Giới thiệu về chức năng nhiệm vụ của hệ thống

CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống cơ điện tử 1.1 Giới thiệu về chức năng nhiệm vụ của hệ thống 1.1.1 Khái niệm Cơ Điện Tử và hệ Cơ Điện Tử Cơ điện tử là một hệ thống cơ cấu máy có thiết bị điều khiển đã được lập trình và có khả năng hoạt động một cách linh hoạt Ứng dụng trong sinh hoạt, trong công nghiệp, trong lĩnh vực nghiên cứu như máy lạnh, tủ lạnh, máy giặt, modul sản xuất linh hoạt, tự động hóa quá trình sản xuất hoặc cá thiết bị hỗ trợ nghiên cứu như các thiết bị đo trong các hệ thống kiểm tra Khái niệm cơ điện tử được mở ra từ định nghĩa ban đầu của công ty Yasakawa Electric, theo sau đó là những định nghĩa khác nhau của các nhà khoa học khác trên toàn thế giới Tất cả những định nghĩa và phát biểu đó đều xác đắng và giàu thông tin, tuy nhiên nếu đứng riêng lẻ lại không định nghĩa được đầy đủ thuật ngữ Cơ Điện Tử Hệ thống Cơ Điện Tử là một lĩnh vực đa ngành của khoa học kĩ thuật, hình thành từ các ngành mũi nhọn như Cơ khí, Điện – Điện tử, Tin học Tuy nhiên, trên thực thế hệ thống Cơ Điện Tử không có một định nghĩa rõ ràng Nó được tách biệt hoàn toàn ở cá phần riêng biệt nhưng được kết hợp trong quá trình thực hiện Các phần tử cơ bản cấu thành nên hệ thống Cơ Điện Tử: Hệ thống thông tin Hệ thống điện Hệ thống cơ khí Hệ thống máy tính Cảm biến Cơ cấu chấp hành / cơ cấu tác động Giao tiếp thời gian thực (HMI/GUI) Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống Cơ Điện Tử Giải pháp cơ điện tử trong thiết kế kĩ thuật liên quan đến việc cung cấp một cấu trúc trong đó có sự tích hợp thành một hệ thống thống nhất của các công nghệ khác nhau được thiết lập và đánh giá Sơ đồ khối về toàn bộ hệ thống (một 1 download by : skknchat@gmail.com sản phẩm cơ điện tử) trên cơ sở các khối hoặc các modun thành phần được thể hiện như trên hình 1.2 Hình 1.2 Cấu trúc theo modul hệ Cơ Điện Tử 1.1.2 Hệ thống Cơ Điện Tử được sử dụng hiện nay Hệ Cơ Điện Tử được phân loại đa dạng và được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống: Trong y học: Các thiết bị máy cắt lớp, các máy chụp X-quang, các thiết bị mổ nội soi,… Trong công nghiệp: Hệ thống FMS, robot công nghiệp, hệ thống phân loại, kho hàng tự động, … Trong văn phòng: Hệ thống mạng công tác, có sử dụng máy tính, các thiết bị văn phòng (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 ngôi nhà, … 1.1.3 Đề tài hệ thống đo và cảnh báo khí gas Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí là hệ thống có chức năng phát hiện sự hiện diện của một loại khí trong một khu vực nhất định nào đó, hệ thống này thường là một phần của hệ thống an toàn của nhà máy hoặc khu vực dễ chịu ảnh hưởng của những loại khí độc hại Hệ thống này gồm 2 phần chính, phần thứ nhất là đầu rò khí có tác dụng phát hiện khí bị rò rỉ Phần thứ 2 là thiết bị cảnh báo, có chuông cảnh báo, đèn cảnh báo, màn hình hiển thị nồng độ khí Sau khi đầu rò phát hiện khí, nó sẽ truyền tín hiệu cho bộ phận cảnh báo để đưa ra cảnh báo và ngắt nguồn khí, chạy các hệ thống ngăn ngừa cháy nổ download by : skknchat@gmail.com Phát hiện rò rỉ khí là quá trình xác định rò rỉ khí có khả năng gây nguy hiểm hay không Việc tiếp xúc với khí độc cũng có thể xảy ra trong các hoạt động như sợ, khử trùng, đổ nhiên liệu, vận hành bãi chôn lấp,… Các cảm biến thông thường bao gồm cảm biến khí cháy, thiết bị dò quang phổ, cảm biến bán dẫn,… Những loại cảm biến này được sử dụng cho nhiều ứng dụng và có thể tìm thấy trong các nhà máy, xí nghiệp hay như kiểm tra chất lượng và nhà ở Sau khi tiến hành lắp đặt thì tất cả đầu rò khí ohair được hiệu chỉnh lần đầu và định kì hiệu chỉnh theo chu kì để cho hệ thống được hoạt động ổn định và ít xảy ra sai sót nhất có thể Trong thực tế, hệ thống này đã được ứng dụng rộng rãi trong các hộ gia đình sử dụng gas hay như trong khách sạn, nhà hàng và những khu công nghiệp như là biện pháp an toàn bắt buộc Hình 1.3 Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí Acetylene C2H2 ngắt van tự động 1.2 Mục tiêu hoàn thành của đề tài Thiết kế mô hình và đo cảnh báo khí gas sử dụng kit Arduino UNO với những chức năng cơ bản của hệ thống Thiết kế giao diện người dùng GUI phù hợp có thể kết nối với máy tính Kết suất bản vẽ sơ đồ điện hệ thống download by : skknchat@gmail.com CHƯƠNG 2 Các thành phần cơ bản của hệ thống cơ điện 2.1 Các phần tử đầu vào Trong đề tài này, phần tử đầu vào của hệ thống nhóm chọn và sử dụng là cảm biến khí gas MQ-2 do mức độ phổ biến và dễ tiếp cận của nó Cảm biến MQ-2 là cảm biến khí gas thông dụng trong các dòng cảm biến MQ Cảm biến MQ-2 thuộc dòng cảm biến bán dẫn, nó sử dụng một mẩu chất bán dẫn oxit kim loại (MOS) làm thành phần nhạy để xác định sự thay đổi của khí Sự có mặt của các chất khí khác ngoài không khí sẽ làm thay đổi điện trở của chất bán dẫn, từ đó làm thay đổi điện áp, và từ đây ta có thể xác định được sự thay đổi của khí Cảm biến MQ-2 hoạt động dưới điện áp 5V và công suất trung bình khoảng 800mW Nó có thể phát hiện các loại khí như LPG, khói, Alcohol, Propane, Hydrogen, Methane và Cacbon monoxide từ 200 cho đến 10000ppm Một vài thông số kĩ thuật liên quan được thể hiện trong bảng 1 Bảng 1 Các thông số chính cảm biến MQ2 Kí hiệu VC VH RL RH PH TO TS RH O2 RS α Điều kiện N tiêu chuẩn Thời gian chuẩn bị 100-2000ppm Alcohol download by : skknchat@gmail.com Hình 2.4 Thông số kích thước module MQ – 2 Hình 2.5 Sơ đồ điện module MQ – 2 2.2 Các phần tử đầu ra Trình bày về các thông tin cơ bản của mỗi 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 ra là thành phần thực hiện các kết quả sau khi bộ điều khiển xử lý xong các tín hiệu của phần tử đầu vào Trong đề tài này thì các phần tử đầu ra chính là các cơ cấu chấp hành cụ thể chính là động cơ bước và còi báo động 2.2.1 Động cơ bước 28BYJ-48 5V Động cơ bước 5VDC là động cơ bước 4 pha, 5 dây điều khiển 4 trong 5 dây này được kết nối với 4 cuộn dây trong động cơ và 1 dây là dây nguồn chung cho cả 4 cuộn dây Mỗi bước của động cơ quét 1 góc 5.625 độ, vậy để quay 1 vòng động cơ phải thực hiện 64 bước Rated voltage ： 5VDC Number of Phase ： 4 Speed Variation Ratio ： 1/64 Stride Angle ： 5.625° /64 Frequency : 100Hz DC resistance ： 50Ω±7%(25℃) download by : skknchat@gmail.com Hình 2.6 Thông số kích thước động cơ bước 28BỴ - 48 5V Động cơ bước hoạt động kèm theo với IC ULN2003 để có thể điều khiển bước góc xoay Như chúng ta thấy có bốn cuộn dây trong động cơ và một đầu của tất cả các cuộn dây được gắn với + 5V (Đỏ) và các đầu còn lại (Cam, Hồng, Vàng và Xanh) được đưa ra ngoài như dây Dây Đỏ luôn được cung cấp nguồn + 5V không đổi và + 5V này sẽ đi qua (cung cấp năng lượng) cho cuộn dây chỉ khi đầu kia của cuộn dây được nối đất Động cơ bước chỉ có thể quay nếu các cuộn dây được cấp điện (nối đất) theo một trình tự hợp lý Chuỗi logic này có thể được lập trình bằng vi điều khiển hoặc bằng cách thiết kế mạch kỹ thuật số Trình tự mà mỗi cuộn dây sẽ được kích hoạt được hiển thị trong bảng dưới đây Ở đây “1” đại diện cho cuộn dây được giữ ở + 5V, vì cả hai đầu của cuộn dây đều ở + 5V (màu đỏ và các đầu khác), cuộn dây sẽ không được cung cấp năng lượng Tương tự “0” đại diện cho cuộn dây được giữ dưới đất, bây giờ một đầu sẽ là + 5V và đầu kia được nối đất để cuộn dây sẽ được cung cấp năng lượng Hình 2.7 Sơ đồ dây động cơ download by : skknchat@gmail.com Bảng 2 Tín hiệu góc quay động cơ Màu cuộn dây Cam Vàng Hồng Xanh dương Đỏ 2.2.2 Còi báo động SFM – 27 12V Còi Báo Động SFM-27 12V là loại còi thường được dùng trong báo cháy, báo sự cố dân dụng và công nghiệp Loại còi này tạo ra âm thanh liên tục với cường độ >90dB Thông số kỹ thuâ •t: - Mã sản phẩm: LOA09 Điện áp hoạt động: 3- 24V - Dòng điện tiêu thụ: 100mA Khối lượng: 8g Hình 2.8 Còi báo động download by : skknchat@gmail.com 2.3 Bộ điều khiển Hình 2.9 Kit Arduino UNO Thông số kỹ thuật của Arduino UNO R3 Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 là tiêu chuẩn, các biến thể gần như có thông số tương đương Arduino Uno được xây dựng với phần nhân là vi điều khiển ATmega328P, sử dụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz Với vi điều khiển này, tổng cộng có 14 pin (ngõ) ra / vào được đánh số từ 0 tới 13 (trong đó có 6 pin PWM, được đánh dấu ~ trước mã số của pin) Song song đó, có thêm 6 pin nhận tín hiệu analog được đánh kí hiệu từ A0 - A5, 6 pin này cũng có thể sử dụng được như các pin ra / vào bình thường (như pin 0 - 13) Ở các pin được đề cập, pin 13 là pin đặc biệt vì nối trực tiếp với LED trạng thái trên board Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần lưu ý: Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện Về vai trò, có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây Kích thước của vùng nhớ này dựa vào vi điều khiển được sử dụng, ví dụ như ATmega8 có 8KB flash memory Loại bộ nhớ này có thể chịu được khoảng 10.000 lần ghi / xoá RAM: tương tự như RAM của máy tính, mất dữ liệu khi ngắt điện, bù lại tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh Kích thước nhỏ hơn Flash Memory nhiều lần EEPROM: một dạng bộ nhớ tương tự như Flash Memory nhưng có chu kì ghi / xoá cao hơn - khoảng 100.000 lần và có kích thước rất nhỏ Để đọc / ghi dữ liệu có thể dùng thư viện EEPROM của Arduino Ngoài ra, Arduino board còn cung cấp cho các pin khác nhau như pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND, Thông số kỹ thuật của Arduino board được tóm tắt trong bảng 2: download by : skknchat@gmail.com Bảng 3 Thông số kĩ thuật chính của Arduino UNO R3 Chip điều khiển Điện áp hoạt động Điện áp đầu vào (khuyên dùng) Điện áp đầu vào (giới hạn) Số chân Digital Số chân PWM Digital Số chân Analog Dòng điện DC trên mỗi chân I/O Dòng điện DC trên trên 3.3V Flash Memory SRAM EEPROM Xung nhịp chip LED_BUILT_IN Chiều dài Chiều rộng Khối lượng 2.4 Các dạng giao tiếp được sử dụng Để kết nối giữa kit Arduino với GUI trên máy tính, nhóm sử dụng chuẩn truyền thông UART, đây là bộ truyền nhận nối tiếp bất đồng bộ có sẵn với mọi bộ kit Arduino hiện nay Các khái niệm quan trọng trong chuẩn truyền thông UART: Baudrate: Số bit truyền được trong 1s, ở truyền nhận không đồng bộ thì ở các bên truyền và nhận phải thống nhất Baudrate Các thông số tốc độ Baudrate thường hay sử dụng dể giao tiếp với máy tính là 600,1200,2400,4800,9600,14400,19200,38400,56000,57600,115200 download by : skknchat@gmail.com ... 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. .. 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 download by : skknchat@gmail.com CHƯƠNG Các thành phần hệ thống điện 2.1... 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