báo cáo nghiên cứu khoa học hệ thống phơi đồ thông minh

GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Ngày nay khoa học kĩ thuật đã phát triển hết sức mạnh mẽ, đã có rất rất nhiều thiết bị phục vụ cho cuộc sống dựa trên các ứng dụng của khoa

SỞ GD&ĐT ĐĂK NÔNG

TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN CHÍ THANH

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

ĐỀ TÀI

HỆ THỐNG PHƠI ĐỒ

THÔNG MINH

Lĩnh vực: KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ CƠ KHÍ

NGƯỜI THỰC HIỆN: Lê Đình Huy NGƯỜI HƯỚNG DẪN: GV Vũ Minh Sơn

Gia Nghĩa , tháng 11 năm 2014

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN 2

I TÓM TẮT 3

II GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

III MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 4

IV KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

1 Kế hoạch nghiên cứu 5

2 Phương pháp nghiên cứu 5

V SỐ LIỆU VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ 6

1 Về cơ khí 6

2 Mạch điện 8

3 Phần mềm điều khiển 14

VI KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22

VII KẾT LUẬN – KHUYẾN NGHỊ 23

1 Kết luận 23

2 Khuyến nghị 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

LỜI CÁM ƠN

Thành công là kết quả của một quá trình làm việc, phấn đấu không ngừng Nhưng bên trong sự thành công đó không thể không kể đến sự giúp đỡ, ủng hộ của gia đình, thầy cô và bạn bè Trước tiên em xin bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới thầy

Vũ Minh Sơn – thầy giáo trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho em thực hiện đề tài khoa học này Em xin chân thành cảm ơn bạn bè và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài Sự giúp đỡ, ủng

hộ đó chính là nguồn động lực to lớn để giúp em hoàn thành đề tài này Một lần nữa em xin chân thành cám ơn!

Gia nghĩa, tháng 11 năm 2014

Người thực hiện đề tài

Lê Đình Huy

I TÓM TẮT

Hiện nay tuy công nghệ đã phát triển rất tiên tiến các công việc nội trợ của các mẹ các bà cũng đã vất vả hơn, nhưng mà trong các công việc đó thì việc phơi quần áo vẫn khiến họ thấy vất vả Hay khi đang xem một bộ phim hay, đang trầm

tư suy nghĩ một chuyện gì đó thì cơn mưa ào đến, bạn phải chạy tất tả ra sân để thu dọn quần áo, chưa kể trong quá trình đó lỡ như có quần áo rớt và nó bị bẩn thì bạn

sẽ phải giặt lại Hoặc bạn ở phòng trọ chẳng hạn, vào các ngày mưa bạn không thể vừa đi học vừa ở nhà trông đồ được Và nó đặt ra 1 câu hỏi là tại sao ta không phát mình ra một cái phơi đồ có khả năng tự động thu đồ lại khi trời mưa và che lại, sau

đó lại mang đồ ra phơi tiếp khi trời nắng, mà không cần con người chạm tay vào

II GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Ngày nay khoa học kĩ thuật đã phát triển hết sức mạnh mẽ, đã có rất rất nhiều thiết bị phục vụ cho cuộc sống dựa trên các ứng dụng của khoa học công nghệ như máy giặt, tủ lạnh, ti vi, máy điện thoại… tuy nhiên bên cạnh đó em nhận thấy vẫn còn nhiều công việc có thể áp dụng khoa học công nghệ nhưng lại chưa được áp dụng, sử dụng rộng rãi Một ứng dụng nhỏ trong đó mà em nhận thấy vẫn chưa được chế tạo sử dụng đó là một hệ thống phơi đồ thông minh có thể tự động thu quần áo khi trời mưa, phơi lại quần áo khi trời nắng; thu quần áo khi trời tối và tiếp tục phơi khi trời sáng… Từ tình hình thực tế trên em đã hình thành một ý tưởng để thực hiện công việc trên đó chính là “hệ thống phơi đồ thông minh”

Trên thực tế đã có một số sản phẩm tương tự đề tài này, nhưng qua tham khảo em nhận thấy rằng những sản phẩm đó đang còn rất nhiều hạn chế như: Tính linh động của sản phẩm, tính “thông minh” của sản phẩm đó là có thể thu vào khi trời mưa, nhưng lại không thể tự mang phơi khi trời nắng, không thu đồ khi trời tối từ những hạn chế trên em đã đưa ra một hệ thống hoàn toàn mới, “thông minh” thật sự Hệ thống phơi đồ thông minh là một sản phẩm hoạt động dựa trên sự kết hợp hoàn hảo giữa kĩ thuật cơ khí, kĩ thuật điện và kĩ thuật lập trình vi xử lý Đảm bảo thực hiện các yêu cầu cơ bản mà chúng ta mong muốn đó là bảo vệ quần áo trước mưa gió, sương Ngoài việc đạt được những yêu cầu của hệ thống phơi đồ thì chỉ cần một vài cải tiến nhỏ thì thiết bị có thể triển khai thành hệ thống kéo rèm cửa

tự động, hệ thống tưới nước, vòi nước cảm ứng, thiết bị hẹn giờ, robot…

- Ý nghĩa khoa học của đề tài:

+ Góp phần nhỏ vào tiến trình công nghiệp hóa hiện đại đất nước

+ Thấy được lợi ích của khoa học kỹ thuật trong cuộc sống

- Ý nghĩa thực tiễn:

+ Mọi người luôn cảm thấy yên tâm khi phơi quần áo mà không sợ trời mưa, tối Quần áo luôn được bảo vệ khỏi mưa và sương

+ Tiết kiệm sức lao động

+ Phát triển hệ thống tư duy, sáng tạo để từ đó có thể nghiên cứu, triển khai các hệ thống khác phức tạp hơn

- Khả năng nghiên cứu:

Là một người đam mê nghiên cứu khoa học, ham thích sáng chế, đồng thời

có năng lực quan sát thực tiễn Đồng thời với sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn, em tin tưởng rằng đề tài sẽ mang lại nhiều kết quả khả quan

- Phương tiện nghiên cứu:

Chủ yếu qua các vật liệu về điện tử và cơ khí được tìm kiếm mua từ cửa hàng, nơi bán sắt vụn; cộng với kiến thức về lập trình C

III MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Mục đích:

+ Giúp mọi người luôn thỏa mái khi phơi quần áo

+ Bảo vệ quần áo trước mưa, gió và sương

+ Tiết kiệm sức lao động

- Mục tiêu:

+ Mục tiêu chung: Chế tạo hệ thông phơi đồ thông minh dựa trên bộ vi xử lý trung tâm 89V51RD2 kết hợp với hệ thống cảm biến ánh sáng, cảm biến mưa để bảo vệ quần áo trước mưa gió và sương

+ Mục tiêu cụ thể: Nghiên cứu và chế tạo thành công “hệ thống phơi đồ

thông minh” Sau khi hoàn thành thành công mô hình dự án, nhân rộng đưa vào

sản xuất để phục vụ cho cuộc sống

IV KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Kế hoạch nghiên cứu

Đề tài này liên quan tới nhiều lĩnh vực khác nhau, đòi hỏi phải có một kế hoạch cụ thể để thực hiện Với thời gian khoảng 3 tháng (10/2014 – 12/2014) em

đã đặt ra cho mình một kế hoạch để thực hiện đề tài cụ thể như sau:

- Từ 01/10 – 08/10: lên mô hình tổng quát của sản phẩm trong đề tài, những yêu cầu cần có cho sản phẩm

- Từ 09/10 - 15/10: Thiết kế mô hình cơ khí của sản phẩm

- Từ 16/10 – 29/10: Tìm hiểu về các linh kiện điện tử như điện trở, tụ điện,

IC, vi điều khiển…; thiết kế mạch điện điều khiển của sản phẩm

- Từ 30/10 – 12/11: Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C cho Vi điều khiển

- Từ 13/11 đến khi tham gia kì thi: Kết hợp giữa các phần cơ khí, điện tử, lập trình với nhau thành 1 sản phẩm thống nhất, thử nghiệm trong điều kiện thực tế; Khắc phục những vấn đề phát sinh từ đó đưa ra một sản phẩm hoàn chỉnh

2 Phương pháp nghiên cứu

Hệ thống được thực hiện dựa trên nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm:

- Nghiên cứu lý thuyết: tìm cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của mạch điện

tử, của vi điều khiển, động cơ Nghiên cứu và tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C

- Xây dựng mô hình thử nghiệm

- Thử nghiệm, hoàn chỉnh các vấn đề phát sinh

- Đưa vào sử dụng trong thực tế

bị trung tâm, các công tắc hành trình cũng như các cảm biến Năng lượng cung cấp cho động cơ hoạt động có thể là nguồn pin 12V hoặc thông qua bộ chuyển đổi adaptor

2.2 Hệ thống điều khiển

Sử dụng mạch điện tử và bộ điều khiển trung tâm là vi xử lý (VXL) 89V51RD2 Đây là một bộ VXL thuộc họ 8X51, họ VXL được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ứng dụng thực thế như mạch điều khiển nhà thông minh, mạch điện đèn quảng cáo, robot…

Kết nối với hệ thống xử lý trung tâm là các thiết bị để nhận biết và chuyển đổi các tín hiệu tương tự từ môi trường thành các tiến hiệu điện (hệ thống cảm biến) Sau khi các tín hiệu được xử lý thì hệ thông điều khiển trung tâm sẽ phát tín hiệu để điều khiển các modul động cơ hoạt động

Bảng 1: Mô hình hoạt động của hệ thống

Mô hình cơ khí được thiết kế đơn giản dạng hình khung có kích thước rộng 0,6m

* 1,7m dài * 1,5m cao Trong đó có bộ phân thu kéo đồ, giàn che mưa, sương

Hệ thống thực hiện công việc

Hình 1: Mô hình cơ khí của sản phẩm (chưa hoạt động)

1 Động cơ thực hiện thu kéo đồ và che mưa, sương

2 Trục quay

3 Móc treo đồ, có thể trược dọc theo thanh ngang

Bộ phận quan trọng nhất trong phần cơ khí chính là hệ thống truyền động Hệ thống truyền động trong thiết bị này là 2 động cơ một chiều DC Động cơ 1 chiều

DC có cấu tạo từ 2 bộ phận: bộ phận đứng yên được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu gọi là stato, bộ phận quay tạo từ các cuộn dây gọi là roto

Hoạt động của động cơ DC được cho như hình 2:

1

2

3

Hình 2 Hoạt động của động

Như vậy, khi đảo chiều của dòng điện thì động cơ cũng đảo chiều quay

Đặc tính kĩ thuật của hầu hết động cơ DC là tốc độ quay (vòng/phút) cao và mômen ngẫu lực thấp Nhưng cần có tốc độ quay chậm, mômen ngẫu lực lớn nên động cơ DC được nắp thêm hộp số để giảm tốc độ cũng như tăng thêm mômen lực

Hình 3: Mô hình cơ khí của sản phẩm (khi hoạt động)

Khi gặp trời mưa hoặc trời tối thì hệ thống cảm biến sẽ báo tín hiệu cho bộ điều khiển trung tâm, từ đó ra lệnh cho các động cơ thực hiện nhiệm vụ thu đồ vào đồng thời thả bạt che xuống

2 Mạch điện

Do thiết bị hoạt động hoàn toàn tự động hoặc có thể hoạt động ở chế độ điều khiển bằng tay, do đó mạch điện phải được thiết kế sao cho đảm bảo được tính linh hoạt Để làm được việc này mạch điện được thiết kế để mọi hoạt động được điều khiển từ một bộ vi xử lý trung tâm; kết hợp với mạch công suất điều khiển động cơ linh hoạt giữa role và fet

2.1 Nguồn điện

Nguồn điện cho VXL sử dụng nguồn 12V được cung cấp từ acqui hoặc adaptor sau đó thông qua bộ chuyển đổi là IC7805 để chuyển thành điện áp chuẩn 5V Trong mạch có thêm các tụ để ổn định điện áp, lọc nhiễu đồng thời cũng có led

để báo nguồn hoạt động

Hình 4: Khối nguồn của VĐK 2.2 Khối xử lý trung tâm

Phần quan trọng nhất trong mạch điện đó chính là chip xử lý trung tâm 89V51RD2 (do hạn chế của đề tài nên xin phép không trình bày chi tiết về cấu tạo cũng như hoạt động của chip xử lý này) Hình dưới là sơ đồ nguyên lý của khối trung tâm với các đường tín hiệu vào ra

Hình 5: Khối VXL trung tâm 2.3 Cảm biến

Có 2 loại cảm biến được sử dụng:

- Cảm biến mưa: được chế tạo bằng cách lấy sợi dây đồng quấn song song với nhau quanh một miếng nhựa cứng, khi gặp mưa thì nước sẽ làm dẫn điện giữa 2 dây làm điện áp vào chân 2 của IC LM324 tăng lên

- Cảm biến sáng: dùng một quang trở, khi trời tối thì điện áp vào chân 2 của

IC LM324 cũng tăng lên

IC LM324 là một IC so sánh, cho ra 2 mức tín hiệu Nếu điện áp chân 3 > chân 2 thì chân 1 cho ra điện áp 5V (tưng ứng mức 1), nếu điện áp chân 3 < chân 2 thì chân 1 cho ra điện áp  0V (tương ứng mức 0) Tín hiện đưa ra ở chân 1 sẽ được đưa tới bộ xử lý trung tâm để điều khiển các hoạt động tương ứng

Hình 6: Khối cảm biến 2.3 Khối công suất (điều khiển động cơ)

Để có thể đảo chiều của động cơ, cũng như tận dụng được ưu điểm băm xung PWM của 89V51RD2 (điều tốc động cơ bằng cách cung cấp các tín hiệu không liên tục) thì thiết kế được chọn đó là sử dụng kết hợp giữa ROLE và FET

Để đảm bảo an toàn cho hệ thống thì giữa khối xử lý trung tâm và khối công suất được ngăn cách với nhau bởi khối cách li quang (thông các các opto), sau đó tín hiện được kích lên nhờ IC ULN2803

Hình 7: Khối cách li quang

Hình 8: Khối điều khiển động cơ

Hình 9: Khối nguồn và khối trung tâm thực tế

Hình 10: Khối công suât

Hình 11: Mạch cảm biến

3 Phần mềm điều khiển

3.1 Lưu đồ thuật toán

Để điều khiển thiết bị, ta dùng phương pháp lập trình máy trạng thái Điều kiện chuyển trạng thái có thể từ chương trình điều khiển chính hoặc từ tín hiệu từ

nút nhấn hoặc cảm biến Lưu đồ máy trạng thái tổng quát:

3.2 Phương pháp điều biến độ rộng xung

Để điều khiển tốc độ động cơ một cách linh hoạt, ta dùng phương pháp điều biến độ rộng xung Dòng cấp cho động cơ không liên tục mà có dạng xung, giá trị

trung bình của xung sẽ tỉ lệ với tốc độ động cơ

SẴN SÀNG (DỪNG)

Nhả phím

Nhả Phím, CTHT

Nhấn phím kéo ra Nhả

Phím, CTHT

Nhấn phím kéo lên

Nhấn phím kéo vào

Kéo xuống + kéo vào

Kéo lên + kéo ra

Mưa, tối

Chạm CTHT

Chạm CTHT Nắng, sáng

Hình 12: Minh hoạt phương pháp điều biến độ rộng xung

- Chu kỳ Tp không đổi, còn chu kỳ làm việc tc sẽ thay đổi Chu kỳ làm việc

tc tương ứng với việc động cơ được cấp nguồn Như vậy, thay đổi chu kỳ làm việc

tc sẽ làm thay đổi được tốc độ động cơ (Theo hình minh họa (hình 12), chu kỳ làm việc tc1 ứng với việc động cơ quay nhanh hơn chu kỳ làm việc tc2)

- Phương pháp điều biến độ rộng xung có thể được thực hiện bằng phần mềm

(chạy theo ngắt thời gian của hệ thống) như sau (hình 13):

3.3 Chương trình điều khiển

Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C, đây là một ngôn ngữ trực quan, tương đối dễ sử dụng

Nội dung bài lập trình điều khiển:

#include<reg51f.h>

#include<stdio.h>

#include<math.h>

// khai bao dong co

#define dong_co_vr CCAP2H //dong co vao ra

#define dong_co_lx CCAP1H //dong co len xuong

sbit ro_le_vr = P1^2; //dieu khien dao chieu dong co vao ra

sbit ro_le_lx = P1^3; //dieu khien dao chieu dong co len xuong

sbit cambiensang = P0^1;

Hình 13: Minh họa giải thuật điều khiển động cơ theo phương

pháp điều biến độ rộng xung

// Chuong trinh dieu khien bang tay

void keo_vao (void)

{

delay(10000);

if ( ht_keo_vao == 0 || nut_keo_vao == 1) {

ro_le_lx = 1;

void chay_tu_dong (void)

if (nut_keo_vao == 0 & nut_keo_len == 0 & nut_keo_ra == 1 & nut_keo_xuong == 1)

{

}

VI KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Quá trình hoạt động thử nghiệm đã thành công tốt đẹp, hệ thống vận hành ổn định, chính xác

Đã đáp ứng được các yêu cầu đặt ra tuy nhiên về cơ khí vẫn chưa thực sự tối

ưu, cần cải tiến để linh hoạt và thuận lợi hơn trong sử dụng

Hình 14: Một vài hình ảnh thực tế của hệ thống phơi đồ

VII KẾT LUẬN – KHUYẾN NGHỊ

Cuộc thi Nghiên cứu khoa học dành cho học sinh THPT thực sự là sân chơi

bổ ích, cuộc thi đã cho học sinh cơ hội được thể nghiệm, phát huy năng lực sở trường của mình, thỏa mãn trí tò mò thích khám phá Giúp học sinh giảm bớt được

sự căng thẳng khi “phải tiếp thu” các môn học nặng lý thuyết, khô khan, khó nhớ, khó hiểu

Đề tài nghiên cứu chế tạo “Chế tạo hệ thống phơi đồ thông minh” thành công được mọi người ghi nhận đã tạo động lực cho em trong học tập và nghiên cứu khoa học Với niềm say mê nghiên cứu sáng tạo em mong muốn được tổ chức nhiều cuộc thi như thế để học sinh chúng em có điều kiện được tìm hiểu, nghiên cứu, thể nghiệm và khẳng định mình Cuộc thi nghiên cứu khoa học với học sinh THPT có thể xem như là một sân chơi lý thú và bổ ích, là quá trình tự khám phá tiềm năng của bản thân

Dự án của em đã thực hiện được ý tưởng nghiên cứu và chế tạo thành công

“hệ thống phơi đồ thông minh” Em mong muốn tiếp tục nhận được sự hỗ trợ của thầy cô, bạn bè….sớm đưa được ý tưởng ứng dụng vào thực tiễn cuộc sống để cuộc

sống có thêm nhiều ý nghĩa

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Mạng dientuvietnam.net

2 Mạng www.alldatasheet.com

3 Giáo trình lập trình C vi điều khiển, Trường Đại Học SPKT Hưng Yên, 2010

4 Kỷ yếu cuộc thi sáng tạo thanh thiếu niên nhi đồng toàn quốc lần thứ 9 (2012-2013)

5 Tài liệu tự thiết kế và lắp ráp 50 mạch điện thông minh