(Tiểu luận) công trình thiết kế bộ điều khiển làm sạch vải bằng sóng siêu âm ứng dụng vào trong máy giặt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH PHỊNG QUẢN LÝ KHOA HỌC & HỢP TÁC QUỐC TẾ CƠNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA LẦN THỨ XX NĂM 2022 TÊN CÔNG TRÌNH: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LÀM SẠCH VẢI BẰNG SÓNG SIÊU ÂM ỨNG DỤNG VÀO TRONG MÁY GIẶT LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TỰ ĐỘNG HĨA Mã số cơng trình: …………………………… (Phần BTC Giải thưởng ghi h Mục Lục GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA LẦN THỨ XX NĂM 2022 I Đặt vấn đề II Tổng quan tài liệu Khái niệm máy giặt Khái niệm sóng siêu âm Các phương pháp làm quần áo Phương pháp cải tiến III Cấu Tạo Và Chức Năng Máy phát điện rung Cảm biến rung Bộ điều khiển nhiệt độ Arduino Nano Nguyên lý hoạt động phương pháp làm phát sóng siêu âm 10 IV Kết - thảo luận 11 Kết - đề nghị 11 V Hạn chế 11 Ưu điểm 12 Khuyến Nghị 12 VI Tài liệu tham khảo 12 h PHÂN TÍCH SỰ TỐI ƯU LÀM SẠCH QUẦN BÁO BẰNG SÓNG SIÊU ÂM VÀ NƯỚC NÓNG I.Đặt vấn đề Bước sang kỉ XXI, kinh tế ngày phát triển, để hội nhập với thị trường nước quốc tế, nhu cầu người ngày tiến Con người ngày tiếp xúc với máy móc đại, cịn máy móc cũ , cơng nghệ lạc hậu bị thải Khi quần áo đời lúc người cần nghĩ cách làm quần áo, ban đầu giặt quần áo tay bàn chà Nhưng sau vào kỉ 18, máy giặt đời, từ đó, tiếp tục ngiên cứu cải tiến tới tận Có thể nói nhu cầu sử dụng máy giặt Việt Nam giới lớn không lỗi thời.Nhưng giá thành máy giặt Việt Nam đắt cồng kềnh nên chưa thể hướng tới tầng lớp bình dân chưa thể thay đổi thói quan họ vấn đề giặt quần áo Chính thế, ngành cơng nghiệp giặt nâng cao, làm sóng siêu âm, dùng nhiệt để làm quần áo Đề tài nhóm em chọn “Máy giặt siêu âm kết hợp nhiệt” Giải pháp giúp người tiếp cận khoa học tiên tiến hơn, tối ưu giúp khách hàng có thêm nhiều lựa chọn máy giặt II.Tổng quan tài liệu Khái niệm máy giặt Theo Wikipedia, Máy giặt thiết bị gia đình sử dụng để giặt đồ giặt Thuật ngữ chủ yếu áp dụng cho máy sử dụng nước thay giặt khơ (sử dụng chất lỏng làm thay thực doanh nghiệp chuyên nghiệp) chất tẩy rửa siêu âm Người dùng thêm hóa chất giặt tẩy, dạng lỏng bột, vào ngăn đựng nước giặt máy Bằng sáng chế thuộc danh mục Máy giặt cấp năm 1691 Anh.Bản vẽ máy giặt thời kỳ đầu xuất tháng năm 1752 The Gentleman's Magazine, ấn phẩm Anh Thiết kế máy giặt Jacob Christian Schäffer xuất năm 1767 Đức Năm 1782, Henry Sidgier cấp sáng chế Anh cho máy giặt trống quay vào năm 1790, Edward Beetham bán nhiều cỗ máy có tên "patent washing mills" Anh Một cải tiến công nghệ máy giặt h sử dụng thùng chứa bồn chứa có rãnh, ngón tay mái chèo để giúp chà chà xát quần áo Người sử dụng máy giặt sử dụng gậy để ấn xoay quần áo dọc theo mặt có kết cấu chậu thùng chứa, khuấy trộn quần áo để loại bỏ bụi bẩn bùn đất Công nghệ máy xoay thô cung cấp lượng tay, thực hiệu so với giặt tay Nhiều tiến thực công nghệ máy giặt dạng thiết kế trống quay Về bản, sáng chế thiết kế ban đầu bao gồm máy giặt trống quay tay để làm cho trống gỗ xoay Mặc dù công nghệ đủ đơn giản, cột mốc quan trọng lịch sử máy giặt, đưa ý tưởng trống giặt "chạy điện" Khi trống kim loại bắt đầu thay trống gỗ truyền thống, cho phép trống quay lửa mở buồng lửa kín, tăng nhiệt độ nước để giặt hơn.Mãi đến kỷ 19, lượng nước xuất thiết kế máy giặt Năm 1862, "máy giặt quay hỗn hợp cấp sáng chế, với lăn để vắt cán vải" Richard Lansdale Pendleton, Manchester, trưng bày Triển lãm Luân Đôn 1862 Bằng sáng chế Hoa Kỳ ghi "Clothes Washing" cấp cho Nathaniel Briggs New Hampshire vào năm 1797 Vì vụ cháy Văn phịng Cấp sáng chế năm 1836, khơng có mơ tả thiết bị cịn tồn Phát minh máy giặt gán cho Watervliet Shaker Village sáng chế cấp cho Amos Larcom Watervliet, New York, vào năm 1829, không chắn Larcom Shaker Một thiết bị kết hợp máy giặt với chế vắt không xuất năm 1843, John John Turnbull Saint John, New Brunswick cấp sáng chế "Máy giặt quần áo có lăn Wringer" During the 1850s, Nicholas Bennett from the Mount Lebanon Shaker Society at New Lebanon, New York, invented a "wash mill", but in 1858 he assigned the patent to David Parker of the Canterbury Shaker Village, where it was registered as the "Improved Washing Machine" Theo cách dễ hiểu,máy giặt thiết bị thiết kế có lập trình phần mềm để thực công việc sau: cho nước, ngâm, giặt, xả nước (giũ), vắt khô quần áo Một số loại máy giặt đại bao gồm tính sấy quần áo Nguồn lượng cung cấp cho máy giặt điện Khái niệm sóng siêu âm Siêu âm hay sóng siêu âm, có nguồn gốc từ từ tiếng Latinh “ultra” có nghĩa vượt “sonic”, nghĩa âm Đây thuật ngữ dùng để mô tả sóng âm rung động nhanh mức tai người phát Đặ h Siêu âm có tần số cụ thể số lần dao động giây Con người phát âm dải tần từ 20Hz đến 20 KHz Tuy nhiên, dải tần số thường sử dụng phát siêu âm 100 KHz đến 50MHz Vận tốc siêu âm thời điểm nhiệt độ cụ thể không đổi môi trường Các phương pháp làm quần áo +) Phương pháp giặt khô Là phương pháp giặt sử dụng dung mơi làm dung dịch giặt khơ Thay sử dụng dung dịch hòa tan nước xà phòng, người ta dùng dung mơi - loại hóa chất chuyên dụng Giặt khô giúp giặt quần áo mà không bị bay màu bị nhăn, giữ màu quần áo sáng Bạn giặt loại quần áo khó nhằn chất liệu da, quần áo vest, nhung, lụa mà cách giặt truyền thống với nước bột giặt thơng thường, khơng đảm bảo chất lượng ban đầu quần áo Ưu - Nhược điểm phương pháp giặt khô Các thiết bị giặt khơ thường có thành phần cấu tạo trình vận hành tương đối phức tạp Giặt khơ thường tốn nhiều ngun liệu hơn, địi hỏi bạn phải theo dõi sát trình giặt Tuy nhiên, giặt khô giúp bạn dễ dàng loại bỏ vết bẩn cứng đầu dính quần áo dầu mỡ, xăng, sốt cà chua, mà không phai màu phom dáng quần áo Đây ưu điểm giặt khô so với cách giặt ướt mà bạn thường áp dụng +) Phương pháp giặt ướt Giặt ướt cách làm quần áo kết hợp hoá chất, nước Sau loại bỏ vết bẩn, ố vàng, quần áo xả lại với nước vắt cho khô Ưu - Nhược điểm phương pháp giặt ướt Cách giặt ướt truyền thống thông thường đơn giản hơn, không cần phải liên tục theo dõi trình giặt Bạn cần bấm máy theo mức độ giặt mong muốn chờ máy giặt xong Cách vận hành tương đối đơn giản nên cách giặt ướt thường tiết kiệm cho bạn nhiều chi phí so với cách giặt khô Giặt ướt thân thiện với mơi trường cách giặt giúp bạn đơn giản hoá hoá chất cần sử dụng khơng mang tính độc hại Tuy nhiên, khả tẩy giặt giặt ướt thường so với phương pháp giặt khơ Bên cạnh đó, cách giặt ướt truyền thống khiến quần áo dễ bị hư hỏng, phom dáng ban đầu h Phương pháp cải tiến Công nghệ siêu âm phát dải âm với tần số 20khz-40khz Đây khoảng âm người khơng thể nghe Cơng nghệ sóng siêu âm mang không mang hiệu giặt vượt trội mà tiết kiệm lượng bột giặt lên đến 50% so với máy giặt thơng thường Theo đó, máy giặt hoạt động, mâm giặt sinh bọt khí, bọt khí q trình quay mâm giặt vỡ tạo thành luồng sóng siêu âm cách tự nhiên.Quy trình tiếp tục diễn không ngừng, tạo hàng triệu bọt khí phút tạo thành luồng sóng siêu âm hoạt động mạnh mẽ giúp bột giặt hòa tan nước, từ thấm sâu vào sợi vải, cho hiệu giặt đáng kể, hạn chế tượng nhăn nhúm hay co rút không cần thiết Hơn tùy theo quần áo cung cấp nhiệt độ nước cấp vừa đủ nhiệt vào để giúp quần áo dễ dàng giặt hơn, hòa tan bột giặt tốt khử vi khuẩn quần áo Kết hợp công nghệ giúp giặt thoải mái mà không lo áo quần không bị nhăn, dễ hư hỏng đồ len, quần áo đính hạt,quần áo đắt tiền Đây thứ mà máy giặt thông thường làm III Cấu Tạo Và Chức Năng Để hoàn thành máy giặt siêu âm hồn chỉnh giặt loại vết bẩn, cần phải sử dụng đến phát sóng siêu âm nhằm giúp lượng sóng vừa đủ để giặt vết bẩn Vậy nên sau nhóm nghiên cứu thiết bị dụng để chế tạo phát sóng siêu âm chức thiết bị Máy phát điện rung Bộ tạo rung dựa phản ứng piezoactuators với khả điều chỉnh tần số hoạt động ngoại tuyến, sử dụng tạo rung động nước máy giặt Bộ truyền động máy giặt (trong đánh giá thuật toán cảm biến thiết kế báo này) cung cấp người chịu trách nhiệm nhà thiết kế máy rửa siêu âm dự án, kỹ sư Benjamín Barriga, đồng tác giả báo Do đó, đề xuất tối ưu hóa nghiên cứu đảm bảo nguồn rung động điều chỉnh từ 0Hz đến 45 kHz thể hình h Hình 1: Máy phát điện rung Đầu dị siêu âm Tần số Cơng suất Dung tích Bề mặt tiếp xúc Kháng cộng hưởng Kích thước gốm sứ Chiều dài Máy phát điện PCB siêu âm Nguồn cấp Tần số Cơng suất Dung tích Kích thước 40kHz1 KHz 50W 4100pf (pzt4) 45mm 10-20 35 * 15 * 54mm 100V-120V 40kHz1 KHz 50W 4100pf 52cm * 34,5cm * 17cm (chiều dài * chiều rộng * chiều cao) Tổng trọng lượng: 2kg Cảm biến rung Để đo độ rung lan truyền mặt nước để giặt rửa vải, người ta sử dụng cảm biến rung, hiển thị hình Phạm vi hoạt động cảm biến từ Hz đến 100 kHz trình truyền tải tương đương từ 0V đến V h Hình 2: cảm biến rung Cảm biến rung màng Piezo, tương thích với Arduino Cảm biến có khả phát rung động, linh hoạt, va chạm cảm ứng Thông số kỹ thuật Điện áp cung cấp 5V Chế độ giao diện Gravity 3-pin Giao diện Analog kỹ thuật số Chiết áp để điều chỉnh độ nhạy giá trị đầu Dải động 0,001Hz ~ 1000MHz Nhiệt độ làm việc 0ºC ~ 85ºC Nhiệt độ bảo quản - 40ºC ~ 85ºC Kích thước 27mm × 22mm Trọng lượng 10g Bộ điều khiển nhiệt độ Arduino Nano Đối với điều khiển nhiệt độ, sau nghiên cứu mơ hình tốn học vịng mở, điều khiển thuật tốn nhiệt độ thực giá trị tần số yêu cầu điều chỉnh Tín hiệu điều khiển gửi nano Arduino (như hiển thị hình) thực hoạt động đơn giản kiểm soát chức cho nhiệm vụ h Hình 3: điều khiển Arduino Nano Arduino Nano bo mạch nhỏ, hoàn chỉnh thân thiện với breadboard dựa ATmega328 (Arduino Nano 3.x) Nó nhiều có chức với Arduino Duemilanove, gói khác Nó thiếu giắc cắm nguồn DC hoạt động với cáp USB Mini-B thay cáp tiêu chuẩn Thông số kỹ thuật Vi điều khiển Điện áp hoạt động Bộ nhớ flash ATmega328 5V 32 KB KB nạp khởi động sử dụng KB 16 MHz số KB 40 mA (I / O Pins) 7-12V 22 (6 số PWM) 19 mA 18 x 45 mm 7g Sram Tần số Analog in pins EEPROM Dòng DC chân I/O Điện áp đầu vào Chân I/O kỹ thuật số Đầu PWM Dịng tiêu thụ Kích thước PCB Trọng lượng Hình 4: điện trở nhiệt h 10 Nguyên lý hoạt động phương pháp làm phát sóng siêu âm Với máy giặt làm sóng siêu âm bạn cần nhúng chi tiết cần phải làm vào bể chứa dung dịch rửa (như xà phịng, nước giặt…) sau đưa sóng siêu âm vào dung dịch rửa, chốc lát chi tiết Khi khởi động máy giặt siêu âm hoạt động dựa nguyên lý sóng siêu âm tác dụng sóng siêu âm, dung dịch rửa lúc bị ép lại đặc hơn, lúc bị dãn lỗng Do dung dịch chịu không lực kéo nên bị kéo loãng tạo thành chỗ trống, sinh nhiều bọt khơng khí nhỏ có tần số cao lên đến 38.000 xung va đập giây, tạo bọt chân không nước Những bọt khí tạo thành liên tục nhanh chóng tan đi, với kích thước siêu nhỏ mình, bọt khí len vào ngóc ngách để làm vật cần tẩy rửa Bọt chân không lớn dần đến giới hạn định tự nổ tung tạo lượng đánh bay vết bẩn hiệu mà không cần tới thao tác can thiệp mạnh vốn dễ gây xơ vải Quá trình vỡ bọt sinh luồng sóng xung kích nhỏ mạnh, gọi “hiện tượng tạo chân khơng” Khi bọt khí bị vỡ sinh lực mạnh Lực kết hợp với sóng siêu âm tăng khả hịa tan bột giặt đem bột giặt sâu vào sợi vải từ tăng khả làm giặt Với nguyên lý hoạt động thông minh, khoa học, người sử dụng hồn tồn sử dụng thiết bị để giặt tẩy vết bẩn nước thơng thường Khi cần thiết, sử dụng thêm số chất tẩy rửa (dạng lỏng) nước giặt, nước rửa tay…để xử lý vết bẩn cứng đầu bề mặt quần áo Nhờ sử dụng sóng siêu âm nên vết bẩn tẩy thời gian cực ngắn không làm hư hại đến sợi vải Đặc biệt chất liệu vải cao cấp chất liệu vải dễ bị hư hại làm theo cách thơng thường sản phẩm tẩy rửa thực giải pháp an toàn hiệu Những thử nghiệm thực tế cho thấy máy giặt siêu âm làm vết bẩn thông thường mà cịn có khả đánh bay vết bẩn cứng đầu vết cà ri, vết son môi, vết bẩn cổ áo… Nhờ chế hoạt động này, máy giặt sóng siêu âm giúp cho quần áo giặt Lực sinh từ bọt khí sóng siêu âm vừa hịa tan bột giặt vừa đánh bay vết bẩn, đặc biệt vết bẩn cứng đầu Đây chế hoạt động hầu hết thiết bị điện tử sở hữu cơng nghệ sóng siêu âm Do tần số sóng siêu âm cao, bọt khơng khí nhỏ ln phiên xuất hiện, vơ nhanh chóng Sóng xung kích mà chúng sản giống mn nghìn “chổi nhỏ” vơ hình nhanh mạnh lan tới, chải quét xó xỉnh chi tiết Vì thế, ví dụ tẩy rửa đồng hồ đeo tay, làm thủ cơng bạn phải tháo rời phận, hiệu suất thấp, rửa sóng siêu âm cần nhúng tồn phần máy vào xăng, phút sau bạn có đồng hồ mới! Quả thật máy làm sóng siêu âm giúp người dùng nhiều trọng việc tẩy rửa h 11 IV.Kết - thảo luận Ở mức độ nước, lượng cất tẩy rửa máy giặt dùng sóng siêu âm cho hiệu làm tốt máy giặt thông thường Nhưng không dừng cho mức độ nước, máy giặt dùng sóng siêu âm cho chất tẩy rửa kết thu máy giặt dùng sóng siêu âm đánh bay bụi bẩn làm tốt máy giặt thông thường Hiệu suất giặt máy giặt thông thường 15% lực học tạo quay lồng giặt khơng đủ để phá vỡ hồn tồn liên kết chất bẩn bám vào quần áo Còn hiệu giặt máy giặt siêu âm 30% trình dừng máy giặt máy phát sóng siêu âm ko để lãng phí khoảng thời gian tiếp tục phát sóng âm xuyên qua sợi vải để đánh bay chân gốc chất bẩn khơng phải làm bề ngồi giống máy giặt thông thường Những thống kê ko có chất tẩy rửa Nếu cho thêm chất tẩy rửa làm lỏng lực kết dích bọt khí sóng siêu âm tạo dễ dàng loại bỏ chất bẩn Theo kết nghiên cứu sóng siêu âm làm chất bẩn bám dính quần áo tốt máy giặt thông thường dùng lực quay trộn motor Tuy nhiên sử dụng thiết bị tạo sóng siêu âm đơn giản nên chưa thực phát huy hết tiềm làm viết bẩn sóng siêu âm đối quần áo nói riêng sợi vải nói chung Máy giặt sử dụng sóng siêu âm giảm cơng suất tiêu thụ tốt lúc dừng khoảng thời gian motor thiết bị tạo sóng làm việc thời gian giặt giảm xuống tiết kiệm số lần hoạt động motor đảm bảo đồ cần giặt Phân tích chúng tơi cho thấy chất bẩn bám vào bề mặt cần làm bị loại bỏ lực đẩy bề mặt áp suất động sóng siêu âm Chúng tơi thực nghiên cứu hiệu suất giặt hệ thống siêu âm kết hợp với máy giặt thông thường Hiệu giặt giảm hệ thống siêu âm đơn giản với khối lượng chất lỏng giặt tăng lên máy giặt thông thường cho thấy hiệu suất giặt song siêu âm Tuy nhiên, khả kết hợp hai hệ thống giặt vượt trội so với giặt riêng lẻ, cho phép bắt đầu suy nghĩ thiết kế tối ưu đầu dò điều kiện hoạt động cho mục đích sử dụng thực tế V.Kết - đề nghị Hạn chế + Có thể lưu ý hệ thống siêu âm đơn giản tạo trình rửa khơng đồng truyền thẳng sóng siêu âm gây trường siêu âm không đồng thể tích rửa Mặc dù sơ đồ hỗn hợp cung cấp khả giặt đồng h 12 so với phương pháp giặt siêu âm đơn giản hiệu giặt đồng máy giặt thông thường, vấn đề chắn phải giải cho trình phát triển thực tế sơ đồ lai Do đó, chúng tơi hy vọng nhiều đầu dị siêu âm đạt phân bố đồng sóng âm bể giặt, mang lại kết giặt đồng tồn bề mặt vải dệt + Do thử nghiệm nên chưa có nhiều máy tạo sóng siêu âm chưa đạt hiệu định + Chưa loại bỏ chất tẩy rửa trình giặt để bảo vệ mơi trường nói chung nguồn nước nói riêng Ưu điểm + Làm máy giặt thông thường, giúp sợi vải không bị hư tổn vãi len giặt không bị xù + Tiết kiệm thời gian giặt giảm lượng chất tẩy cho vào lúc bắt đầu khởi động giặt + Không phân biệt chất liệu giặt mà chất liệu giặt Ảnh hưởng tới xã hội + Xã hội cần thiết bị giặt chúng tơi nghiên cứu tính đa dạng chúng giặt nhiều loại chất liệu giặt khác mà không ảnh hưởng đến sản phẩm Độ gần loại bỏ viết bẩn bám chặt sản phẩm Khuyến Nghị + Để khắc phục hạn chế nêu trên, nghiên cứu mong muốn rằng: + Đặt nhiều thiết bị tạo sóng siêu âm máy giặt lên để đặt hiệu tốt + Mở rộng phạm vi nghiên cứu dùng sóng siêu âm để làm quần áo mà cịn hướng tới làm nông sản + Không dùng chất tẩy rửa q trình làm để góp phần bảo vệ môi trường nguồn nước + Thúc đẩy nhanh phát triển để đưa vào thị trường sử dụng cách hiệu VI.Tài liệu tham khảo [1] Bộ tạo tần số điều chỉnh https://www.bjultrasonic.com/shop/40khz-50w-ultrasonic-transducer-40khz-100wultrasonic-generator/ h 13 [2] Cảm biến rung https://www.didacticaselectronicas.com/index.php/sensores/fuerza-yvibracion/sensor-de-vibraci%C3%B3n-piezo-film-piezoelectrico-piezo-electricozumbador-vibrador-sensores-de-flexi%C3%B3n-vibraci%C3%B3n-flexpiezoel%C3%A9ctrico-vibrador-dfrobot-detail [4] Bộ điều khiển nhiệt độ Arduino Nano https://store.arduino.cc/products/arduinonano?_gl=1*42llsx*_ga*NTY5OTE5NTQwLjE2NTgxMTcyODU.*_ga_NEXN8H4 6L5*MTY1ODExNzI4NC4xLjEuMTY1ODExNzMxMy4zMQ [5] http://redstarvietnam.com/nguyen-ly-lam-sach-bang-song-sieu-am-ultrasoniccleaning-principle.html [6] https://thongtinkythuat.com/may-giat-song-sieu-am-la-gi-loi-ich-may-giat-songsieu-am/ [7]http://www.freefullpdf.com/#gsc.tab=0&gsc.q=ultrasonic%20washing%20machin e&gsc.sort= http://nvngu.in.ua/index.php/en/archive/on-the-issues/1866-2021/content-32021/5884-117 [8] https://rces.info/sinh-vien-kinh-te-nckh/toi-co-the-tim-nhung-nguon-tai-lieunghien-cuu-tin-cay-tai-dau/) [9] h