ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY RANG NGŨ
CỐC BÁN TỰ ĐỘNG

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Số thẻ sinh viên :
Lớp:

TS. VÕ NHƯ THÀNH
LÊ VĂN ĐÂY
ĐÀM ĐÌNH HỊA
101130157
101120294
12CDT1

Đà Nẵng, 2018


Thiết kế và chế tạo máy rang ngũ cốc bán tự động

TÓM TẮT
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY RANG NGŨ CỐC


SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hịa

GVHD: TS.Võ Như Thành

1


Thiết kế và chế tạo máy rang ngũ cốc bán tự động

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT

Họ tên sinh viên

Số thẻ SV

Lớp

Ngành



Họ tên sinh viên

1

Lê Văn Đây

2

Đàm Đình Hịa

Nội dung
Thiết kế mạch điện
Lập trình vi điều khiển
Tính tốn thơng số cho các cơ cấu của toàn máy.
Thiết kế 3D toàn hệ thống.
Làm thuyết minh.

5. Các bản vẽ, đồ thị:
a. Phần chung:
• Bản vẽ sơ đồ điện và lưu đồ thuật toán (A0)
b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung
Bản vẽ chế tạo chi tiết toàn máy (A0).

1

SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hòa

GVHD: TS.Võ Như Thành

tháng 12 năm 2018

Người hướng dẫn

3


Thiết kế và chế tạo máy rang ngũ cốc bán tự động

LỜI NÓI ĐẦU
Với xu thế sử dụng sản phẩm dinh dưỡng như hiện nay thì bột ngũ cốc là 1 thức
uống dinh dưỡng được nhiều người ưa thích, vì vậy các cơ sở sản xuất ngũ cốc ngày
càng nhiều, nhu cầu sử dụng máy rang hạt ngũ cốc cũng vì thế mà gia tăng khơng ít.
Tuy nhiên, thị trường hiện tại có nhiều loại máy rang hạt ngũ cốc nhưng vẫn
còn nhiều khuyết điểm. Đa số máy được sử dụng hiện tại là máy rang bằng nhiên liệu
hóa thạch (mỗi lần từ 1 - 2 kg), mỗi lần rang lại kéo dài nên khơng thích hợp cho việc
sản xuất với số lượng nhiều. Còn những máy rang tự động cơng suất lớn thì có chi phí
giá thành q cao nên nhiều hộ sản xuất khơng đủ kinh phí để đầu tư. Vì vậy chúng tơi
muốn tạo ra một Máy rang ngũ cốc bán tự động với những ưu điểm như dễ dàng sử
dụng, thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển, có thể rang được nhiều loại ngũ cốc khác
nhau với giá thành rẻ.
Trên cơ sở những kiến thức về tin học, điện tử, cơ khí, điều khiển tự động…
trong suốt thời gian gần 5 năm được học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách
Khoa Đà Nẵng, chúng tôi đã quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo máy
rang ngũ cốc bán tự động” cho đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Cơ điện tử. Theo như

Sinh viên thực hiện

LÊ VĂN ĐÂY
ĐÀM ĐÌNH HỊA

SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hịa

GVHD: TS.Võ Như Thành

5


Thiết kế và chế tạo máy rang ngũ cốc bán tự động

MỤC LỤC
TÓM TẮT ................................................................................................................................................. 1
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.............................................................................................. 2
LỜI NĨI ĐẦU ......................................................................................................................................... 4
LỜI CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT ................................................................... 5
MỤC LỤC ................................................................................................................................................. 6
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ .................................................. 8
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................................. 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ...................................................................... 11
1.1. GIỚI THIỆU CÁC MÁY RANG NGŨ CỐC ............................................................ 11
1.1.1. Máy rang sử dụng nhiên liệu gas ............................................................ 11
1.1.2. Máy rang sử dụng năng lượng điện ....................................................... 12
1.2. TỔNG QUAN VỀ MÁY ....................................................................................... 13
1.2.1. Các khối chức năng của máy ................................................................... 13
1.2.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 13


CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN VÀ XÂY DỰNG MẠCH ĐIỆN ..................................................................... 31
3.1. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ ....................................................................................... 31
3.2. CHỌN VAN CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TRỞ GIA NHIỆT .............................. 32
3.3. TÍNH CHỌN BỘ NGUỒN CHO ĐỘNG CƠ ............................................................ 34
3.4. MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IBT2 ................................................................. 34
3.5. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ............................................................... 35
3.5.1. Giới thiệu bo mạch arduino ..................................................................... 35
3.5.2. Arduino nano ........................................................................................... 36
3.6. CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN KHÁC ............................................................................... 37
3.6.1. Công tắc ................................................................................................... 37
3.6.2. Nút nhấn .................................................................................................. 37
3.6.3. Đèn báo hiệu ............................................................................................ 37
3.7. SƠ ĐỒ ĐẤU ĐIỆN VÀ TÍNH TỐN CỠ DÂY CHO CÁC VỊ TRÍ ............................... 38
3.7.1. Các khối chức năng trên mạch điện ........................................................ 38
3.7.1.1. Khối nguồn ............................................................................................ 38
3.7.1.2. Khối cảm biến ........................................................................................ 39
3.7.1.3. Khối hiển thị .......................................................................................... 39
3.7.1.4. Khối nút nhấn ........................................................................................ 40
3.7.1.5. Khối động lực ........................................................................................ 40
3.7.2. Tính tốn cỡ dây cho các vị trí quan trọng .............................................. 40
3.7.2.1. Tính tốn cỡ dây cho khối động cơ ......................................................... 40
3.7.2.2. Tính tốn cỡ dây cho khối triac ............................................................. 41
3.7.2.3. Tính tốn dây nguồn 220VAC ................................................................ 41
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................... 41

CHƯƠNG 4: .... LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG THÔNG QUA ARDUINO
NANO ...................................................................................................................................................... 42
4.1. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH CHO MÁY .............................................................. 42

Hình 2.7 Tồn bộ máy được thiết kế 3D trên phần mềm solidworks
Hình 2.8 Hệ thống sau khi được gia cơng hồn thiện
Hình 3.1 Cách đấu dây cảm biến PT100
Hình 3.2 Cảm biến nhiệt độ PT100
Hình 3.3 Triac FOTEK SSR 40DA
Hình 3.4 Nguồn tổ ong 24V-20A
Hình 3.5 Mạch điều khiển động cơ IBT2
Hình 3.6 Arduino nano
Hình 3.7 Cơng tắc
Hình 3.8 Nút nhấn và nút giữ trạng thái
Hình 3.9 Đèn báo hiệu nhiều màu 12V
Hình 3.10 Sơ đồ mạch điện của máy
Hình 3.11 Module nguồn 5V
Hình 3.12 Opamp LM358
Hình 3.13 Màn hình LCD với bo mạch giao tiếp I2C
Hình 4.1: Giao diện sử dụng của Arduino IDE
SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hịa

GVHD: TS.Võ Như Thành

8


Thiết kế và chế tạo máy rang ngũ cốc bán tự động

Bảng 1.1 Một số thông số kỹ thuật của máy rang ngũ cốc bán tự động
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của động cơ MY1016Z2

SVTH: Lê Văn Đây

các yêu cầu của các đối tượng chính đã xác định ban đầu, nhóm đã tự tính tốn và thiết
kế một máy rang ngũ cốc bán tự động của riêng mình.
Đồ án tốt nghiệp này sẽ có 3 phần chính:
1. Máy rang ngũ cốc bán tự động.
2. Các bản vẽ thiết kế.
3. Thuyết minh đồ án.

SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hịa

GVHD: TS.Võ Như Thành

10


Thiết kế và chế tạo máy rang ngũ cốc bán tự động

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1. Giới thiệu các máy rang ngũ cốc
1.1.1. Máy rang sử dụng nhiên liệu gas

Hình 1.1 Máy rang sử dụng nhiên liệu gas
Máy có cấu tạo rất đơn giản, sử dụng nhiên liệu đốt là gas, hiện được sử dụng ở
một số cơ sở nhỏ bởi giá thành không quá đắt. Nhược điểm lớn nhất của dòng máy này
là hiệu suất thấp và tiềm ẩn khả năng cháy nổ, nhiệt độ rang khó ổn định.

SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hịa

GVHD: TS.Võ Như Thành


Khối
cảm
biến

Khối
điều
chỉnh

Khối
xử lý

Khối
chấp
hành

Khối
hiển thị
Hình 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống
Khối xử lý là một arduino nano, dùng để tiếp nhận dữ liệu từ khối cảm biến và
khối điều chỉnh để xử lý, từ đó đưa ra quyết định cho những bước tiếp theo.
Khối cảm biến là một cảm biến nhiệt dùng để xác định nhiệt độ thực tế của lồng
rang.
Khối điều chỉnh là các nút ấn để điều chỉnh hoạt động của máy.
Khối hiển thị là các đèn báo hiệu và màn hình LCD.
Khối chấp hành bao gồm các động cơ, bộ truyền xích, điện trở gia nhiệt nhằm
giúp máy hoạt động trơn tru.
1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Sau khi bật công tắc nguồn người dùng sẽ tiến hành cài đặt nhiệt độ, tốc độ
quay của động cơ và khởi động quá trình gia nhiệt để máy đạt được đến nhiệt độ yêu

• Hệ thống truyền động hoạt động trơn tru.
• Lồng rang được làm bằng thép không rỉ, đảm bảo vệ sinh và an tồn thực phẩm.
• Tốc độ đảo đều ngun liêu dao động từ 0,5 lần/giây đến 4 lần/giây.
• Tốc độ quay của lồng rang được điều khiển dễ dàng
• Hoạt động ổn định ở điện áp 220VAC, có thể sử dụng rộng rãi
1.2.4. Tính năng và đặc điểm
• Lồng rang được làm bằng thép không rỉ, bên trong lồng có các cánh để khi quay
ngun liệu được đảo đều.
• Cánh bên trong lồng được đặt nghiêng để khi đảo chiều quay ngun liệu sẽ
được đưa ra ngồi
• Phía trước thùng có nắp để hạn chế nguyên liệu vương vãi, tránh thất thoát
nhiệt, nâng cao hiệu suất của máy và thuận tiện cho người vận hành.
• Nắp thùng đóng mở dễ dàng và có phần giữ bằng nam châm giúp việc thao tác
nhanh và đơn giản.
• Động cơ được tính tốn có đủ momen xoắn để vận hành thùng mà không bị quá
tải. Để đạt được việc này động cơ được sử dụng cùng với hộp giảm tốc để tạo
được momen lớn và đảm bảo tốc độ đầu ra.
SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hịa

GVHD: TS.Võ Như Thành

14


Thiết kế và chế tạo máy rang ngũ cốc bán tự động

• Động cơ đi kèm với mạch điều khiển phải có khả năng điều khiển đảo chiều dễ
dàng.
• Bộ truyền đảm bảo hiệu suất truyền và độ bền cơ học.

Tốc độ lồng quay

0 − 90(𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡)

Thời gian cài đặt

0 − 4 giờ

Công suất lớn nhất

6,3 kW

Khối lượng 1 mẻ rang

< 6kg

Dung tích tồn bộ lồng rang

75 lít

SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hịa

GVHD: TS.Võ Như Thành

15


Thiết kế và chế tạo máy rang ngũ cốc bán tự động


lồng sẽ quay liên tục trong quá trình rang. Phương án này có nhược điểm là chế tạo
tương đối khó khăn, địi hỏi thợ gia cơng phải có tay nghề cao nhưng nguyên liệu được
đảo đều, dễ dàng và liên tục nên tỷ lệ phế phẩm rất ít và gần như là khơng có, và đây là
điều then chốt mà chúng ta cần hướng đến.Vì vậy, với đồ án này chúng tôi chọn
phương án đặt lồng rang nằm ngang.
Yêu cầu đối với động cơ có đủ momen xoắn và tốc độ để điều khiển đảo chiều
quay dễ dàng, tuổi thọ cao. Với yêu cầu này, chúng tôi lựa chọn động cơ điện một
chiều kích từ động lập kết hợp với hộp giảm tốc để cho ra momen xoắn lớn, giá thành
rẻ mà lại cục kỳ dễ điều khiển bằng lập trình.
2.1.2. Thiết kế phần khung
Dựa trên ý tưởng đã được đưa ra kết hợp với phần mềm thiết kế và mơ phỏng
3D Solidworks, thì chúng tơi đã thiết kế được phần khung sơ bộ của máy như sau:

SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hịa

GVHD: TS.Võ Như Thành

17


Thiết kế và chế tạo máy rang ngũ cốc bán tự động

Hình 2.1 Phần khung của máy
Kích thước của phần khung được lựa chọn dựa trên nhu cầu thực tế.
2.2. Tính tốn thơng số và thiết kế các cơ cấu chấp hành quan trọng
2.2.1. Tính tốn và thiết kế lồng rang và động cơ, bộ truyền chuyển động đến lồng
rang
2.2.1.1. Thiết kế 3D bộ phận lồng rang
Lồng rang có nhiệm vụ phải quay liên tục để đảo nguyên liệu, giúp nhiệt tỏa

• Chiều cao: h = 650 (mm)
• Bề dày thùng chọn 1mm để thuận tiện cho việc gia công bằng phương pháp hàn
TIG
Vậy: Thể tích của thùng sẽ là: V = 𝜋𝑟 2 ℎ = 3,14. 22.6,5 = 81,64 (lít).
Hồn tồn đảm bảo được yêu cầu đề ra.
Ta chọn kích thước đường kích lồng rang và chiều cao của lồng rang khơng
chênh lệch nhau quá nhiều với mục đích tránh tạo ra một chiếc lồng rang có độ
sâu tương đối lớn, khiến việc thao tác hoặc vệ sinh khó khăn.
* Chọn số lượng cánh trong lồng rang:
Trong lồng rang có các cánh đảo để đảm bảo nguyên liệu được đảo đều và khi
đảo chiều động cơ thì có thể lấy thành phẩm ra.
Tốc độ đảo hạt khi rang phải từ 0,5 lần/s đến 4 lần/s
Mà tốc độ lồng quay tối đa : Vmax = 90 (vòng/phút), tức là 1,5 vòng/giây.
SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hịa

GVHD: TS.Võ Như Thành

19


Thiết kế và chế tạo máy rang ngũ cốc bán tự động

Máy rang chọn phương án 3 cánh đảo, vậy tốc độ đảo lớn nhất: V max= 4,5
(lần/giây). Đảm bảo thỏa mãn được yêu cầu.
Tốc độ tối thiểu của lồng rang để đảm bảo hạt không bị cháy là:
Vmin=

0,5.60
3

Trong đó:
➢ 7.93 g/cm3 là khối lượng riêng của inox 304
➢ R là bán kính lồng quay: 20cm
SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hịa

GVHD: TS.Võ Như Thành

20


Thiết kế và chế tạo máy rang ngũ cốc bán tự động

➢ a là bề dày của đáy lồng: 0.1cm
➢ 3.14 là số pi gần đúng
- Khối lượng của thành lồng
mthành = π * d * h * a * M210
= 3.14 * 40 * 65* 0.1 * 7.93
= 6.5 kg
Trong đó:
➢ 7.93 g/cm3 là khối lượng riêng của inox 304
➢ d là đường kính lồng quay: 40cm
➢ a là bề dày của đáy lồng: 0.1cm
➢ 3.14 là số pi gần đúng
- Khối lượng của trục quay
mtrục = 0.6 kg
- Khối lượng của các cánh đảo
mcánh = 1kg
Ta xem thành lồng như vành tròn đồng chất, đáy lồng như đĩa tròn đồng chất,
trục quay của lồng như trụ tròn đồng chất và các cánh đảo như các chất điểm. ta có

𝛾=

△ ω 3𝜋
=
= 1,9 (𝑟𝑎𝑑/𝑠 2 )
△t
5

Từ đó momen trong chuyển động trịn của bàn quay được tính bởi CT:
𝑀 = 𝐽γ
=> 𝑀 = 0.332 ∗ 1.9 = 0,63(𝑁𝑚) = 6,3 (𝑘𝑔. 𝑐𝑚)
Chọn hệ số an toàn k = 10 => Mđc ≥ k.M ≥ 63 (kgf.cm)
Từ các lý luận trên ta suy ra động cơ cần chọn có momen phải lớn hơn
120kg.cm và tốc độ tối đa lớn hơn 90 vòng/phút.
Chọn động cơ MY1016Z2 kèm hộp giảm tốc với các thông số như sau:
Điện áp hoạt động :
24V
Công suất :
Tốc độ động cơ tối đa:
Tốc độ đầu ra cao nhất sau giảm tốc:
Dịng định mức:

250W
3850 vịng/phút (khơng tải)
337 vịng/phút
13,4 Ampe

Momen động cơ:

800 kg.cm (0.8Nm)

Tỉ lệ hộp số

1:9,8

Momen xoắn

800 kgf.cm

SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hịa

GVHD: TS.Võ Như Thành

22


Thiết kế và chế tạo máy rang ngũ cốc bán tự động

Hình 2.3 Động cơ MY1016Z2
2.2.1.4. Tính tốn, lựa chọn bộ truyền xích
Sau phần tính chọn động cơ, ta đã chọn được động cơ MY1016Z2. Động cơ
hoàn toàn đủ momen xoắn như yêu cầu nhưng lại có tốc độ khá cao. Chính vì thế mà
ta cần thiết kế bộ truyền từ động cơ đến lồng.
Ta có tốc độ tối đa ở đầu ra động cơ : 337 vòng/ phút
Tốc độ tối đa của lồng rang: 90 vòng/phút.
Ta chọn tỷ số truyền i = 1:3.
Bộ truyền của chúng tôi phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:
• Đảm bảo khả năng truyền đủ công suất và momen xoắn từ động cơ đến lồng
rang.
• Hoạt động êm ái, bền bỉ.

Mặt khác, các chi tiết trong bộ truyền xích rất phong phú về kích thước, chủng
loại và dễ dàng mua được từ thị trường sẵn có nên sẽ giảm rất nhiều chi phí.
Vậy bộ truyền được lựa chọn là bộ truyền xích. Sau đây, chúng ta sẽ tiến hành
tính chọn bộ truyền xích.
Thơng số đầu vào của bộ truyền xích:
• Cơng suất: P1 = 0,25kW

(chọn theo cơng suất cục đại của động cơ).

• Số vịng quay: n1 = 337 vịng/phút.
• Tỷ số truyền: u = 3.
Chọn số răng đĩa xích dẫn Z1 = 12.
Số răng đĩa bị dẫn Z2 = 36.
Chọn đĩa xích bị dẫn là loại có sẵn trên thị trường có Z2 = 32 răng.
Tỷ số truyền chính xác: u = 32/12 = 2,7
- Tính hệ số điều kiện sử dụng xích:
K = K0 * Ka * Kdc * Kb * Kl * Klv
Trong đó:
➢ K0 : hệ số xét đến ảnh hưởng của vị trí bộ truyền: K0 = 1
➢ Ka : Hệ số ảnh hưởng của chiều dài xích: Ka = 0,8 (số mắt xích = 72)
➢ Kdc: Hệ số ảnh hưởng của khả năng điều chỉnh lực căng xích: Kdc = 1
➢ Kb : Hệ số ảnh hưởng của điều kiện bôi trơn: Kb = 1,5
➢ Kr : Hệ số tải trọng động: Kr = 1,5
SVTH: Lê Văn Đây
Đàm Đình Hòa

GVHD: TS.Võ Như Thành

24