NGHIÊN CỨU BỘ PHẬN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG SAN PHẲNG MẶT ĐỒNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT LASER

NGHIÊN CỨU BỘ PHẬN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG SAN
PHẲNG MẶT ĐỒNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT LASER

Tác giả

NGUYỄN HOÀI TÂM
NGUYỄN HÙNG SƠN

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ Sư ngành
Cơ điện tử

Giáo viên hướng dẫn
Th.S TRẦN THỊ KIM NGÀ
PGS.TS NGUYỄN VĂN HÙNG

Tháng 06 năm 2013
1


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở trường Đại Học Nông Lâm và quý thầy
cô ở khoa Cơ Khí Công Nghệ đã tận tình dạy dỗ và trang bị cho em những kiến thức
quý báo cũng như đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường.
Em xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã nhiệt tình giúp đỡ em
trong suốt thời gian học tập cũng như thời gian thực hiện đề tài .
Em cũng xin cảm ơn thầy Nguyễn Văn Hùng và cô Trần Thị Kim Ngà đã tận tình
hướng dẫn em thực hiện đề tài.
Em xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã dành thời gian nhận xét và góp ý
để cho đề tài được tốt hơn.
Em xin cảm ơn gia đình, người thân,bạn bè của em đã ủng hộ và tạo điều kiện
thuận lợi cho em hoàn thành đề tài.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013
Sinh viên thực hiện
NGUYỄN HOÀI TÂM – NGUYỄN HÙNG SƠN

2


TÓM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu bộ phận điều khiển trong hệ thống san phẳng mặt đồng
ứng dụng kỹ thuật laser”
Thời gian thực hiện : từ tháng 2 đến tháng 6.
Địa điểm thực hiện: Phòng bộ môn Cơ điện tử trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ
Chí Minh.
Đã thực hiện các nội dung chính sau:
-

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hộp điều khiển thực tế từ đó đưa ra phương

-

án thết kế, chế tạo hộp điều khiển của đề tài.
Đã chế tạo hộp điều khiển với các chức năng cơ bản của hộp điều khiển thực

-

tế.
Tín hiệu điều 12V để điều khiển van khí nén 5/3.

3

MỤC LỤC

4


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
IRRI

International Rice Research Institute

CAEM

Center for Agricultural Energy and
Machinery
Programmable Intelligent computer

PIC

5


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

6

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Chức năng các chân của cáp 7 chân………………………………………...8
Bảng 4.1: Nguyên lý điều khiển ở chế độ Auto………………………………………22
Bảng 4.2: Bảng số liệu khảo sát tín hiệu ra của bộ điều khiển……………………….32

7


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Hệ thống san phẳng mặt đồng điều khiển bằng tia laser đã được viện nghiên cứu
lúa quốc tế (IRRI) chuyển giao kỹ thuật sử dụng cho Trung Tâm Năng Lượng và Máy
Nông Nghiệp (CAEM), Trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM từ năm 2005. Đến nay,
hệ thống đã được triển khai ứng dụng khá thành công về kỹ thuật và hiệu quả phổ
biến. Qua quá trình sử dụng và chuyển giao kỹ thuật, tuy hệ thống làm việc rất ổn định
nhưng muốn phát triển rộng rãi ở Việt Nam và một số nước đang phát triển thì cần
phải hạ giá thành đầu tư và chi phí bảo trì, sửa chửa. Vì lẽ đó, chúng tôi được sự phân
công của thầy trưởng bộ môn thực hiện đề tài “ Nghiên cứu bộ phận điều khiển
trong hệ thống san phẳng mặt đồng ứng dụng kỹ thuật laser” để có thể ứng dụng
nghiên cứu của mình nhằm nội địa hóa một số thiết bị của hệ thống, nhằm giảm giá
thành sử dụng.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hộp điều khiển của hệ thống san phẳng laser để xử
lý tín hiệu và điều khiển cơ cấu chấp hành của hệ thống san phẳng laser.

Góp phần vào việc từng bước nội địa hóa một số thiết bị của hệ thống san phẳng
laser.
1.3. Mục tiêu cụ thể
Chế tạo hộp điều khiển để điều khiển mô hình máy san phẳng tại phòng bộ môn
Cơ Điện Tử.

8


Chương 2

TỔNG QUAN
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống san phẳng mặt đồng điều khiển bằng kỹ thuật laser
được thể hiện trên hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống san phẳng laser
1: Thiết bị phát laser 2: Xylanh thủy lực
4: Cụm gàu san

5: Hộp phân phối thủy lực

6: Hộp điều khiển

7: Máy kéo

3: Thiết bị nhận tín hiệu laser

Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau:
Thiết bị phát laser (1) được đặt trên giá đỡ, phát ra tia laser và tạo thành một mặt

phẳng song song với mặt phẳng nằm ngang. Thiết bị phát nên đặt ở nơi có ít người qua
lại và cao hơn đầu người để tránh tia laser bị chặn lại gây gián đoạn qua trình san
phẳng. Thiết bị nhận tín hiệu laser (3) được lắp cố định trên cụm gàu san (4) có nhiệm
vụ nhận tín hiệu laser phát ra từ thiết bị phát (1) và xác định vị trí tương đối của cụm
gàu san (4) so với mặt phẳng laser khi hai bánh xe mang cụn gàu san lên vùng đất cao
hay xuống vùng đất trũng, rồi truyền tín hiệu đó về cho hộp điều khiển (6) xử lý. Sau
khi xử lý, tín hiệu được truyền tới hộp phân phối thủy lực (5) để kích đóng hoặc mở
các vị trí của van thủy lực để nâng hoặc hạ xylanh thủy lực (2). Nghĩa là khi cụm gàu
san lên vùng đất cao thì hộp điều khiển sẽ điều khiển cho xylanh thủy lực hạ xuống để
9


lấy đất, còn khi cụm gàu san xuống vùng đất trũng thì hộp điều khiển sẽ điều khiển
cho xylanh thủy lực nâng lên để thả đất. Gàu san nâng lên hay hạ xuống sao cho vạch
chuẩn trên thiết bị nhận luôn trùng với mặt phẳng laser.

Hình 2.2: Hệ thống san phẳng thực tế
2.2. Tìm hiểu sơ bộ về hộp điều khiển CB40
Nhận tín hiệu truyền tới từ thiết nhận laser, xử lý tín hiệu, nhận biết vị trí của gàu
san trên mặt đồng. Khi hộp điều khiển cài đặt ở chế độ tự động, nó sẽ cung cấp tín
hiệu ra là dòng điện một chiều DC để điều khiển đóng – mở cụm van thủy lực để xy
lanh nâng – hạ gàu san ở các vị trí mong muốn. Hộp điều khiển được đặt trên máy kéo
cạnh người điều khiển để điều khiển bằng tay khi cần thiết. Trên hộp điều khiển có
công tắc ON/OFF, chế độ tự động, chế độ bằng tay, chế độ nhanh, chậm cho phép
người điều khiển có thể tăng hay giảm tốc độ nâng hạ của gàu san.

10


Hình 2.3: Hộp điều khiển CB40

















Các thông số chính
Kích thước: 178mm x 134mm x 120mm
Khối lượng: 2.25kg
Điện áp hoạt động: 10VDC-30VDC, có bảo vệ phân cực ngược
Dòng điện tối đa: 5A
Đèn báo mức cao / thấp: đèn đỏ
Đèn báo mức giữa: đèn xanh
Công tắc nâng / hạ gàu
Công tắc Manual / Auto
Nhiệt độ hoạt định: -20°C → +60°C
Cáp 6 chân kết nối CB40 với LR40
Cáp 4 chân kết nối với nguồn
Cáp 10 chân kết nối với van thủy lực

Mặt trước hộp điều khiển

11


Hình 2.4: Mặt trước hộp điều khiển
1: Đèn hiển thị mức
2: Công tắc ON/OFF
3: Đèn báo nguồn
4: Công tắc Manual / Auto
5: Đèn báo Auto
6: Đèn báo Manual
7: Công tắc nâng hạ bằng tay
8: Ốc mở hộp chuyển đổi
9: Hộp chuyển đổi



Mặt sau hộp điều khiển

12


Hình 2.5: Mặt sau hộp điều khiển
17: Cáp 6 chân kết nối với bộ nhận LR40
18: Cáp 7 chân kết nối với bộ chuyển đổi từ xa
19: Cáp 10 chân kết nối với van thủy lực
20: Cáp 4 chân kết nối với nguồn vào
21: Số Serial
22: Nút gắn khung


Cách kết nối với các phần khác

Cáp thu kết nối hộp điều khiển CB40 với thiết bị nhận LR40

Hình 2.6: Cáp thu
A :Màu đỏ: Nguồn
B :Màu xanh
C :Màu Trắng
D :Màu Đen : nối đất
E : không sử dụng

A :Màu đỏ : nguồn
B : Không sử dụng
C : Màu xanh
D : Màu trắng
E : Không sử dụng
13


F : không sử dụng
Cáp nguồn



F : Màu đen nối đất

Hình 2.7: Cáp nguồn
A : Màu đen : nối đất
B : Màu trắng : nối đất

C : Màu đỏ : nối nguồn
D : màu xanh : nối nguồn

Cáp tín hiệu

Hình 2.8: Cáp tín hiệu
A : Màu đen : hạ gàu
B : Màu trắng : nâng gàu
C : Màu đỏ : tùy chọn
D : Màu cam : không sử dụng
E : Màu trắng : không sử dụng
F
G
14


H
I : Màu đen : nối đất
J: Màu trắng : nối đất


Cáp kết nối chuyển đổi từ xa
Chức năng

Cáp 7 chân

Màu dây

Auto/Manual

a

Màu cam

Raise/Lower
Auxiliary remote 0
Auxiliary remote 1

b
c
d

Màu xanh
N/C
N/C

N/C

e

N/C

Remote switch power
Remote switch ground

f
g

Màu đỏ
Màu trắng

Bảng 2.1: Chức năng các chân của cáp 7 chân



Sơ đồ tổng thể các kết nối của hộp điều khiển CB40 tới các bộ phận khác

15


Hình 2.9: Các kết nối của hộp điều khiển CB40 tới các bộ phận khác


Đèn báo

Hình 2.10: Đèn báo
-

Mỗi hàng led sẽ có 1 con số cụ thể, các số được thể hiện trên hình 2.10. Nhiều
hàng của led có thể hoạt động cùng một lúc thì giá trị sẽ được cộng vào với nhau,
và có thể hiện từ 1-31.
16


-

Để thay đổi giá trị của các led hiển thị ta dùng công tắc Auto / Manual. Bật lên
(Auto) để tăng giá trị, bật xuống (Manual) để giảm giá trị.

Hình 2.11: Công tắc Auto / Manual

2.3. Sơ lược về các phần tử dùng trong hộp điều khiển
2.3.1. Vi điều khiển PIC 16F877A
-

PIC là tên viết tắt của “Programmable Intelligent computer” do hãng General
Instrument đặt tên cho con vi điều khiển đầu tiên của họ. Hãng Microchip tiếp tục phát

-

triển sản phẩm này.
PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến hiện nay( đủ mạnh về các tính năng, 40 chân, bộ
nhớ đủ cho các ứng dụng thông thường).
Cấu trúc tổng quát của vi điều khiển PIC 16f877A gồm:
• 8K Flash ROM.
• 368 Bytes RAM.
• 256 Bytes EEPROM.
• 5 Port( A,B,C,D,E) vào ra với tín hiệu độc lập.
• 2 bộ định thời 8 bits ( Timer 0 và Timer 2).
• 1 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 ADC 1 bits, 8 ngõ vào.
2 bộ so sánh tương tự ( Compartor).
1 bộ định thời giám sát ( Watch Dog Timer).
1 cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển.
1 cổng nối tiếp.
15 nguồn ngắt.
Có chế độ tiết kiệm năng lượng.
Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Cricuit Serial Programming)
Được chế tạo bằng công nghệ CMOS.
17


• 35 tập lệnh có độ dài 14 bits.
• Tần số hoạt động tối đa 20MHZ

Các đặc tín ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:
• Timer 0: Bộ đếm 8bit với bộ chia tần số 8 bit.
• Timer 1: Bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chứa năng đếm

dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ
•
•
•
•
•
•
•
•

•
•





sleep.
Timer 2: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số với bộ postcaler.
2 bộ Capture / so sánh điều chế xung / điều chế độ rộng xung.
Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP ( Synchronous Serial Port), SPI và I2C.
Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ.
Cổng giao tiếp song song PSP( Parallel Slave Port) với các chân điều khiển
RD và WR.
CS ở bên ngoài.
Các đặc tính Analog.
8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit.
2 bộ so sánh.
Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:
Bộ nhớ Flash với khả năng ghi xóa 100.000 lần
Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa 1.000.000 lần.
Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm.
Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm. Nạp được
chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming)

thông qua 2 chân Watchdog Timer với bộ dao động trong.
• Chức năng bảo mật mã chương trình.
• Chế độ Sleep.
• Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau.

18


Hình 2.12: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F877A (nguồn Microchip)

Hình 2.13: Vi điều khiển PIC 16F877A
19


2.3.2. Phần mềm lập trình
-

Chúng tôi đã sử dụng chương trình “PIC C Compiler” hay thường gọi là CCS để lập
trình cho vi điều khiển PIC16F877A. Đây là một chương trình hỗ trợ cho việc lập trình
PIC bằng ngôn ngữ C rất thông dụng. Sau đây, chúng tôi xin giới thiệu đôi nét về

-

chương trình này.
PIC C compiler là ngôn ngữ lập trình cấp cao cho PIC được viết trên nền C. Chương
trình viết trên PIC C compiler tuân thủ theo cấu trúc của ngôn ngữ lập trình C. Trình
biên dịch của PIC C Compiler sẽ chuyển chương trình theo chuẩn của C thành dạng

-

chương trình theo mã Hexa (file.hex) để nạp vào bộ nhớ của PIC.
PIC C compiler gồm có 3 phần riêng biệt là PCB, PCM và PCH. PCB dùng cho họ
MCU với bộ lệnh 12 bit, PCM dùng cho họ MCU với bộ lệnh 14 bit và PCH dùng cho

-

họ MCU với bộ lệnh 16 và 18 bit.
Mỗi phần khác nhau trong PIC C compiler chỉ dùng được cho họ MCU tương ứng mà
không cho phép dùng chung (ví dụ không thể dùng PCM hoặc PCH cho họ MCU 12
bit được mà chỉ có thể dùng PCB cho MCU 12 bit).
Quá trình chuyển đổi và nạp vào bộ nhớ PIC được minh họa như hình dưới đây:

Hình 2.14: Qua trình lập trình, biên dịch và nạp PIC
2.3.3. Rơle

20


-

Rơle là loại linh kiện đóng ngắt được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực điện- điện
tử. Rơle được phân loại theo nhiều cách khác nhau như : theo số chân, theo điện áp

-

cung cấp cho cuộn dây của rơle,....
Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng rơle 5 chân, có cuộn dây hoạt động ở mức điện áp
5V ở đầu vào, còn ở đầu ra, có thể là dòng một chiều hay xoay chiều tùy thuộc vào
mục đích người sử dụng.

Hình 2.15: Sơ đồ chân rơle
Cặp chân số 1 và 2 dùng để cấp nguồn cho rơle, cặp chân số 3 và 4 là tiếp điểm
thường mở trong đề tài này chúng tôi sử dụng cặp tiếp điểm thường mở này, cặp chân
số 3 và 5 là cặp tiếp điểm thường đóng.

Hình 2.16: Rơle 5V
2.3.4. Opto PC817
21


Opto hay còn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm một led
và một photo diot hay photo transistor. Được sử dụng để cách ly giữa mạch điều khiển
và mạch công suất.

Hình 2.17: Opto PC817
Khi có dòng điện đi qua hai chân (1,2) của opto làm led trong opto phát sáng.
Khi led phát sáng làm thông hai cực của photo diot ( làm thông chân 3 và số 4).

Chương 3

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Nội dung nghiên cứu
-

-

Tìm hiểu hộp điều khiển thực tế (Control Box CB40)
Thiết kế, chế tạo hộp điều khiển bao gồm:
+ Thiết kế chế tạo hộp điều khiển cho cụm thiết bị san phẳng điều khiển bằng kỹ
thuật laser.
+ Kết nối hộp điều khiển với mô hình hệ thống san phẳng.
Khảo nghiệm hoạt động của hộp điều khiển.
3.2. Phương pháp nghiên cứu

-

Tiến hành tìm hiểu hộp điều khiển của cụm thiết bị san phẳng mặt đồng điều khiển
bằng laser từ đó đưa ra phương án thiết kế hộp điều khiển cho đề tài.
Sử dụng lại mô hình của đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống
san phẳng điều khiển tự động bằng laser” của hai tác giả Đỗ Đông Hùng và Trần Mẫn
Minh Quân.
22


-

Nghiên cứu các tài liệu có liên quan của giáo viên hướng dẫn.
Nghiên cứu các tài liệu có liên quan tại thư viện của trường Đại học Nông

-

Lâm TP.HCM
Nghiên cứu các phần có liên quan thông qua các tài liệu trên mạng internet.

3.3.Cơ sở thiết kế hộp điều khiển
Dựa vào việc tìm hiểu hộp điều khiển thực tế (Control Box CB40) từ đó chúng
tôi tiến hành chế tạo các bộ phận của mô hình.
Chúng tôi sử dụng các chức năng cơ bản trên hộp Control Box CB40 như:
- Có 3 đèn báo các mức laser nhận được.
- Có công tắc ON / OFF.
- Có công tắc chuyển chế độ Auto / Manual.
- Có công tắc nâng / hạ gàu san bằng tay cho người điều khiển.
Sơ đồ khối hộp điều khiển và giải pháp sử dụng PIC được thiết kế như hình 3.1

Hình 3.1: Sơ đồ hộp điều khiển

Tín hiệu đưa về từ thiết bị xử lý tín hiệu sẽ được hộp điều khiển nhận và xử lý.
Sau khi xử lý xong nó sẽ hiển thị cho người sử dụng biết mức của tia laser
(cao/giữa/thấp) đồng thời xuất tín hiệu điều khiển van khí nén(van 5/3) ở cơ cấu chấp
hành thông qua một mạch công suất. Hộp điều khiển này có 2 chế độ là chế độ điều
khiển gàu san tự động và điều khiển gàu san bằng tay.

23


Chương 4

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Kết quả tính toán, thiết kế, chế tạo hộp điều khiển của cụm thiết bị san
phẳng mặt đồng điều khiển bằng laser
Dựa trên nguyên lý hoạt động của hệ thống thực tế cũng như các cơ sở lý thuyết
để thiết kế mô hình chúng tôi sẽ thiết kế một hộp điều khiển. Hộp điều khiển này sẽ có
nhiệm vụ là nhận và xử lý tín hiệu được truyền về từ thiết bị nhận, sau đó sẽ xuất tín
hiệu ra mạch công suất để điều khiển cơ cấu chấp hành (van 5/3), đồng thời nó sẽ hiển
thị vị trí của gàu san thông qua 3 đèn báo được đặt trên hộp điều khiển. Hộp điều
khiển này cũng được thiết kế để người dùng có thể điều khiển cơ cấu chấp hành bằng
tay thông qua công tắc gạt được đặt trên hộp điều khiển.
4.1.1. Sơ đồ nguyên lý hộp điều khiển

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý hộp điều khiển
24


-

Nguyên lý hoạt động của hộp điều khiển như sau:

Nếu ở chế độ Auto,khi nhận được tín hiệu vào thì mạch điều khiển trung tâm sẽ xử lý
tín hiệu đó và hiển thị lên các đèn led báo ( high / mid / low), đồng thời sẽ xuất tín hiệu
sang mạch công suất để mạch này kích vào van 5/3 để nâng hoặc hạ gàu san phù hợp

-

với tín hiệu nhận được.
Nếu ở chế độ Manual, khi nhận được tín hiệu vào thì mạch điều khiển trung tâm sẽ xử
lý tín hiệu đó và hiển thị lên các led báo (high / mid /low), và sẽ không suất tín hiệu
sang mạch công suất. Việc nâng hay hạ gàu san lúc này sẽ được thực hiện bằng công
tắc Raiser / Lower.
4.1.2. Tính toán, thiết kế hộp điều khiển
4.1.2.1.

Hộp điều khiển

Hộp điều khiển được chế tạo với kích thước 200 x 200 x 120 (mm). Mặt trước
của hộp điều khiển gồm có:
- 1 công tắc On / Off.
- 1 công tắc Auto / Manual.
- 1 công tắc Raiser / Lower.
- 3 đèn led 10mm hiển thị các mức nhận được.
Hộp điều khiển nhận tín hiệu truyền về từ thiết nhận bằng cáp mạng thông qua
cổng RJ45.

Hình 4.2: Hộp điều khiển
4.1.2.2.

Mạch điều khiển trung tâm

Mạch điều khiển trung tâm chúng tôi sử dụng PIC 16F877A để điều khiển hệ
thống. Các kết nối với hệ thống như: nhận tín hiệu, đèn báo, công tắc,…..sẽ được kết
25