TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
Lịch sử nghiên cứu
Quạt điện có cơ chế hoạt động tương tự như quạt kéo ở vùng Trung Đông vào thế kỷ XIX, với cấu trúc khung vải bạt kết nối với dây dẫn để tạo ra luồng gió Sau cuộc cách mạng công nghiệp cuối thế kỷ XIX, quạt dẫn động bằng đai đã được phát triển tại các nhà máy thủy lực.
Họ thực hiện thay trục giữa của quạt bằng máy móc động Từ đó, quạt điện được cải tiến dần dần.
Omar-Rajeen Jumala là một trong những người đầu tiên chế tạo ra chiếc quạt máy vào năm 1832 với phát minh gọi là máy quạt ly tâm, hoạt động tương tự như máy bơm không khí Cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, với sự phát hiện của Thomas Edison và Nikola Tesla về nguồn năng lượng điện, quạt cơ học đã được cải tiến thành quạt chạy bằng điện năng.
Vào năm 1882, Philip Diehl đã giới thiệu quạt điện trần, được công nhận là cha đẻ của quạt điện hiện đại Ngày nay, quạt điện đã trở thành một thiết bị thiết yếu trong mọi gia đình.
Hiện nay, sự phát triển của quạt điện đã mang đến nhiều mẫu quạt thông minh như quạt thông gió, quạt làm mát, quạt phun sương, quạt điều hòa hơi nước và quạt không cánh Các loại quạt này có cấu tạo tương tự, với động cơ quạt tạo gió, bộ điều khiển cung cấp năng lượng và một số mẫu còn tích hợp bộ tạo sương để tăng độ ẩm Bộ điều khiển thường là loại điều khiển bằng tay hoặc remote với các mức tốc độ khác nhau, nhưng vẫn gặp nhiều vấn đề khi nhiệt độ môi trường thay đổi.
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mô hình quạt điện thông minh” nhằm mang lại sự tiện lợi và đổi mới cho cuộc sống con người Mô hình này sử dụng luật mờ để điều khiển quạt tự động với các mức tốc độ khác nhau, dựa trên hai đầu vào là nhiệt độ và độ ẩm, cùng với hai đầu ra là motor quạt và motor máy bơm nước.
Các vấn đề đặt ra
Hệ thống cơ khí: Sử dụng hệ thống cơ khí sẵn trong quạt:
Hệ thống động cơ quạt bao gồm rotor và stator, hoạt động theo nguyên lý xoay chiều không đồng bộ 1 pha Động cơ này nhận xung và nguồn từ bộ điều khiển, từ đó tạo ra momen quay giúp cánh quạt chuyển động.
Hệ thống máy bơm nước 1 pha xoay chiều sử dụng điện từ đầu ra của mạch điều khiển để bơm nước từ đáy quạt, cung cấp nước cho dàn mát.
Hệ thống cánh quạt hoạt động bằng cách nhận momen quay từ trục, tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa mặt trước và mặt sau của cánh quạt Điều này dẫn đến việc hình thành các dòng khí đối lưu, di chuyển từ phía sau ra phía trước hoặc ngược lại.
- Hệ thống bể nước mini cung cấp cho máy bơm
Hệ thống điện sử dụng điện xoay chiều 1 pha 220V ⁓ - 50Hz, bao gồm mạch nhận biết điểm 0V và mạch công suất để điều khiển quạt và máy bơm thông qua triac Bộ điều khiển trung tâm được thiết kế trên nền tảng Arduino Uno R3, có nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, sau đó xuất tín hiệu đến mạch công suất.
Chương trình điều khiển sử dụng luật điều khiển mờ với bốn cấp độ, được phát triển thông qua các phần mềm lập trình và mô phỏng như Arduino IDE và Matlab Ngoài ra, chương trình còn có khả năng xây dựng một ứng dụng di động đơn giản, dễ sử dụng cho người dùng.
Thử nghiệm đánh giá: Sau khi hoàn thành thử nghiệm trên phần mềm
Matlab/Simulink để kiểm tra tính ổn định, chất lượng, đảm bảo an toàn và đánh giá.
Hệ thống phải đảm bảo hoạt động ổn định ở các cấp tốc độ.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Thiết kế hệ thống điện – điều khiển
MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH ẢNH III DANH MỤC BẢNG BIỂU V LỜI NÓI ĐẦU VI
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1
1.2 Các vấn đề đặt ra 2
1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu 3
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5
2.1 Giới thiệu chung về quạt thông minh 5
2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý chung của các loại quạt 5
2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý của quạt điều hòa 8
2.2 Luật điều khiển mờ và ứng dụng 11
2.2.2 Ứng dụng của điều khiển mờ 17
2.3 Hệ thống cảm biến và điều khiển 17
2.3.3 Mối tương quan giữa nhiệt độ và độ ẩm 26
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 30
3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống 30
3.2 Thiết kế hệ thống điện – điều khiển 34
3.2.1 Thiết kế hệ thống điều khiển 34
3.2.2 Thiết kế luật điều khiển mờ 38 3.2.3 Mô phỏng trên proteus và matlab simulink 42
KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO VII PHỤ LỤC VIII
Hình 2.3 Tấm làm mát cooling pad 8
Hình 2.5 Hệ thống bơm nước trong quạt điều hòa 9
Hình 2.6 Cánh quạt điều hòa 9
Hình 2.7 Tấm chắn bụi của quạt điều hòa 10
Hình 2.9 Bánh xe di chuyển quạt điều hòa 10
Hình 2.10 Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ 12
Hình 2.11 Giải mờ theo nguyên lý trung bình 15
Hình 2.12 Giải mờ theo nguyên lý cận trái 15
Hình 2.13 Giải mờ theo nguyên lý cận phải 15
Hình 2.14 Giải mờ theo phương pháp trọng tâm 16
Hình 2.15 Các khối chức năng của điều khiển mờ 16
Hình 2.16 Module cảm biến DHT22 17
Hình 2.17 Arduino Uno R3 ngoài thực tế 19
Hình 2.18 Các phương án điều áp một pha 20
Hình 2.19 Mạch phát hiện điểm không 21
Hình 2.20 Xung đầu ra, vào của mạch xác định điểm 0 22
Hình 2.22 Dạng xung mở triac 23
Hình 2.23 Giao diện phần mềm Matlab 24
Hình 2.24 Giao diện cửa sổ thư viện Simulink 25
Hình 2.25: Giao diện Fuzzy Logic Toolbox 26
Hình 2.26: Mối tương quan giữa nhiệt độ và độ ẩm 28
Hình 3.1 Quạt điều hòa hơi nước Sunhouse SHD 7714 30
Hình 3.2 Tổng quan quạt điều hòa SHD 7714 30
Hình 3.3 Động cơ quạt điều hòa model YD-100 32
Hình 3.4 Động cơ máy bơm nước module DHY-16 33
Hình 3.5 Cánh quạt điều hòa 34
Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 35
Hình 3.7: Sơ đồ khối đầu vào - ra của bộ nhớ 38
Hình 3.8 Hàm thuộc nhiệt độ 39
Hình 3.9 Hàm thuộc độ ẩm 39
Hình 3.10 Luật mờ được định nghĩa trên matlab 40
Hình 3.11 Luật hợp thành dạng hình học 40
Hình 3.12: Khảo sát thời gian trễ đầu ra trên Matlab simulink 42
Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống 43
Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán chuyển đổi chế độ hoạt động 44
Hình 3.15 Lưu đồ con mô tả luật mờ 45
Hình 3.16 Mạch nguyên lý được vẽ trên altium 46
Hình 3.17 Mô phỏng hệ thống trên phầm mềm protues 46
Hình 3.18 Mô phỏng hệ thống trên protues khi chạy tự động 47
Hình 3.19 Mô phỏng protues khi hệ thống chạy bằng tay 47
Hình 3.20 Giao diện app điều khiển bằng bluetooth 48
Hình 3.21 Code chương trình điều khiển trên app bluetooth 49
Bảng 2.1 Sự tương quan giữa nhiệt độ và độ ẩm môi trường 27
Bảng 3.1 Phạm vi biến ngôn ngữ cho các biến 39
Bảng 3.2 Giá trị điện áp ra với từng thời gian trễ 41
Bảng 3.3 Luật hợp thành đối với động cơ quạt và máy bơm 41
Sự phát triển của khoa học công nghệ đã tạo ra những đối tượng phức tạp khó điều khiển, dẫn đến nhu cầu nghiên cứu các phương pháp điều khiển mới, đặc biệt là điều khiển thông minh Hiện nay, các phương pháp như điều khiển mờ, mạng nơ ron và thuật toán di chuyển đang được áp dụng rộng rãi Nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mô hình quạt điện thông minh” với mong muốn đóng góp hữu ích vào cuộc sống và hoàn thành tốt môn học cơ điện tử Trong quá trình thực hiện, nhóm đã nhận được sự hướng dẫn tận tình từ thầy Ths Nhữ Qúy Thơ và sự hỗ trợ từ các thầy cô, anh chị và bạn bè Tuy nhiên, nhóm cũng nhận thức được những sai sót trong quá trình nghiên cứu và rất mong nhận được ý kiến đánh giá, nhận xét từ các thầy cô để hoàn thiện đề tài một cách tối ưu nhất.
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiên Nguyễn Ngọc Hiệu Nguyễn Khắc Bắc Nguyễn Hữu Đức
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
Quạt điện có nguồn gốc từ cơ chế hoạt động của quạt kéo ở vùng trung Đông vào thế kỉ XIX, với hệ thống khung vải bạt và sợi dây dẫn tạo ra luồng gió Sau cuộc cách mạng công nghiệp cuối thế kỉ XIX, quạt dẫn động bằng đai đã được phát triển nhờ vào các nhà máy thủy lực.
Họ thực hiện thay trục giữa của quạt bằng máy móc động Từ đó, quạt điện được cải tiến dần dần.
Omar-Rajeen Jumala là một trong những người chế tạo chiếc quạt máy đầu tiên vào năm 1832 với phát minh mang tên máy quạt ly tâm, hoạt động tương tự như máy bơm không khí Sự phát triển đáng kể diễn ra khi Thomas Edison và Nikola Tesla phát hiện ra nguồn năng lượng điện vào cuối thế kỉ XIX và đầu thế kỉ XX, dẫn đến việc cải tiến quạt cơ học thành quạt điện.
Vào năm 1882, Philip Diehl đã giới thiệu quạt điện trần, được coi là cha đẻ của quạt điện hiện đại Ngày nay, quạt điện đã trở thành một thiết bị thiết yếu trong mọi hộ gia đình.
Hiện nay, quạt điện đã phát triển với nhiều mẫu mã thông minh như quạt thông gió, quạt làm mát, quạt phun sương, quạt điều hòa hơi nước và quạt không cánh Các loại quạt này có cấu tạo tương tự nhau, bao gồm động cơ tạo gió, bộ điều khiển cung cấp năng lượng cho động cơ, và một số mẫu còn tích hợp bộ tạo sương để tăng độ ẩm Bộ điều khiển có thể là dạng điều khiển tay hoặc remote, nhưng vẫn gặp khó khăn khi điều chỉnh tốc độ phù hợp với sự biến đổi của nhiệt độ môi trường.
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mô hình quạt điện thông minh” nhằm mang lại sự tiện lợi và đổi mới cho cuộc sống con người Mô hình sử dụng luật mờ để điều khiển quạt tự động, cho phép điều chỉnh tốc độ quạt dựa trên hai yếu tố đầu vào là nhiệt độ và độ ẩm, cùng với hai đầu ra là motor quạt và motor máy bơm nước.
1.2 Các vấn đề đặt ra
Hệ thống cơ khí: Sử dụng hệ thống cơ khí sẵn trong quạt:
Hệ thống động cơ quạt xoay chiều không đồng bộ 1 pha, bao gồm rotor và stator, nhận xung và nguồn từ bộ điều khiển để tạo ra momen quay, giúp cánh quạt hoạt động hiệu quả.
Hệ thống máy bơm nước 1 pha xoay chiều hoạt động bằng cách lấy điện từ đầu ra của mạch điều khiển, giúp bơm nước từ đáy quạt lên cung cấp cho dàn mát.
Hệ thống cánh quạt hoạt động bằng cách nhận momen quay từ trục, tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa mặt trước và mặt sau cánh quạt Điều này dẫn đến việc hình thành các dòng khí đối lưu, di chuyển từ phía sau ra phía trước hoặc ngược lại.
- Hệ thống bể nước mini cung cấp cho máy bơm
Hệ thống điện sử dụng điện xoay chiều 1 pha 220V ⁓ - 50Hz, bao gồm mạch nhận biết điểm 0V và mạch công suất để điều khiển quạt và máy bơm Bộ điều khiển trung tâm được thiết kế trên nền tảng Arduino Uno R3, có nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, từ đó xuất tín hiệu cho mạch công suất.
Chương trình điều khiển sử dụng luật điều khiển mờ với 4 cấp độ, được phát triển thông qua các phần mềm lập trình và mô phỏng như Arduino IDE và Matlab Hệ thống này cũng cho phép xây dựng một ứng dụng di động đơn giản, dễ sử dụng để giao tiếp.
Thử nghiệm đánh giá: Sau khi hoàn thành thử nghiệm trên phần mềm
Matlab/Simulink để kiểm tra tính ổn định, chất lượng, đảm bảo an toàn và đánh giá.
Hệ thống phải đảm bảo hoạt động ổn định ở các cấp tốc độ.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
Nghiên cứu về ứng dụng của điều khiển mờ trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ và quạt điện đã được thực hiện qua nhiều kênh thông tin khác nhau, bao gồm internet và các bài viết trong nước cũng như quốc tế Các ứng dụng này cho thấy khả năng tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống điều khiển.
- Tìm hiểu cách tạo gió của quạt, các loại quạt điện trên thị trường.
- Tìm hiểu bộ chuyển đổi giữa ADC, các thiết bị thành phần có trong hệ thống.
- Tìm hiểu về vi xử lý và vi điều khiển, các cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng nhiệt độ và độ ẩm đến cơ thể con người thông qua các bài báo đánh giá của nước ta và nước ngoài.
- Tìm hiểu cách sử dụng các phần mềm lập trình (Matlab và Arduino IDE) và các phầm thiết kế mô phỏng trên máy tính.
- Tìm hiểu về cách mô hình hóa, giúp cho việc tính toán và chọn các trang thiết bị điện vào mạch để điều khiển thiết bị.
Phương pháp nghiên cứu mô hình hóa mô phỏng:
Kết quả xây dựng đã được thử nghiệm và đánh giá thông qua phần mềm mô phỏng Trong đồ án này, chúng tôi sử dụng phần mềm Matlab/Simulink cùng với Proteus để mô phỏng và đánh giá chất lượng điều khiển.
1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các loại quạt điện có sẵn sử dụng điện áp AC 220V công suất nhỏ (