BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Văn Trường Sinh viên thực hiện Vũ Xuân Thắng 2018604983 Nguyễn Trọng Vũ 2018602588 Hà Nội 2021 2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Giáo viên hướng dẫn 3 ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Giáo viên chấm phản biện 4 LỜI NÓI ĐẦU Quản lý chất thải là một yêu cầu quan trọng đối với sự phát triển bền.
phân tích nhiệm vụ thiết kế
yêu cầu thị trường, công ty, môi trường
Rác thải hiện nay là một vấn đề toàn cầu nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến môi trường sống, đặc biệt tại các đô thị Tại Việt Nam, với tốc độ tăng trưởng đô thị nhanh và dân số đô thị gia tăng, rác thải đã trở thành một vấn đề cấp bách, thu hút sự quan tâm từ Chính phủ, các Bộ, ngành, chính quyền địa phương và toàn xã hội.
Hiện nay, Việt Nam đang phải đối mặt với vấn đề rác thải nghiêm trọng, với tổng khối lượng khoảng 50.000 tấn mỗi ngày Trong đó, các đô thị đóng góp khoảng 35.000 tấn, trong khi phần còn lại đến từ các vùng nông thôn.
Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh mỗi ngày thải ra khoảng 7.000 – 8.000 tấn, trong đó trên 80% được xử lý chủ yếu bằng công nghệ chôn lấp
Hình 1 Phân bố lượng rác cả nước trong một ngày
Viện trưởng Viện Môi trường đô thị và công nghiệp Việt Nam cho biết, hiện Việt Nam có khoảng 858 đô thị với tỷ lệ đô thị hóa đạt 39,3% Hàng năm, tổng lượng chất thải rắn phát sinh khoảng 15 triệu tấn, trong đó rác thải sinh hoạt đô thị chiếm khoảng 34.500 tấn mỗi ngày Rác thải công nghiệp ước tính khoảng 3,2 triệu tấn/năm, và tốc độ gia tăng chất thải hàng năm dao động từ 10 – 12%.
Ô nhiễm môi trường tại các đô thị, đặc biệt là ở các thành phố lớn, đang đối mặt với nhiều thách thức nghiêm trọng, trong đó vấn đề rác thải là một trong những vấn đề cấp bách cần được giải quyết.
Hiện nay, công nghệ xử lý chất thải rắn sinh hoạt chủ yếu vẫn là chôn lấp, trong khi đó, công nghệ đốt chỉ chiếm khoảng 14% và công nghệ ủ phân chưa được áp dụng rộng rãi.
12 hữu cơ khoảng 34% và công nghệ xử lý liên hợp kết hợp giữa ủ hữu cơ và đốt chiếm khoảng 52%
Hình 2 Biện pháp xử lý rác thải
Với lượng rác thải rắn phát sinh hàng ngày ngày càng lớn, công tác thu gom, vận chuyển và xử lý rác vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu Hệ thống phân loại và kiểm soát chất thải tại nguồn còn nhiều hạn chế, trong khi các dự án phân loại rác chưa mang lại hiệu quả như mong đợi.
Chôn lấp, ủ phân hữu cơ, và đốt rác là những phương pháp quản lý chất thải hiệu quả, bao gồm đốt rác để phát điện và tiêu hủy, cũng như tạo năng lượng từ rác thải Công nghệ tái chế và thu hồi khí mêtan cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tác động môi trường và tối ưu hóa nguồn tài nguyên.
Mỗi loại hình xử lý rác thải đều phụ thuộc vào quy mô, khối lượng rác thu gom, công suất của lò đốt, cũng như khả năng tiêu thụ và đầu ra của từng địa phương Đặc biệt, cần xem xét kỹ lưỡng chi phí đầu tư và vấn đề bảo vệ môi trường.
Để cải thiện công nghệ xử lý chất thải đô thị tại Việt Nam, cần thực hiện các biện pháp quyết liệt như phân loại rác tại nguồn, lập quy hoạch các điểm tập kết rác thải và cơ giới hóa thiết bị thu gom Việc lựa chọn công nghệ xử lý chất thải rắn cần đảm bảo hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và môi trường, phù hợp với điều kiện từng vùng miền và địa phương.
1.1.3 Tìm kiếm và hình thành ý tưởng
Thị trường quản lý chất thải thông minh có giá trị 1,77 tỷ USD vào năm 2020 và dự kiến sẽ đạt 6,52 tỷ USD vào năm 2026, với tốc độ tăng trưởng hàng năm (CAGR) đạt 25,68% trong giai đoạn 2021-2026 Theo Ngân hàng Thế giới, khoảng 1,3 tỷ tấn chất thải được tạo ra toàn cầu mỗi năm, con số này dự kiến sẽ tăng lên 2,3 tỷ tấn vào năm 2020, chủ yếu do quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa diễn ra nhanh chóng.
Quản lý rác thải thông minh đóng vai trò thiết yếu trong sự phát triển của thành phố thông minh, bên cạnh các lĩnh vực như quản lý nước, năng lượng và giao thông Việc triển khai các sáng kiến thành phố thông minh ngày càng tăng cường sự phát triển của thị trường quản lý chất thải thông minh, góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống tại các khu vực đô thị.
Ngành quản lý chất thải bao gồm các hoạt động như thu gom, vận chuyển, xử lý và tái chế Tuy nhiên, ngành này đang gặp phải vấn đề về hiệu quả, đặc biệt là chi phí vận hành liên quan đến thu gom và vận chuyển chất thải Điều này đã thúc đẩy sự gia tăng áp dụng quản lý chất thải thông minh nhằm tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu chi phí.
Sự phức tạp trong quản lý thu gom chất thải và yêu cầu tuân thủ quy định xử lý chất thải đang thúc đẩy nhu cầu về các giải pháp quản lý chất thải hiệu quả hơn Việc áp dụng các công nghệ như cảm biến IoT, RFID và GPS sẽ giúp cải thiện quy trình này Thị trường quản lý chất thải hiện đang ở giai đoạn phát triển ban đầu và dự kiến sẽ chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ nhờ vào sự phát triển của các công nghệ thương mại khả thi và những lợi ích hoạt động mà chúng mang lại.
1.1.3.2 Xu hướng chính của thị trường
Thu gom rác thông minh thông qua IoT để góp phần tăng trưởng thị trường
Trong lĩnh vực thu gom thông minh, IoT đã cách mạng hóa quy trình và giảm thiểu chi phí vận hành cho các công ty xử lý chất thải Các nhà cung cấp giải pháp thông minh tập trung vào ba lĩnh vực chính: giám sát thông minh, tối ưu hóa tuyến đường và phân tích dữ liệu.
Thông qua việc áp dụng cảm biến, hạ tầng mạng và nền tảng trực quan hóa dữ liệu, các công ty quản lý chất thải đã phát triển những hiểu biết sâu sắc có thể hành động, giúp họ đưa ra các quyết định thông minh hơn.
Cấu tạo chung của hệ thống phân loại sản phẩm
Hệ thống phân loại sản phẩm cần có những bộ phận sau:
Bộ phận điều hướng rác thải
Cụm thiết bị điều khiển
Cụm thiết bị xử lý
Các thành phần trong hệ thống có chức năng và nhiệm vụ riêng, được bố trí đồng bộ để tối ưu hóa hiệu suất Sự phân chia này giúp chúng ta dễ dàng hình dung về sản phẩm.
Hình 7 Sơ đồ tổng quát hoạt động của máy phân loại rác sử dụng công nghệ RFID
Phễu nguyên liệu được thiết kế để chứa và dự trữ túi rác trước khi xử lý, đóng vai trò quan trọng trong việc định hướng nguyên liệu, giúp cung cấp hiệu quả cho bộ phận phân loại rác.
Hình 8 Phễu cấp nguyên liệu
Phễu là nơi chứa túi rác trước khi xử lý Túi rác được cung cấp từ bên ngoài bởi người dùng
1.2.2 Bộ phận điều hướng rác thải
Với bộ phận này, rác thải sẽ được chuyển đến thùng rác tương ứng với loại vật liệu chứa trong túi
Hình 9 Bộ phận điều hướng rác thải
Vỏ thùng rác được thiết kế hài hòa với môi trường đô thị, mang lại hình dáng quen thuộc và hấp dẫn Sản phẩm này dễ dàng lắp ráp và có thể được vận chuyển trong bao bì, giúp giảm chi phí vận chuyển và bảo trì, đồng thời vẫn giữ được các yếu tố thẩm mỹ và giao tiếp.
Có thể chịu những tác nhân từ môi trường như thời tiết, va đập
RFID, viết tắt của Radio Frequency Identification, có nghĩa là "nhận dạng qua tần số vô tuyến" Công nghệ này cho phép hai thiết bị giao tiếp bằng cách thu phát sóng trong cùng tần số, thường là 125Khz hoặc 900Mhz.
Thẻ RFID là công nghệ không sử dụng tia sáng như mã vạch, không tiếp xúc trực tiếp
Thông tin có thể được truyền qua những khoảng cách nhỏ mà không cần một tiếp xúc vật lý nào
Một số loại thẻ có khả năng đọc thông tin qua các vật liệu như bê tông, tuyết, sương mù, băng đá, sơn, và các điều kiện môi trường khó khăn khác.
Các tần số thường được sử dụng trong hệ thống RFID là 125Khz hoặc
Hình 11 UHF RFID Short Range Reader 0-30CM
1.2.2 Cụm thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển bao gồm các cổng kết nối truyền thông giữa vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi như động cơ
1.2.6 Thiết bị xử lý trung tâm
STM32 là dòng vi điều khiển phổ biến của ST, nổi bật với giá thành hợp lý và tính năng mạnh mẽ Các mạch nạp và công cụ lập trình đa dạng, dễ sử dụng, giúp người dùng tiếp cận dễ dàng Sự hỗ trợ từ nhà sản xuất và cộng đồng nghiên cứu phát triển cũng là điểm cộng lớn cho STM32.
Các ngoại vi của STM32, bao gồm ADC, timer, I2C, SPI, CAN, USB và RTC, có nhiều đặc điểm thú vị Bộ ADC 12-bit tích hợp cảm biến nhiệt độ để tự động hiệu chỉnh khi nhiệt độ thay đổi và hỗ trợ nhiều chế độ chuyển đổi Mỗi bộ định thời có 4 khối capture compare, cho phép bắt sự kiện và tạo dạng sóng ở ngõ ra Đặc biệt, các khối định thời này có thể liên kết với nhau để tạo ra các định thời tinh vi hơn.
STM32 hỗ trợ tối đa 12 kênh DMA (Direct Memory Access), cho phép truyền dữ liệu hiệu quả giữa các thanh ghi ngoại vi và bộ nhớ Mỗi kênh DMA có thể được sử dụng độc lập để tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu.
Các thiết bị ngoại vi có kích thước dữ liệu truyền tải từ 8, 16 đến 32 bit Mỗi thiết bị ngoại vi thường đi kèm với một bộ điều khiển DMA (DMA controller) để thực hiện việc gửi hoặc yêu cầu dữ liệu theo nhu cầu.
STM32 là vi điều khiển tiết kiệm năng lượng với hiệu suất cao, hoạt động ở điện áp 2V và tần số 72MHz Với mức tiêu thụ dòng chỉ 36mA, tất cả các khối bên trong vi điều khiển đều có thể hoạt động đồng thời.
Ngày nay, các ứng dụng hiện đại phải hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, yêu cầu tính an toàn cao và khả năng xử lý mạnh mẽ cùng với nhiều thiết bị ngoại vi tinh vi Để đáp ứng những yêu cầu này, STM32 cung cấp nhiều tính năng phần cứng hỗ trợ tối ưu cho các ứng dụng.
Một trong những yêu cầu quan trọng của thiết kế hiện đại là bảo mật mã chương trình nhằm ngăn chặn việc sao chép trái phép phần mềm Bộ nhớ Flash đóng vai trò thiết yếu trong việc lưu trữ và bảo vệ thông tin này.
STM32 có thể được khóa để chống truy cập đọc Flash thông qua cổng Debug
Lập kế hoạch và làm rõ nhiệm vụ
Dưới đây là bảng kế hoạch chi tiết về nhiệm vụ và thời gian hoàn thành của nhóm, được thiết lập để đảm bảo hiệu quả cao nhất trong công việc.
STT Thời Gian Nhiệm Vụ
1 15/03/2021-01/04/2021 Tìm hiểu và phân tích thị trường
3 08/04/2021-15/04/2021 Lên kế hoạch và làm rõ nhiệm vụ
6 29/04/2021-30/05/2021 Thử nghiệm tại công ty
7 30/05/2021-30/08/2021 Đưa ra vận hành thử nghiệm dòng sản phẩm alpha
8 30/08/20210- 15/09/2021 Thu thập thông tin phản hồi từ người dùng thử nghiệm
9 15/09/2021- 15/02/2022 Sửa chữa, khắc phục lỗi, cải tiến
10 15/02/2022- 15/05/2022 Đưa ra thị trường dòng sản phẩm beta
11 15/05/2022- 30/11/2022 Thu thập thông tin phản hồi và sửa chữa lỗi, tối ưu hóa thiết bị
12 01/02/2023- 01/03/2023 Sản xuất số lượng lớn và các chiến dịch marketing
13 Từ 01/03/2023 Đưa ra thị trường dòng sản phẩm hoàn thiện và liên tục cập nhật thông tin phản hồi
Bảng 1 Kế hoạch phát triển thùng rác phân loại rác
thiết lập danh sách yêu cầu
Nhóm 1 Danh sách yêu cầu
Hệ thống phân loại rác sử dụng công nghệ RFID
Thông số kích thước o Thể tích:1000-1200L (Chứa được 2 thùng rác có bánh xe tiêu chuẩn) o Kích thước:
Cao: 0,95 – 1,1m o Độ dày vỏ máy: 1-2mm
Vật liệu o Không rỉ sét o Chống ăn mòn o Độ bền:
Ứng suất bền > 400 MPa o Vật liệu có sẵn trên thị trường
An toàn o Không có góc cạnh sắc o An toàn với điện 350V
Sản xuất o Dễ gia công dạng tấm, dạng khung
Giá thành o Giá thành vật liệu và chi phí gia công hợp lý (Tổng dưới 4 triệu)
Công thái học: o Kiểu dáng phù hợp với môi trường đô thị
2 Phần phễu o Thể tích 10-15 lít
Sử dụng nguồn điện lưới 220-250V/50Hz
Pin năng lượng mặt trời o 50-150W o Tích hợp 2 – 3 pin
Công nghệ RFID được áp dụng để nhận diện nhãn dán trên túi rác, giúp mở và đóng cửa thùng rác một cách hiệu quả Thiết bị hoạt động trong dải tần số dưới 1 feet và sử dụng thẻ RFID thụ động, cho phép nhận diện hai loại mã cần thiết để quản lý rác thải.
2 Cơ cấu phân loại rác
Động học của hệ thống cho thấy chuyển động đến vị trí thùng rác có sai số nhỏ hơn 0.5 cm và thời gian di chuyển được duy trì ở mức dưới 5 giây, tính từ thời điểm phát hiện rác cho đến khi trở về vị trí ban đầu.
Kích thước o Không quá cồng kềnh
Lực o Có thể tải tối đa 10 kg
Sản xuất o Cấu tạo cơ cấu chuyển động đơn giản o Các chi tiết có thể tìm kiếm dễ dàng trên thị trường
Vận hành o Vận hành êm, độ ồn
