Đồ án tốt nghiệp cửa tự động

1 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU Lời mở đầu Chương 1: Tổng quan cửa tự động 1.1 Lịch sử nghiên cứu 1.2 Các hệ thống cửa điển hình 1.3 Lựa chọn cấu hệ thống cửa tự động 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu: 1.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cửa: 2.1.1 Cấu tạo hệ thống: 2.1.2 Nguyên lý hoạt động cửa 10 2.2 Các giải pháp cảm biến cho cửa: 11 2.2.1 Cảm biến hồng ngoại 11 2.2.2 Cảm biến chuyển động rada 12 2.2.3 Cảm biến ảnh (camera) 12 2.2.4 Cảm biến khói 13 2.2.5 Lựa chọn phương pháp cảm biến 14 2.3 Phương pháp điều khiển chuyển động: 14 2.3.1 Truyền động xích 14 2.3.2 Truyền động vít-đai ốc (vít me) 15 2.3.3 Truyền động đai 15 2.3.4 Lựa chọn phương pháp truyền động 17 Chương 3: Thiết kế, chế tạo thử nghiệm mơ hình cửa tự động 25 3.1 Thiết kế tổng thể hệ thống cửa 25 3.2 Tính tốn thiết kế kết cấu khí 25 3.3 Tính tốn, thiết kế hệ thống điều khiển 29 3.4 Chế tạo, thử nghiệm đánh giá 40 Kết luận đề xuất 42 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cửa kính tự động kéo Hình 1.2: Cửa kính tự động trượt Hình 1.3: Cửa trượt cong Hình 1.4: Cửa xoay Hình 1.5: Cửa mở cánh Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống Error! Bookmark not defined Hình 2.2: Mạch cảm biến hồng ngoại phát người 11 Hình 2.3: Cảm biến chuyển động Rada 12 Hình 2.4: Mạch cảm biến ảnh (camera) 13 Hình 2.5: Mạch cảm biến khói 13 Hình 2.6: Bộ truyền động xích 14 Hình 2.7: Bộ truyền vít me 15 Hình 2.8: Bộ truyền động đai 16 Hình 2.9: Cấu trúc PLC 19 Hình 2.10: PLC S7 -1200 21 Hình 3.1: Phác thảo mẫu 25 Hình 3.2: Mô khung cửa 26 Hình 3.3: Kích thước khung 26 Hình 3.4: Thư viện Open cv 40 Hình 3.5: Cơ chế hoạt động 41 Hình 3.6: Cơ chế hoạt động áp dụng người 41 DANH MỤC BẢNG BIỂU Lời mở đầu Trong cơng đẩy mạnh Cơng nghiệp hóa – đại hóa đất nước, việc đầu tư ứng dụng cơng cụ tự động hóa nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất nâng cao suất lao động, cho sản phẩm dịch vụ chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu khách hàng quan trọng Một ngành phát triển mạnh mẽ ngành xây dựng việc ứng dụng công cụ tự động lĩnh vực thiếu Cùng với phát triển ngành khoa học kỹ thuật, hệ thống tự động ngày ứng dụng nhiều sống giúp cho sống người ngày nâng cao vật chất tinh thần Các hệ thống ứng dụng hộ sử dụng rộng dãi nhiều nước giới kể đến hệ thống rèm thơng minh, thiết bị điều khiển từ xa hỗ trợ trí tuệ nhận tạo, hệ thống cửa tự động Điểm chung hệ thống có khả tự động cao sử dụng điều khiển kèm vi điều khiển thiết bị lập trình PLC Để củng cố áp dụng kiến thức học trưởng lớp vào thực tế , nhóm định chọn đề tài thiết kế mơ hình cửa tự động ứng dụng lập trình PLC Siemens kết hợp chức phát khuôn mặt để mở cửa tự động Trong q trình làm cịn gặp nhiều khó khăn, nhiên hướng dẫn TS Nguyễn Anh Tú nhóm giải vấn đề gặp phải Do sản phẩm nhóm dừng mức độ mơ hình nên mong q thầy (cơ) có góp ý nhận xét cách thấu nhóm khắc phục nhược điểm, phát huy ưu điểm tiến tới tương lai triển khai thành sản phẩm thương mại Xin chân thành cảm ơn! Chương 1: 1.1 Tổng quan cửa tự động Lịch sử nghiên cứu - Trong khứ: Cửa phát minh vào kỷ thứ sau cơng ngun Cửa nhà tốn học Heron sáng tạo Những cửa thời khơng hoạt động mô tơ điện mà vận hành theo nhiều nguyên lý vật lý thay đổi áp suất khí quyển, chuyển động nước, tác động trọng lực chuyển động rịng rọc… Những cửa nói thiết kế cho đền, không gian tơn giáo linh thiêng Khơng khó để tưởng tượng mẫu cửa dẫn vào mật thất, quan hay huyệt đạo cổ xưa có khả đóng, mở tự động dựng lại phim từ cổ chí kim Điều chứng tỏ, từ xa xưa, người mong muốn tạo sử dụng thiết bị, vật dụng hoạt động tự động - Ngày nay: Dựa theo nhiều nguyên lý ấy, cửa mở tự động tiếp tục phát triển với mơ hình kích hoạt đóng mở quang học vào năm 1931 Khi đó, thiết bị lắp đặt nhà hàng nằm bến cảng thuộc khu West Haven (Hoa Kỳ) Chiếc cửa trượt tự động nghiên cứu đời sau thập kỷ Chính thức vào năm 1954, nhà phát minh có tên Dee Horton Lew Hewitt người chế tạo mẫu cửa Sau năm (năm 1960), sáng lập nên công ty sản xuất cửa trượt tự động nhằm sản xuất cung cấp sản phẩm thị trường Từ đến nay, 60 năm trơi qua, giới chứng kiến khơng bước phát triển thần kỳ cơng nghệ Có lẽ mà loại cửa có lắp máy ngày phát triển Chúng người nghiên cứu, phát triển cải tiến để trở thành lựa chọn nhiều người 1.2 Các hệ thống cửa điển hình A Cửa kính tự động kéo: Là loại cửa có kết cấu đơn giản, với khối động gắn cố định lên trần nhà, cửa kéo để đóng/mở động thơng qua đoạn dây Hình 1.1: Cửa kính tự động kéo Ưu điểm loại có kết cấu đơn giản lại linh hoạt hiệu quả, độ bền cao (thường kết cấu đơn giản bền dễ sửa chữa) Tuy nhiên nhược điểm động gắn với trần nhà nên khiến cho trần nhà phải chịu thêm lực, khó để sử dụng cho nhà dùng trần thạch cao Bên cạnh đó, thi cơng cần phải cẩn thận, gắn thật trần chịu sức nặng động kéo theo cửa B Cửa kính tự động trượt Đặc điểm loại cửa bao gồm rãnh trượt cố định Rãnh cho phép cánh cửa trượt qua trượt lại cách êm ái, linh hoạt, thích hợp để lắp đặt cho nhà hàng, khách sạn, quan… Hình 1.2: Cửa kính tự động trượt Ưu điểm sở hữu kết cấu đơn giản nhẹ nhàng, tạo khoáng đạt nhờ chất liệu kính, thoải mái sang trọng Đặc biệt, cửa có khả nhận biết người, máy móc loại vật qua để tự động mở Nhược điểm cửa kính trượt tự động không chắn, thiết kế cồng kềnh C Cửa trượt cong Là loại cửa mà kết hợp lại với nhau, người dùng sở hữu hệ thống cửa tự động liên hồn khép kín, có độ kín khít cao, ngăn gió tốt, phù hợp cho cơng trình sử dụng máy lạnh trung tâm muốn ngăn chặn tối đa bụi bẩn, gió lùa vào từ bên ngồi Hình 1.3: Cửa trượt cong D Cửa xoay: Hình 1.4: Cửa xoay Ghi nhận lớn ưu điểm cửa kính xoay hạn chế thoát nhiệt, hạn chế tiếng ồn ngăn bụi tốt E Cửa mở cánh Ưu điểm đóng/mở êm, có kết cấu bao gồm hệ sợi lị xo, thiết bị tự động tích hợp sẵn hộp nhôm với cảm biến lắp bên Nhờ kết cấu mà sử dụng liên tục, cửa ln đảm bảo tính an tồn cách tuyệt đối Hình 1.5: Cửa mở cánh 1.3 Lựa chọn cấu hệ thống cửa tự động Các hệ thống cửa trình bày đầu hệ thống thông dụng, thường thấy sống Trong cấu nhóm lựa chọn thiết kế chương trình mơ cho hệ thống cửa trượt cánh Sử dụng động điện chiều, kết hợp với cơng tắc hành trình, cảm biến hồng ngoại, cảm biến khói camera để phát người đến đảm bảo an toàn cho người dùng cửa tự động Cửa hoạt động cách hoàn toàn tự động mà không cần tác động người, không cần sử dụng tay để mở loại cửa truyền thống khiến nhiều sức lực Khi sử dụng cửa tự động nơi công cộng tạo thuận lợi cho phép nhiều người di chuyển qua cửa Chúng hữu ích người phải vác đồ, hành lí nặng trẻ em người già, giúp họ dễ dàng di chuyển mà không cần nhờ người khác Cửa tự động có cảm biến an tồn, gặp vật cản cửa tự động đảo chiều, an toàn với người sử dụng Cửa cịn tích hợp thêm hệ thống an ninh khóa cửa để tránh xâm nhập kẻ xấu 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Đối tượng: Hệ thống cửa tự động dùng nơi công cộng  Phạm vi nghiên cứu: - Không gian: Tại nơi công cộng - Thời gian: Nghiên cứu thực tháng (21/3/2022 – 22/5/2022) - Nội dung: Trong nghiên cứu nhóm em tập trung vào hệ thống cửa tự động dùng nơi cơng cộng, nhiên kích cỡ sản phẩm thật tương đối lớn nên thiết bị linh kiện sử dụng đề tài tỉ lệ mơ hình 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Tìm hiểu qua sách vở, tài liệu diễn đàn - Tìm hiểu tồn, mơ hình hóa giúp cho việc tính tốn chọn trang thiết bị điện khí - Tìm hiểu sở lý thuyết loại động cơ, hệ thống cảm biến, điều khiển điển hình điều khiển hệ thống cửa tự động - Tìm hiểu sở lý thuyết, ứng dụng viết chương trình điều khiển cửa cho điều khiển PLC 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Nghiên cứu hệ thống cửa tự động thực tế mơ hình đề tài trước - Sử dụng phần mềm TIA Portal (SIMATIC STEP 7& WinCC) làm công cụ để mô hệ thống - Sử dụng phần mềm Solidworks Creo để thiết kế mơ hệ thống khí Chương 2: 2.1 Cơ sở lý thuyết Cấu tạo nguyên lý hoạt động cửa 2.1.1 Cấu tạo hệ thống Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống Năng lượng Tín hiệu  Khối nguồn: khối sử dụng nguồn tổ ong 24v cấp nguồn cho thiết bị ngoại vi hệ thống  Cảm biến, nút nhấn: Khối có nhiệm vụ gửi tín hiệu nhấn nút tín hiệu nhận biết khói, tín hiệu giới hạn hành trình cửa đến điều khiển PLC  PLC: khối điều khiển cấu chấp hành hệ thống  Win cc: Khối điều khiển giám sát hệ thống  Relay trung gian: Khối trung gian kết nối plc với phần tử mạch lực động kéo cửa Khối có nhiệm vụ cách ly bảo vệ cho PLC có vấn đề chập cháy mạch lực  Arduino: nhận tín hiệu  Động kéo cửa: Khối đáp ứng cuối hệ thống 10  Khối hạ áp 5V: Hạ điện áp khối nguồn 24V để sử dụng cho cảm biến khói cảm biến hồng ngoại 2.1.2 Nguyên lý hoạt động cửa Yêu cầu chung hệ thống:  Đáp ứng nhu cầu sử dụng địa điểm lắp đặt mục tiêu: Những địa điểm công cộng có lượng người vào tương đối lớn siêu thị, sân bay, nhà hàng  Đảm bảo tuyệt đối an toàn cho người sử dụng  Vận tốc đóng mở cửa phù hợp vừa tiện lợi cho người sử dụng vừa tăng độ bền hệ thống Chọn chế độ Mổ tả: Chọn đế độ Manual Auto giao diện điều khiển Chế độ Manual Đóng mở cửa nút bấm bảng điều khiển giao diện điều khiển Vì chế độ Manual camera không hoạt động nên cảm biến hồng ngoại đảm nhiệm chức an toàn giữ cửa mở phát người qua cửa Chế độ Auto Bước 1: Phát vật thể Mô tả: Camera phát đối tượng (có thể người vật) vào khu vực qt, sau truyền tín hiệu điều khiển u cầu cơng nghệ: - Phát xác đối tượng, xử lí tín hiệu thời gian giới hạn - Quét đối tượng điều kiện khơng thuận lợi khói bụi, sương mù Bước 2: Đóng mở cửa Mơ tả: Sau nhận tín hiệu từ điều khiển, cấu truyền động đóng mở cửa u cầu cơng nghệ: - Phản hồi tín hiệu kịp thời (