Trong thời đại công nghệ không ngừng thay đổi, sự phát triển của các thiết bị tự động đã mang lại nhiều tiện ích trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Trong lĩnh vực vệ sinh nhà cửa, một trong những công việc mất thời gian và công sức nhất là làm sạch sàn nhà. Nhằm giảm bớt gánh nặng và tiết kiệm thời gian cho người sử dụng, nghiên cứu và thiết kế một máy lau nhà trở thành một đề tài được đánh giá có tính cấp thiết. Đề tài này nhằm mục đích nghiên cứu và phát triển một thiết bị tự động có khả năng làm sạch các bề mặt sàn nhà một cách hiệu quả và tiện lợi. Với mong muốn là cải thiện chất lượng cuộc sống con người cùng với ứng dụng các kiến thức đã học chúng em chọn đề tài “ Thiết kế máy lau nhà tự động ” xây dựng một máy lau nhà tự động giúp giải quyết vấn đề về việc lau nhà một cách tự động, tiết kiệm thời gian và công sức cho người sử dụng. Đồng thời, đề tài cũng nhằm nghiên cứu và áp dụng các công nghệ hiện đại để cải thiện hiệu suất và tiện ích của máy lau nhà tự động.
KHÁI QUÁT VỀ MÁY LAU NHÀ TỰ ĐỘNG
Tổng quan về máy lau nhà tự động
Hiện nay, máy lau nhà thông minh đang dần trở thành xu thế mới, thay thế các loại máy hút bụi truyền thống để hỗ trợ con người trong việc dọn dẹp nhà cửa Tại Việt Nam, dòng sản phẩm này đã có mặt trên thị trường và hứa hẹn sẽ trở thành một sản phẩm hot trong thời gian tới Máy lau nhà tự động được xem là “người” giúp việc vô cùng thông minh và hiệu quả cho các gia đình, đặc biệt đối với những người nữ nội trợ phải đi làm suốt cả ngày, không có thời gian chăm sóc nhà cửa Máy thiết kế thông minh, có thể tự động thực hiện công việc hút bụi, lau dọn nhà mà không cần có sự hướng dẫn của con người Kích thước của máy hút bụi tự động nhỏ gọn, có thể đi đến tất cả các ngóc ngách như: gầm bàn, gầm giường, ghế sofa, góc tường… để làm sạch toàn diện Hơn nữa, thiết bị thông minh cũng có thể sử dụng được trên nhiều loài sàn nhà như: gỗ, thảm, sàn gạch, gạch ceramic…
Trên thị trường hiện nay có 3 loại máy làm sạch sàn nhà đó là sản phẩm lau nhà và máy hút bụi, với mỗi loại máy lau nhà hay máy hút bui thì đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng chính vì vậy để tăng hiệu quả làm sạch một cách tối đa các nhà sản xuất đã kết hợp hai loại máy lau nhà và hút bụi lại thành loại máy vừa có khả năng lau nhà vừa có khả năng hút bụi Tuy nhiên xét về sự phổ biến thì hiện nay thì máy hút bụi vẫn đươc sử dụng nhiều hơn vì có giá thành hợp lý nhưng vẫn giữ được nhiều ưu điểm lớn là có thể làm sạch trên nhiều bề mặt sàn khác nhau, có thể làm sạch nhiều loại bụi bẩn Dưới Hình 1.3 là sản phẩm Xiaomi Máy Vacuum S10, sản phẩm có thiết kế dạng khối trụ trông khá thanh thoát
Mặc dù máy hút bụi có nhiều ưu điểm vượt trội và được sử dụng rộng rãi hơn nhưng cũng không thể phủ nhận những điểm tích cực của máy lau nhà vẫn chiếm được lòng tin của rất nhiều người dùng Mặc dù không hoạt động tốt trên nhiều về mặt nhưng hiệu quả làm sạch của máy lau nhà có phần vượt trội so với máy hút bụi, máy lau nhà có thể làm sạch được cả những vết bẩn ướt, dính với bề mặt sàn Bên cạnh đó máy lau nhà hoạt động không gây nhiều tiếng ồn như Mám hút bụi, ít gây ảnh hưởng đến người sử dụng vào buổi đêm Hình 1.4 Xiaomi Máy Vacuum S10+, là sản phẩm cải tiến mới hơn S10.
Các yêu cầu của hệ thống Máy lau nhà tự động
Yêu cầu cơ bản của một máy hút bụi là có thể tự động làm sạch trên nhiều chất liệu mặt sàn khác nhau một cách tối đa, có thể đi vào các ngóc ngách trong nhà, dễ dàng thao tác sử dụng, hoạt động với tiếng ồn nhỏ, không làm ảnh hưởng tới thú nuôi và vật dụng trong nhà.
Trong phần đồ án này nhóm em thiết kế máy lau nhà đơn giản với chi phí thấp bao gồm các tính năng cơ bản:
Có khả năng tránh vật cản
THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHẦN CỨNG
Giải pháp thiết kế
Hệ thống điều khiển tự động
Máy lau nhà cần có hệ thống điều khiển tự động để di chuyển và hoạt động trong không gian nhà một cách tự động và thông minh Hệ thống này có thể dựa trên cảm biến để phát hiện vị trí và tránh các vật cản trong quá trình làm việc Trong đồ án này chúng em sử dụng vi điều khiển Arduino.
Máy lau nhà cần được trang bị các cảm biến để phát hiện môi trường xung quanh và tránh va chạm Đồ án sử dụng cảm biến siêu âm HC - SR04.
Máy lau nhà cần có hệ thống di chuyển linh hoạt để điều hướng và di chuyển trên các bề mặt nhà, bao gồm sàn nhà, thảm, gạch và sàn gỗ Hệ thống này đồ án sử dụng bánh xe và morto.
Bộ lau và quét Máy lau nhà được trang bị bộ lau và bộ quét để làm sạch bụi.
Ngoài chức năng lau, máy lau nhà cần có hệ thống hút bụi để hút sạch bụi và các hạt nhỏ từ sàn nhà Đồ án sử dụng morto hút bụi.
Bảng 2.1.Giải pháp thiết kế cho Máy lau nhà
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Lưu đồ thuật toán chung
Mạch phần cứng sử dụng Arduino Uno để điều khiển các khối chức năng trong mạch Đây là một điều khiển giá thành rẻ, hiệu năng ổn định, phù hợp với các nghiên cứu nhỏ và vừa Công cụ được sử dụng để code và debug hệ thống ở đây là Arduino IDE, đây là công cụ đa năng giúp xây dựng và biên dịch chương trình cho dòng vi điều khiển phổ biến cũng như cho phép debug, kiểm soát chương trình và theo dõi dữ liệu thực tế trong quá trình thực hiện code
Chương trình điều khiển máy lau nhà được viết trên ngôn ngữ C truyền thống, các ngoại vi và dữ liệu được thiết lập ở tầng thấp nhất trong quá trình code mà không thông qua bất kỳ tầng framework nào nhằm đảm bảo khai thác hiệu quả nhất hiệu năng của vi điều khiển, kiểm soát bộ nhớ và độ ổn định trong quá trình hoạt động
Trên Hình 3.1 trình bày lưu đồ thuật toán tổng quan của hệ thống Do quá trình điều khiển hoạt động của máy lau nhà là một vòng lặp nhiều quá trình và bên trong mỗi quá trình bao gồm nhiều hàm xử lý phức tạp nên thuật toán điều khiển được chia nhỏ thành nhiều chức năng nhỏ nhằm đem đến một cái nhìn trực quan hơn về nguyên tắc điều khiển của hệ thống Đầu tiên khi khởi động hệ thống vi xử lý sẽ khởi tạo các biến toàn cục, khai báo các hàm chức năng và thiết lập ngoại vi cho hệ thống Sau đó nó thực hiện quá trình đọc dữ liệu từ khối cảm biến, đi vào xử lý tính toán khoảng cách đến vật cản nếu có và điều khiển từng động cơ với các trạng thái tương ứng
Hình 3.1 Lưu đồ thật toán mô hình Máy lau nhà
Quá trình trên lặp đi lặp lại cho đến khi máy lau nhà làm sạch toàn bộ diện tích mặt sàn Quá trình tính toán khoảng cách đến vật cản được lặp lai theo chu kỳ một giây một lần sử dụng System Tick của vi điều khiển.
Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán đo khoảng cách
Sau khi cấu hình chức năng PWM của bộ timer, khởi tạo các biến cần thiết, nếu phát hiện phía trước có vật cản (để thuận tiện cho việc xử lý và trình bày lưu đồ thuật toán em coi trường hợp vật cản phía trước cách xa hơn 10cm là không có vật cản) vi điều khiển sẽ phát tín hiệu PWM điều khiển thiết bị đi lùi và sau đó rẽ trái rồi tiếp tục đi thẳng Sau đó vi điều khiển tiếp tục kiểm tra xem có vật cản không nếu có thì tiếp tục điều khiển thiết bị rẽ phải, nếu không có vật cản thì di chuyển theo đường thẳng Trong quá trình di chuyển vi điều khiển kiểm tra vật cản phía trước mỗi giây một lần, bất cứ khi nào phát hiện có vật cản thì chuyển hướng di chuyển của máy.
Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý
Lập trình hệ thống
Arduino IDE (Integrated Development Environment) là một chương trình biên dịch và lập trình dành cho vi điều khiển Arduino Nó cung cấp một giao diện đồ họa thân thiện và dễ sử dụng để viết và tải chương trình vào vi điều khiển Arduino.
Arduino IDE hỗ trợ ngôn ngữ lập trình C và C++ và cung cấp một số thư viện tiêu chuẩn cho việc điều khiển các chức năng của vi điều khiển Arduino Nó cho phép người dùng viết mã nguồn, biên dịch và tải chương trình xuống vi điều khiển Arduino thông qua một cổng kết nối USB.
3.3.2 Sử dụng trình biên dịch C
Ngôn ngữ C là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ và phổ biến được sử dụng rộng rãi trong việc phát triển phần mềm Được tạo ra bởi Dennis Ritchie vào những năm 1970, C đã trở thành một trong những ngôn ngữ lập trình quan trọng nhất và có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của nhiều ngôn ngữ lập trình khác.
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Mô hình phần cứng và kết quả
Hình 4.16 Mô hình sản phẩm Máy lau nhà
Hướng phát triển
Với điều kiện hiện thực tế em xin đề xuất một số hướng phát triển của đề tài như sau:
Máy cần được nâng cấp khả năng tự sạc nguồn khi cạn.
Máy cần phát triển khả năng nhận dạng không gian.
Máy cần lập bản đồ và vạch ra kế hoạch di chuyển tối ưu để đi hết diện tích sàn với thời gian ngắn nhất.
Máy có khả năng hoạt động theo thời gian biểu được định sẵn.
Ưu nhược điểm
Máy hoạt động hiệu quả
Có thể áp dụng vào thực tiễn
Được tiếp xúc nhiều hơn đến kĩ thuật nhúng và tự động hoá
Có thể nạp, thay đổi code chương trình dễ dàng.
Máy chỉ hoạt động tốt ở các sàn gỗ và gạch men, hạn chế hoạt động ở những nơi có độ mấp mô cao, không gian chật hẹp.
Máy chưa tự động nạp điện được mà vẫn cần sự trợ giúp của con người.
Tiếng ồn hơi lớn khi máy hoạt động.
Bài học rút ra
Sau quá trình làm đồ án 1 chúng em nhận ra tầm quan trọng của hoạt động nhóm và việc liên kết các thành viên trong nhóm để hoàn thành tốt bài làm Hơn nữa là việc ứng dụng các kiến thức đã học từ các môn trước đó vào thực tế Ngoài ra để hoàn thành đồ án thì tầm quan trọng của tự học và tìm tòi các kiến thức mới trên mạng là rất quan trọng.