Đồ án 1 Điều khiển tầm với và trọng lượng cần cẩu tháp là đề tài giúp người điều khiển cần cẩu tháp nhận biết khi nào vật quá tải để tránh cần cẩu bị lật trong quá trình sử dụng nhằm ngăn chặn các tai nạn và sự cố lật cần cẩu tháp do kéo vật quá trọng lượng.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Khoa Điện - Điện Tử ⁕⁕⁕⁕⁕⁕⁕⁕⁕⁕⁕⁕ ĐỒ ÁN Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TẦM VỚI VÀ TRỌNG LƯỢNG CẦN CẨU THÁP GVHD: Nguyễn Chí Nghĩa STT Sinh viên thực Trần Thị Thùy An Nguyễn Thanh Dương MSSV 2010106 2012888 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 6, 2023 MỤC LỤC I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI: .4 II LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN: Vi điều khiển Arduino nano: .5 1.1 Giới thiệu tổng quan .5 1.2 Nguyên lý hoạt động arduino điều khiển 11 Raspberry pi3: 11 2.1 Tổng quan Raspberry pi3 11 2.2 Nguyên lý hoạt động Raspberry điều khiển 16 Encoder HN3806-AB-400N: 16 3.1 Tổng quan encoder: 16 3.2 Nguyên lý hoạt động encoder: 17 Loadcell 5kg: 19 4.1 Tổng quan loadcell 19 4.2 Nguyên lý hoạt động loadcell điều khiển .22 Mạch chuyển mức tín hiệu kênh 24 Mạch khuếch đại điện áp AD620 25 6.1 Các chân tín hiệu: 26 6.2 Hiệu chỉnh điểu Zero 26 6.3 Các kiểu đấu nối 27 III NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: 27 Nguyên lý hoạt động cần cẩu tháp 27 Nguyên lý hoạt động đề tài: Arduino nano + Raspberry pi điều khiển tầm với trọng lượng cần cẩu tháp 28 IV GIAO TIẾP GIỮA CÁC LINH KIỆN: 29 Giao tiếp encoder arduino 29 1.1 Nguyên lý hoạt động phương pháp điều khiển tốc độ 29 1.2 Chương trình code Arduino để đọc xung Encoder giải thích chương trình 30 Giao tiếp Arduino Raspberry (Raspberry truyền số liệu qua arduino đường Uart) 32 2.1 Giới thiệu Uart Raspberry Pi3 32 2.2 Giao tiếp Uart với Raspberry Pi3 32 2.3 Kết nối phần cứng .33 2.4 Lập Trình giao tiếp Uart 33 2.5 Sử dụng cổng USB để kết nối .33 V PHẦN CỨNG: 34 Thiết kế phần cứng .34 Giao diện phần mềm Arduino IDE kiểm tra hoạt động Encoder 35 Giao diện Thonny Python IDE điều khiển tầm với trọng lượng40 Kết Luận 49 Hướng phát triển tương lai 50 VI TỔNG KẾT ĐỀ TÀI: 51 VII LỜI CẢM ƠN .52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI: Trong sống tại, với mức phát triển công trình xây dựng có độ cao lớn, khối lượng cơng việc lớn, thời gian thi cơng dài cần trục tháp thường sử dụng để thi công công trình nhà cao tầng, trụ cầu lớn, cơng trình thuỷ điện Cần cẩu tháp có cơng dụng đưa vật liệu xây dựng, cấu kiện xây dựng từ lên cao cách nhanh chóng, cẩu thiết bị, máy móc, vật nặng độ cao lớn xây dựng nhà cao tầng, cơng trình cao Nó lắp ráp từ đoạn tháp rời tăng dần theo chiều cao cơng trình, có tầm với lớn Cần cẩu tháp quan trọng nghành xây dựng, nhờ có mà việc vận chuyển, cung cấp nguyên vật liệu trình xây trở nên dễ dàng nhiều Công dụng tuyệt vời cần cẩu tháp giúp cho người làm việc nhẹ nhàng hơn, tiết kiệm thời gian chi phí, nữa, sức lực người giảm đảng kể Tuy nhiên, sử dụng cần cẩu tháp, đặc biệt xây dựng nhà nhiều tầng khu dân cư khu vực nội thành, điều kiện thi công chật hẹp, đơn vị thi công thường sử dụng cần cẩu tháp không quy định nên vươn qua cơng trình lân cận vươn ngồi đường, hiểm họa khơn lường Nguy an toàn cần trục tháp gây thường rơi tải trọng nâng tải làm đứt cáp nâng tải, nâng cần, móc buộc tải; phanh cấu nâng bị hỏng, má phanh mịn q mức quy định, mơ men phanh q bé, dây cáp bị mòn bị đứt,… sập cần cố thường xảy gây chết người nối cáp không kỹ thuật, cẩu tải tầm với xa làm đứt cáp…Nhưng nguyên nhân lớn nâng vật tải trọng làm lật cần cẩu Vậy nên nhóm chúng em chọn đề tài để nghiên cứu, hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Chí Nghĩa nhóm em thiết kế điều khiển tự động để điều chỉnh tầm hoạt động trọng lượng nâng cần cẩu tháp Đề tài nhằm cải thiện hiệu suất độ xác việc vận hành cần cẩu tháp, giúp tăng tính an tồn hiệu cơng trình xây dựng II LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN: Vi điều khiển Arduino nano: 1.1 Giới thiệu tổng quan: Arduino Nano board vi điều khiển nhỏ gọn thân thiện với breadboard, dựa vi điều khiển ATmega328P Nó board Arduino phổ biến nhất, sử dụng rộng rãi dự án nhờ kích thước nhỏ, dễ sử dụng giá thành thấp Arduino Nano có 14 chân digital input/output (IO), chân analog input, 16 MHz xung clock, 32 KB nhớ flash cho lưu trữ chương trình KB nhớ SRAM để lưu trữ liệu trình chạy chương trình Nó cấu hình để hoạt động chuyển đổi USB-to-serial để giao tiếp với máy tính thơng qua cổng USB Đặc điểm kĩ thuật Arduino nano: Hình 1: Đặc điểm kĩ thuật Arduino Sơ đồ chân: Hình 2: Sơ đồ chân Arduino Hình 3: Sơ đồ chân Arduino Chân ICSP: - Các chân: 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 16 Như đề cập trước đó, Arduino Nano có 14 ngo vào/ra digital Các chân làm việc với điện áp tối đa 5V Mỗi chân cung cấp nhận dịng điện 40mA có điện trở kéo lên khoảng 20-50kΩ Các chân sử dụng làm đầu vào đầu ra, sử dụng hàm pinMode (), digitalWrite () digitalRead () Ngoài chức đầu vào đầu số, chân có số chức bổ sung - Chân 1, 2: Chân nối tiếp Hai chân nhận RX truyền TX sử dụng để truyền liệu nối tiếp TTL Các chân RX TX kết nối với chân tương ứng chip nối tiếp USB tới TTL - Chân 6, 8, 9, 12, 13 14: Chân PWM Mỗi chân số cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung bit Tín hiệu PWM tạo cách sử dụng hàm analogWrite () - Chân 5, 6: Ngắt Khi cần cung cấp ngắt cho xử lý điều khiển khác, sử dụng chân Các chân sử dụng phép ngắt INT0 INT1 tương ứng cách sử dụng hàm attachInterrupt () Các chân sử dụng để kích hoạt ba loại ngắt ngắt giá trị thấp, tăng giảm mức ngắt thay đổi giá trị ngắt - Chân 13, 14, 15 16: Giao tiếp SPI Khi bạn không muốn liệu truyền khơng đồng bộ, bạn sử dụng chân ngoại vi nối tiếp Các chân hỗ trợ giao tiếp đồng với SCK Mặc dù phần cứng có tính phần mềm Arduino lại khơng có Vì vậy, bạn phải sử dụng thư viện SPI để sử dụng tính - Chân 16: Led Khi bạn sử dụng chân 16, đen led bo mạch se sáng - Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 26 : Ngo vào/ra tương tự Như đề cập trước UNO có chân đầu vào tương tự Arduino Nano có đầu vào tương tự (19 đến 26), đánh dấu A0 đến A7 Điều có nghĩa bạn kết nối kênh đầu vào tương tự để xử lý Mỗi chân tương tự có ADC có độ phân giải 1024 bit (do se cho giá trị 1024) Theo mặc định, chân đo từ mặt đất đến 5V Nếu bạn muốn điện áp tham chiếu 0V đến 3.3V, nối với nguồn 3.3V cho chân AREF (pin thứ 18) cách sử dụng chức analogReference 10 Hình 26: Kết xung hiển thị Encoder quay chiều ngược Giao diện Thonny Python IDE điều khiển tầm với trọng lượng Thonny môi trường phát triển tích hợp (IDE) dành cho Python Nó thiết kế đặc biệt cho người bắt đầu học lập trình Python cung cấp giao diện thân thiện với người dùng để giúp đơn giản hóa q trình lập trình Thonny cung cấp tính quan trọng cửa sổ chỉnh sửa mã nguồn, bảng điều khiển nạp thực thi, gợi ý mã, theo doi biến, hiển thị kết thời gian thực Nó hỗ trợ gỡ lỗi, cho phép theo doi sửa lỗi mã Một điểm mạnh Thonny giao diện đơn giản trực quan, giúp người dùng thích nghi nhanh chóng tập trung vào việc học viết mã Python Nó kem với tài liệu hướng dẫn ví dụ minh họa để giúp bạn nắm bắt ngôn ngữ Python Sử dụng Thonny Python IDE để viết chương trình python chạy hệ điều hành Raspbian thao tác với Raspberry Pi Bước 1: Tìm phần mềm Thonny Python IDE: 40 Phần mềm cài đặt sẵn hệ điều hành Raspbian Nhấn vào biểu tượng trái dâu ( ) phía góc trái hình desktop chọn “Programming” chọn “Thonny Python IDE” Hình 27: Tìm kiếm phần mềm Thonny Python IDE Bước 2: Tạo file mã nguồn save lại: Click vào “New” (biểu tượng dấu “ + ” ) cửa sổ làm việc Thonny Python IDE để tạo file Và lưu file với đuôi dạng “ py ” cách ấn “Save” Hình 28: Tạo lưu file làm việc Thonny Python IDE Bước 3: Viết chương trình hồn chỉnh, sửa lỗi (nếu có), sau bấm “Run” để chạy chương trình 41 Hình 29: Giao diện phần mềm Thonny Python IDE Raspberry Pi Ta viết chương trình hồn chỉnh phần mềm Thonny Python IDE để điều khiển thị tầm với tải trọng cần cẩu tháp Giao diện thiết kế với tầm với thị từ m đến 70m , có mức tải từ mức tải thị từ mức tải đến mức tải 6, tương đương từ mức tải tấn, mức tải , mức tải tấn, mức tải tấn, mức tải mức tải hiển thị giao diện 42 Hình 30: Giao diện hiển thị tầm với tải trọng chạy chương trình Python Khi xoay Encoder, số xung counter se đếm phần mềm, từ tính tầm với xuất kết hình Tùy vào kết tầm với mức se in kết cột tầm với Ví dụ hình counter đếm 1523 xung xuất kết tầm với 15.23 m se in cột tầm với 15 m tải lúc ( chưa có vật cân Loadcell ) Hình 31: Kết hiển thị Encoder đếm 1523 xung chưa có vật cân loadcell Tùy thuộc vào mong muốn kết se xuất đâu mà người lập trình se lập trình theo yêu cầu Trong hình biểu diễn tầm với nhỏ 7.5 m , vị trí kết xuất se nằm cột m Khi tầm với lớn 7.5 m , vị trí kết se xuất cột 10 m Điều tương tự với khoảng tầm với từ 10m -15m, 15m-20m, 20m25m, …,65m-70m 43 Hình 32: Kết hiển thị vị trí tầm với nhỏ 7.5 m Hình 33: Kết hiển thị vị trí tầm với 7.5 m 44 Hình 34: Kết hiển thị vị trí tầm với lớn 7.5 m Khi vật có khối lượng đặt lên loadcell, làm biến dạng loadcell Cảm biến loadcell đo chuyển đổi biến dạng thành tín hiệu điện Tín hiệu se raspberry cập nhật hiển thị khối lượng tải trọng Nếu khối lượng tải trọng hiển thị nằm phạm vi an tồn se hiển thị kết màu vàng, khối lương tải trọng hiển thị mức cho phép kết hiển thị se có màu đỏ 45 Hình 35 : Kết hiển thị tầm với 38.15m chưa có vật cân loadcell 46 Hình 36: Kết hiển thị tầm với 27.82m có vật cân 150g loadcell Hình 37: Kết hiển thị tầm với 52.67m có vật cân 350g loadcell 47 Hình 38: Kết hiển thị tầm với 21.27m có vật cân 550g loadcell 48 Hình 39: Kết hiển thị tầm với 35.28m có vật cân 1kg loadcell Kết luận Trong phạm vi đồ án nhóm xây dựng giao diện hiển thị tầm với tải trọng cần cẩu tháp phần cứng (cảm biến Encoder, Raspberry Pi 3, Arduino Nano, cảm biến Loadcell, ) Trong q trình nghiên cứu thực hiện, nhóm rút kết luận đánh giá kết sau: Về phần cứng: kết nối thành Encoder - Arduino Nano Raspberry Pi - Loadcell - Màn hình máy tính Về phần giao điện điều khiển: Nhóm tạo giao diện hiển thị tầm với tải trọng phần Thonny Python IDE, phần mềm có sẵn Raspberry Pi, viết chương trình phần mềm Arduino IDE để kiểm tra hoạt động Encoder 49 Về giao tiếp Arduino Raspberry: Nhóm biết sử dụng giao tiếp UART để dùng Raspberry nhận tín hiệu xung Arduino truyền qua Nhận xét tổng quan: Điều khiển tầm với trọng lượng cần cẩu tháp sử dụng Arduino Raspberry khả thi vận hành thực tế Qua khảo sát thực tê, thị trường có nhiều sản phẩm dự án tự động hóa sử dụng Arduino Raspberry Pi để điều khiển thiết bị cần cẩu tháp Việc kết hợp Arduino Raspberry Pi để điều khiển tầm với trọng lượng cần cẩu tháp khả thi triển khai nhiều ứng dụng thực tế Trong phạm vi đồ án này, bên cạnh khả điều khiển hiển thị tầm với trọng lượng cần cẩu tháp, nhiều khuyết điểm ( ví dụ sai số khối lượng nhiễu gây còn), khuyết điểm se nghiên cứu khắc phục tương lai Hướng phát triển tương lai Hướng phát triển tương lai việc điều khiển tầm với trọng lượng cần cẩu tháp thông qua Arduino kết hợp Raspberry bao gồm khía cạnh sau: Tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) học máy (Machine Learning): Sử dụng khả xử lý mạnh me Raspberry Pi, áp dụng thuật tốn học máy trí tuệ nhân tạo để cải thiện hiệu suất khả dự đoán hệ thống điều khiển Điều giúp cải thiện tính xác việc dự đoán điều khiển tầm với trọng lượng cần cẩu tháp Kết nối mạng IoT: Sử dụng tính kết nối mạng Raspberry Pi, tạo thành hệ thống mạng cần cẩu tháp kết nối với với hệ thống quản lý trung tâm Điều cho phép theo doi quản lý từ xa cần cẩu tháp, thu thập liệu hoạt động tối ưu hóa hoạt động chúng 50 Giao diện người dùng cải tiến: Sử dụng Raspberry Pi Arduino, phát triển giao diện người dùng đơn giản thân thiện để điều khiển cần cẩu tháp Sử dụng hình cảm ứng, nút nhấn cơng nghệ điều khiển giọng nói cung cấp trải nghiệm điều khiển tiện ích dễ sử dụng Tích hợp với cơng nghệ khác: Kết hợp Arduino Raspberry Pi với công nghệ tiên tiến khác sensor LiDAR, camera, hệ thống định vị GPS, cơng nghệ truyền thơng 5G, nâng cao khả thu thập liệu tăng cường tính tồn vẹn hệ thống Phát triển mơ hình 3D mơ phỏng: Sử dụng phần mềm mơ mơ hình 3D, tạo mơ trực quan cần cẩu tháp môi trường xung quanh Điều giúp phân tích kiểm tra trước kịch hoạt động, đồng thời tăng cường đào tạo trình giám sát VI TỔNG KẾT ĐỀ TÀI: Đề tài "Điều khiển tầm với trọng lượng cần cẩu tháp sử dụng Arduino Raspberry Pi" nhằm tận dụng tiềm hai tảng phổ biến lĩnh vực điện tử điều khiển, để xây dựng hệ thống điều khiển cần cẩu tháp thông qua việc sử dụng Arduino Raspberry Pi Arduino Raspberry Pi bo mạch nhúng (embedded boards) sử dụng rộng rãi ứng dụng điện tử IoT (Internet of Things) Arduino thường sử dụng cho dự án điều khiển nhỏ gọn, Raspberry Pi có khả xử lý mạnh me phù hợp cho ứng dụng phức tạp Hệ thống xây dựng nhằm kiểm soát tầm với trọng lượng cần cẩu tháp Arduino sử dụng để thu thập liệu từ cảm biến 51 cảm biến encoder Raspberry Pi, với sức mạnh xử lý nó,ngồi việc xử lý tín hiệu cảm biến loadcell, mà sử dụng để xử lý phân tích liệu từ Arduino, sau gửi lại tín hiệu điều khiển đến cần cẩu tháp để điều chỉnh tầm với trọng lượng Việc sử dụng Arduino Raspberry Pi cung cấp nhiều lợi ích cho hệ thống điều khiển cần cẩu tháp Arduino có khả tương tác trực tiếp với cảm biến điều khiển tín hiệu đầu ra, Raspberry Pi cung cấp khả xử lý mạnh me kết nối mạng Kết hợp hai tảng này, hệ thống thu thập xử lý liệu cách hiệu quả, đồng thời cung cấp khả tương tác với người dùng thông qua giao diện người-máy Ứng dụng hệ thống điều khiển cần cẩu tháp đa dạng Nó sử dụng cơng trình xây dựng để kiểm soát tầm với trọng lượng cần cẩu tháp, đảm bảo an toàn tối ưu hóa q trình xây dựng Ngồi ra, hệ thống áp dụng ứng dụng cơng nghiệp khác kho vận, nhà máy sản xuất, hay hoạt động cần điều khiển xác cần cẩu tháp VII LỜI CẢM ƠN Lời cuối cùng, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới quý thầy cô Trường đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh nói chung, q thầy khoa Điện – Điện tử, quý thầy cô chuyên ngành Điều khiển Tự động hóa nói riêng, truyền đạt cho chúng em kiến thức hướng quý giá để phục vụ cho q trình hồn thành Đồ án Chúng em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy Nguyễn Chí Nghĩa, người thầy trực tiếp hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án Bên cạnh kiến thức thầy giảng dạy, thầy hỗ trợ nhiệt tình qua liên lạc mặt phịng lab, địa điểm họp làm việc Có hỗ trợ thầy hội lớn chúng em có 52 năm học khó khăn vừa qua Chúng em xin chúc thầy nhiều sức khỏe hạnh phúc sống Chúng em xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày tháng năm 2023 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1, Về Arduino, Giới thiệu Arduino Nano (dientutuonglai.com) 2, Raspberry Pi3, Giới thiệu Raspberry Pi - Một máy tính nhỏ để phát triển dự án IoT (dientuviet.com) 3, Encoder, Encoder gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng (anmyelectric.com) 4, Loadcell, Encoder gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng (anmyelectric.com) 5, Mạch chuyển mức tín hiệu kênh, https://www.bing.com/ck/a?!&&p=d20cf767f13033f6JmltdHM9MTY4NjI2 ODgwMCZpZ3VpZD0zZmRkYjc0Ni00NGVhLTZiMTAtM2I2Yy1hNWY xNDVmODZhNDQmaW5zaWQ9NTQ2Nw&ptn=3&hsh=3&fclid=3fddb7 46-44ea-6b10-3b6ca5f145f86a44&psq=mạch+chuyển+mức+tín+hiệu+4+kênh&u=a1aHR0cH M6Ly9zdG9yZWxpbmhraWVuLmNvbS9zYW4tcGhhbS9tYWNoLWNod Xllbi1tdWMtdGluLWhpZXUtNC1rZW5oLTItY2hpZXUtMy0zdi01di8jOn 46dGV4dD1NJUUxJUJBJUExY2glMjBjaHV5JUUxJUJCJTgzbiUyMG0lR TElQkIlQTljJTIwdCVDMyVBRG4lMjBoaSVFMSVCQiU4N3UlMjA0JTI wayVDMyVBQW5oJTIwMiwlQzQlOTElRTElQkIlOTklMjBjYW8lMjAl M0QlM0UlMjBkJUMzJUI5bmclMjB2JUUxJUJCJTlCaSUyMFVBUlQlM kMlMjBTUEklMkMlMjBJMkMu&ntb=1 6, Mạch khuyếch đại điện áp AD620, AD620 Mạch Khuếch Đại Điện Áp microvolts ( 2D3.2) – https://dientubachviet.com/ 54