báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử_đề tài bàn học thông minh. thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài bàn học thông minh
PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
Nhu cầu thị trường
Trong thời đại hiện đại, việc học tập và nghiên cứu đang trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của học sinh và sinh viên Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của công nghệ và cách thức học tập, xuất hiện một số vấn đề đáng lo ngại liên quan đến tư thế ngồi sai, các bệnh liên quan đến cột sống và vấn đề mắt do thiếu ánh sáng trong quá trình học tập
Một trong những nguyên nhân dẫn đến tư thế ngồi sai của học sinh và sinh viên là việc thiếu nhận thức về tư thế ngồi đúng và quan trọng của nó Đa phần học sinh và sinh viên ngồi lâu trong tư thế không đúng, ví dụ như cúi gập, co lưng hoặc vẹo cột sống Tư thế ngồi sai này có thể gây ra căng thẳng và áp lực lên các cơ, dẫn đến các vấn đề liên quan đến cột sống như đau lưng, cột sống cong và thoái hóa đĩa đệm
Ngoài ra, một vấn đề khác là thiếu ánh sáng trong quá trình học tập Học sinh và sinh viên thường tiếp xúc với môi trường học tập thiếu ánh sáng tự nhiên hoặc ánh sáng không đủ Ánh sáng yếu và không đều có thể gây căng thẳng mắt, làm mắt mỏi và gây khó khăn trong việc tập trung Điều này dẫn đến các vấn đề về mắt như căng thẳng mắt, khô mắt và thậm chí có thể góp phần vào sự phát triển của một số vấn đề thị lực như viễn thị và cận thị
Theo số liệu thống kê mới nhất, nước ta hiện có 5 triệu trẻ em Việt Nam mắc phải các tật khúc xạ ở mắt Toàn bộ cả nước có khoảng 15-40% người mắc phải tật khúc xạ Đối tượng phổ biến nhất mắc phải cận thị là trẻ em từ 6-15 với tỷ lệ 20-40% ở khu vực thành thị và 10-15% ở khu vực nông thôn Như vậy, hiện nay nước ta có khoảng 14-36 triệu người đang gặp phải tật khúc xạ ở mắt và cần được điều chỉnh kính Hơn thế, tình trạng cận thị hiện nay đang có dấu hiệu tăng dần theo từng năm, điều này gây nên tình trạng báo động Việc giảm tỷ lệ cận thị học đường và có những biện pháp để phòng, tránh cận thị học đường cho trẻ là điều cần quan tâm nhất
Sự ra đời của bàn học thông minh là một bước tiến đáng chú ý trong việc cải thiện thực trạng học tập của học sinh và sinh viên Bàn học thông minh được thiết kế nhằm tối ưu hóa sự thoải mái và hiệu quả trong quá trình học tập, đồng thời giảm bớt các vấn đề liên quan đến tư thế ngồi sai, bệnh về cột sống và mắt
1.1.2 Tìm kiếm và hình thành ý tưởng
Nhóm đã đặt ra các tiêu chí cụ thể và tiến hành khảo sát trên 100 học sinh sinh viên từ lứa tuổi từ 10 đến 24 tuổi và nhiều thầy cô đến từ các trường THPT, các trường đại học và một số chuyên gia Bộ GD&ĐT và họ đều cho biết:
Học sinh thường ngồi lưng còng, vai quắn, không tốt cho cột sống Nhiều học sinh có thói quen ngồi kém tự nhiên, ví dụ như ngồi chéo chân, ngồi vắt chéo lưng Thiếu sự chú ý và ý thức về tư thế ngồi đúng và cần thiết của cơ thể Và từ đó dẫn đến
Cột sống cong quá mức: Học sinh ngồi lưng còng có thể dẫn đến vấn đề về cột sống cong dẹo hoặc cột sống hình thành các khuynh hướng không bình thường Đau lưng: Ngồi sai tư thế trong thời gian dài có thể gây đau lưng do căng thẳng và áp lực trên các cơ và dây chằng
Hình 1.2:Hình ảnh minh họa thiếu sáng
Nguồn sáng của góc học tập là rất quan trọng Nhiều gia đình đã bố trí góc học tập của các em ở nơi thiếu ánh sáng tự nhiên, ánh sáng chỉ đạt từ 80-120 lux thấp hơn rất nhiều so với chuẩn quy định về ánh sáng học đường Ngược lại có nhiều góc học tập đã đủ ánh sáng tự nhiên hoặc nguồn sáng đã dư thừa nhưng bóng đèn vẫn được thắp sáng gây lãng phí về điện năng cho gia đình và xã hội
Và việc thiếu sáng trong quá trình học tập sẽ rất dễ dẫn tới các bệnh về mắt
Theo đó, ta có thể thấy các tiêu chí được quan tâm nhất, quan trọng nhất đó là:
+Vấn đề về dáng ngồi, cột sống
+Vấn đề về tiết kiệm điện
Với các tiêu chí trên nhóm đã hiểu được và phát triển đặt ra đã thu được kết quả mức độ nhu cầu của thị trường với sản phẩm “Bàn học thông minh” với điều kiện thiết bị đáp ứng các tiêu chí đã đặt ra Nên thiết bị có thị trường tiềm năng lớn có khả năng phát triển khá tốt Ý tưởng thiết kế hệ thống “ Bàn học thông minh” : tập trung nghiên cứu tối ưu hóa cho việc học tập làm việc giảm tối đa các bệnh về mắt cột sống trong học đường chất lượng >98%
Sử dụng module có sẵn
+ Mạch xử lý trung tâm
+ Các thiết bị phụ: bút bấm, bánh xe, ổ cắm usb,…
Chiến lược phát triển sản phẩm:
+ Đầu tư liên kết với các phương tiện truyền thông marketing
+ Cung cấp các bản dùng thử trải nhiệm tại các trung tâm đại lý
+ Có các ưu đãi khi người dùng mua sản phẩm để thu hút khách hàng + Thường xuyên cải tiến và tối ưu hóa hệ thống để người dung dễ dàng sử dụng và đạt hiệu quả cao
+ Vòng đời của một sản phẩm là: 10 năm
+ Cung cấp phiên bản cập nhật ra thị trường: 02 năm/1 phiên bản
1.1.3 Cấu tạo chung của bàn học thông minh
- Sơ đồ cấu tạo của bàn học thông minh
Hình 1.3: Hình ảnh cấu tạo chung
- Bộ điều khiển trung tâm
3.Các cấu trúc bên ngoài
- Bánh xe, ổ cắm, giá đựng sách
Các thành phần trong hệ thống “Bàn học thông minh” có một chức năng và nhiệm vụ nhất định và được bố trí động bộ với nhau để đạt hiệu suất cao nhất Việc phân chia các thành phần như trên mang tính chất tương đối giúp chúng ta hình dung được sản phẩm
1.1.5 Lập kế hoạch và làm rõ nhiệm vụ Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và phát triển đúng tiến độ, nhóm đã lập ra bảng kế hoạch về dự án bàn học thông minh như sau:
Bảng kế hoạch phát triển Bàn học thông minh
STT Thời Gian Nhiệm Vụ
1 15/03/2023-01/04/2023 Tìm hiểu và phân tích thị trường
3 08/04/2023-15/04/2023 Lên kế hoạch và làm rõ nhiệm vụ
7 30/05/2023-30/08/2023 Đưa ra vận hành thử nghiệm dòng sản phẩm alpha
8 30/08/2023- 15/09/2023 Thu thập thông tin phản hồi từ người dùng thử nghiệm
9 15/09/2023- 15/02/2024 Sửa chữa, khắc phục lỗi, cải tiến
10 15/02/2024- 15/05/2024 Đưa ra thị trường dòng sản phẩm beta
11 15/05/2024- 30/11/2024 Thu thập thông tin phản hồi và sửa chữa lỗi, tối ưu hóa thiết bị
12 01/02/2025- 01/03/2025 Sản xuất số lượng lớn và các chiến dịch marketing
13 Từ 01/03/2026 Đưa ra thị trường dòng sản phẩm hoàn thiện và liên tục cập nhật thông tin phản hồi Đây là bảng lập kế hoạch phân rõ nhiệm vụ qua từng giai đoạn, qua từng thời gian Phân tích bảng lập kế hoạch chi tiết giúp hiểu rõ các yếu tố và thành phần quan trọng của dự án
Thiết lập danh sách yêu cầu
Trước khi bắt đầu phát triển sản phẩm, cần phải làm rõ được nhiệm vụ thiết kế một cách chi tiết Việc phân tích nhiệm vụ thiết kế trải qua các bước cơ bản sau:
Nhóm 11 Danh sách yêu cầu cho bàn học thông minh 11/10/2023
W Yêu cầu Chịu trách nghiệm
Chiều cao tổng thể: 70-120 (± 5cm);
Chiều dài: 150 (± 5cm); Độ dày mặt bàn: 5 (+ 0 - 2cm); Độ dày chân: 0.3 (± 0.2mm); Độ rộng chân bàn:10 (+ 0 - 2cm)
+ Bề mặt bàn phẳng + Mặt bàn chống lóa mắt + Độ chống sước cao + Có khả năng chống thấm nước + Có khả năng chống trượt tốt + Điều chỉnh được góc nghiêng 0-45 độ
+ Cạnh bàn bo góc và bọc nệm
Vật liệu mặt bàn: Gỗ cao su ghép xuất khẩu; nhựa; kim loại
Vật liệu chân bàn: Inox;sắt;gỗ;titan;thép không rỉ
Vật liệu đèn:Plastic, Nhôm
Khối lượng khung máy: 20kg(± 5kg)
+ Đồng hồ xem giờ + Đông hồ bấm giờ + Hiển thị thời khóa biểu + Hiển thị PIN
- Hiển thi các ghi chú
+ Có ổ cắm điện + Có ổ USB
+ Màu sắc đơn giản, dễ chịu + Kiểu dáng đẹp mắt
+ Lưu trữ được đa dạng loại tài liệu + Dễ dàng lấy tài liệu và dụng cụ học tập
- Dễ dàng sử dụng các chức năng
- Sử dụng nguồn điện dân dụng: 215V- 230V Động cơ nâng hạ:
+ Động cơ không gây ồn
+ Nâng được tải trọng 50-70kg Đèn chiếu sáng:
+ Ánh sáng không gây mỏi mắt + Đèn có chế độ tự điều chỉnh độ sáng tùy theo ánh sáng môi trường
+ Có thể điều chỉnh ảnh sáng thủ công theo nhiều mức độ
- Điều chỉnh được hướng sáng
+ Đồng hồ xem giờ + Đông hồ bấm giờ + Hiển thị thời khóa biểu + Hiển thị PIN
- Hiển thi các ghi chú
Bảo vệ động cơ và các thiết bị điện
- Chống ngắn mạch động cơ
- Ngắt điện khi động cơ quá tải
- Motor : Động cơ không chổi than
- Phải có đèn báo đang hoạt động, đang dừng hay đang lỗi
- Đèn báo dung lượng pin
- Đèn báo chế độ của máy
- Có thiết bị hạn chế quá tải
- Ngăn không cho máy hoạt động khi quá tải
- Tín hiệu đèn, khi quá tải mọi thao tác chuyển bị loại bỏ
- Phím chức năng: Nhận yêu cầu thiết lập từ con người
- Bộ nhớ: Lưu trữ các lệnh và dữ liệu truyền vào
- Vi xử lý: Điều khiển toàn bộ hoạt
D động, xử lý các yêu cầu dữ liệu
- Cảm biến: Thu nhận các thông tin từ môi trường Đầu ra:
-Màn hình: Hiển thị đồng hồ và trạng thái -Đèn cảnh báo
+ Khởi động tự động khi mất điện + Khả năng duy trì ít nhất 3h
- Phím chức năng: Nhận yêu cầu thiết lập từ con người
- Bộ nhớ: Lưu trữ các lệnh và dữ liệu truyền vào
- Vi xử lý: Điều khiển toàn bộ hoạt động, xử lý các yêu cầu dữ liệu
- Cảm biến: Thu nhận các thông tin từ môi trường Đầu ra:
-Màn hình: Hiển thị đồng hồ và trạng thái -Đèn cảnh báo
+ Có hướng dẫn sử dụng an toàn
+ Bảo đảm an toàn điện
+ Thiết kế chống gù lưng + Chống cận thị
+ Sử dựng vật liệu thân thiện với môi trường
+ Hao mòn: 1 – 3 %/năm + Tuổi thọ: 30000 – 50000 giờ (điện tử) + Thời gian hoạt động liên tục
+ Vòng đời của pin: 800 – 1000 lần sạc
- Dễ dàng thay thế , lắp đặt các thành phần vào mạch
- Kết nối các bộ phận cơ khí, điện chắc chắn, an toàn
+Thời gian bảo hành: Tối đa 2 năm phần cơ khí, hỏng linh kiện nào đổi linh kiện đó (trong vòng 6 tháng)
+Hỗ trợ kỹ thuật 24/7 + Dễ ràng tháo lắp
+ Dễ dàng thay thế linh kiện + Dễ dàng vệ sinh
Bảng 1.1:Bảng thiết lập danh sách yêu cầu
THIẾT KẾ CỤ THỂ
Thiết kế sơ bộ
3.1.1 Tạo sơ đồ hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ bố trí hình học
Hình 3.3 Bố trí hình học
3.1.4 Xác lập các layout thô-xác định các bộ thực hiện chức năng chính
Hình 3.4: Sơ đồ bố trí nhóm thiết kế Đây là một bước quan trọng trong việc thiết kế lớp sản phẩm Từ các khối chức năng tổng hợp được, nhóm thiết kế sẽ tiến hành bố trí hình học cho sản phẩm Bàn học thông minh bằng việc xây dựng một bản phác thảo biểu thị rõ vị trí hình học tương đối giữa các khối trong sản phẩm sao cho sản phẩm có thể hoạt động một cách thuận tiện nhất có thể Sau khi định hình layout vị cho các bộ phận, ta tiến hành ghép nhóm cho một số các các cụm bộ phận có chung thiết kế để bố trí trí hình học và có được bố trí hình học tương quan giữa các layout như sau:
Với mỗi nhóm bộ phận thiết kế sẽ có một vài chi tiết chung có tương quan hình học và vị trí không với nhau Do vậy, ta sắp xếp cho các nhóm có bộ phận chung cùng thiết kế với nhau Bảng dưới đây thể mô tả một số chức năng và nhiệm vụ đặt ra cho các nhóm thiết kế:
- Bảng nhiệm vụ các nhóm
STT Tên nhóm Bộ phận
Vỏ bảo vệ Chân trụ
4 Ánh sáng Đèn Khung đèn Động cơ Cảm biến khoảng cách Dimmer
5 Hiển thị Màn hình LED
7 Nâng hạ Động cơ Bánh răng
Bộ truyền động vít me- đai ốc Cảm biến cân nặng
Vỏ pin Pin Cổng sạc Mach bảo vệ Mạch biến áp Mạch chỉnh lưu cầu
9 Cung cấp điện Ổ cắm USB
Hình 3.5: Bảng nhiệm vụ các nhóm
Việc thiết kế và định hình sản phẩm đòi hỏi qua nhiều khâu và các quy trình khác nhau từ đó đưa ra được sản phẩm hoàn thiện đáp ứng nhu cầu thị trường và mục tiêu thiết kế ban đầu Quy trình mô tả quá trình này được thực hiện theo sơ đồ tổng quát như sau:
Hình 3.6: Quy trình chế tạo bàn học thông minh
Thiết kế chi tiết
Khung bàn là bộ phận quan trọng của bàn thông minh, là nơi chịu lực của bàn Độ bền của bàn phụ thuộc nhiều vào độ cứng của khung bàn và độ chịu tải của bàn Đối với kết cấu khung bàn, được làm bằng inox, sơn tĩnh điện , tăng tính thẩm mĩ cho bàn
Kết cấu đơn giản dễ tháo lắp, sửa chữa và an toàn cho người dùng trong quá trình sử dụng
Các khe hở và cổng: Thiết kế khung vỏ nên bao gồm các khe hở và cổng để tạo ra sự thông gió và tiện ích kết nối Điều này giúp làm mát các linh kiện bên trong và cung cấp khả năng kết nối với các thiết bị ngoại vi khác
Thiết kế khung chân bàn
Thiết kế khung chân bàn thông minh đáp ứng các yêu cầu về chức năng bàn có khả năng điều chỉnh chiều cao, hãy xem xét cơ chế điều khiển và khóa an toàn Nếu bàn có tính năng gập gọn, hãy đảm bảo rằng khung chân có thể dễ dàng mở
46 rộng và gập lại mà không gây cản trở cho người sử dụng Đồng thời, đảm bảo thiết kế khung chân phù hợp với phong cách và thẩm mỹ chung của bàn
Khung chân bàn thông minh được chọn 1 số kim loại (như thép không gỉ, inox) cho tính chắc chắn và độ bền cao, hoặc gỗ tự nhiên, gỗ công nghiệp, hoặc các vật liệu composite cho một cái nhìn ấm cúng hơn Đồng thời, đảm bảo rằng vật liệu được sử dụng có khả năng chịu được trọng lượng và sự ổn định cần thiết
Hiện nay, xi lanh điện ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhờ tính năng ưu việt của nó Xi lanh điện 12V sử dụng động cơ điện có điện áp 12V, khi sử dụng, các bạn cấp nguồn 12V để xi lanh hoạt động Điện áp 12V được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng như nguồn adapter 12V, nguồn xung tổ ong 12V, nguồn acquy 12V…
Và việc nhóm lựa chọn xi lanh điện 12V nhằm tối ưu trong việc nâng hạ độ cao của bàn, không gây ồn ào khi sử dụng cũng như hạn chế được dầu nhớt trong quá trình sử dụng như xi lanh khí nén, thủy lực…
Hình 3.7: Hình ảnh xi lanh điện minh họa
Lưu trữ điện qua pin là quá trình sử dụng các loại pin để lưu trữ và cung cấp năng lượng điện cho các thiết bị điện tử và hệ thống trong một thời gian dài Pin là một thiết bị điện hóa có khả năng chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện Các pin thường được sử dụng để lưu trữ và cung cấp năng lượng điện trong các thiết bị di động như điện thoại di động, máy tính xách tay, đồng hồ điện tử, đèn pin, và nhiều thiết bị khác
Hình 3.9: Hình ảnh pin lithium
Và ở đây nhóm đã chọn pin lithium với các đặc điểm như nhẹ, có hiệu suất cao thời gian sử dụng lâu dài cũng khả năng tái sử dụng giảm tác động đến môi trường
3.2.4 Bộ điều khiển trung tâm Để điều khiển máy bàn học, trên thị trường có rất nhiều bộ điều khiển khác nhau nhưng giá thành của các bộ điều khiển này tương đối cao, do đó nhóm thiết kế xin chọn sử dụng bộ điều khiển Arduino Mega 2560 + RAMPS Arduino Mega 2560 là một mạch tích hợp sử dụng vi điều khiển Atmega 2560, sử dụng mã nguồn mở (Open Source), được phát triển bới công ty Arduino
Hình 3.10 Hình ảnh Arduino mega 2560
Vi điều khiển Atmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (được đề nghị) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Số lượng chân I / O 54 (trong đó có 15 cung cấp sản lượng PWM)
Dòng điện DC mỗi I / O 20 mA
Dòng điện DC với chân3.3V 50 mA
Bộ nhớ flash 256 KB trong đó có 8 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động
Tốc độ đồng hồ 16 MHz
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560
Học và làm việc liên tục trong 1 thời gian dài thì ánh sáng là yếu tố quan trọng, để tránh các bệnh liên quan đến mắt, Đèn sử dụng công nghệ LED (Light Emitting Diode) để tạo ra ánh sáng có mức nhiệt độ màu (Correlated Color
Temperature - CCT) gần với ánh sáng tự nhiên của mặt trời, thường là từ 4000K đến 6500K Điều này tạo ra một nguồn sáng trắng tự nhiên, tương tự như ánh sáng ban ngày, mang lại cảm giác tự nhiên và thoải mái khi sử dụng, bên cạnh đó thì đèn có có tích hợp cảm biến Cảm biến trên đèn này có vai trò giám sát sự hiện diện của con người trong phòng Khi không phát hiện được sự chuyển động hoặc mắt cảm biến không ghi nhận sự hiện diện trong thời gian 10 phút, đèn sẽ tự động tắt để tiết kiệm năng lượng Điều này giúp loại bỏ việc lãng phí điện năng khi không có ai trong phòng, đồng thời đảm bảo an toàn trong việc sử dụng điện
1.1.1 Ổ cắm usb Ổ cắm USB là một thiết bị đáng chú ý trong việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị di động như điện thoại thông minh, máy tính bảng và các thiết bị điện tử khác Với ngày nay, điện thoại di động trở thành một phần quan trọng của cuộc sống hàng ngày và việc có một ổ cắm USB sạc tiện lợi đã trở nên cần thiết
Một trong những ưu điểm lớn nhất của ổ cắm USB sạc điện thoại là tính tiện lợi Với một ổ cắm USB, người dùng có thể sạc điện thoại một cách dễ dàng và thuận tiện
Và loại ổ cắm này được tích hợp ở cạnh bàn học thông giúp thuận thiện hơn cho việc sạc và sử dụng điện thoại các thiết bị sử dụng sạc USB, tạo sự thuận tiện trong học tập và làm việc khi không phải quá mất thời gian cho việc tìm ổ cắm hay nơi sạc các thiết bị thông minh
Mặt bàn học là một thành phần quan trọng của bàn học, đóng vai trò quyết định đến trải nghiệm và hiệu quả học tập của người sử dụng
Hình 3.11: Hình ảnh minh họa ổ cắm USB
Chân bàn học là một phần quan trọng của bàn học, nó đóng vai trò trong việc cung cấp độ ổn định và hỗ trợ trọng lượng của bàn
Hình 3.12: Mặt bàn học minh họa
Hình 3.13: Hình ảnh minh họa chân bàn
