Giới thiệu về chức năng nhiệm vụ của hệ thống

CHƯƠNG Tổng quan hệ thống điện tử 1.1 Giới thiệu chức nhiệm vụ hệ thống 1.1.1 Khái niệm Cơ Điện Tử hệ Cơ Điện Tử Cơ điện tử hệ thống cấu máy có thiết bị điều khiển lập trình có khả hoạt động cách linh hoạt Ứng dụng sinh hoạt, công nghiệp, lĩnh vực nghiên cứu máy lạnh, tủ lạnh, máy giặt, modul sản xuất linh hoạt, tự động hóa trình sản xuất cá thiết bị hỗ trợ nghiên cứu thiết bị đo hệ thống kiểm tra Khái niệm điện tử mở từ định nghĩa ban đầu công ty Yasakawa Electric, theo sau định nghĩa khác nhà khoa học khác toàn giới Tất định nghĩa phát biểu xác đắng giàu thông tin, nhiên đứng riêng lẻ lại không định nghĩa đầy đủ thuật ngữ Cơ Điện Tử Hệ thống Cơ Điện Tử lĩnh vực đa ngành khoa học kĩ thuật, hình thành từ ngành mũi nhọn Cơ khí, Điện – Điện tử, Tin học Tuy nhiên, thực hệ thống Cơ Điện Tử khơng có định nghĩa rõ ràng Nó tách biệt hồn tồn cá phần riêng biệt kết hợp trình thực Các phần tử cấu thành nên hệ thống Cơ Điện Tử:  Hệ thống thông tin  Hệ thống điện  Hệ thống khí  Hệ thống máy tính  Cảm biến  Cơ cấu chấp hành / cấu tác động  Giao tiếp thời gian thực (HMI/GUI) Hình 1.1 Các thành phần hệ thống Cơ Điện Tử Giải pháp điện tử thiết kế kĩ thuật liên quan đến việc cung cấp cấu trúc có tích hợp thành hệ thống thống công nghệ khác thiết lập đánh giá Sơ đồ khối toàn hệ thống (một sản phẩm điện tử) sở khối modun thành phần thể hình 1.2 Hình 1.2 Cấu trúc theo modul hệ Cơ Điện Tử 1.1.2 Hệ thống Cơ Điện Tử sử dụng Hệ Cơ Điện Tử phân loại đa dạng ứng dụng rộng rãi sống: - Trong y học: Các thiết bị máy cắt lớp, máy chụp X-quang, thiết bị mổ nội soi,… - Trong công nghiệp: Hệ thống FMS, robot công nghiệp, hệ thống phân loại, kho hàng tự động, … - Trong văn phịng: Hệ thống mạng cơng tác, có sử dụng máy tính, thiết bị văn phịng (máy in, máy fax,…) - Trong sinh hoạt gia đình: Các sản phẩm tiêu dùng (máy giặt, điện thoại, tivi,…) hệ thống giám sát bảo vệ nhà, … 1.1.3 Đề tài hệ thống đo cảnh báo khí gas Hệ thống cảnh báo rị rỉ khí hệ thống có chức phát diện loại khí khu vực định đó, hệ thống thường phần hệ thống an toàn nhà máy khu vực dễ chịu ảnh hưởng loại khí độc hại Hệ thống gồm phần chính, phần thứ đầu rị khí có tác dụng phát khí bị rị rỉ Phần thứ thiết bị cảnh báo, có chng cảnh báo, đèn cảnh báo, hình hiển thị nồng độ khí Sau đầu rị phát khí, truyền tín hiệu cho phận cảnh báo để đưa cảnh báo ngắt nguồn khí, chạy hệ thống ngăn ngừa cháy nổ Phát rò rỉ khí q trình xác định rị rỉ khí có khả gây nguy hiểm hay khơng Việc tiếp xúc với khí độc xảy hoạt động sợ, khử trùng, đổ nhiên liệu, vận hành bãi chôn lấp,… Các cảm biến thông thường bao gồm cảm biến khí cháy, thiết bị dị quang phổ, cảm biến bán dẫn,… Những loại cảm biến sử dụng cho nhiều ứng dụng tìm thấy nhà máy, xí nghiệp hay kiểm tra chất lượng nhà Sau tiến hành lắp đặt tất đầu rị khí ohair hiệu chỉnh lần đầu định kì hiệu chỉnh theo chu kì hệ thống hoạt động ổn định xảy sai sót Trong thực tế, hệ thống ứng dụng rộng rãi hộ gia đình sử dụng gas hay khách sạn, nhà hàng khu cơng nghiệp biện pháp an tồn bắt buộc Hình 1.3 Hệ thống cảnh báo rị rỉ khí Acetylene C2H2 ngắt van tự động 1.2 Mục tiêu hoàn thành đề tài - Thiết kế mơ hình đo cảnh báo khí gas sử dụng kit Arduino UNO với - chức hệ thống Thiết kế giao diện người dùng GUI phù hợp kết nối với máy tính Kết suất vẽ sơ đồ điện hệ thống CHƯƠNG Các thành phần hệ thống điện 2.1 Các phần tử đầu vào Trong đề tài này, phần tử đầu vào hệ thống nhóm chọn sử dụng cảm biến khí gas MQ-2 mức độ phổ biến dễ tiếp cận Cảm biến MQ-2 cảm biến khí gas thơng dụng dịng cảm biến MQ Cảm biến MQ-2 thuộc dòng cảm biến bán dẫn, sử dụng mẩu chất bán dẫn oxit kim loại (MOS) làm thành phần nhạy để xác định thay đổi khí Sự có mặt chất khí khác ngồi khơng khí làm thay đổi điện trở chất bán dẫn, từ làm thay đổi điện áp, từ ta xác định thay đổi khí Cảm biến MQ-2 hoạt động điện áp 5V công suất trung bình khoảng 800mW Nó phát loại khí LPG, khói, Alcohol, Propane, Hydrogen, Methane Cacbon monoxide từ 200 10000ppm Một vài thông số kĩ thuật liên quan thể bảng Bảng Các thơng số cảm biến MQ2 Kí hiệu Tên thông số Thông số Ghi VC VH RL RH Điện áp mạch Điện áp làm nóng Điện trở tải Điện trở làm nóng 5V±0.1 5V±0.1 Có thể điều chỉnh 33Kohm±5% AC DC AC DC 10Kohm ±5% Nhiệt độ phịng PH Cơng suất làm nóng ≤800mW TO TS RH O2 Nhiệt độ hoạt động Nhiệt độ bảo quản Độ ẩm hoạt động Nồng độ oxy RS α Điều kiện tiêu chuẩn Thời gian chuẩn bị -20 ℃ - 50 ℃ -20 ℃ - 70 ℃ ≤95% 21% (Điều kiện tiêu chuẩn) Nồng độ Oxy ảnh hưởng đến độ nhạy Điện trở cảm biến 3Kohm-30Kohm (1000 ppm iso-butane) Hệ số góc ≤0.6 Nhiệt độ: 20±2 ℃ , điện áp 5V±0.1 Độ ẩm: 65% ± 5% Trên 24 Tối thiểu 2% Nồng độ phát hiện: 200-5000ppm LPG Propane 300-5000ppm Butane 5000-20000ppm Methane 300-5000ppm H2 100-2000ppm Alcohol Hình 2.4 Thơng số kích thước module MQ – Hình 2.5 Sơ đồ điện module MQ – 2.2 Các phần tử đầu - Trình bày thông tin phần tử đầu ra: Chức năng, nguyên lý hoạt động Thông số kỹ thuật: điện áp hoạt động, dạng tín hiệu điều khiển, ký hiệu phần tử Các phần tử đầu thành phần thực kết sau điều khiển xử lý xong tín hiệu phần tử đầu vào Trong đề tài phần tử đầu cấu chấp hành cụ thể động bước còi báo động 2.2.1 Động bước 28BYJ-48 5V Động bước 5VDC động bước pha, dây điều khiển dây kết nối với cuộn dây động dây dây nguồn chung cho cuộn dây Mỗi bước động quét góc 5.625 độ, để quay vòng động phải thực 64 bước Rated voltage ： 5VDC Number of Phase ： Speed Variation Ratio ： 1/64 Stride Angle ： 5.625° /64 Frequency : 100Hz DC resistance ： 50Ω±7%(25℃) Hình 2.6 Thơng số kích thước động bước 28BỴ - 48 5V Động bước hoạt động kèm theo với IC ULN2003 để điều khiển bước góc xoay Như thấy có bốn cuộn dây động đầu tất cuộn dây gắn với + 5V (Đỏ) đầu lại (Cam, Hồng, Vàng Xanh) đưa dây Dây Đỏ cung cấp nguồn + 5V không đổi + 5V qua (cung cấp lượng) cho cuộn dây đầu cuộn dây nối đất Động bước quay cuộn dây cấp điện (nối đất) theo trình tự hợp lý Chuỗi logic lập trình vi điều khiển cách thiết kế mạch kỹ thuật số Trình tự mà cuộn dây kích hoạt hiển thị bảng Ở “1” đại diện cho cuộn dây giữ + 5V, hai đầu cuộn dây + 5V (màu đỏ đầu khác), cuộn dây không cung cấp lượng Tương tự “0” đại diện cho cuộn dây giữ đất, đầu + 5V đầu nối đất để cuộn dây cung cấp lượng Hình 2.7 Sơ đồ dây động Bảng Tín hiệu góc quay động Màu cuộn dây Cam Vàng Hồng Xanh dương Đỏ 2.2.2 Bước 1 1 Trình tự xoay theo hướng kim đồng hồ Bước Bước Bước Bước Bước Bước 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 Bước 1 Còi báo động SFM – 27 12V Còi Báo Động SFM-27 12V loại còi thường dùng báo cháy, báo cố dân dụng cơng nghiệp Loại cịi tạo âm liên tục với cường độ >90dB Thơng số kỹ th •t: - Mã sản phẩm: LOA09 - Điện áp hoạt động: 3- 24V - Dòng điện tiêu thụ: 100mA - Khối lượng: 8g Hình 2.8 Cịi báo động 2.3 Bộ điều khiển Hình 2.9 Kit Arduino UNO Thông số kỹ thuật Arduino UNO R3 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 tiêu chuẩn, biến thể gần có thơng số tương đương Arduino Uno xây dựng với phần nhân vi điều khiển ATmega328P, sử dụng thạch anh có chu kì dao động 16 MHz Với vi điều khiển này, tổng cộng có 14 pin (ngõ) / vào đánh số từ tới 13 (trong có pin PWM, đánh dấu ~ trước mã số pin) Song song đó, có thêm pin nhận tín hiệu analog đánh kí hiệu từ A0 - A5, pin sử dụng pin / vào bình thường (như pin - 13) Ở pin đề cập, pin 13 pin đặc biệt nối trực tiếp với LED trạng thái board Trên board cịn có nút reset, ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn Khi làm việc với Arduino board, số thuật ngữ sau cần lưu ý:  Flash Memory: nhớ ghi được, liệu khơng bị tắt điện Về vai trò, hình dung nhớ ổ cứng để chứa liệu board Chương trình viết cho Arduino lưu Kích thước vùng nhớ dựa vào vi điều khiển sử dụng, ví dụ ATmega8 có 8KB flash memory Loại nhớ chịu khoảng 10.000 lần ghi / xoá  RAM: tương tự RAM máy tính, liệu ngắt điện, bù lại tốc độ đọc ghi xố nhanh Kích thước nhỏ Flash Memory nhiều lần  EEPROM: dạng nhớ tương tự Flash Memory có chu kì ghi / xoá cao - khoảng 100.000 lần có kích thước nhỏ Để đọc / ghi liệu dùng thư viện EEPROM Arduino Ngồi ra, Arduino board cung cấp cho pin khác pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND, Thông số kỹ thuật Arduino board tóm tắt bảng 2: Bảng Thơng số kĩ thuật Arduino UNO R3 Chip điều khiển Atmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V Số chân Digital 14 (trong có chân hỗ trợ chỉnh xung PWM) Số chân PWM Digital Số chân Analog Dòng điện DC chân I/O 20mA Dòng điện DC trên 3.3V 50mA Flash Memory 32KB (0.5KB sử dụng để khởi động) SRAM 2KB (chip Atmega328P) EEPROM 1KB (chip Atmega328P) Xung nhịp chip 16MHz LED_BUILT_IN PIN13 Chiều dài 68.6mm Chiều rộng 53.4mm Khối lượng 25g 2.4 Các dạng giao tiếp sử dụng Để kết nối kit Arduino với GUI máy tính, nhóm sử dụng chuẩn truyền thông UART, truyền nhận nối tiếp bất đồng có sẵn với kit Arduino Các khái niệm quan trọng chuẩn truyền thông UART: Baudrate: Số bit truyền 1s, truyền nhận khơng đồng bên truyền nhận phải thống Baudrate Các thông số tốc độ Baudrate thường hay sử dụng dể giao tiếp với máy tính 600,1200,2400,4800,9600,14400,19200,38400,56000,57600,115200 Frame: Ngồi việc giống tốc độ baud thiết bị truyền nhận khung truyền bên cấu hình giống Khung truyền quy định số bit lần truyền, bit bắt đầu “Start bit”, bit kết thúc (Stop bit), bit kiểm tra tính chẵn lẻ (Parity), ngồi số bit quy định gói liệu quy định khung truyền Có thể thấy, khung truyền đóng vai trị quan trọng việc truyền thành công liệu - Idle frame: Đường truyền UART mức “1”, để xác nhận đường truyền liệu trống, khơng có frame truyền - Break frame: Đường truyền UART mức “0”, để xác nhận đường truyền truyền liệu, có frame truyền Hình 2.10 Cấu trúc gói liệu Start bit: Bit truyền frame, bit có chức báo cho bên nhận có gói liệu truyền đến Đường truyền UART trạng thái cao mức “1” chip muốn truyền liệu gởi bit start cách kéo xuống mức “0” Như start bit giá trị điện áp 0V phải bắt buộc có bit start khung truyền Data: Data hay liệu thông tin mà nhận q trình truyền nhận Data STM32 có quy định khung truyền 8bit 9bit Trong trình truyền UART, bit có trọng số thấp (LSB – least significant bit – bên phải) truyền trước cuối bit có ảnh hưởng cao (MSB – most significant bit – bên trái) Parity bit: Parity dùng để kiểm tra liệu truyền có hay khơng Có loại Parity Parity chẵn (even parity) parity lẽ (odd parity) Parity chẵn nghĩa số bit trong data truyền với bit Parity số chẵn, ngược lại Parity lẽ nghĩa số bit data truyền với bit Parity số lẽ Bit Parity bit bắt buộc loại bỏ bit khỏi khung truyền ... tivi,…) hệ thống giám sát bảo vệ nhà, … 1.1.3 Đề tài hệ thống đo cảnh báo khí gas Hệ thống cảnh báo rị rỉ khí hệ thống có chức phát diện loại khí khu vực định đó, hệ thống thường phần hệ thống. .. sử dụng kit Arduino UNO với - chức hệ thống Thiết kế giao diện người dùng GUI phù hợp kết nối với máy tính Kết suất vẽ sơ đồ điện hệ thống CHƯƠNG Các thành phần hệ thống điện 2.1 Các phần tử đầu... chu kì hệ thống hoạt động ổn định xảy sai sót Trong thực tế, hệ thống ứng dụng rộng rãi hộ gia đình sử dụng gas hay khách sạn, nhà hàng khu cơng nghiệp biện pháp an tồn bắt buộc Hình 1.3 Hệ thống