TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ ĐIỆN TỬ
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
GIẾNG TRỜI TỰ ĐỘNG
TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG
Sinh viên thực hiện : Hồ Văn Thoan
Mã sinh viên : K12C08354
Giảng viên hướng dẫn : TS. Vương Công Đạt
Khóa đào tạo : 2018 - 2021
Đà Nẵng - 12/2020
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài Ngày nay khoa học kĩ thuật đã phát triển hết sức mạnh mẽ, đã
có rất rất nhiều thiết bị phục vụ cho cuộc sống dựa trên các ứng dụng
của khoa học công nghệ như máy giặt, tủ lạnh, ti vi, máy điện thoại...
tuy nhiên bên cạnh đó chúng em nhận thấy vẫn còn nhiều công việc
có thể áp dụng khoa học công nghệ nhưng lại chưa được áp dụng, sử
dụng rộng rãi. Một ứng dụng nhỏ trong đó mà chúng em nhận thấy
vẫn chưa được chế tạo sử dụng đó là hệ thống đóng-mở cửa giếng
trời tự động khi trời mưa có thể tự động kéo mái che ra khi trời mưa
và che lại, sau đó lại mở mái che khi trời nắng. Từ tình hình thực tế
trên chúng em đã hình thành một ý tưởng để thực hiện công việc trên
đó chính là “Thiết kế hệ thống điều khiển giếng trời tự động”.
2. Những điểm mới của đề tài Trên thực tế đã có một số sản phẩm tương tự đề tài này, nhưng
qua tham khảo chúng em nhận thấy rằng những sản phẩm đó đang
còn rất nhiều hạn chế như: Tính linh động của sản phẩm, tính “thông
minh” của sản phẩm đó là có thể mở mái che ra khi trời mưa, nhưng
lại không thể kéo mái che khi trời nắng... từ những hạn chế trên
chúng em đã đưa ra một hệ thống hoàn toàn mới, “thông minh” thật
sự. Hệ thống điều khiển giếng trời tự động là một sản phẩm hoạt
động dựa trên sự kết hợp hoàn hảo giữa kĩ thuật cơ khí, kĩ thuật điện
và kĩ thuật lập trình vi xử lý. Ngoài việc đạt được những yêu cầu của
hệ thống mái che thì chỉ cần một vài cải tiến nhỏ thì thiết bị có thể
triển khai thành hệ thống kéo rèm cửa tự động, hệ thống tưới nước,
vòi nước cảm ứng, thiết bị hẹn giờ, robot.
1
3. Mục đích nghiên cứu: Giúp mọi người luôn thỏa mái khi ở trong nhà.
Tiết kiệm sức lao động.
4. Ý nghĩa khoa học , ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Ý nghĩa khoa học:
Góp phần nhỏ vào tiến trình công nghiệp hóa hiện đại đất
nước.
Thấy được lợi ích của khoa học kỹ thuật trong cuộc sống.
Ý nghĩa thực tiễn:
Phát triển hệ thống tư duy, sáng tạo để từ đó có thể nghiên
cứu, triển khai các hệ thống khác phức tạp hơn.
5. Kết quả hy vọng đạt đƣợc: Nghiên cứu và chế tạo thành công “ hệ thống điều khiển giếng
trời tự động”. Sau khi hoàn thành thành công mô hình dự án, nhân
rộng đưa vào sản xuất để phục vụ cho cuộc sống
2
CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO 1.1.1. Khái niệm 1.1.2. Arduino Uno
Sức mạnh xử lý: Xung nhịp: 16MHz EEPROM: 1KB (ATmega328) và 4KB (ATmega2560) SRAM: 2KB (Atmega328) và 8KB (Atmega2560) Flash: 32KB (Atmega328) và 256KB (Atmega2560 Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào: Digital: Analog: Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra: Digital output Chuẩn Giao tiếp: Serial: USB: SPI: TWI (I2C): PWM output
1.1.2.1. Khái niệm về Arduino 1.1.2.2. Khái quát cấu tạo của ARDUINO UNO
Phần cứng Thông số kỹ thuật b) Vi điều khiển c) Năng lƣợng Các chân năng lƣợng: GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino
UNO.
Các cổng vào ra
3
5V: cấp điện áp 5V đầu ra. 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra.. Vin (Voltage Input): nguồn với chân này và cực âm của
nguồn với chân GND.
IOREF: Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino
UNO có thể được đo ở chân này.
RESET: Việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
d) Các cổng vào ra - Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín
hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA.
- Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau: Chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit –
TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial.
Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite().
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13
(SCK).
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu
chữ L).
- Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V.
- Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp
tham chiếu khi sử dụng các chân analog.
- Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL)
hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác. 1.1.4. Một số ứng dụng cơ bản của ARDUINO UNO
4
1.1.4.1. Trong công nghiệp 1.1.4.2. Trong học tập 1.2. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀN ARDUINO IDE 1.2.1. Giao diện phần mền Arduino IDE 1.2.3. Sử dụng một số menu thông dụng trên phần mềm Arduino IDE Phần Example :
Chọn loại board sử dụng:
1.2.3. Cấu trúc của một chƣơng trình Arduino IDE
Khai báo biến Thiết lập (void setup ( ))
5
CHƢƠNG 2: TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN TRONG
MẠCH
2.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 2.1.1. Đặt vấn đề 2.1.2. Giếng trời tự động
Ví dụ giếng trời nhà ống. - Ƣu điểm của giếng trời: - Nhƣợc điểm: - Ứng dụng của giếng trời
2.2. LỰA CHỌN CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG MẠCH 2.2.1. Module Arduino UNO
Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều
linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác
Hình 2.1 ARDUINO UNO R3
- Chip điều khiển chính: ATmega328P - Chip nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2 - Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài
cắm từ giắc tròn DC
- Số chân Digital I/O: 14 (trong đó 6 chân có khả năng xuất
xung PWM).
6
- Số chân PWM Digital I/O: 6 - Số chân Analog Input: 6 - Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20 mA - Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA - Flash Memory: 32 KB (ATmega328P), 0.5 KB dùng cho
bootloader.
- SRAM: 2 KB (ATmega328P) - EEPROM: 1 KB (ATmega328P) - Clock Speed: 16 MHz - LED_BUILTIN: 13 - Kích thước: 68.6 x 53.4 mm
2.2.2. Module Module công tắc hành trình
- Công tắc hành trình là một loại cảm biến đóng ngắt mạch
điều khiển
Hình2.2. Module công tắc hành trình
Kí hiệu của c ng tắc hành trình :
7
Một ố ứng dụng của c ng tắc hành trình - Phát hiện sự tiếp xúc của đối tượng - Đếm - Phát hiện phạm vi di chuyển - Phát hiện vị trí và giới hạn chuyển động - Ngắt mạch khi gặp sự cố - Phát hiện tốc độ Ƣu điểm của c ng tắc hành trình: - Có thể sử dụng hầu hết trong các ứng dụng công nghiệp - Đáp ứng tốt các điều kiện cần đến độ chính xác và có tính
lặp lại
- Tiêu thụ ít năng lượng điện - Có thể điều khiển nhiều tải Hạn chế của c ng tắc hành trình: - Hạn chế đối với những thiết bị có tốc độ chuyển động tương
đối thấp
- Phải tiếp xúc trực tiếp với thiết bị - Do phải tiếp xúc nên làm các bộ phận cơ khí bị mòn
2.2.3. Module cảm biến mưa
Mạch cảm biến mƣa là một module cảm biến được sử dụng rộng rãi trong việc phát hiện mƣa vì ưu điểm dễ dàng lắp đặt và chi phí thấp.
8
Hình2.4. Module cảm biến mƣa
2.2.4. Động cơ DC
Động cơ DC hay còn gọi là động cơ một chiều, được sử dụng
trong dòng điện một chiều.
Hình2.5. Động cơ DC
2.2.5. Nguồn adapter 12V – 2A
Hình2.6. Nguồn adapter 12V – 2A
9
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIẾNG TRỜI TỰ ĐỘNG
3.1. CÁC YÊU CẦU CẦN ĐẠT ĐƢỢC 3.2. SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 3.2.1. Sơ đồ khối
Hình 2.7. Sơ đồ khối
3.2.2. Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.8. Sơ đồ mạch nguyên lý.
3.3. Nguyên lý hoạt động
10
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Đánh giá kết quả: Ƣu điểm: - Hệ thống dùng các module được thiết kế sẵn nên không cần nhiều kiến thức về điện, điện tử cũng có thể nắp ráp được sản phẩm. Mặt khác khi hư hỏng các module thì có thể mua và thay thế dễ dàng.
- Hệ thống cơ khí không có các chi tiết phức tạp, dễ thiết kế. Hạn chế: - Về cơ khí vẫn chưa thực sự tối ưu, cần cải tiến để linh hoạt
và thuận lợi hơn trong sử dụng.
- Nguồn điện cấp cho hệ thống cần sử dụng các bộ chuyển đổi
adaptor để dòng điện ổn định hơn.
- Khả năng áp dụng vào thực tế: - Sản phẩm có thể áp dụng rộng rãi vào thực tế. Tuy nhiên,
trên thực tế trọng lượng của mái che lớn, diện tích rộng nên phần cơ khí cần thiết kế chắc chắn hơn, chi tiết hơn; motor lớn chạy điện AC 220V nên việc đảo chiều động cơ khó khăn hơn…
- Hệ thống có thể cải tiến áp dụng vào việc tạo giàn phơi đồ
thông minh, rèm cửa thông minh.
Kết luận: Với cấu tạo và nguyên lí như trên thì hệ thống mái che thông
minh đã đáp ứng được các yêu cầu ban đầu đặt ra.
Quy trình hoạt động là hoàn toàn tự động, hoặc có thể điếu
khiến trực tiếp bằng smartphone nên rất dễ sử dụng.
Ứng dụng có thế được chế tạo đế sử dụng rộng rãi do yêu cầu
về thiết bị, linh kiện không cao và giá thành thấp.
Bản thân mạch điều kiến trên có thế mở rộng đế làm với nhiều
mục đích khác như: điều khiến rèm cửa, tưới nước tự động, mạch quảng cáo, nhà thông minh..
Hƣớng phát triển:
11
Sản phẩm có thể áp dụng rộng rãi vào thực tế. diện tích rộng nên phần cơ khí cần thiết kế chắc chắn hơn, chi tiết hơn; motor lớn chạy điện AC 220V nên việc đảo chiều động cơ khó khăn hơn… Hệ thống có thể cải tiến áp dụng vào việc tạo giàn phơi đồ
thông minh, rèm cửa thông minh.
12
