TỔNG QUAN VỀ BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG
Lịch sử phát triển
1.1.1 Những bãi giữ xe tính phí đầu tiên
Vào năm 1885, Carl Benz, một kỹ sư người Đức, đã chế tạo chiếc ô tô chạy bằng xăng đầu tiên tại thành phố Mannheim, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô Chỉ sau đó, nhiều loại ô tô sơ khai khác đã ra đời, và đến đầu thế kỷ 20, ngành công nghiệp ô tô bắt đầu bùng nổ, với công ty Ford trở thành hình mẫu tiêu biểu cho nền kinh tế hiện đại.
Hình 1 1: Carl Benz và The Velo- chiếc xe sản xuất công nghiệp đầu tiên 1894
Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô, các thành phố lớn đã nhanh chóng bị ngập tràn bởi ô tô đời đầu, dẫn đến vấn đề chỗ đỗ xe ngày càng nghiêm trọng Các khu mua sắm và hàng quán trở nên chật kín xe cộ, gây ra tình trạng tắc nghẽn giao thông do đỗ xe bừa bãi, ảnh hưởng tiêu cực đến nền kinh tế.
Vào những năm 20-30 của thế kỷ 20, thành phố Oklahoma, Hoa Kỳ, đã tổ chức một cuộc thi thiết kế sản phẩm đồng hồ đỗ xe cho các bãi đỗ xe ở trung tâm thành phố Cuối cùng, thiết kế nổi bật nhất thuộc về Holger George Thuessen và Gerald.
A Hale đã giành chiến thắng Như vậy, bãi đỗ xe được trang bị đồng hồ đếm đầu tiên được lắp đặt tại thành phố Oklahma vào ngày 16 tháng 7 năm 1935
1.1.2 Nhà giữ xe thuở sơ khai
Sự xuất hiện của đồng hồ đỗ xe đã giúp các trung tâm thành phố lớn giải quyết vấn đề giao thông tắc nghẽn, khi nhiều bãi đỗ xe được trang bị thiết bị này.
Hình 1 3: Bãi đỗ xe sơ khai
Ngày nay, mặc dù đồng hồ đỗ xe đã được cải tiến và hiện đại hóa, nhưng vẫn tồn tại tại các bãi đỗ xe ở các thành phố lớn Sự gia tăng dân số và lượng phương tiện giao thông ngày càng tăng nhanh chóng, trong khi quỹ đất ngày càng hạn hẹp, đã thúc đẩy sự ra đời của các bãi đỗ xe thông minh Những bãi đỗ xe này không chỉ tiết kiệm diện tích mà còn đáp ứng nhu cầu đỗ xe của người dân tại các thành phố đông đúc.
Hình 1 2: Chiếc đồng hồ đỗ xe
Hình 1 4: Chiếc đồng hồ đỗ xe hiện đại 1.1.3 Hệ thống đỗ xe tự động APS (Automatic Parking Systems)
Hình 1 5: Bãi đỗ xe tự động
Hệ thống đỗ xe tự động đầu tiên được hình thành tại thủ đô Paris, Pháp vào năm
Vào năm 1905, diện tích đất tại thành phố này ngày càng bị thu hẹp do các hoạt động phát triển kinh tế và văn hóa Tình trạng này sau đó đã lan rộng ra các quốc gia như Mỹ, Anh, Nhật Bản và nhiều nước châu Âu, châu Á khác.
Vào năm 2000, sản lượng ô tô toàn cầu vượt quá 53 triệu chiếc, dẫn đến nhu cầu ngày càng tăng về các bãi đỗ xe xếp tầng và thông minh nhờ vào lợi ích tiết kiệm diện tích và an ninh cao Trong bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0 hiện nay, các bãi đỗ xe thông minh cần được cải tiến để cung cấp nhiều tiện ích hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng.
Ngày nay, hệ thống đỗ xe tự động không chỉ mang lại sự tiện lợi với thời gian đỗ xe nhanh chóng mà còn tích hợp nhiều tính năng an ninh tiên tiến như camera giám sát biển số xe và nhận dạng thẻ đỗ xe, đảm bảo an toàn tối đa cho phương tiện.
1.1.4 Các dạng bãi đỗ xe ô tô phổ biến hiện nay
Với sự tiến bộ của cách mạng công nghiệp 4.0, nhiều hệ thống bãi đỗ xe tự động thông minh và giám sát hiện đại đã ra đời, mang đến sự đa dạng về loại hình Một số loại bãi đỗ xe tự động phổ biến hiện nay đang được sử dụng rộng rãi.
Bãi đỗ xe dạng xếp hình là giải pháp lý tưởng cho các khu vực có diện tích nhỏ và trung bình, có thể lắp đặt trên mặt đất hoặc dưới lòng đất với khả năng tối đa lên đến 5 tầng Hệ thống này sử dụng các bàn nâng di chuyển, hay còn gọi là pallet, giúp nâng hạ xe theo trục thẳng đứng và di chuyển ngang, mang lại hiệu quả tối ưu trong việc đưa xe vào và ra.
Bãi đỗ xe dạng tháp là giải pháp đỗ xe tự động phổ biến, tối ưu hóa diện tích đất để chứa nhiều xe Thiết kế bao gồm nhiều tháp, mỗi tháp có nhiều tầng, cho phép mỗi tầng giữ một xe Hệ thống nâng hạ và di chuyển giúp xe vào ra dễ dàng và hiệu quả.
Hình 1 6: Phương án bãi đỗ dạng xếp hình
Hình 1 7: Phương án bãi đỗ dạng tháp
Phương án bãi đỗ xe dạng tầng là một biến thể của bãi đỗ xe tháp ngang, không phụ thuộc vào các tòa nhà cao tầng và yêu cầu một diện tích tương đối để lắp đặt.
Hình 1 8: Bãi đỗ xe dạng tầng
- Ưu điểm: + Chi phí lắp đặt không cao như bãi đỗ xe dạng tháp do không cần gắn liền với các toà nhà
+ Có các ưu điểm của bãi đỗ xe dạng tháp
- Nhược điểm: Cần diện tích tương đối để lắp đặt
Ngoài các dạng bãi đỗ xe phổ biến trên, còn một số loại bãi đỗ xe tự động khác:
Sau khi phân tích, nhóm đã lựa chọn phương án bãi đỗ xe dạng tầng dựa trên các tiêu chí tiết kiệm diện tích, hiệu quả kinh tế theo thời gian và tính tự động cao Quyết định này nhằm nghiên cứu và thiết kế một mô hình bãi đỗ xe tối ưu.
Hình 1 11: Hệ thống bãi đỗ xe dạng thang nâng di chuyển
Hình 1 12: Hệ thống bãi đỗ xe dạng thang máy Hình 1 9: Hệ thống bãi đỗ xe dạng trụ Hình 1 10: Hệ thống bãi đỗ xe xoay vòng kiểu đứng
• Bãi đỗ xe dạng tầng có tốc độ lấy xe khá nhanh
• Thang nâng di chuyển để cất và lấy xe vận hành khá êm, thích hợp cho những nơi công cộng như bệnh viện, trung tâm mua sắm
• Hệ thống bãi đỗ xe xây dựng bằng thép vững chắc, an toàn cũng thuận tiện cho việc lắp đặt, tháo dỡ
• Hệ thống bãi đỗ xe dạng tầng giúp tiết kiệm diện tích đất sử dụng
Chi phí xây dựng cho hệ thống đỗ xe này cao hơn so với các hệ thống tự động khác, nhờ vào việc sử dụng khung thép chắc chắn và thang nâng hiện đại.
• Hệ thống yêu cầu một khung móng chắc chắn để có thể chịu được tải trọng của chính nó và các xe trong đó.
Mục tiêu
Ứng dụng tính năng vượt trội của PLC và các thiết bị tự động như cảm biến, mạch điều khiển động cơ bước, nhóm đã phát triển mô phỏng bãi giữ xe ô tô tự động, có khả năng tự động cất và trả xe Hệ thống còn được nâng cao tính bảo mật thông qua việc ứng dụng công nghệ RFID.
*Dự kiến kết quả đạt được:
- Xây dựng được bản vẽ chế tạo cơ khí
- Hệ thống đảm bảo kết cấu hợp lý, tối ưu kinh phí
- Hệ thống dễ dàng tháo lắp, di rời và dễ dàng kiểm tra bảo dưỡng và thay thế thiết bị
- Hệ thống hoạt động ổn định, chính xác, an toàn khi sử dụng
- Hệ thống vận hành êm ái, an toàn, ổn định, chính xác
- Lựa chọn được các cảm biến cũng như cơ cấu chấp hành phù hợp với mô hình
- Xây dựng hoàn thiện chương trình điều khiển từ PLC cho hệ thống
- Hệ thống hoạt động chính xác, đạp ứng nhanh, trong quá trình hoạt động ít xảy ra lỗi
• Yêu cầu đối với hoạt động của hệ thống
- Vận hành đúng theo chương trình điều khiển Cất xe theo đúng thứ tự từ ví trí
1 tới vị trí 6, đồng thời đặt xe đúng vị trí
- Thực hiện trả xe đúng theo việc trả thẻ thông qua hệ thống rfid
- Luôn kiểm soát đúng số lượng xe khi cất và khi đã trả xe.
Phương pháp nghiên cứu hệ thống và giới hạn đề tài
Với đề tài nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống bãi đỗ xe tự động Nhóm đưa ra nghiên cứu về các vấn đề sau:
- Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống cơ khí vững chắc, tiện lợi, phù hợp với diện tích sử dụng
- Tìm hiểu về phương pháp thiết lập khối điều khiển sử dụng PLC (chương trình điều khiển và sơ đồ nối dây)
- Tìm hiểu về hoạt động, nguyên lý vận hành của động cơ trong mô hình này nói riêng và trong công nghiệp nói chung
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu hệ thống
Nhóm gặp khó khăn trong việc thiết kế và kết nối sản phẩm với bộ PLC Mitsubishi FX3U do chưa có kinh nghiệm chế tạo mô hình thực tế Để khắc phục, nhóm đã áp dụng các phương pháp chủ yếu trong quá trình thực hiện đề tài.
Nhóm đã áp dụng phương pháp thiết kế lý thuyết và mô hình hóa, tham khảo và tổng hợp kiến thức từ nhiều nguồn như sách báo, internet và tài liệu tham khảo Qua đó, nhóm đã chọn lọc những giải pháp khả thi và hữu ích cho đề tài, thực hiện thiết kế và chế tạo sản phẩm dựa trên kiến thức đã học, nhằm định hình mô hình cần xây dựng.
Phương pháp tính toán bao gồm việc lựa chọn các linh kiện dựa trên thông số do nhà phát hành cung cấp, kết hợp với thực nghiệm để điều chỉnh các thông số cho phù hợp với công nghệ hiện tại.
- Áp dụng các phương pháp trong cơ điện tử như:
• Thiết kế bản vẽ cơ khí, điện chi tiết thông qua phần mềm
• Mô hình hóa phần cơ, xây dựng phần điện, tối ưu hóa hoàn thiện thiết kế trước khi chế tạo
• Kết nối giữa các phần đã chế tạo đấu nối điện
1.3.3 Giới hạn và phạm vi đề tài
Do tình hình dịch bệnh Covid-19 phức tạp và kiến thức còn hạn chế, nhóm nghiên cứu đã xác định phạm vi và thiết kế của đề tài, đồng thời nêu rõ những giới hạn của mô hình "Bãi đỗ xe tự động".
+ Nhóm xây dựng ý tưởng và cách thức hoạt động, sau đó thiết kế mô hình trên phần mềm GX Works 2 và Solidworks
Việc phát triển bãi đỗ xe tự động tập trung vào các loại xe hơi nhỏ và trung bình, với sức chứa từ 4 đến 7 chỗ và trọng tải từ 1,5 đến 2,7 tấn.
+ Sử dụng công nghệ thẻ RFID để quản lí bãi đỗ xe
+ Xây dựng mô hình bãi đỗ xe bao gồm 2 tầng với 6 vị trí cất xe
+ Kích thước mô hình dự kiến dựa trên xây dựng mô hình 3D : 800*500*600 mm
+ Khối lượng mô hình dự kiến : 7 kg
CƠ SỞ LÍ THUYẾT HỆ THỐNG BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG
Sơ đồ khối, nguyên lý làm việc và quy trình công nghệ của hệ thống
2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 2 1: Sơ đồ khối hệ thống
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, bao gồm khối đầu vào, khối xử lý trung tâm, khối điều khiển và khối đầu ra.
Khối đầu vào đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến và nút nhấn, sau đó truyền tín hiệu đã nhận tới khối xử lý trung tâm để tiến hành phân tích.
Khối xử lý trung tâm nhận tín hiệu từ khối đầu vào, thực hiện phân tích và xử lý thông tin, sau đó chuyển tín hiệu đến khối điều khiển theo chương trình điều khiển đã được lập.
Khối điều khiển nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm và thực hiện chức năng điều khiển các thiết bị đầu ra của hệ thống, đảm bảo hoạt động hiệu quả và chính xác.
Khối đầu ra bao gồm các phần tử chấp hành, có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ khối điều khiển và thực hiện các lệnh theo tín hiệu đã nhận.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hệ thống bãi đỗ xe thông minh sử dụng công nghệ RFID hoạt động dựa trên cảm ứng của thẻ từ, một loại thẻ nhỏ gọn với chip thông minh bên trong Kích thước của thẻ từ tương đương với thẻ ATM, cho phép lưu trữ thông tin khách hàng thông qua một địa chỉ ID duy nhất Mỗi khách hàng sẽ được cấp một ID riêng khi gửi xe, giúp quản lý và theo dõi xe một cách hiệu quả.
Khi gửi xe, người dùng sẽ quẹt thẻ vào đầu đọc, sử dụng công nghệ RFID để phân tích mã ID Hệ thống so sánh mã thẻ với dữ liệu lưu trữ trong bộ nhớ của ESP32 Nếu mã thẻ không đúng, hệ thống sẽ cảnh báo và yêu cầu quẹt lại Ngược lại, nếu mã thẻ đúng, tín hiệu từ ESP32 sẽ được gửi tới bộ xử lý trung tâm PLC, nơi tiếp nhận và xử lý thông tin, sau đó gửi tín hiệu tới bộ điều khiển để thực hiện việc cất xe hoặc lấy xe qua các bộ phận đầu ra.
- Quá trình cất và lấy xe sẽ phụ thuộc vào số lần quẹt thẻ rfid Khi quét đúng thẻ lần
Bộ đếm counter của PLC sẽ tăng lên 1 khi nhận tín hiệu cất xe vào, và khi quét lại thẻ đó lần thứ hai, bộ đếm sẽ tăng lên 2 để thực hiện việc lấy xe ra Đồng thời, bộ đếm counter sẽ được reset về 0 sau khi hoàn tất quá trình.
Khi thẻ RFID không khớp với ID đã lưu trong hệ thống, sẽ xảy ra lỗi và quá trình cất hoặc trả xe sẽ không được thực hiện.
Cơ cấu chấp hành, thiết bị trong hệ thống
2.2.1 Cơ cấu chấp hành Để chọn được cơ cấu chấp hành cho mô hình “Bãi đỗ xe tự động”, Nhóm thực hiện phân tích các loại động cơ phổ biến trên thị trường, ưu nhược điểm của chúng, phạm vi sử dụng, mức độ phù hợp với mô hình
Trên thị trường hiện nay phổ biến các loại động cơ :
+ Ưu điểm: Không phụ thuộc vào tải, chỉ phụ thuộc vào tần số
Có thể thay đổi hệ số công suất theo ý muốn
+ Nhược điểm: Phức tạp hơn so với động cơ không đồng bộ, cần có bộ kích từ
Chi phí thường cao hơn so với động cơ không đồng bộ Bảo trì, bảo dưỡng khó khăn hơn động cơ không đồng bộ
• Phân loại : Phổ biến 2 loại là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và động cơ bước
+ Các động cơ đồng bộ thường được sử dụng trong các lĩnh vực có công suất lớn, rất lớn, hoạt động liên tục
Động cơ bước là loại động cơ có khả năng chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến khi kết hợp với các bộ truyền động như đai, xích, hoặc vít me Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như máy in 3D, máy CNC, máy khắc laser và nhiều loại máy móc khác, đặc biệt là những thiết bị yêu cầu độ chính xác cao trong quá trình di chuyển.
- Động cơ không đồng bộ:
Động cơ điện có nhiều ưu điểm như giá thành rẻ, dễ vận hành và khả năng làm việc liên tục với chi phí bảo trì thấp Tuy nhiên, nhược điểm của nó là khi điện áp giảm, momen khởi động và momen cực đại sẽ giảm đáng kể, đồng thời động cơ cũng dễ bị nóng khi điện áp tăng cao.
• Phân loại: Phổ biến là động cơ không đồng bộ 3 pha và động cơ servo
Hình 2 2: Động cơ đồng bộ 10 MW STD-1000-2UHL4
Động cơ không đồng bộ 3 pha là thiết bị phổ biến trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp và đời sống, thường được ứng dụng trong các máy cán thép, máy bơm và dây chuyền sản xuất công nghiệp.
Hình 2 3: Máy phát điện sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha
Động cơ servo là lựa chọn phổ biến trong các hệ thống công nghiệp và thương mại, nơi yêu cầu tốc độ và độ chính xác cao, chẳng hạn như trong các khớp của robot công nghiệp và máy gia công CNC như tiện, phay Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ servo có thể gặp khó khăn.
Kết luận: Mô hình “Bãi đỗ xe tự động” mà nhóm đang phát triển yêu cầu độ chính xác cao và tốc độ di chuyển chậm để đảm bảo an toàn cho xe, tránh va chạm Sau khi phân tích các loại động cơ phổ biến hiện nay, nhóm nhận thấy động cơ bước là lựa chọn phù hợp nhất cho mô hình này.
Động cơ bước được lựa chọn làm cơ cấu chấp hành cho mô hình đồ án nhờ vào khả năng cung cấp momen xoắn lớn ở dải vận tốc thấp và trung bình, dễ điều khiển, giá thành thấp, bền bỉ và dễ thay thế, rất phù hợp với nhu cầu của sinh viên.
❖ Động cơ bước ( Stepper motor) size 42 x 42:
Động cơ bước là một loại động cơ đồng bộ, có chức năng chuyển đổi các tín hiệu điều khiển thành các xung điện rời rạc, từ đó tạo ra chuyển động góc quay hoặc di chuyển rotor Đặc biệt, động cơ này có khả năng cố định rotor ở những vị trí cần thiết, mang lại độ chính xác cao trong các ứng dụng điều khiển.
- Cấu tạo động cơ bước: Gồm Rotor và stato
Rotor là một cấu trúc gồm nhiều lá nam châm vĩnh cửu được sắp xếp một cách tỉ mỉ và cẩn thận Trên các lá nam châm này, các cặp cực được phân chia và bố trí đối xứng, tạo nên hiệu quả tối ưu trong hoạt động.
+ Stato: được cấu tạo bằng sắt từ, chúng được chia thành các rãnh nhỏ để đặt cuộn dây
Hình 2 6: Cấu tạo động cơ bước
- Các đặc tính cơ bản của động cơ bước
• Đặc tính động của động cơ bước:
Đặc tính tốc độ - momen của động cơ được xác định bởi động cơ và bộ điều khiển, đồng thời bị ảnh hưởng bởi loại thiết bị điều khiển được chọn Đặc tính tải theo quán tính và tần số bắt đầu cho thấy rằng tần số khởi động của động cơ sẽ giảm tải khi quán tính tăng lên, và các giá trị này có thể thay đổi theo tốc độ xung Tuy nhiên, động cơ bước không thể tuân theo tốc độ xung nếu vượt quá một ngưỡng nhất định, dẫn đến hiện tượng đi sai bước.
Động cơ bước có đặc tính rung động, vì khi điều khiển, nó thực hiện nhiều bước phản hồi, mỗi bước được mô tả bởi các giai đoạn cụ thể và chi tiết.
• Đặc tính tĩnh của động cơ bước:
Khi điều khiển động cơ bước, mối quan hệ giữa mức độ dịch chuyển góc của rotor và momen tạo ra lực tác dụng lên trục động cơ Đồng thời, động cơ được kích thích bởi dòng điện định mức.
Độ chính xác của góc trong động cơ chạy không tải đạt khoảng 0.05 độ Đối với động cơ bước, độ chính xác này thường được thể hiện qua độ chính xác của vị trí dừng.
- Nguyên tắc điều khiển động cơ bước:
Để điều khiển động cơ bước, áp dụng quy tắc bàn tay phải như sau: Nắm bàn tay phải và đặt sao cho bốn ngón tay hướng theo chiều dòng điện chạy qua các vòng dây Ngón tay cái duỗi ra sẽ chỉ hướng của đường sức từ trong lòng ống dây.
Nguyên lý hoạt động của động cơ bước dựa trên việc cấp điện cho cuộn dây của stato, biến cuộn dây thành nam châm điện Sự tạo ra lực từ này sẽ làm quay rotor, giúp động cơ hoạt động hiệu quả.
Hệ thống điều khiển
- Mạch nguồn được hiểu là mạch cung cấp nguồn điện cho các thiết bị điện
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại mạch nguồn, nhưng tất cả đều dựa trên nguyên lý biến đổi điện áp đầu vào để cung cấp điện áp đầu ra phù hợp với từng thiết bị Chủ yếu có hai loại mạch nguồn: mạch nguồn xung và bộ biến đổi nguồn DC-DC.
Nguồn xung hiện nay được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị điện nhờ vào hiệu năng cao và khả năng linh hoạt trong việc chuyển đổi điện áp đầu ra Một nguồn xung có thể cung cấp nhiều đầu ra khác nhau từ một nguồn điện đầu vào duy nhất.
Hình 2 14: Mạch nguồn xung (nguồn tổ ong)
+ Bộ biến đổi nguồn DC – DC:
Hình 2 15: Bộ biến đổi nguồn DC-DC
- Với yêu cầu của đề tài, nhóm sử dụng bộ nguồn xung để cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
- Công nghệ RFID là một trong những công nghệ được sử dụng phổ biến và rất phù hợp tại các bãi đỗ xe hiện nay
RFID, hay công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến, cho phép nhận diện và giám sát các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio Ngày nay, công nghệ RFID đã trở nên quen thuộc và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, mang lại hiệu quả cao trong việc quản lý và lưu vết từng đối tượng.
Hệ thống RFID bao gồm thiết bị đọc (reader) và thiết bị phát mã RFID gắn chip, hay còn gọi là tag Thiết bị đọc được trang bị anten để thu phát sóng điện từ, trong khi đó, mỗi RFID tag gắn với vật cần nhận dạng chứa một mã số duy nhất và không trùng lặp.
Hình 2 16: Cấu trúc thẻ RFID và hệ thống RFID cơ bản
• Sử dụng các loại thẻ từ:
+ Thẻ từ khá mỏng, thường làm bằng nhựa đặc
+ Thẻ từ giữ xe có độ bền và có thể sử dụng lâu dài
Thẻ từ có kích thước và kiểu dáng tương tự như thẻ ATM thông thường, được trang bị chip thông minh để lưu trữ dữ liệu khách hàng như hình dáng xe, biển số xe và toàn cảnh Chip này hoạt động như mã ID, giúp hệ thống phần mềm quản lý dễ dàng đọc và xử lý thông tin.
+ Đầu đọc thẻ hay còn gọi máy quẹt thẻ Thiết bị này có chức năng kiểm tra dữ liệu khi quẹt thẻ từ
+ Máy đọc thẻ sẽ trả dữ liệu cho từng loại xe ra/vào để đối chiếu có trùng khớp hay không
Hệ thống quẹt thẻ xe thông minh đảm bảo an toàn cho người dùng nhờ tính năng cảnh báo tự động khi thông tin không khớp Điều này giúp ngăn chặn kẻ gian đánh cắp hoặc tráo đổi thông tin, mang lại sự yên tâm cho khách hàng khi sử dụng dịch vụ.
Thiết bị đọc RFID phát sóng điện từ ở tần số xác định, cho phép các thẻ RFID trong vùng hoạt động nhận diện và thu năng lượng từ sóng này Khi thẻ RFID được kích hoạt, nó sẽ gửi mã số của mình trở lại thiết bị đọc, giúp xác định thẻ nào đang ở trong vùng hoạt động.
Thẻ chip RFID chứa mã nhận dạng 32 bit, cho phép tạo ra hơn 4 tỷ mã số khác nhau, với mỗi thẻ được gán một mã riêng biệt khi xuất xưởng Điều này giúp giảm thiểu khả năng nhận dạng nhầm giữa các thẻ, chỉ còn xác suất 1 trên 4 tỷ Nhờ vào công nghệ tiên tiến này, độ bảo mật và an toàn của các thiết bị sử dụng RFID rất cao.
+ Ứng dụng quản lý bãi đỗ xe
+ Ứng dụng quản lý kho hàng
+ Ứng dụng quản lý thu phí đường bộ tự động
Ngoài những ứng dụng nổi bật, còn nhiều ứng dụng thiết thực trong quản lý như quản lý nhà máy, thư viện, chấm công, hàng hóa, nhà ăn, sinh viên, bệnh viện, khóa cửa công nghệ RFID và chống trộm xe máy.
2.3.3 Bộ xử lý trung tâm PLC
PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) là thiết bị điều khiển có khả năng thực hiện các thuật toán linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình hàng loạt các sự kiện và thao tác, với khả năng kích hoạt theo tác nhân kích thích hoặc hoạt động với thời gian trễ đã định.
PLC là thiết bị lý tưởng cho việc điều khiển logic, thay thế các rơle truyền thống, đồng thời có khả năng điều chỉnh như PID và thực hiện các phép toán khác Ban đầu, PLC chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp chế tạo để điều khiển các quá trình rời rạc Trong hệ thống SCADA, PLC thể hiện nhiều ưu điểm và lợi thế nổi bật.
+ Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
+ Gọn nhẹ nên thuận lợi khi di chuyển, lắp đặt
+ Dễ bảo quản, sửa chữa
+ Bộ nhớ có dung lượng lớn, nạp xóa dễ dàng, chứa được những chương trình phức tạp
Hình 2 17: Một số loại PLC thông dụng
+ Khả năng xử lý nhanh
+ Hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp
+ Giao tiếp được với nhiều thiết bị, máy tính, mạng và các thiết bị điều khiển khác
Hình 2 18: Cấu trúc cơ bản của PLC
Ngoài các mô đun chính, PLC còn tích hợp nhiều mô đun phụ trợ như mô đun giao tiếp mạng, mô đun truyền thông, và các mô đun ghép nối chức năng để xử lý tín hiệu Các mô đun này bao gồm mô đun kết nối với cảm biến nhiệt độ, mô đun điều khiển động cơ bước, mô đun kết nối với encoder, và mô đun đếm xung vào, giúp mở rộng khả năng ứng dụng và tăng cường hiệu suất của hệ thống.
Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và lưu vào bộ nhớ đệm, bao gồm các thành phần như ROM, EPROM và EEPROM Các lệnh logic được thực hiện dựa trên các trạng thái này, và ngõ ra được cập nhật qua chương trình trạng thái Trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm sau đó được sử dụng để đóng/mở các tiếp điểm, kích hoạt các thiết bị tương ứng Nhờ vậy, hoạt động của các thiết bị được điều khiển tự động theo chương trình đã được nạp vào PLC thông qua các thiết bị lập trình chuyên dụng.
PLC có khả năng điều khiển nhiều loại thiết bị máy móc khác nhau nhờ vào chương trình hoạt động của nó Các thiết bị mà PLC có thể kiểm soát rất đa dạng, bao gồm máy bơm, máy cắt, máy khoan, lò nhiệt, và các hệ thống phức tạp như băng tải, hệ thống chuyển mạch tự động (ATS), thang máy và dây chuyền sản xuất.
Hiện nay, hai thương hiệu PLC phổ biến nhất tại Việt Nam là Siemens và Mitsubishi Qua việc nghiên cứu trên internet, diễn đàn và blog, nhóm đã thực hiện so sánh giữa hai hãng PLC này, cùng với các loại PLC thông dụng trên thị trường.
Mạnh về điều khiển quá trình và điều khiển qua truyền thông
Các mô đun Analog của Siemens thì có giá thành rẻ hơn, sử dụng đơn giản
Sử dụng đa dạng hơn trong lập trình, dẫn đến khó tiếp cận hơn lúc ban đầu Giá thành đắt hơn nhiều so với PLC Mitsubishi
Mạnh về điều khiển rời rạc và điều khiển truyền động
Số lượng câu lệnh phong phú, có câu lệnh chuyên dùng cho điều khiển vị trí, bộ đếm tốc độ
Phải nhớ nhiều câu lệnh nhưng lập trình đơn giản hơn Siemens
Hệ thống cảm biến
a) Cảm biến hồng ngoại xác định vật cản
Cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản là thiết bị được cấu tạo từ một cặp Led hoặc hai đầu thu phát hồng ngoại, giúp nhận biết vật cản trong môi trường Thiết bị này hoạt động dựa trên khả năng truyền và nhận dữ liệu hồng ngoại, mang lại hiệu quả cao trong việc phát hiện vật thể.
Có hai loại cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản phổ biến: cảm biến hồng ngoại thụ động và cảm biến thu phát hồng ngoại.
Việc áp dụng cảm biến hồng ngoại trong mô hình "Bãi đỗ xe tự động" giúp phát hiện xe vào bãi một cách hiệu quả Do đó, sử dụng cảm biến hồng ngoại thụ động với chi phí thấp là lựa chọn hợp lý Bên cạnh đó, công tắc hành trình cũng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống này.
Công tắc hành trình là thiết bị quan trọng dùng để đóng ngắt và chuyển đổi mạch điện điều khiển trong các hệ thống truyền động điện tự động Nó hoạt động dựa trên tín hiệu "hành trình" từ các cơ cấu chuyển động cơ khí, giúp tự động điều khiển hành trình làm việc hoặc ngắt mạch điện ở cuối hành trình để đảm bảo an toàn Loại công tắc này thường được thiết kế theo kiểu nhấn đè hoặc gạt cần, và được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như cửa cuốn, băng truyền, pa lăng, máy CNC, và cẩu trục.
- Cấu tạo chung của công tắc hành trình:
Bộ phận nhận truyền động là một phần quan trọng, được gắn lên dầu của công tắc, có chức năng nhận tác động từ các bộ phận chuyển động để kích hoạt công tắc.
Thân công tắc được cấu tạo từ các linh kiện bên trong, được bảo vệ bởi lớp vỏ nhựa, giúp ngăn chặn các tác động vật lý từ bên ngoài ảnh hưởng đến mạch điện bên trong.
Hình 2 26:Cảm biến hồng ngoại thụ động Hình 2 25: Cảm biến thu phát hồng ngoại
Chân kết nối là phần tín hiệu ngõ ra của công tắc, có nhiệm vụ truyền tín hiệu đến các thiết bị khác khi bộ phận truyền động tác động.
Công tắc hành trình hoạt động dựa trên các bộ phận như cần tác động, chân COM, chân thường đóng (NC) và chân thường hở (NO) Trong trạng thái bình thường, chân COM và chân NC được kết nối, nhưng khi có tác động vào bộ phận truyền động, chân COM sẽ tách ra khỏi chân NC và kết nối với chân NO Quá trình này kích hoạt tín hiệu ngõ ra của công tắc, cho phép điều khiển các thiết bị liên quan.
- Theo cấu tạo vật lý công tắc hành trình được chia làm ba loại chình:
• Công tắc hành trình kiểu nút bấm:
• Công tắc hành trình kiểu tế vi
• Công tắc hành trình kiểu đòn
Hình 2 27: Các loại công tắc hành trình
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.1 Thông số kĩ thuật của xe ô tô
Thông số kĩ thuật của mô hình xe ô tô nhóm sử dụng trong đồ án:
3.1.2 Phân tích hệ thống cơ khí
Hệ thống lưu trữ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ toàn bộ cấu trúc, giúp đảm bảo hoạt động của hệ thống diễn ra một cách trơn tru và an toàn Vật liệu chính được sử dụng trong hệ thống này là các thanh thép.
45 định hình ghép nối với nhau, bên cạnh đó còn kết hợp những tấm Mica trong suốt tăng độ vững và thẩm mỹ cho toàn hệ thống
Hệ thống vận chuyển xe hoạt động theo phương thẳng đứng, cho phép đưa xe lên xuống giữa các tầng một cách hiệu quả Sử dụng bộ truyền đai để vận chuyển, hệ thống này được trang bị các bánh xe trượt, giúp tăng độ chính xác và ổn định trong quá trình nâng hạ.
- Quy trình tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí:
+ Xác định yêu cầu kĩ thuật
+ Xác định yêu cầu kĩ thuật các bộ phận trong hệ thống
+ Xác định số vị trí cất xe, không gian làm việc của động cơ và hệ thống thông qua bản vẽ cad,…
+ Xác định nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hình 3 1: Mô hình xe ô tô
+ Tính công suất cần thiết, chọn động cơ cho hệ thống truyền động, chọn các phần tử chấp hành phù hợp với hoạt động hệ thống
+ Dựa theo các tiêu chuẩn về lắp ráp, lần cuối xác định kích thước các chi tiết, bộ phận máy
+ Chỉnh sửa, hiệu chỉnh lại thiết kế
+ Lập tài liệu thiết kế
3.1.3 Thiết kế cơ khí a) Thiết kế khung cơ khí
Khung ô tô là cấu trúc chịu toàn bộ tải trọng của phương tiện, cần có thiết kế phù hợp với không gian lắp đặt Nó bao gồm phần đế chịu lực và phần lưu trữ cho 6 vị trí để xe, được kết nối bằng mối hàn hồ quang điện và đai ốc bulong Thiết kế này không chỉ giúp hệ thống khung gọn gàng mà còn đảm bảo tính vuông vắn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt động cơ và cảm biến.
Phần đế cơ khí được làm từ vật liệu thép kỹ thuật, cụ thể là thép tấm lá, một sản phẩm thép cán nguội phổ biến trong đời sống hiện nay Thép tấm lá được sản xuất từ thép cacbon, nổi bật với độ đàn hồi cao và khả năng chịu lực tuyệt vời, nhờ đó nhóm đã ứng dụng những tính chất ưu việt này vào việc chế tạo phần đế cơ khí.
Hình 3 2: Thiết kế phần đế mô hình
+ Chiều dài: 800mm + Chiều rộng: 500mm + Chiều cao chân đế: 20mm
Khung cơ khí cho vị trí để xe bao gồm 6 vị trí lưu trữ được làm từ vật liệu mica, một loại vật liệu nhẹ hơn thủy tinh nhưng có khả năng chịu lực và va đập tốt Việc sử dụng mica giúp giảm khối lượng tải trọng cho mô hình mà vẫn đảm bảo độ cứng và độ bền cần thiết.
Hình 3 3: Thiết kế phần khung cơ khí vị trí để xe
+ Kích thước mỗi vị trí: 150mm x 125mm b) Thiết khung dẫn động và dẫn hướng động cơ
Khung dẫn động và dẫn hướng động cơ là bộ phận thiết yếu trong hệ thống cơ khí của mô hình, chịu trách nhiệm lắp đặt động cơ và cánh tay dẫn hướng Đây là phần quan trọng vì nó phải chịu toàn bộ trọng lượng của động cơ và cánh tay dẫn hướng, đảm bảo sự ổn định và hiệu suất hoạt động của mô hình.
Để đáp ứng yêu cầu chịu tải trọng tốt và dẫn hướng động cơ chính xác, có nhiều vật liệu phù hợp Hiện nay, nhôm định hình là một trong những vật liệu phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị nâng đỡ và dẫn hướng chuyển động Nhôm không chỉ đảm bảo tính chính xác và hiệu quả mà còn có giá thành rẻ và dễ dàng lắp ráp.
Nhóm đã chọn nhôm định hình làm vật liệu chính để tạo khung dẫn động và dẫn hướng cho mô hình bãi đỗ xe, đảm bảo tính thẩm mỹ và dễ dàng lắp đặt.
- Kích thước nhôm định hình sử dụng là 20x20 để khung máy nhỏ gọn
Hình 3 4: Thông số kĩ thuật nhôm định hình
- Yêu cầu phải đảm bảo về kích thước của các thanh nhôm, độ vuông góc khi lắp ghép
- Các thanh nhôm được nối với nhau bằng bát ke góc nhôm và bu lông lục giác
Hình 3 5: Thiết kế khung dẫn động, dẫn hướng di chuyển ngang, lên xuống
- Thiết kế cánh tay cất xe :
Hình 3 6: Cánh tay cất xe ra vào
- Con lăn nhôm định hình:
Hình 3 7: Con lăn đỡ xe
Hình 3 8: Tổng quan về mô hình
3.1.4 Tính chọn động cơ cho trục vít me (trục Z)
+ Vận tốc đầu ra của động cơ : V = 0,04 m/s = 2,4 m/phút
+ Hệ số ma sát nghỉ: 𝑓 = 0,5
+ Đường kính vít me: D = 8 mm
+ Tổng khối lượng tải: m = 2 kg
- Vận tốc của động cơ được tính bằng công thức: v = 𝜋𝐷𝑛
+ 𝐹 𝑚𝑠 là lực ma sát, 𝐹 𝑚𝑠 = mg𝑓 = 2.9,8.0,5 = 9,8 (N)
+ 𝐹 𝑞𝑡 là lực quán tính, 𝐹 𝑞𝑡 = ma = 2.0,005 = 0,01 (N)
- Thay số vào công thức (2) ta được:
- Mô men xoắn đầu ra của động cơ cần đạt được:
- Công suất đầu ra của động cơ:
- Công suất động cơ truyền động trục vít được tính như sau: t ct
+ P : là công suất cần thiết trên trục động cơ ct
+ P t : là công suất tính toán trên trục máy công tác
+ 𝜂 : là hiệu suất truyền động hệ thống
- Hiệu suất hệ dẫn động:
+ 𝑛 𝑡𝑣 = 0,3 - hiệu suất của bộ truyền trục vít
+ 𝑛 𝑜𝑙 = 0,99 - hiệu suất của của 1 cặp ổ lăn
- Thay vào công thức (4) ta có:
Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và an toàn, công suất của động cơ cần phải lớn hơn công suất cần thiết, tức là P dc phải lớn hơn hoặc bằng P ct, nhằm tránh tình trạng quá tải gây hỏng hóc.
- Từ kết quả chọn động cơ: Chọn động cơ bước size 42*42*48
Hình 3 9: Động cơ bước size 42
+ Đường kính trục 5 mm Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối không đỡ bị lỏng khi hoạt động
Cường độ định mức của động cơ là 1.2A với mô men giữ đạt 0.55 Nm và góc quay mỗi bước là 1.8° Động cơ được trang bị dây nối dài 1m với đầu dây chuẩn XH2.54, tương thích hoàn hảo với đầu ra động cơ bước trên mạch RAMPS 1.5 hoặc CNC shield V3.
+ Ít tỏa nhiệt, chuyển động êm
3.1.5 Tính toán chọn trục vít me (trục Z) a) Ưu nhược điểm của trục vít me
+ Cấu tạo đơn giản, chịu lực lớn, thực hiện được dịch chuyển chậm
+ Thực hiện được các dịch chuyển cần độ chính xác cao
+ Điều khiển một cách dễ dàng
+ Hiệu suất thấp do ma sát trên ren
+ Chóng mòn b) Chọn vật liệu trục vít và đai ốc
+ Ngoài yêu cầu độ bền, vật liệu làm vít cần có độ bền mòn cao và dễ gia công
+ Vật liệu đai ốc: Đồng
- Ta có lực dọc trục 𝐹 𝑎 tác dụng lên bộ truyền trục vít là tổng khối lượng của tay xe, xe và khung dẫn hướng m =1 kg
Hình 3 10: Tính toán trục vít me Z
- Đường kính trung bình của ren được tính theo công thức:
+ 𝐹 𝑎 là lực dọc trục + 𝜓 𝐻 = H/𝑑 2 - Hệ số chiều cao đai ốc với H- chiều cao đai ốc, đai ốc nguyên chọn 𝜓 𝐻 = 2
+ 𝜓 ℎ = h/p – Hệ số chiều cao ren, với h - chiều cao làm việc của ren, p – bước ren, ren thang chọn 𝜓 ℎ = 0,5
+ [𝑞] – Áp suất cho phép, phụ thuộc vào vật liệu vít và đai ốc, ta có vật liệu đai ốc là thép đồng thanh, chọn [𝑞] = 10 Mpa
Thay vào công thức (5) có:
𝜋.2.0,5.10 = 0,56 Chọn đường kính trung bình 𝑑 2 = 7 mm, đường kính ngoài D = 8 mm, đường kính trong 𝑑 1 = 6 mm , bước ren p = 2 mm
49 d) Chọn các thông số của vít và đai ốc
Để đảm bảo tính tự hãm của bộ truyền, cần chọn số mối ren 𝑧 ℎ = 1 Nếu yêu cầu vít thực hiện hành trình lớn hơn sau một vòng quay, thì nên chọn ren nhiều đầu mối với 𝑧 ℎ > 1.
- Chọn 𝑧 ℎ = 4 ta có bước vít:
- Sau khi xác định được góc vít ta kiểm tra điều kiện tự hãm:
Công thức 𝜌 = arctg(f/ cos𝛿) mô tả mối quan hệ giữa góc nghiêng của cạnh ren làm việc 𝛿 và hệ số ma sát f Trong đó, góc 𝛿 được chọn là 15 độ và hệ số ma sát f phụ thuộc vào vật liệu của vít và đai ốc; với thép và đồng thanh không thiếc, f có giá trị là 0,5.
Thay vào công thức (6) có:
=> 𝛾 < 𝜌: Đủ điều kiện tự hãm e) Xác định chiều cao đai ốc và số vòng ren
- Từ 𝑑 2 và hệ số chiều cao 𝜓 𝐻 tính được chiều cao đai ốc:
- Số vòng ren của đai ốc: z = H/p /2=7.5 ≤ 𝑧 𝑚𝑎𝑥 = 10…12 Để tránh làm tăng sự phân bố không đều tải dọc trục cho các vòng ren f) Kiểm tra độ bền
- Kiểm tra độ bền theo ứng suất tương đương:
+ 𝐹 𝑎 , T tương ứng với lực dọc, N, và mô men xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vít
+ 𝑑 1 Đường kính trong của ren vít + [𝜎] Ứng suất cho phép (kéo hoặc nén) MPa với 𝜎 𝑐ℎ là giới hạn chảy của vật liệu vít 𝜎 𝑐ℎ = 360 Mpa => [𝜎] = 360
3 = 120 MPa Thay vào công thức (7) ta có:
=> Trục vít đủ điều kiện bền g) Kiểm nghiệm về tính ổn định
Đối với các vít dài và chịu nén, việc kiểm nghiệm uốn dọc là cần thiết để đảm bảo ổn định theo điều kiện Euler Công thức kiểm nghiệm sẽ được áp dụng để xác định tính ổn định của các vít này.
+ 𝑆 0 là hệ số an toàn ổn định
+ 𝐹 𝑎 tải trọng dọc trục ( lực nén)
+ [𝑆 0 ] = 2,5…4 – Hệ số an toàn ổn định cho phép Để xác định tải trọng tới hạn cần dựa vào độ mềm của vít
+ 𝜇: Hệ số chiều dài tương đương, hai đầu trục vít được cố định bằng ổ lăn do vậy 𝜇 = 1
+ l là chiều dài của vít, chọn l = 400mm
+ i bán kính quán tính của tiết diện vít i = √ 𝜋𝑑 4𝐽
1 2 (10) Trong đó: J là mô men quán tính tiết diện của trục vít
Thay vào công thưc (10) ta có:
𝜋6 2 = 1,64 Thay vào công thức (9) ta có:
1,64 = 243,9 Khi λ ≥ 100, theo công thức Euler có :
Do đó hệ số an toàn ổn định:
=> Điều kiện ổn định được đảm bảo
3.1.6 Tính chọn động cơ cho trục vít me (trục Y)
+ Vận tốc đầu ra của động cơ : V = 0,04 m/s = 2,4 m/phút + Gia tốc: a = 5 mm/𝑠 2 = 0,005 m/𝑠 2
+ Hệ số ma sát nghỉ: 𝑓 = 0,5
+ Đường kính vít me: D = 8 mm
+ Tổng khối lượng tải: m = 2,8 kg
- Vận tốc của động cơ được tính bằng công thức: v = 𝜋𝐷𝑛
+ 𝐹 𝑚𝑠 là lực ma sát, 𝐹 𝑚𝑠 = mg𝑓 = 2.9,8.0,5 = 9,8 (N) + 𝐹 𝑞𝑡 là lực quán tính, 𝐹 𝑞𝑡 = ma = 2.0,005 = 0,01 (N) + P là trọng lực, P = mg = 2,8.9,8+ = 27,44 (N)
- Thay số vào công thức (2*) ta được:
- Mô men xoắn đầu ra của động cơ cần đạt được:
- Công suất đầu ra của động cơ:
- Công suất động cơ truyền động trục vít được tính như sau: t ct
+ P ct : là công suất cần thiết trên trục động cơ
+ P t : là công suất tính toán trên trục máy công tác
+ : là hiệu suất truyền động hệ thống
- Hiệu suất hệ dẫn động:
+ 𝑛 𝑡𝑣 = 0,3 - hiệu suất của bộ truyền trục vít
+ 𝑛 𝑜𝑙 = 0,99 - hiệu suất của của 1 cặp ổ lăn
- Thay vào công thức (4*) ta có:
Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và an toàn, công suất của động cơ cần phải lớn hơn công suất cần thiết, tức là P dc ≥ P ct Việc này giúp tránh tình trạng quá tải, từ đó hạn chế hỏng hóc và nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ.
3.1.7 Tính toán chọn trục vít me (trục Y) a) Tính toán
- Ta có lực dọc trục 𝐹 𝑎 tác dụng lên bộ truyền trục vít là :
- Đường kính trung bình của ren được tính theo công thức:
+ 𝐹 𝑎 là lực dọc trục + 𝜓 𝐻 = H/𝑑 2 - Hệ số chiều cao đai ốc với H- chiều cao đai ốc, đai ốc nguyên chọn 𝜓 𝐻 = 2
+ 𝜓 ℎ = h/p – Hệ số chiều cao ren, với h - chiều cao làm việc của ren, p – bước ren, ren thang chọn 𝜓 ℎ = 0,5
+ [𝑞] – Áp suất cho phép, phụ thuộc vào vật liệu vít và đai ốc, ta có vật liệu đai ốc là thép đồng thanh, chọn [𝑞] = 10 Mpa
Thay vào công thức (5*) có:
𝜋.2.0,5.10 = 0,79 Chọn đường kính trung bình 𝑑 2 = 7 mm, đường kính ngoài D = 8 mm, đường kính trong 𝑑 1 = 6 mm , bước ren p = 2 mm b) Chọn các thông số của vít và đai ốc
Để đảm bảo tính tự hãm của bộ truyền, cần chọn số mối ren 𝑧 ℎ = 1 Ngược lại, nếu yêu cầu vít thực hiện hành trình lớn hơn sau một vòng quay, nên chọn ren nhiều đầu mối với 𝑧 ℎ > 1.
- Chọn 𝑧 ℎ = 4 ta có bước vít:
- Sau khi xác định được góc vít ta kiểm tra điều kiện tự hãm:
Thiết kế hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển là bộ phận quan trọng, chịu trách nhiệm quản lý các hoạt động của toàn bộ hệ thống Nó nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thông tin và đưa ra các lệnh điều khiển cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
- Phân tích hệ thống điều khiển:
+ Bộ đọc thẻ RFID (gồm ESP 32 và mạch đọc thẻ RFID RC522) sử dụng nguồn 3.3 VDC
+ PLC mitsubishi fx3u sử dụng điện áp 24 VDC, dòng tiêu thụ tối đa 1500 mA
+ Module cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản TCRT5000 sử dụng điện áp từ 3.3 VDC đến 5 VDC, dòng tiêu thụ tối đa 15mA
+ Công tắc hành trình có bánh xe 5A 250V KW11-3Z chịu tải lên tới 5A- 250 VAC
+ Động cơ bước size 42 x 42 sử dụng điện áp thông qua mạch điều khiển động cơ bước A4988, dòng điện tiêu thụ tối đa 2A
+ Mạch điều khiển động cơ bước dử dụng điện áp từ 8 V đến 35 V dòng tối đa là 2 A
Sau khi phân tích các thông số kỹ thuật, điện áp và dòng điện tiêu thụ, nhóm đã quyết định chọn nguồn cung cấp cho toàn bộ hệ thống là nguồn tổ ong 12VDC – 10A.
Hình 3 13: Nguồn tổ ong 12VDC-10A
+ Chất liệu: kim loại, linh kiện điện tử
- Các kí hiệu đầu kết nối
+ GND: Đầu dây nối đất
+ V / ADJ: Điều chỉnh điện áp đầu ra (15%)
3.2.2 Khối đầu vào a) Thẻ RFID
- Loại thẻ được sử dụng là thẻ Key tag S50 màu xanh dương
Thẻ từ móc khoá RFID 13.56Mhz được thiết kế với vỏ nhựa ABS bền bỉ, bên trong được phủ lớp epoxy giúp bảo vệ chống nước, bụi bẩn và va đập mạnh, đảm bảo độ bền và hiệu suất sử dụng lâu dài.
+ IC Keychain Card Tần số: 13.56 Mhz
+ Khoảng cách đọc: 1-5cm liên quan tới đầu đọc thẻ
+ Mô hình Chip: IC, UID, CUID, F08
+ Nhiệt độ làm việc : -10 ~ 50 ° C b) Cảm biến hồng ngoại TCRT5000
Cảm biến phản xạ hồng ngoại TCRT5000 hoạt động dựa trên nguyên lý phát ra ánh sáng hồng ngoại từ LED và nhận diện vật phản xạ hồng ngoại qua cảm biến thu Để nâng cao độ chính xác trong quá trình cảm biến, TCRT5000 cần được kết hợp với bộ chuyển đổi ADC, tạo thành một module cảm biến hồng ngoại hiệu quả.
- Cảm biến hồng ngoại TCRT5000 dung để phát hiện, phản xà vật cản,…
- Các tính năng của module cảm biến hồng ngoại TCRT5000:
+ Khoảng cách phát hiện tốt nhất: 1 – 25 mm
+ Các tín hiệu đầu ra tương đối ổn định, sóng tốt, dòng tiêu thụ 15mA
+ Có tích hợp phím điều chỉnh độ nhạy
+ Định dạng tín hiệu đầu ra là dạng số (0 và 1)
+ Kích thước sản phẩm 3.2cm x 1.4cm
Hình 3 15: Cảm biến hồng ngoại TCRT5000
Nguyên lý làm việc của cảm biến hồng ngoại TCRT5000 là khi được cấp nguồn, nó phát ra tia hồng ngoại liên tục Nếu tia hồng ngoại không được phản xạ hoặc phản xạ nhưng không đủ mạnh, phototransistor sẽ tắt và đầu ra của module sẽ thấp, cho thấy diode không hoạt động Khi có vật thể nằm trong phạm vi hoạt động, tia hồng ngoại sẽ được phản xạ đủ mạnh, làm cho phototransistor bão hòa, dẫn đến đầu ra của module cao và diode được thắp sáng.
Module cảm biến TCRT5000 trong mô hình bãi đỗ xe tự động có chức năng nhận biết khi xe đã vào đúng vị trí để chuẩn bị cất xe Khi có tín hiệu quẹt thẻ RFID, động cơ sẽ tự động tiến ra và cho xe vào bãi, đảm bảo hoạt động của hệ thống an toàn hơn Bên cạnh đó, công tắc hành trình cũng đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển quá trình này.
- Với đề tài này thì nhóm quyết định chọn công tắc hành trình công tắc hành trình có bánh xe 5A 250V KW11-3Z
+ Chịu tải lên tới: 5A- 250 VAC
+ Loại tác động: Chốt đòn bẩy
+ Tiếp điểm: 1NO, 1NC (SPDT)
3.2.3 Khối xử lý trung tâm a) PLC Mitsubishi FX3U
PLC Mitsubishi là một trong những dòng PLC phổ biến nhất trên thế giới và tại Việt Nam, được sản xuất bởi tập đoàn Mitsubishi Electric, Nhật Bản Mitsubishi Electric là nhà sản xuất hàng đầu trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, cung cấp giải pháp từ bộ điều khiển đến thiết bị điều khiển truyền động, thiết bị phân phối điện và cơ điện tử công nghiệp Tập đoàn này không ngừng phát triển sản phẩm để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp.
Hình 3 16: Công tắc hành trình có bánh xe 5A 250V KW11-3Z
Mitsubishi Electric cung cấp 65 sản phẩm đáp ứng nhu cầu khách hàng, áp dụng công nghệ tiên tiến để mang lại các giải pháp FA đáng tin cậy, hướng tới thế hệ sản xuất mới.
Hình 3 17: PLC Mitsubishi dòng Fx
- Ưu, nhược điểm của bộ điều khiển PLC Mitsubishi F3ux
PLC Mitsubishi Fx3u nổi bật với giá thành hợp lý, chất lượng sản phẩm cao và khả năng đáp ứng linh hoạt các cấu hình yêu cầu Nó hỗ trợ nhiều tính năng như giao tiếp truyền thông, ngõ vào ra tương tự, bộ đếm ngõ vào tốc độ cao, ngõ ra phát xung tốc độ cao và các module đọc nhiệt độ, loadcell.
Bộ điều khiển PLC Mitsubishi Fx3u hiện nay rất phổ biến tại Việt Nam, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như dệt sợi, bao bì giấy, carton, nilon, nhựa, thực phẩm, cơ khí chính xác và chế tạo máy.
PLC Mitsubishi có nhược điểm là chủ yếu tập trung vào điều khiển rời rạc và điều khiển truyền động, dẫn đến cấu trúc chương trình theo chiều dọc, thực hiện từ trên xuống dưới Điều này yêu cầu người lập trình phải ghi nhớ nhiều câu lệnh, đòi hỏi kiến thức và trình độ chuyên môn cao.
- Các tính năng của FX3U:
PLC nhỏ gọn của Mitsubishi Electric nổi bật với hệ thống "Adapter bus", cho phép mở rộng tính năng đặc biệt và kết nối khối truyền thông mạng hiệu quả.
+ Tốc độ xử lý cực mạnh mẽ, thời gian chỉ 0.065(às) trờn một lệnh đơn logic
+ Cho phép mở rộng truyền thông qua cổng USB, hỗ trợ cổng Ethernet và cổng lập trình RS-422 mini DI
Hình 3 18: PLC Mitsubishi Fx3u-24MT
+ Điện áp nguồn cung cấp: 24VDC hoặc 100/240VAC
+ Bộ nhớ chương trình: 64000 bước
+ Kết nối truyền thông: hỗ trợ kết nối RS232, RS485, USB, Ethernet, profibus, CAN, CClink
+ Bộ đếm tốc độ cao: max 100kHz, lên tới 200kHz với module chức năng + Loại ngõ ra: relay, transistor
+ Phát xung tốc độ cao: max 100kHz, lên tới 200kHz hoặc 1Mhz với module chức năng
+ Có thể mở rộng lên tới 256 I/Os thông qua module hoặc 384 I/O thông qua mạng CC-Link
67 b) ESP32 và mạch đọc RFID
- Thông số kỹ thuật của ESP32: ESP32 có nhiều tính năng hơn ESP8266 Một số thông số kỹ thuật quan trọng của ESP32:
+ Bộ vi xử lý LX6 32-bit lõi đơn hoặc lõi kép với xung nhịp lên đến 240 MHz + 520 KB SRAM, 448 KB ROM và 16 KB SRAM RTC
+ Hỗ trợ kết nối Wi-Fi 802.11 b/g/n với tốc độ lên đến 150 Mbps
+ Hỗ trợ cho cả thông số kỹ thuật Bluetooth v4.2 và BLE cổ điển
+ 34 GPIO có thể lập trình
+ 18 kênh SAR ADC 12 bit và 2 kênh DAC 8 bit
+ Kết nối nối tiếp bao gồm 4 x SPI, 2 x I2C, 2 x I2S, 3 x UART
Ethernet MAC là thành phần thiết yếu cho giao tiếp mạng LAN vật lý, yêu cầu có PHY bên ngoài Hệ thống bao gồm một bộ điều khiển host hỗ trợ SD/SDIO/MMC và một bộ điều khiển slave cho SDIO/SPI.
+ Động cơ PWM và 16 kênh LED PWM
+ Khởi động an toàn và mã hóa Flash
+ Tăng tốc phần cứng mật mã cho AES, Hash (SHA-2), RSA, ECC và RNG
- Tại sao chọn ESP32 mà không phải ESP8266
+ ESP32 là mạnh hơn ESP8266, chứa nhiều GPIOs với nhiều chức năng, Wi-Fi nhanh hơn và cũng hỗ trợ Bluetooth
+ Dễ dàng để lập trình ESP32 trên phần mềm Arduino IDE hơn ESP82
❖ Mạch đọc thẻ RFID RC522
- Mạch đọc thẻ RFID RC522 dùng để đọc các loại thẻ RFID, móc khóa RFID tần số
13,56 Mhz Giao tiếp dễ dàng với các Board Auduino, ESP và các vi điều khiển
Mạch đọc thẻ RFID RC522 được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng như bảo mật xe máy, mở cửa bằng thẻ RFID, và các hệ thống quản lý cũng như chấm công dựa trên mã thẻ RFID.
+ Điện áp hoạt động: 3.3VDC
+ Dòng: 13-26mA, dòng ở chế độ chờ: 10-13mA, dòng ở chế độ nghỉ: < 80uA + Tần số sóng mang: 13.56MHz
+ Khoảng cách hoạt động: 0 - 60mm
+ Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s
+ Các loại card RFID hỗ trợ: mifare1 S50, mifare1 S70, mifare UltraLight, mifare Pro, mifare Desfire
Hình 3 20: Mạch đọc thẻ RFID RC522
- Cấu tạo và chức năng các chân
+ 1: SDA (CS) - Chân lựa chọn chip khi giao tiếp SPI (Kích hoạt ở mức thấp) + 2: SCK - Chân xung trong chế độ SPI
+ 3: MOSI (SDI) - Master Data Out - Slave In trong chế độ giao tiếp SPI + 4: MISO (SDO) - Master Data In - Slave Out trong chế độ giao tiếp SPI + 5: IRQ - Chân ngắt
Hình 3 21: Các chân của RFID RC522
Hình 3 22: Mạch điều khiển động cơ bước A4988
Mạch điều khiển động cơ bước A4988 có thiết kế nhỏ gọn và chất lượng cao, cho phép điều chỉnh dòng ra cho động cơ Nó hỗ trợ nhiều chế độ vi bước, bao gồm Full, 1/2, 1/4, 1/8 và 1/16, đảm bảo độ bền và hiệu suất ổn định.
- Các tính năng nổi bật của mạch điều khiển A4988:
+ Thích hợp điều khiển động cơ bước dưới 8V- 35V- 2A (phù hợp với loại động cơ bước size 42 x 42 được sử dụng trong đề tài)
+ Có thể điều chỉnh đầu ra dòng điện tối đa, giúp động cơ tăng công suất + Có chế độ bảo vệ sẽ tự động ngắt điện khi quá nóng
+ Nhỏ gọn, giao tiếp và điều khiển đơn giản với Esp 32
+ Công suất ngõ ra lên tới 35V, dòng đỉnh 2A
+ Có 5 chế độ: full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước
+ Điểu chỉnh dòng ra bằng triết áp, nằm bên trên Current Limit = VREF × 2.5 + Tự động ngắt điện khi quá nhiệt
- Sơ đồ nối dây A4988 với điều khiển vi bước :
Hình 3 23: Sơ đồ nối dây A4988
+ Bật tắt động cơ thông qua chân ENABLE, mức LOW là bật module, mức HIGH là tắt
+ Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR
+ Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với 1 bước (hoặc vi bước)
+ Chọn chế độ hoạt động bằng cách đặt mức logic cho các chân MS1, MS2, MS3
+ Hai chân Sleep với Reset nối với nhau
- Điều khiển các chế độ vi bước thông qua 3 chân MS1, MS2, MS3
Bảng 3 2: Các chế độ điều khiển trên A4988
MS1 MS2 MS3 Chế độ
- Tính toán điều chỉnh biến trở trên A4988 cho động cơ bước:
Thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển
3.3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển chung
Xe chưa có trong bãi Đ
Thực hiện việc cất xe Thực hiện việc lấy xe
Thẻ có trong hệ thống Đọc mã thẻ 1
Hình 3 24: Lưu đồ thuật toán điều khiển chung hệ thống
3.3.2 Lưu đồ thuật toán vi điều khiển
▪ 1: Đầu tiên sẽ khởi tạo các thư viện cần thiết, định nghĩa các chân sử dụng, thiết lập các chuẩn giao tiếp
▪ 2: Kiểm tra có thẻ quét hay không?
▪ 3: Tiến hành đọc mã thẻ
▪ 4: Gởi mã thẻ ra Serial Monitor
Các bước khởi tạo ban đầu
Nếu có thẻ Đọc mã thẻ
Gửi mã thẻ ra serial monitor
Hình 3 25: Lưu đồ thuật toán đọc mã thẻ RFID
3.3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển PLC
▪ 1: Hệ thống yêu cầu việc cất xe?
▪ 2: Thực hiện việc cất xe
▪ 3: Hệ thống yêu cầu việc lấy xe?
▪ 4: Thực hiện việc lấy xe
Thực hiện việc cất xe
Thực hiện việc lấy xe Đ Đ
Thực hiện việc cất xe
Thực hiện việc lấy xe 2
Hình 3 26: Lưu đồ thuật toán điều khiển PLC
75 a) Lưu đồ thuật toán điều khiển cất xe
▪ 1: Di chuyển đến vị trí vào
▪ 2: Nâng xe khỏi vị trí vào
▪ 3: Di chuyển đến vị trí cất xe
▪ 4: Đặt xe vào vị trí cất
▪ 5: Quay về vị trí ban đầu
Di chuyển đến vị trí vào
Nâng xe khỏi vị trí vào
Di chuyển đến vị trí cất xe Đặt xe vào vị trí
Quay về vị trí ban đầu
Hình 3 27: Lưu đồ thuật toán điều khiển cất xe
76 b) Lưu đồ thuật toán điều khiển lấy xe
▪ 1: Di chuyển đến vị trí cần lấy xe
▪ 2: Lấy xe khỏi vị trí cất
▪ 3: Di chuyển đến vị trí trả xe
▪ 4: Đặt xe vào vị trí ra
▪ 5: Quay về vị trí ban đầu
Di chuyển đến vị trí cần lấy xe
Lấy xe khỏi vị trí
Di chuyển đến vị trí trả xe Đặt xe vào vị trí ra
Quay về vị trí ban đầu
Hình 3 28: Lưu đồ thuật toán điều khiển lấy xe
