 2.2

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống san phẳng bằng laser
1) Máy kéo

2) Thiết bị điều khiển

3) Gàu san

4) Thiết bị nhận laser

5) Thiết bị phát laser
Nguyên lý hoạt động của hệ thống san phẳng như sau:
Thiết bị phát laser (5) được đặc trên giá đỡ, phát ra tia laser và tạo thành một mặt
phẳng laser cố định song song với phương ngang. Thiết bị nhận tín hiệu laser (4) lắp cố
định trên cụm gàu san (3) sẽ xác định vị trí tương đối của gàu san so với mặt phẳng laser
khi hai bánh xe mang gàu san lên vùng đất cao hay xuống vùng đất trũng rồi truyền tín
hiệu về thiết bị điều khiển (2), sau khi xử lý, tín hiệu được truyền tới hộp phân phối thủy
2


lực để kích đóng hoặc mở các vị trí của van thủy lực lúc này dầu được đưa từ bơm qua
các đường ống dẫn đến điều khiển cơ cấu chấp hành (xi lanh thủy lực). Dầu trả về thùng
được làm mát qua bộ phận làm mát dầu, nghĩa là khi máy kéo (1) chạy, cụm gàu san lên
vùng đất cao thì thiết bị phận điều khiển sẽ điều khiển cho xi lanh thủy lực đi xuống làm
hạ gàu san để lấy đất, khi cụm gàu san xuống vùng đất thấp thì điều khiển cho xi lanh
thủy lực đẩy lên, gàu san được nâng lên để thả đất. Gàu san được nâng lên hoặc hạ xuống
sao cho vạch chuẩn trên thiết bị nhận (được cài đặc sẵn) luôn nằm trên mặt phẳng laser.

Hình 2.2: Hệ thống san phẳng thực tế

1) Gàu san

2) Thiết bị phát laser

3) Thiết bị nhận laser

4) Thiết bị điều khiển

5) Máy kéo
2.1.1. Sơ lược về thiết bị phát laser:
Thiết bị phát laser được gắn trên giá đỡ, phát chùm tia laser tỏa ra xung quanh tạo
thành một mặt phẳng laser song song với mặt phẳng nằm ngang có bán kính khoảng
400m, tốc độ quay của đèn phát laser có thể điều chỉnh được từ 300-600 (vòng/phút), đưa
3


tín hiệu đến thiết bị nhận laser lắp trên cụm gàu san. Sai lệch trong phạm vi hoạt động
100m là ± 10 mm và có thể điều chỉnh mặt phẳng laser nằm song song hoặc nghiêng so
với mặt phẳng nằm ngang.
Thiết bị phát laser phải được đặt tại chổ bằng phẳng, ít người qua lại để tia laser không bị
che khuất (tốt nhất là cao hơn đầu người).

Hình 2.3 Cấu tạo thiết bị phát laser
1. Đèn phát tia laser

5, 10. Nút vặn điều chỉnh sự cân bằng của máy

2. Nút tắt/mở máy

6. Đèn báo pin

3. Nút thay đổi chế độ máy

7. Tay cầm máy

(phát tia laser phẳng hoặt nghiêng)

9. Đèn báo máy đã được cân bằng

4. Đèn báo máy không cân bằng

11. Chân máy

Cách điều khiển:
Khi mở máy, ấn nút (2) chờ khoảng 5 giây, nếu khi thấy đèn (4) báo nghĩa là máy
chưa cân bằng, vặn nút điều chỉnh (5) theo chiều mũi tên của đèn (4). Tương tự nếu thấy
đèn (8) báo thì ta vặn nút điều chỉnh (10) theo chiều mũi tên của đèn (8) cho đến khi đèn
(9) bật sáng lúc đó máy đã cân bằng và đèn phát (1) sẽ quay và phát ra tia laser. Nếu bấm
vào nút (3) thì máy phát sẽ phát tia laser nghiêng so với mặt phẳng ngang.
4


2.2. Tìm hiểu về tia laser
2.2.1. Giới thiệu và phân loại
+ Giới thiệu:
Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation trong tiếng anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích,
electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử, các mức năng
lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt
nhân, electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong,

khi có sự tác động vật lí hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy
từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại. Các quá trình này có thể
sinh ra hay hấp thụ các tia sáng (photon) theo giả thuyết của Albert Einstein. Bước
sóng (do đó màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức.

Hình 2.4: Đầu phát tia laser
+ Phân loại:
Người ta phân loai laser dựa vào trang thái vật lí của các chất dùng làm môi trường hoạt
chất laser gồm: laser chất rắn, laser chất lỏng, laser chất khí.
- Laser chất rắn.
Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser. Một số loại
laser chất rắn thông dụng:

5


 Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion chrom, có
bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng.
 Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 890nm thuộc
phổ hồng ngoại gần.
 YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2%-5%
Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Có thể phát liên tục tới
100W hoặc phát xung với tần số 1000Hz-10000Hz.
- Laser chất khí:
 He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng
đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW. Trong y học
được sử dụng làm laser nội mạch, kích thích mạch máu.
 Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5nm.
 CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới
megawatt (MW). Trong y học ứng dụng làm dao mổ.

- Laser chất lỏng:
Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu.
2.2.2. Mức an toàn của laser
Laser với cường độ thấp, chỉ là vài miliwatt, cũng có thể nguy hiểm với mắt
người, tại bước sóng mà giác mạc mắt và thủy tinh thể có thể tập trung tốt, nhờ tính đồng
nhất và sự định hướng cao của laser, một công suất năng lượng lớn có thể tập trung vào
một điểm cực nhỏ trên võng mắt, kết quả là một vết cháy tập trung phá hủy các tế bào mắt
vĩnh viễn trong vài giây, thậm chí có thể nhanh hơn. Độ an toàn của laser được xếp từ I
đến IV.
o

Laser loại I được xem là an toàn, dựa trên những hiểu biết hiện nay, dưới bất kì

điều kiện phơi sáng nào vốn có trong thiết kế của sản phẩm. Các dụng cụ công suất nguồn
thấp (0,4 mW tại bước sóng khả kiến) sử dụng laser thuộc loại này bao gồm các máy in
laser, máy hát đĩa CD, và thiết bị trắc địa, và chúng không được phép phát ra các mức bức
xạ quang trên giới hạn phơi sáng đối với mắt. Một laser rủi ro hơn có thể được bao bên
6


trong một sản phẩm laser loại I, nhưng không có bất kì bức xạ nguy hiểm nào được phép
thoát ra ngoài trong khi hoạt động hoặc duy trì. Không có yêu cầu an toàn nào được ghi rõ
khi sử dụng loại laser này.
o

Loại IA là thiết kế chuyên dụng cho các laser không có khuynh hướng nhìn, ví dụ

như máy quét laser mã vạch ở siêu thị. Được phép có công suất cao hơn laser loại I
(không quá 4 mW), nhưng không được vượt quá giới hạn loại I trong khoảng thời gian
phát xạ hơn quá 1000 giây.

o

Loại II là các laser công suất thấp phải phát ra một chùm tia nhìn thấy. Độ sáng

của chùm tia dựa trên cơ sở ngăn cản việc nhìn chằm chằm vào chùm tia trong một thời
gian đủ lâu để làm cho mắt bị hỏng. Những laser này bị giới hạn công suất phát dưới
1mW, thấp hơn độ phơi sáng lớn nhất được phép đối với sự phơi sáng nhất thời 0, 25 giây
hoặc ít hơn. Phản ứng khó chịu tự nhiên đối với ánh sáng khả kiến có độ sáng này giúp
bảo vệ mắt khỏi bị phá hủy, nhưng bất cứ sự cố ý nhìn quá thời gian nào cũng sẽ đều dẫn
tới hỏng mắt. Một số ví dụ laser thuộc loại này là các laser thuyết trình dùng trong lớp
học, các con trỏ laser, và những dụng cụ đo xa.
o

Laser loại IIIA là những dụng cụ phát sóng liên tục công suất trung bình (1-5

mW), có ứng dụng tương tự như laser loại II, gồm các máy quét laser và con trỏ laser.
Chúng được xem an toàn khi nhìn trong chốc lát (dưới 0, 25 giây), nhưng không nên nhìn
trực diện hoặc nhìn qua bất kì dụng cụ quang phóng đại nào.
o

Laser loại IIIB có công suất trung bình (sóng liên tục 5Mw - 500 mW, hoặc 10

J/cm2 trong laser xung), và không an toàn khi nhìn trực diện hoặc nhìn qua sự phản xạ
phản chiếu. Những đo đạc an toàn đặc biệt được khuyến nghị trong tiêu chuẩn điều khiển
sự rủi ro của laser thuộc loại này.
Ví dụ: ứng dụng của laser thuộc loại này là quang phổ kế, kính hiển vi đồng tiêu và các sô
diễn ánh sáng giải trí.
o

Laser loại IV phát ra công suất cao, vượt quá giới hạn dành cho dụng cụ IIIB, và

yêu cầu phải điều khiển nghiêm ngặt để loại trừ nguy hiểm trong lúc sử dụng chúng, cả
chùm tia trực tiếp lẫn chùm tia phản xạ khuếch tán từ laser loại này đều làm hỏng mắt và
da, và có khả năng gây cháy tùy thuộc vào chất liệu mà chúng chạm tới. Đa số tổn thương
7


cho mắt vì laser là do sự phản xạ của ánh sáng laser loại IV, và vì vậy mọi bề mặt phản xạ
phải giữ ra xa chùm tia và phải đeo kính bảo vệ mắt thích hợp mọi lúc khi làm việc với
các laser này. Laser thuộc loại này được dùng cho phẫu thuật, cắt, khoan, vi gia công cắt
gọt, và hàn.
Ứng dụng của Laser
- Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh
doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sáng cực kì cao,
hay sự hợp nhất của các yếu tố trên.
- Ví dụ: máy đo khoảng cách bằng laser trong quân sự là loại thiết bị quan trọng.
Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly xe tăng, máy đo cự ly
xách tay v.v...Máy đo cự ly hàng không đo chính xác cự ly từ máy bay đến mục tiêu trên
mặt đất, nâng cao độ trúng đích khi ném bom. Nguyên lý hoạt động: đo khoảng thời gian
chênh lệch giữa xung laser phát ra và xung phản hồi về rồi nhân với tốc độ ánh sáng
(300.000km/s), lấy kết quả chia 2, được cự ly cần đo. Rada laser có độ chính xác cao hơn
rada thông thường, có thể hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối chính xác trên không gian.
Máy bay chiến đấu bay ở tầm siêu thấp, nếu trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả
chướng ngại vật, kể cả đường dây điện. Tuy nhiên, những thiết bị laser đều chịu ảnh
hưởng của thời tiết, trời mù hoặc mưa thì khoảng cách đo bị giảm đi nhiều.
2.3. Sơ lược về vi điều khiển Pic 16F877A
2.3.1. Giới thiệu


PIC là viết tắt của “programable intelligent computer“ tạm dịch là máy tính thông

minh khả trình do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ.


PIC 16F877A là dòng Pic phổ biến, có đầy đủ tính năng của một vi điều khiển hoạt

động độc lập, có số lượng tài liệu và ứng dụng nhiều. Cấu trúc tổng quát của PIC
16F877A như sau :
-

8K Flash ROM.

-

256 Bytes EEPROM.

-

368 Bytes RAM.
8


-

2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Tamer 2).

-

Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng

lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài.
-

2 bộ CCP (Capture / Compare / PWM).

-

1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào.

-

2 bộ so sánh tương tự (Compartor).

-

1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer).

-

Có chế độ tiết kiệm năng lượng.

Hình 2.5: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC 16F877A

2.3.2. Chức năng các chân của PIC 16F877A.
Chân MCLR/Vpp (1) có 2 chức năng:
MCLR: ngõ vào reset tích cực ở mức thấp
Vpp: ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lập trình cho PIC
9



Chân RA0/ AN0 (2), RA1/ AN1 (3), RA2/ AN2 (4)

RA0, 1, 2 xuất/ nhập số.
AN0, 1, 2 ngõ vào tương tự của kênh thứ 0, 1, 2.


Chân RA2/ AN2/ VREF-/ VRCEF+ (4): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự của kênh

thứ 2/ ngõ vào điện áp chuẩn thấp của bộ AD/ ngõ vào điện áp chuẩn cao của bộ AD


Chân RA3/AN3/VREF+ (5): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 3/ ngõ vào điện

áp chuẩn (cao) của bộ AD.


Chân RA4/ TOCK1/ C1OUT (6): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài cho

Timer 0/ ngõ ra bộ so sánh 1.


Chân RA5/ AN4/ SS/ C2OUT (7): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 4/ ngõ vào

chọn lựa SPI phụ/ ngõ ra bộ so sánh 2.


Chân RB0/ INT (33): xuất nhập số/ ngõ vào tín hiệu ngắt ngoài.



Chân RB1 (34), RB2 (35): xuất nhập số.



Chân RB3/ PGM (36): xuất nhập số/ cho phép lập trình điện áp thấp ICSP.



Chân RB4 (37), RB5 (38): xuất nhập số.



Chân RB6/ PGC (39): xuất nhập số/ mạch gỡ rối vào xung clock lập trình ICSP



Chân RB7/ PGD (40): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP.



Chân RC0/ T1OCO/ T1CKI (15): xuất nhập số/ ngõ vào bộ giao động Timer 1/

ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1.


Chân RC1/ T1OSI/ CCP2 (16): xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer

1/ ngõ vào Capture 2, ngõ ra compare 2, ngõ ra PWM2.



Chân RC2/ CCP1 (17): xuất nhập số/ ngõ vào Capture1, ngõ ra compare1, ngõ ra

PWM1.


Chân RC3/ SCK/ SCL (18): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock nối tiếp

đồng bộ, ngõ ra chế độ SPI/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra của chế độ I2C.


Chân RC4/ SDI/ SDA (23): xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI/ xuất nhập dữ

liệuI2C.


Chân RC5/ SDO (24): xuất nhập số/ dữ liệu ra SPI.
10




Chân RC6/ TX/ CK (25): xuất nhập số/ truyền bất đồng bộ USART/ xung đồng bộ

USART.


Chân RD0-7/ PSP0-7 (19-30): xuất nhập số/ dữ liệu port song song.

Chân RE0/ AN5 (8): xuất nhập số/ điều khiển port song song/ ngõ vào tương
tự 5.
Chân RE1/AN6 (9): xuất nhập số/ điều khiển ghi port song song/ ngõvào tương
tự kênh thứ 6.
Chân RE2/AN7 (10): xuất nhấp số/ chân chọn lựa điều khiển port song song /
ngõ vào tương tự kênh thứ 7.


Chân VDD (11, 32) và VSS (12, 31): là các chân nguồn của PIC.

2.4. Sơ lược về bộ truyền Vít Me-Đai Ốc.

Hình 2.6: Bộ truyền vít me – đai ốc

2.4.1. Công dụng và phân loại:


Bộ truyền vít me-đai ốc làm việc trên nguyên lý ăn khớp của cặp ren (giữa ren

trong trên đai ốc và ren ngoài trên vít me) để biến đổi chuyển động quay thành tịnh tiến.


Tùy theo tính chất tiếp xúc của cặp ren mà ta có thể chia bộ truyền thành hai loại:

ma sát trược và ma sát lăn.
11


Ưu điểm: kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, khả năng tải lớn, độ tin cậy cao, làm việc êm
và không ồn, lợi nhiều về lực, có thể chuyển động chậm với độ chính xác cao.

Nhược điểm: do ma sát lớn nên ren mòn nhanh, hiệu suất thấp.
Bộ truyền có tỉ số truyền cao và có thể tự hãm, do đó bộ truyền được sử dụng để truyền
tải trọng: trong con đội, tay máy nâng với hệ thống truyền động cơ điện, máy ép vít trong
các cơ cấu điều khiển, bàn dao, bàn máy, trong các cơ cấu truyền động cho người máy ….
Hoặc sử dụng để truyền chuyển động trong các cơ cấu hiệu chỉnh của dụng cụ đo
Trong một vài trường hợp người ta sử dụng bộ truyền để biến đổi chuyển động tịnh tiến
thành chuyển động quay (khoan tay, vít …), tuy nhiên, điều này chỉ có thể thực hiện được
nếu như góc nâng ren vít lớn hơn góc ma sát, hiện tượng tự hãm trong trường hợp này
không xãy ra.


Theo một số mối ren ta phân ra thành ren một mối, hai mối, ba mối ….. , số mối

ren càng lớn thì hiệu suất càng cao. Số mối ren tương ứng với số vết cắt trong mặt cắt
vuông góc với trục vít.

Hình 2.7: Mối ren
a) ren một mối

b) ren hai mối

c) ren ba mối

Trong bộ truyền động vít đai ốc với ma sát trượt người ta sử dụng ren vuông, hình thang
cân, trong trường hợp hướng lực dọc trục cố định người ta sử dụng ren hình răng cưa
(hình thang không cân hoặc ren đở).
12


2.4.2. Thông số hình học:

Hình 2.8: Biên dạng ren được sử dụng trong bộ truyền vít me-đai ốc
a) ren vuông

b) ren hình thang

Các thông số hình học chủ yếu:
- Đường kính ngoài d
- Đường kính trong d1
- Đường kính trung bình d2
- Chiều cao biến dạng h
- Bước ren p3
Đối với ren vuông:
h = 0,1d2
d = d2+h
d1 = d2-h
p3 = 2h
Góc nâng ren vít tê ta được xác định theo công thức:
Tg (tê ta) =z1p3/ (pi d2)
Với
Pz1 = z1 p3: là bước xoắn ốc vít
Z1: số mối ren vít
Nếu theo yêu cầu chọn bộ tự hãm thì ta chọn ren một mối.
13

c) ren hình răng cưa


2.5. Động cơ bước.
2.5.1. Sơ lược về động cơ bước.



Động cơ bước là loại động cơ điện có nguyên lý hoạt động và ứng dụng khác biệt

với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng
để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các
chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto có khả năng cố định roto vào vị trí
cần thiết.
2.5.2. Cấu tạo động cơ bước.
-

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ:

+ Động cơ một chiều không tiếp xúc
+ Động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Hình 2.9: cấu tạo động cơ bước.

2.5.3. Hoạt động:
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên
có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện
tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định, tổng số góc
quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của
roto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.

14


Hình 2.10: Sơ đồ hoạt động của động cơ bước

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước
2.5.4. Ứng dụng


Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành

đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện được chính xác các lệnh đưa ra dưới dạng số.


Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Cơ điện tử và Tự động hóa,

chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác.Ví dụ: điều khiển robot,
15


điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điều
khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị
gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay …


Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ

đĩa mềm, máy in ….
2.6. Động cơ DC
2.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
2.6.1.1. Giới thiệu động cơ DC


Một motor điện chuyển đổi năng lượng thành cơ năng, motor điện thì đa dạng về

kích thước và chủng loại nhưng tổng quát thì có hai loại chính là motor AC và motor DC.
Từ hai loại này biến hóa thành nhiều loại khác nhau phù hợp với yêu cầu sử dụng đa dạng
của cuộc sống.


Động cơ điện một chiều hay còn gọi là động cơ DC được sử dụng rộng rãi trong

các hệ thống truyền động cần thay đổi tốc độ, yêu cầu dãy điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc
độ cao và các hệ thường xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm,và đảo chiều. Một số
ứng dụng quan trọng của động cơ một chiều như: truyền động cho xe điện, máy công cụ,
máy nâng vận chuyển, máy cán, máy nghiền ( trong công nghiệp giấy ) …
2.6.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
+ Động cơ DC gồm hai phần chính: phần cảm và phần ứng.
-

Phần cảm: tạo ra từ trường một chiều, từ trường một chiều này có thể tạo ra bằng

Stator loại nam châm vĩnh cữu (cuộn cảm hoặc cuộn kích từ).
-

Phần ứng: là cuộn dây có dòng điện chạy qua đặc trong từ trường của phần cảm

-

Ngoài ra còn có cổ góp (chuyển mạch), chổi than (chổi quét chuyển mạch). Mỗi

chổi than qua cổ góp và cuộn dây phần ứng tạo thành mạch kín cho dòng điện chạy qua,
dòng điện tao ra từ trường một chiều trong cuộn dây phần ứng, từ trường này tương tác
với từ trường do nam châm tạo ra làm xuất hiện Moment xoắn, khi Moment xoắn này lớn
hơn sức cản cơ học thì động cơ quay.

16


Hình 2.12: Cấu tạo động cơ DC
+ Hạn chế của động cơ DC là phải thay đổi cổ góp và chổi than định kỳ do bị mài mòn
vì ma sát.
2.7. Giới thiệu phần mềm lập trình vi điều khiển CCS.
CCS là trình biên dịch lập trình cho ngôn ngữ C cho vi điều khiển PIC của hãng
Microchip. Chương trình là sự tích hợp của 3 trình biên dịch riêng biệt cho 3 dòng PIC
khác nhau là:
-

PCB cho dòng PIC 12-bit opcodes

-

PCM cho dòng PIC 14-bit opcodes

-

MCH cho dòng PIC 16 và 18 – bit

Tất cả trình biên dịch này được tích hợp lại vào trong một chương trình bao gồm
cả trình soạn thảo và trình biên dịch CCS
Giống như nhiều trình biên dịch C khác cho PIC, CCS giúp cho người sử dụng
nắm bắt nhanh được vi điều khiển PIC và sử dụng PIC trong các dự án, các chương trình
điều khiển sẽ được thực hiện nhanh chóng và đạt hiệu quả cao thông qua việc sử dụng
ngôn ngữ lập trình cao cấp C.

17


Chương 3
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Nội dung
Khảo sát, phân tích thiết bị phát laser TOPCON (ngoại nhập) và tìm hiểu nguyên lý
hoạt động làm cơ sở thiết kế.
Thiết kế, chế tạo thiết bị phát mặt phẳng laser trong hệ thống điều khiển san phẳng
mặt đồng.
3.2. Phương pháp thực hiện
Các bước thực hiện:
- Tìm hiểu hoạt động của thiết bị phát mặt phẳng Laser thực tế như máy phát TOPCON
- Nghiên cứu các loại cảm biến cân bằng: cảm biến góc nghiêng SDS-139-1280.
- Từ các thiết bị đã và đang được sử dụng trong nước ta hiện nay, phân tích đánh giá ưu
nhược điểm để đưa ra bảng thiết kế chế tạo.
- Mạch điện được thiết kế bằng phần mềm Orcad 9.2, đây là phần mềm chuyên dùng để
thiết kế mạch nguyên lý, mạch in.
- Thiết bị phát laser sử dụng PIC 16F877A để điều khiển, lập trình cho PIC 16F877A
bằng phần mềm CCS.
Nạp chương trình cho vi điều khiển bằng phần mềm Pickit 2.

18