i

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA XÂY DỰNG VÀ CƠ HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN CƠ TIN


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT DỌN
RÁC BỀ MẶT SÔNG
GVHD: TH.S NGUYỄN VĂN ĐOÀN
SVTH: BÙI THỊ ÁNH QUỐC
MSSV: 07106054
SVTH: VÕ THÀNH LUẬN
MSSV: 07106045
SVTH: TRƢƠNG HỮU TOÀN
MSSV: 07106059

P.HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2012
ii

Bộ Giáo dục và Đào tạo
Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:
Ngƣời duyệt (chấm sơ bộ):
Đơn vị:
Ngày bảo vệ:
Điểm tổng kết:
Nơi lƣu trữ dự án:…………………………
iii

LỜI NÓI ĐẦU
  

Sau thời gian gần năm năm học tập và nghiên cứu trên ghế giảng đƣờng.
Nhận đƣợc rất nhiều sự hƣớng dẫn và dạy dỗ tận tình của các thầy cô giáo về
chuyên môn lẫn đạo đức. Luận văn tốt nghiệp là sản phẩm có ý nghĩa nhất của bất
kì một sinh viên nào. Nó là sự kết tinh của tất cả những kiến thức mà sinh viên đã
lĩnh hội đƣợc trong quá trình học tập tại trƣờng cũng nhƣ những những kiến thức
tự học tập đƣợc của mỗi sinh viên.
Với thời đại khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ nhƣ ngày nay, thì con
ngƣời luôn có khuynh hƣớng kết hợp rất nhiều lĩnh vực công nghệ vào những sản
phẩm . Đặc biệt là sự kết hợp mạnh mẽ giữa cơ khí, tự động hóa, điện – điện tử, tin
học…nhằm đem lại hiệu quả thiết thực và cao nhất.
Chính vì vậy đề tài “ Thiết kế và thi công Robot dọn rác bề mặt sông ”.
Thứ nhất đề tài đƣợc xem là một trải nghiệm thực sự để nhóm có thể vận dụng
những gì đã học tập và nghiên cứu nhằm cho ra một sản phẩm thật sự hữu ích và
có giá trị sử dụng. Thứ hai việc chọn và thực hiện đề tài nhằm múc đích giải quyết
một vẫn đề nhức nhối là tình trạng ô nhiễm tại các con sông trên địa bàn Thành
Phố Hồ Chí Minh nói riêng cũng nhƣ cả nƣớc nói chung. Và đó cũng là lý do và
mục đích đề ra để nhóm thực hiện đề tài đạt đƣợc.

Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
v

Nhận xét của giáo viên hƣớng dẫn
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………

Th.S Dƣơng Đăng Danh
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 1
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
MỤC LỤC

Chƣơng I: DẪN NHẬP 3
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 3
II. Ý NGHĨA ĐỀ TÀI 3
III. MỤC TIÊU CỦA ĐỂ TÀI 4
IV. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 4
V. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 5
VI. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 5
Chƣơng II: CƠ SỞ LÝ LUẬN 6
I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 6
1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc do rác thải. 6
1.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và hƣớng giải quyết. 7
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIẾP CẬN 9
2.1Cơ sở tính toán Robot. 9
2.1.1 Các khái niệm về lực: 9
2.1.2 Thanh chịu xoắn: 10
2.1.3 Nguyên lý lực đẩy Archimedes (Tính độ nổi phao của Robot). 14
2.1.4 Lý thuyết các phần tử của hệ động lực tàu. 16
2.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển hệ thống.
18

5.2 Về thiết kế kết cấu khung Robot: 61
5.3 Về thiết kế điều khiển: 61
II. NHỮNG KẾT QUẢ CHƢA ĐẠT ĐƢỢC VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 62
III. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO 63
PHỤ LỤC 64
Phần A: VI ĐIỀU KHIỂN 64
I. Tổng quan về họ vi điều khiển AVR 64
Thanh ghi DDRx 67
PhầnB: MỘT SỐ CODE CHÍNH CỦA CHƢƠNG TRÌNH 70

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 3
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
Chƣơng I: DẪN NHẬP
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong thời đại ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của Khoa học công
nghệ nói riêng và tất cả các ngành, các lĩnh vực nói chung. Song song với sự
phát triển đó thì vẫn đề ô nhiễm môi trƣờng vẫn đang là một điểm nhấn nguy
hiểm cho môi trƣờng sống của con ngƣời trên toàn thế giới. Sự ô nhiễm cho đến
thời điểm hiện tại thì không chỉ dừng lại cụ thể ở môi trƣờng sống nào mà có thể
nói là tất cả. Chính vì vậy việc bảo vệ và cải thiện môi trƣờng sống không chỉ
đơn thuần là mọi ngƣời tự ý thức về cách sống về suy nghĩ mà cụ thể là những
giải pháp, những gì mà thực tiễn để bắt tay vào làm sạch sự ô nhiễm đó. Cho nên
đề tài “ Thiết kế và thi công Robot dọn rác bề mặt sông “ của nhóm thực hiện

- Áp dụng kiến thức cơ sở nghành: Cơ lý thuyết, nguyên lý – chi tiết máy,
sức bền vật liệu… vào việc tính toán thực tế. Ngoài ra còn tiềm hiểu về
kiến thức tự động hóa tính toán thiết kế tàu, chân vịt về lĩnh vực hàng hải
để áp dụng tính toán những vấn đề liên quan.
- Vận dụng kiến thức nghành liên quan nhƣ: Kỹ thuật điện-điện tử, vi điều
khiển, sử dụng phần mềm Orcad và Protues để thiết kế và mô phỏng
mạch điều khiển
- Thi công mạch điều khiển và mô hình Robot từ bản thiết kế.
- Xây dựng giải thuật chƣơng trình điều khiển. Lập trình điểu khiển Robot
sử dụng vi điều khiển ATmega8 với phần mềm Code VisionAVR 2.05
IV. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Do ý tƣởng thiết kế và thực hiện đề tài là Robot giọn rác bề mặt sông còn
khá mới mẻ và thời gian thực hiện đề tài tƣơng đối ngắn, cùng với việc thi công
chế tạo mô hình Robot, cũng nhƣ trình độ chuyên môn của nhóm thực hiện đề
tài có hạn và nhiều yếu tố khách quan khác… Chúng em đã cố gắng hết sức để
hoàn thành bản thuyết mình cũng nhƣ mô hình đồ án này, nhƣng chỉ giải quyết
đƣợc một số vấn đề chính đặt ra :
- Thiết kế, tính toán những phần quan trọng của Robot dọn rác:
 Tính lực nổi của toàn bộ Robot theo nguyên lý lực đẩy Archimedes.
 Từ yêu cầu thực tế, tính toán vận tốc làm việc của Robot từ đó tính chọn
động cơ và chân vịt phù hợp theo điều kiện sản xuất ngoài thị trƣờng.
 Tính toán bền cho khung Robot.
 Tính toán bền cho trục và khợp nối từ động cơ ra chân vịt
- Bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp của mô hình Robot.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 5
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
- Thiết kế thi công Board mạch cũng chƣ hệ thống điều khiển Robot.


Bùi Thị Ánh Quốc Trang 6
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
Chƣơng II: CƠ SỞ LÝ LUẬN
I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc do rác thải.
Rác thải ở Việt Nam đang là một hiện trạng đáng lo ngại. Cùng với sự phát
triển kinh tế, gia tăng dân số cộng với sự lãng phí tài nguyên trong thói quen
sinh hoạt của con ngƣời, rác thải có số lƣợng ngày một tăng, thành phần ngày
càng phức tạp và tiềm ẩn ngày càng nhiều nguy cơ độc hại với môi trƣờng và
sức khoẻ con ngƣời. Là một nƣớc đang đang phát triển, tốc độ tăng các rác thải
sinh hoạt ở cả thành phố và nông thôn, rác thải công nghiệp, y tế ở nƣớc ta còn
nhanh hơn nhiều các nƣớc khác, từ năm 2003 đến 2008 tăng gấp hai lần.
Tình hình trong thời gian gần đây đã trở nên bức xúc, đặc biệt ở 3 thành phố
lớn là Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh và Đà Nẵng. Ví dụ tại Hà Nội, khối lƣợng rác
thải sinh hoạt tăng trung bình 15%/năm, vởi tổng lƣợng ƣớc tính 5.000 tấn/ngày
đêm, và dự đoán chỉ sang năm (2012) có thể không còn chỗ để đổ rác. Thành
phố Hồ Chí Minh mỗi ngày có trên 7.000 tấn rác thải sinh hoạt, mỗi năm cần
235 tỷ đồng để xử lý. Hình 1.1: Những bịch nilon rác thải trên một con kênh tại TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 7
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
Đặt biệc là các hồ nằm trong công trình công cộng hoặc dọc theo các con
đƣờng đều bị ảnh hƣởng bởi rác thải, mà nguyên nhân chính là do ý thức ngƣời

Hình 1.4: Tàu vớt rác tự động trên sông, biển
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 9
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
Thiết bị này giống nhƣ một con tàu thông thƣờng nhƣng có hai thân riêng biệt,
dạng phao nổi, liên kết với nhau bởi phần khung sàn tàu cao hơn mặt nƣớc, đầu thân
tàu gắn với cánh tay gom rác. Vì vậy, khi tàu chuyển động sẽ tạo nên một dòng
chảy mang theo rác nổi vào thân tàu hứng. Rác sẽ đƣợc tự động gom vào giữa thân
tàu và đổ về thùng chứa mà không phải nhờ đến sức lực, thao tác của công nhân.
Tàu gồm các phần nhƣ: boong chính, thiết bị lái, truyền động lái, thiết bị neo, chằng
buộc, thiết bị cứu sinh, thiết bị cứu hỏa và các thiết bị tín hiệu
Theo thiết kế, tàu vớt rác đƣợc sử dụng tại các sông, kênh, rạch và các hồ có
chiều sâu nƣớc từ 1,2m trở lên. Chiếc tàu này có kết cấu cơ bản kiểu 2 thân dạng
phao nổi, khi tàu chạy tạo dòng chảy ở giữa thiết bị. Tàu có 2 cánh hƣớng rác có độ
mở rộng 4m, khi tàu chạy, rác nổi đƣợc hƣớng vào luồng chảy giữa 2 thân phao.
Tại khoảng giữa của tàu có trang bị một lƣới chắn rác và gàu vớt rác. Khi rác vào
đầu gầu, công nhân chỉ việc ấn nút là gàu vớt rác tự động lật lên đổ rác vào thùng
đƣợc đặt trên mâm quay. Ngoài ra, tàu vớt rác còn đƣợc trang bị các thiết bị an toàn
bao gồm còi, đèn xoay, đèn làm việc và phao cứu sinh
Tuy nhiên mặc khuyết điểm cảu các máy vớt rác này là chỉ làm việc đƣợc ở
những con sông, kênh rạch có diện tích lớn. Trong khi đó thì tính chất những rác
nổi nhỏ luôn bị trôi dạt, gom lại thành khối và tấp và gần bờ, gần những chân bờ đá
trong các hồ địa hình chật hẹp giới hạn về không gian làm việc. Chính vì vậy
những giải pháp sang kiến nhƣ những Robot vớt rác có thể làm việc ở các địa hình
phức tạp trong các kênh, hồ Thành Phố là rất cần thiết và mang tính khả thi cao.
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIẾP CẬN
2.1 Cơ sở tính toán Robot.
2.1.1 Các khái niệm về lực:

. Ta có hệ
thức:
2 2 2
p


Vậy ứng suất đặc trƣng cho mức độ chịu đựng của vật liệu tại một điểm. Nếu ứng
suất vƣợt quá một giới hạn nào đó thì vật liệu bị phá hoại, việc xác định ứng suất là
cơ sở đánh giá mức độ an toàn của vật liệu.
2.1.2 Thanh chịu xoắn:
Thanh chịu xoắn thuần túy khi trên mọi mặt cắt ngang chỉ tồn tại một thành
phần ứng lực 

.

Hình 1.5: Các trƣờng hợp thanh chịu xoắn thuần túy
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 11
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
Thanh chịu xoắn thƣờng đƣợc gọi đối với trục. Trục truyền lực, trục động cơ,
những dầm cầu đƣờng ô tô cũng có thể bị xoắn nếu tải trọng không đặt đúng tim
cầu.
 Công thức tính ứng suất tiếp trên tiết diện:
( Theo tài liệu SỨC BỀN VẬT LIỆU, Lê Thanh Phong, Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật TP Hồ Chí Minh)

dzz

, sẽ có góc xoay
 d

.
Hiệu số
d
, là góc xoay tƣơng đối của hai tiết diện cách nhau một đoạn dz, đƣợc
gọi là góc xoắn của đoạn trục có chiều dài dz. Bán kính của tiết diện bên phải
cũng có góc xoay tƣơng đối
d
so với bán kính tƣơng ứng của tiết diện bên trái.

là biến dạng góc vuông của phân tố hay còn gọi là góc trƣợt, ta có:




dz
d
dz
AA
1
(a).
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 12
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn

Tích
G
là hằng số trên tiết diện,

F
dF
2

là mômen quán tính cực

J
của tiết diện
đối với tâm nên

 J.GM
z

hay:



J
M
G
z

(6.2).
Thay (6.2) vào (b) ta nhận đƣợc công thức tính ứng suất tiếp trên tiết diện:






đƣợc gọi là mômen chống xoắn, là đặc trƣng hình học của
tiết diện, có thứ nguyên
 
3
daøichieàu
. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 13
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn

Hình 1.7: Biểu đồ phân bố ứng suất trên tiết diện
của thanh chịu xoắn thuần túy

Với tiết diện tròn đặc (hình 6.4a):
32
4
d
J




3


4
4
344
12,0
32
2
D
d
DdD
D
W


.
Ứng suất tiếp đối ứng nhƣ hình 6.4c
 Điều kiện bền – ba bài toán cơ bản:
Phân tố vật thể trong trục chịu xoắn ở trạng thái ứng suất trƣợt thuần túy, phân tố
nguy hiểm là những phân tố ở sát mặt ngoài của trục có
max

.
Điều kiện bền đƣợc viết:
 
 







Bùi Thị Ánh Quốc Trang 14
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
Theo thuyết bền thứ ba (thuyết bền ứng suất tiếp):
 
 
2



.
Theo thuyết bền thứ tƣ (thuyết bền thế năng biến dạng đàn hồi hình dáng):
 
 
3



.
Từ điều kiện bền ta cũng có ba bài toán cơ bản:
Kiểm tra bền:
Ta kiểm tra xem ứng suất trong trục có thỏa điều kiện bền hay không?
 
%5
W
M
max
z
max

M
W
, từ đó ta có thể
xác định đƣợc kích thƣớc mặt cắt ngang của trục.
Định tải trọng cho phép:
Từ (6.5) ta dễ dàng xác định đƣợc nội lực lớn nhất có thể đạt đƣợc của thanh là:
 
%5WM
z



, hay ở trạng thái giới hạn:
 
 
%5

 WM
z

Có
 
z
M
ta có thể tìm đƣợc trị số cho phép của tải trọng tác dụng lên công trình hay
chi tiết máy.
2.1.3 Nguyên lý lực đẩy Archimedes (Tính độ nổi phao của Robot).
Lực đẩy Archimedes (hay lực đẩy Ácsimét) là lực tác động bởi một chất lƣu
(chất lỏng hay chất khí) lên một vật thể nhúng trong nó, khi cả hệ thống nằm trong
một trƣờng lực (nhƣ trọng trƣờng hay lực quán tính). Lực này có cùng độ lớn và


là lực đẩy Archimedes
  là trọng lƣợng riêng của chất lỏng
  là thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 16
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
2.1.4 Lý thuyết các phần tử của hệ động lực tàu.
 Sức cản tàu:
Sức cản tàu là tổng hợp tất cả các ngoại lực tác dụng lên tàu làm giảm khả
năng chuyển động của tàu. Ngoại lực tác dụng lên tàu gồm nhiều thành phần: sức
cản song, sức cản ma sát, sức cản áp suất…Để tàu chuyển động đƣợc thì lực tạo ra
do thiết bị đẩy của tàu phải thắng đƣợc ngoại lực. Việc tính sức cản tàu là hết sức
cần thiết và quan trọng trong việc thiết kế tính toán tàu, chọn động cơ và thiết kế
chọn chân vịt phù hợp.
 Tính sức cản theo phƣơng pháp giải quân:
Sử dụng để tính công suất kéo của tàu trong quá trình thiết kế sơ bộ. Công
thức tính nhƣ sau:


=


3
. 
2
3

=

. 




3

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 17
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
Trong đó:
D: Lƣợng chiếm nƣớc của tàu (
3
)
L: Chiều dài thiết kế của tàu (m)
: Hệ số phụ thuộc vào số trục chân vịt
= 1 khi tàu có một trục chân vịt
= 1.05 khi tàu có hai trục chân vịt
= 1.075 khi tàu có ba trục chân vịt
= 1.1 khi tàu có bốn trục chân vịt
Hệ số  đƣợc tính theo công thức:
= 0.7 + 0.3


0
(cv)
 Tính sức cản theo phƣơng pháp Zvonkov:
Theo các số liệu của Zvonkov, lực cản tàu sông có thể tính theo công thức:
= 

. 
1.825
+ . . . 
1.7+4

Trong đó:


: Hệ số lực cản ma sát


= 0.17 đối với tàu vỏ thép


= 0.23 ÷ 0.25 đối với tàu võ gỗ
S diện tích sƣờn giữa (
2
)
 diện tích mặt ƣớt (
2
) đƣợc tính bằng = V
2
3
3.3 +


3
+2
: Hệ số lực cản dƣ
m=1.0 đối với tàu có thiết bị đẩy là chân vịt
m=1.2 đối với tàu có thiết bị đẩy là chân vịt đạo lƣu
 Công suất động cơ (máy chính):
Sau khi tính toán đƣợc lực cản của tàu có thể tính sơ bộ công suất máy chính theo
công thức: 
0
=
.
75

R: Sức cản toàn phần của tàu
v: Vận tốc tàu
Tuy nhiên công thức trên chỉ có ý nghĩa trong thiết kế sơ bộ tàu, trong các giai
đoạn thiết kế tiếp theo ta phải tính tƣơng đối chính xác công suất máy để chọn đƣợc
máy phù hợp với chế độ làm việc của tàu, tạo đƣợc hiệu suất đẩy cao nhất và tƣơng
thích với chân vịt.
2.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển hệ thống.
2.2.1 Lý thuyết sóng RF chuẩn truyền UART.
Tần số vô tuyến (RF) là dải tần số nằm trong khoảng 3 kHz tới 300 GHz, tƣơng
ứng với tần số của các sóng vô tuyến và các dòng điện xoay chiều mang tín hiệu vô
tuyến. RF thƣờng đƣợc xem là dao động điện chứ không phải là dao động cơ khí, dù
các hệ thống RF cơ khí vẫn tồn tại.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn