Trong những năm gần đây ngành Cơ Điện tử có những bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng các sản phẩm cơ điện tử vào sản xuất ngày càng phổ biến giúp nâng cao năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm. Song song với quá trình phát triển đó là yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tin cậy, khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt với thời gian dài của các hệ thống cơ điện tử. Vì vậy việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống cơ điện tử để đáp ứng được yêu cầu trên là việc làm cần thiết. Sự phát triển của hệ thống cơ điện tử là sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới. Học phần Thiết kế hệ thống Cơ Điện tử được đưa vào giảng dạy với mục đích giúp sinh viên có kiến thức và tư duy trong việc lập kế hoạch công việc theo trình tự hợp lý để có thể thiết kế được một hệ thống cơ điện tử hoạt động ổn định, tối ưu và hiệu quả. Học phần cũng rèn luyện cho sinh viên khả năng tư duy hệ thống, kỹ năng làm việc nhóm và kiến thức về nhiều mảng khác nhau, giúp ích cho học tập và công việc sau này. Sau quá trình học tập và tự tìm hiểu về học phần, nhóm sinh viên đã lựa chọn và hoàn thành báo cáo bài tập lớn với đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử “Quạt thông minh”. Đây là một đề tài hay và có tính ứng dụng cao trong đời sống đồng thời cũng là cơ sở cho những nghiên cứu và sản phẩm sau này của sinh viên
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa khí BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Tên đề tài: Thiết kế Quạt thông minh Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nhữ Quý Thơ Sinh viên thực hiện: Đào Duy Tiến 2019602347 Nguyễn Xuân Trọng 2020608210 Nguyễn Ngọc Trung 2020608158 Hà Nội – 2023 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: ME6061.4 Tên nhóm: N21 Họ tên thành viên : Đào Duy Tiến Khóa: 15 Nguyễn Xuân Trọng Nguyễn Ngọc Trung 2019602347 2020608210 2020608158 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm điện tử: Quạt thông minh Hoạt động sinh viên Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế - Thiết lập danh sách yêu cầu Nội dung 2: Thiết kế sơ - Xác định vấn đề - Thiết lập cấu trúc chức - Phát triển cấu trúc làm việc - Lựa chọn cấu trúc làm việc Nội dung 3: Thiết kế cụ thể - Xây dựng bước thiết kế cụ thể - Tích hợp hệ thống - Phác thảo sản phẩm phần mềm CAD và/hoặc vẽ phác Áp dụng cơng cụ hỗ trợ: Mơ hình hóa mơ phỏng, CAD, HIL, … để thiết kế sản phẩm Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch tập lớn III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành tập lớn theo thời gian quy định (từ ngày 08/05/2023 đến ngày 11/06/2023) Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Bài giảng môn học thiết kế hệ thống điện tử tài liệu tham khảo Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ts Nguyễn Anh Tú Ths Nhữ Quý Thơ Mục lục Phần 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM 1.1: Quạt thông minh 1.2: Nguyên lý hoạt động quạt thông minh 1.3: Các thành phần quạt thông minh Phần 2: NỘI DUNG THIẾT KẾ 2.1: Thiết lập danh sách yêu cầu 2.2: Thiết kế sơ 2.2.1: Các vấn đề 2.2.2: Thiết lập cấu trúc chức 2.2.3: Tìm kiếm nguyên tắc làm việc 12 2.2.4: Kết hợp nguyên tắc làm việc 14 2.2.5: Tổng hợp đánh giá biến thể 14 Phần 3: THIẾT KẾ CỤ THỂ 17 3.1: Thiết kế sơ 17 3.1.1: Tạo sơ đồ hệ thống 17 3.1.2: Nhóm chức 17 3.1.3: Bố trí hình học 18 3.1.4: Xác lập layout thô-xác định phận thực chức 19 3.1.5: Bản vẽ kết cấu khí quạt 22 3.2: Thiết kế chi tiết 23 3.2.1: Khung quạt 23 3.2.2: Động 23 3.2.3: Pin lithium polymer 24 3.2.4: Cánh quạt 24 3.2.5: Động đảo hướng 25 3.2.6: Mạch tạo ion âm 25 3.2.7: Mạch điều khiển 26 3.2.8: Bộ sạc 26 Danh mục bảng Bảng 1.1: Thiết lập danh sách yêu cầu Bảng 2.1: Tìm kiếm nguyên tắc làm việc 14 Bảng 2.2: Đánh giá biến thể 16 Bảng 1: Xác định phận thực chức 21 Danh mục hình ảnh Hình 1.1: Một số loại quạt thơng minh Hình 3.1: Bố trí hình học 19 Hình 3.2: Layout thô quạt thông minh 20 Hình 3.3: Bản vẽ lắp quạt thông minh 22 Hình 3.4: Khung quạt 23 Hình 3.5: Động 24 Hình 3.6: Pin lithium polymer 24 Hình 3.7: Cánh quạt 25 Hình 3.8: Động đảo hướng 25 Hình 3.9: Mạch tạo ion âm 26 Hình 3.10: Mạch điều khiển 26 Hình 3.11: Bộ sạc 27 LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần ngành Cơ Điện tử có bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng sản phẩm điện tử vào sản xuất ngày phổ biến giúp nâng cao suất lao động hạ giá thành sản phẩm Song song với q trình phát triển yêu cầu ngày cao độ xác, tin cậy, khả làm việc môi trường khắc nghiệt với thời gian dài hệ thống điện tử Vì việc nghiên cứu thiết kế hệ thống điện tử để đáp ứng yêu cầu việc làm cần thiết Sự phát triển hệ thống điện tử phát triển ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển tự động hoá đạt nhiều tiến Học phần Thiết kế hệ thống Cơ Điện tử đưa vào giảng dạy với mục đích giúp sinh viên có kiến thức tư việc lập kế hoạch cơng việc theo trình tự hợp lý để thiết kế hệ thống điện tử hoạt động ổn định, tối ưu hiệu Học phần rèn luyện cho sinh viên khả tư hệ thống, kỹ làm việc nhóm kiến thức nhiều mảng khác nhau, giúp ích cho học tập cơng việc sau Sau q trình học tập tự tìm hiểu học phần, nhóm sinh viên lựa chọn hoàn thành báo cáo tập lớn với đề tài: Thiết kế sản phẩm điện tử “Quạt thông minh” Đây đề tài hay có tính ứng dụng cao đời sống đồng thời sở cho nghiên cứu sản phẩm sau sinh viên Phần 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM 1.1: Quạt thông minh Quạt thông minh loại quạt trang bị công nghệ để cải thiện trải nghiệm sử dụng tiết kiệm lượng Những tính thơng minh bao gồm khả kết nối Wi-Fi để điều khiển từ xa thơng qua smartphone, tích hợp cảm biến công nghệ đo lường để tự động điều chỉnh tốc độ gió hướng gió phù hợp với điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng khơng khí ánh sáng xung quanh Ngồi ra, quạt thơng minh tích hợp với trí tuệ nhân tạo để tự động điều chỉnh hoạt động quạt phù hợp với sở thích thói quen sử dụng người dùng Quạt thơng minh trang bị tính bảo vệ an tồn chế độ tự động tắt không hoạt động khoảng thời gian định phát nguy hiểm, giúp người dùng yên tâm sử dụng sản phẩm Quạt thông minh sản phẩm tiên tiến tiện lợi việc tạo môi trường làm việc sinh hoạt thoải mái, hiệu an tồn Các tính thơng minh giúp quạt hoạt động hiệu hơn, giúp người dùng tiết kiệm chi phí lượng đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng người dùng Hình 1.1: Một số loại quạt thông minh 1.2: Nguyên lý hoạt động quạt thông minh Nguyên lý hoạt động quạt thông minh bao gồm sử dụng công nghệ đo lường cảm biến để thu thập liệu điều kiện môi trường xung quanh điều chỉnh hoạt động quạt phù hợp Thường quạt thơng minh trang bị cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng khơng khí ánh sáng Dữ liệu thu thập từ cảm biến phân tích xử lý trí tuệ nhân tạo để đưa định tốc độ gió, hướng gió, thời gian hoạt động tính khác Quạt thơng minh thường kết nối với ứng dụng di động qua Wi-Fi Bluetooth để người dùng điều khiển quạt từ xa thiết lập cài đặt phù hợp với nhu cầu sử dụng Điều giúp người dùng dễ dàng tùy chỉnh tính quạt thông minh để đáp ứng yêu cầu khác 1.3: Các thành phần quạt thơng minh Các thành phần quạt thơng minh bao gồm: Động cơ: Là thành phần quạt, giúp quạt hoạt động tạo luồng gió Cánh quạt: Các cánh quạt quay theo động để tạo luồng gió Cảm biến: Quạt thơng minh trang bị cảm biến để thu thập liệu nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng khơng khí ánh sáng xung quanh Trí tuệ nhân tạo: Các quạt thơng minh sử dụng trí tuệ nhân tạo để xử lý liệu thu thập từ cảm biến điều chỉnh hoạt động quạt phù hợp với điều kiện môi trường Ứng dụng di động: Quạt thông minh thường kết nối với ứng dụng di động qua Wi-Fi Bluetooth để người dùng điều khiển quạt từ xa thiết lập cài đặt phù hợp với nhu cầu sử dụng Pin: Nhiều quạt thông minh sử dụng pin để hoạt động, giúp người dùng dễ dàng di chuyển sử dụng nhiều không gian khác Vỏ bảo vệ: Đây thành phần bảo vệ cho thành phần bên quạt, giúp bảo vệ quạt khỏi tác động bên đồng thời tạo nên thiết kế bên ngồi cho quạt thơng minh Màn hình hiển thị: Một số quạt thơng minh tích hợp hình hiển thị để hiển thị thông số cài đặt trạng thái quạt Phần 2: NỘI DUNG THIẾT KẾ Trước bắt đầu phát triển sản phẩm, cần phải làm rõ nhiệm vụ thiết kế cách chi tiết Việc phân tích nhiệm vụ thiết kế trải qua bước sau: 2.1: Thiết lập danh sách yêu cầu THAY ĐỔI D W DANH SÁCH YÊU CẦU CHO QUẠT ĐIỆN THƠNG MINH Hình dạng Kích thước tổng thể: D Chiều dài: 30-80 cm D Chiều rộng: 30-80 cm D Chiều cao: 80-100 cm D Không gian làm việc: 2.5-3 𝑚2 W Chiều dài dây nguồn: 1,5-2 m Tính D Có khả làm mát, phun sương để điều chỉnh độ ẩm D Điều khiển trực tiếp qua bảng điện tử quạt W D Có thể điều khiển từ xa qua điện thoại W Có chế độ hẹn tự tắt khơng có người W Cập nhật phần mềm từ xa để quạt hoạt động ổn định hiệu Kết nối với thiết bị thông minh khác Động lực học D Tốc độ động cơ: 500-3000 vòng/phút D D Lưu lượng gió: 14 - 71 m3/phút D D Tốc độ gió: - m/s Khả chịu lực Tải trọng khung: < kg Trọng lượng: 3-4 kg 19/04/2023 12 13 Tạo ion âm Phương pháp điện ly khơng khí Đuổi muỗi Sử dụng tinh dầu Sử dụng tạo sóng MCU Arduino Mạch tích hợp IC Sử dụng mạch thu Wifi Sử dụng mạch thu Bluetooth MCU MCU tích hợp module ADC Bộ giải mã USB ADC Màn hình LCD Màn hình OLED 14 Xử lý điều khiển 15 Nhân tín hiệu Thu xử lý tín hiệu 16 Chuyển đổi ADC 17 Hiển thị lưu lượng gió Hiển thị 18 trạng thái hoạt động Hiển thị tốc độ gió Màn hình LCD Màn hình OLED 19 Hiển thị độ ẩm Màn hình LCD Màn hình OLED Màn hình cảm ứng Nút bấm Điện thoại Điều khiển quạt Màn hình LCD Màn hình OLED Loa Tự động Màn hình cảm ứng Nút khẩn cấp 20 Trực tiếp Điều khiển 21 22 23 Từ xa Báo khẩn cấp Dừng khẩn cấp 13 24 Hẹn 25 Tạo gió MCU Mạch đo thời gian Có cánh Khơng cánh Bảng 2.1: Tìm kiếm ngun tắc làm việc 2.2.4: Kết hợp nguyên tắc làm việc Các nguyên tắc làm việc kết hợp thành biến thể biểu diễn bảng Cụ thể nguyên tắc đặt ký hiệu màu tạo thành biến thể Theo bảng ta thấy có ba biến thể với ba màu khác chọn tương ứng màu xanh (biến thể 1), màu vàng (biến thể 2) màu đỏ (biến thể 3) Qua ta đến xét tính khả thi biến thể vừa quy định Lựa chọn biến thể: Dựa vào bảng phân loại ta phân nguyên lý làm việc có chung biến thể: Biến thể ( ): 1.1 – 2.2 – 3.2 – 4.1 – 5.1 – 6.1 – 7.1 – 8.2 – 9.2 – 10.1 – 11.2 – 12.1 – 13.1 – 14.1 – 15.3 – 16.1 – 17.1 – 18.1 – 19.1 – 20.1 – 21.1 – 22.1 – 23.1 – 24.1 – 25.1 Biến thể ( ): 1.1 – 2.2 – 3.2 – 4.2 – 5.1 – 6.1 – 7.2 – 8.1 – 9.1 – 10.1 – 11.2 – 12.1 – 13.2 – 14.2 – 15.1 – 16.2 – 17.2 – 18.2 – 19.2 – 20.1 – 21.1 – 22.2 – 23.2 – 24.2 – 25.1 Biến thể ( ): 1.2 – 2.1 – 3.1 – 4.3 – 5.1 – 6.1 – 7.3 – 8.3 – 9.3 – 10.2 – 11.1 – 12.1 – 13.1 – 14.3 – 15.2 – 16.2 – 17.2 – 18.2 – 19.2 – 20.2 – 21.2 – 22.3 – 23.3 – 24.2 – 25.2 Để lựa chọn biến thể phù hợp nhất, ta tiến hành xây dựng tiêu chí để đánh giá so sánh biến thể Tuy nhiên độ phức tạp quan trọng tiêu chí để đánh giá khác nhau, để bao qt thấy mức độ quan trọng tiêu chí, ta xây dựng mục tiêu Trong mục tiêu bao gồm tiêu chí đặt cho biến thể Trong tiêu chí lớn có tiêu chí nhỏ đặt Số điểm bên trái (w) độ quan trọng tiêu chí với tiêu chí lớn hơn, số điểm bên phải (wt) độ quan trọng tiêu chí với tổng thể hệ thống 2.2.5: Tổng hợp đánh giá biến thể STT Tiêu chí Điểm tiêu chí Tiêu chí Điểm tiêu chí 0.08 Lấy điện 0.25 Điểm đánh giá 14 Biến thể Biến thể Biến thể 9 0.18 0.18 0.16 Thay đổi điện áp Bảo vệ pin 0.12 Chỉnh lưu 0.5 0.32 0.32 0.28 Truyền tải 0.25 0.16 0.16 0.12 Kiểm soát nhiệt độ 0.4 0.384 0.288 0.024 Ngắt pin yếu 0.3 0.324 0.324 0.324 Dừng sạc pin đầy 0.3 0.324 0.324 0.324 Tính lượng pin 0.03 0.27 0.21 0.18 Lưu trữ điện 0.14 10 1.4 1.26 0.84 Đo tốc độ 0.2 0.08 0.07 0.05 Điều khiển tốc độ 0.8 0.36 0.36 0.28 Điều tốc 0.05 Tạo chuyển động 0.05 0.45 0.45 0.35 Tạo ion âm 0.02 10 0.2 10 0.2 10 0.2 Đuổi muỗi 0.01 0.08 0.08 0.06 Tạo gió 0.1 10 10 0.8 Xử lý điều khiển 0.2 10 1.8 1.2 Thu tin hiệu 0.5 10 0.3 0.21 0.21 Chuyển đổi ADC 0.5 0.24 0.21 0.21 Trực tiếp 0.3 10 0.15 10 0.15 0.105 Từ xa 0.7 10 0.35 10 0.35 0.245 0.08 0.07 0.07 Thu xử lý tín hiệu 0.06 Điều khiển 0.05 Hẹn 0.01 15 Hiển thị trạng thái hoạt động 0.03 Hiển thị lưu lượng gió 0.35 0.084 10 0.105 10 0.105 Hiển thị tốc độ gió 0.35 0.084 10 0.105 10 0.105 Hiển thị độ ẩm 0.3 0.072 10 0.09 10 0.09 Báo khẩn cấp 0.02 0.16 0.18 10 0.2 Dừng khẩn cấp 0.03 10 0.3 0.24 0.27 Tổng 9.352 8.736 6.802 Bảng 2.2: Đánh giá biến thể Qua trình đánh giá ta thấy biến thể số có số điểm đánh giá cáo xếp hạng tổng thể tốt Điều chứng tỏ biến thể tối ưu tốt tiêu chí đề Biến thể đại diện cho giải pháp nguyên tắc tốt để bắt đầu giai đoạn thiết kế cụ thể 16 Phần 3: THIẾT KẾ CỤ THỂ 3.1: Thiết kế sơ 3.1.1: Tạo sơ đồ hệ thống 3.1.2: Nhóm chức 17 3.1.3: Bố trí hình học 18 Hình 3.1: Bố trí hình học 3.1.4: Xác lập layout thô-xác định phận thực chức Đây bước quan trọng việc thiết kế lớp sản phẩm Từ khối chức tổng hợp được, nhóm thiết kế tiến hành bố trí hình học cho sản phẩm quạt thông minh việc xây dựng phác thảo biểu thị rõ vị trí hình học tương đối khối sản phẩm cho sản phẩm hoạt động cách thuận tiện Sau định hình layout vị cho phận, ta tiến hành ghép nhóm cho số các cụm phận có chung thiết kế để bố trí trí hình học có bố trí hình học tương quan layout sau: 19 Hình 3.2: Layout thơ quạt thơng minh Với nhóm phận thiết kế có vài chi tiết chung có tương quan hình học vị trí khơng với Do vậy, ta xếp cho nhóm có phận chung thiết kế với Bảng mô tả số chức nhiệm vụ đặt cho nhóm thiết kế: STT Nhóm chức Bộ phận 20 Củ sạc Nhóm lượng Nhóm động Pin lithium polymer Mạch bảo vệ pin Điều tốc Động Động đảo hướng Cánh quạt Điều khiển qua Nhóm điều khiển hình cảm ứng Điều khiển qua điện thoại Khung quạt Nhóm khung vỏ Vỏ quạt Đế quạt Mạch tạo ion âm Phun sương Nhóm chức phụ Đuổi muỗi Màn hình LCD Đèn tín hiệu Nhóm hiển thị Bảng 3.1: Xác định phận thực chức 21 3.1.5: Bản vẽ kết cấu khí quạt Qua trình xác định layout sơ vẽ lắp quạt thông minh xây dựng dựa bố trí trí khơng gian thiết kế cho phù hợp Hình 3.3: Bản vẽ lắp quạt thơng minh Chú thích: 1: Lồng quạt 2: Cánh quạt 3: Động 4: Hộp động 5: Động đảo hướng 6: Khung quạt 7: Đế quạt 8: Mạch điều khiển 9: Pin 10: Cổng sạc 22 3.2: Thiết kế chi tiết 3.2.1: Khung quạt Khung quạt phận quan trọng Độ cứng vững ổn định quạt phụ thuộc nhiều vào độ cứng vững khung quạt Đối với khung quạt làm hợp kim nhôm phủ sơn cách điện nhằm tạo độ chắn tăng tính thẩm mỹ rễ ràng tháo lắp di chuyển Phần chân đế làm rộng giúp quạt đứng vững nhiều bề mặt khác Hình 3.4: Khung quạt 3.2.2: Động Động phận giúp quạt chuyển đổi điện sang làm quay cánh quạt tạo gió Với: - Cơng suất định mức: 25W - Hiệu điện thế: 24V - Tốc độ động cơ: 1500v/p 23 Hình 3.5: Động 3.2.3: Pin lithium polymer Pin lithium polymer dùng để lưu trữ cung cấp lượng cho quạt hoạt động không kết nối với điện lưới Thời gian sử dụng từ 5-10h tùy vào tốc độ quạt - Dung lượng pin: 5200mAh - Điện áp định mức: 22.2V Hình 3.6: Pin lithium polymer 3.2.4: Cánh quạt Cánh quạt gắn trực tiếp với trục roto động cơ, làm nhựa Khi quay, cánh quạt đẩy luồng khơng khí theo hướng định tạo cảm giác mát cho phòng Sử dụng loại quạt cánh 24 Hình 3.7: Cánh quạt 3.2.5: Động đảo hướng Động đảo hướng giúp quạt thay đổi hướng gió làm mát Động có cảm biến encoder giúp xác định thay đổi nhiều góc khác tùy vào mục đích người sử dụng Hình 3.8: Động đảo hướng 3.2.6: Mạch tạo ion âm Thông số: - Điện áp vào: 220V - Điện áp xuất: 5-6KV tạo tia Plasma xuất ion vào khơng khí ion giúp diệt khuẩn, đánh tan khói thuốc, mùi hơi… 25 Hình 3.9: Mạch tạo ion âm 3.2.7: Mạch điều khiển Mạch điều khiển phận thiếu quạt thông minh Mạch nhận tín hiệu điều khiển từ người sử dụng, xử lý thực u cầu Hình 3.10: Mạch điều khiển 3.2.8: Bộ sạc Thống số: - Điện áp vào: 110-220VAC - Điện áp ra: 25.2V - Dịng điện sạc: 2A 26 Hình 3.11: Bộ sạc 27