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

SỞ GD&ĐT ĐĂK NƠNG TRƯỜNG THPT CHUN 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 II GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU III MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU IV KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Kế hoạch nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu V SỐ LIỆU VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ .6 Về khí Mạch điện Phần mềm điều khiển 14 VI KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22 VII KẾT LUẬN – KHUYẾN NGHỊ 23 Kết luận 23 Khuyến nghị 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 LỜI CÁM ƠN Thành công kết trình làm việc, phấn đấu khơng ngừng Nhưng bên thành cơng khơng thể không kể đến giúp đỡ, ủng hộ gia đình, thầy bạn bè Trước tiên em xin bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới thầy Vũ Minh Sơn – thầy giáo trực tiếp hướng dẫn bảo cho em thực đề tài khoa học Em xin chân thành cảm ơn bạn bè gia đình động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình thực đề tài Sự giúp đỡ, ủng hộ nguồn động lực to lớn để giúp em hoàn thành đề tài Một lần em xin chân thành cám ơn! Gia nghĩa, tháng 11 năm 2014 Người thực đề tài Lê Đình Huy I TĨM TẮT Hiện công nghệ phát triển tiên tiến công việc nội trợ mẹ bà vất vả hơn, mà cơng việc việc phơi quần áo khiến họ thấy vất vả Hay xem phim hay, trầm tư suy nghĩ chuyện mưa đến, bạn phải chạy tất tả sân để thu dọn quần áo, chưa kể q trình lỡ có quần áo rớt bị bẩn bạn phải giặt lại Hoặc bạn phòng trọ chẳng hạn, vào ngày mưa bạn vừa học vừa nhà trơng đồ Và đặt câu hỏi ta khơng phát phơi đồ có khả tự động thu đồ lại trời mưa che lại, sau lại mang đồ phơi tiếp trời nắng, mà không cần người chạm tay vào II GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Ngày khoa học kĩ thuật phát triển mạnh mẽ, có rất nhiều thiết bị phục vụ cho sống dựa ứng dụng khoa học công nghệ máy giặt, tủ lạnh, ti vi, máy điện thoại… nhiên bên cạnh em nhận thấy nhiều cơng việc áp dụng khoa học công nghệ lại chưa áp dụng, sử dụng rộng rãi Một ứng dụng nhỏ mà em nhận thấy chưa chế tạo sử dụng hệ thống phơi đồ thơng minh tự động thu quần áo trời mưa, phơi lại quần áo trời nắng; thu quần áo trời tối tiếp tục phơi trời sáng… Từ tình hình thực tế em hình thành ý tưởng để thực cơng việc “hệ thống phơi đồ thông minh” Trên thực tế có số sản phẩm tương tự đề tài này, qua tham khảo em nhận thấy sản phẩm nhiều hạn chế như: Tính linh động sản phẩm, tính “thơng minh” sản phẩm thu vào trời mưa, lại tự mang phơi trời nắng, không thu đồ trời tối từ hạn chế em đưa hệ thống hoàn tồn mới, “thơng minh” thật Hệ thống phơi đồ thông minh sản phẩm hoạt động dựa kết hợp hồn hảo kĩ thuật khí, kĩ thuật điện kĩ thuật lập trình vi xử lý Đảm bảo thực yêu cầu mà mong muốn bảo vệ quần áo trước mưa gió, sương Ngồi việc đạt yêu cầu hệ thống phơi đồ cần vài cải tiến nhỏ thiết bị 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 đề tài: + Góp phần nhỏ vào tiến trình cơng nghiệp hóa đại đất nước + Thấy lợi ích khoa học kỹ thuật sống - Ý nghĩa thực tiễn: + Mọi người cảm thấy yên tâm phơi quần áo mà không sợ trời mưa, tối Quần áo bảo vệ khỏi mưa sương + Tiết kiệm sức lao động + Phát triển hệ thống tư duy, sáng tạo để từ nghiên cứu, triển khai hệ thống khác phức tạp - Khả nghiên cứu: Là người đam mê nghiên cứu khoa học, ham thích sáng chế, đồng thời có lực quan sát thực tiễn Đồng thời với hướng dẫn tận tình giáo viên hướng dẫn, em tin tưởng đề tài mang lại nhiều kết khả quan - Phương tiện nghiên cứu: Chủ yếu qua vật liệu điện tử khí tìm kiếm mua từ cửa hàng, nơi bán sắt vụn; cộng với kiến thức lập trình C III MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Mục đích: + Giúp người ln thỏa mái phơi quần áo + Bảo vệ quần áo trước mưa, gió sương + Tiết kiệm sức lao động - Mục tiêu: + Mục tiêu chung: Chế tạo hệ thông phơi đồ thông minh dựa 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 sương + Mục tiêu cụ thể: Nghiên cứu chế tạo thành công “hệ thống phơi đồ thơng minh” Sau hồn thành thành cơng mơ hình dự án, nhân rộng đưa vào sản xuất để phục vụ cho sống IV KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Kế hoạch nghiên cứu Đề tài liên quan tới nhiều lĩnh vực khác nhau, đòi hỏi phải có kế hoạch cụ thể để thực Với thời gian khoảng tháng (10/2014 – 12/2014) em đặt cho kế hoạch để thực đề tài cụ thể sau: - Từ 01/10 – 08/10: lên mơ hình tổng qt sản phẩm đề tài, yêu cầu cần có cho sản phẩm - Từ 09/10 - 15/10: Thiết kế mơ hình khí sản phẩm - Từ 16/10 – 29/10: Tìm hiểu linh kiện điện tử điện trở, tụ điện, IC, vi điều khiển…; thiết kế mạch điện điều khiển sản phẩm - Từ 30/10 – 12/11: Tìm hiểu ngơn ngữ lập trình C cho Vi điều khiển - Từ 13/11 đến tham gia kì thi: Kết hợp phần khí, điện tử, lập trình với thành sản phẩm thống nhất, thử nghiệm điều kiện thực tế; Khắc phục vấn đề phát sinh từ đưa sản phẩm hoàn chỉnh Phương pháp nghiên cứu Hệ thống thực dựa nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết: tìm cấu tạo nguyên tắc hoạt động mạch điện tử, vi điều khiển, động Nghiên cứu tìm hiểu ngơn ngữ lập trình C - Xây dựng mơ hình thử nghiệm - Thử nghiệm, hoàn chỉnh vấn đề phát sinh - Đưa vào sử dụng thực tế 2.1 Hệ thống khí Sử dụng vật liệu thơng dụng sắt, inox để đảm bảo tính thơng dụng chắn sản phẩm sản thiết kế mơ hình thiết bị phơi đồ thủ cơng thơng thường có cải tiến số phần để phù hợp Trong hệ thống thu kéo đồ trời mưa, trời tối thực thông qua 02 động 12V; động có khả hoạt động linh hoạt, xác nhờ hệ thống điều khiển thiết bị trung tâm, cơng tắc hành trình cảm biến Năng lượng cung cấp cho động hoạt động nguồn pin 12V thông qua chuyển đổi adaptor 2.2 Hệ thống điều khiển Sử dụng mạch điện tử điều khiển trung tâm vi xử lý (VXL) 89V51RD2 Đây VXL thuộc họ 8X51, họ VXL sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng thực mạch điều khiển nhà thông minh, mạch điện đèn quảng cáo, robot… Kết nối với hệ thống xử lý trung tâm thiết bị để nhận biết chuyển đổi tín hiệu tương tự từ mơi trường thành tiến hiệu điện (hệ thống cảm biến) Sau tín hiệu xử lý hệ thơng điều khiển trung tâm phát tín hiệu để điều khiển modul động hoạt động Bảng 1: Mơ hình hoạt động hệ thống Hệ thống cảm biến (sensor) nút điều khiển Bộ xử lý trung tâm (MCU) Hệ thống thực công việc V SỐ LIỆU VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ Về khí Vật liệu: + Sặt hộp vng 20mm*20mm + Innox tròn phi 21mm + động 12V DC + Dây cáp, bạc đạn, trục quay, ốc vít … Mơ hình khí thiết kế đơn giản dạng hình khung có kích thước rộng 0,6m * 1,7m dài * 1,5m cao Trong có phân thu kéo đồ, giàn che mưa, sương Hình 1: Mơ hình khí sản phẩm (chưa hoạt động) Động thực thu kéo đồ che mưa, sương Trục quay Móc treo đồ, trược dọc theo ngang Bộ phận quan trọng phần khí hệ thống truyền động Hệ thống truyền động thiết bị động chiều DC Động chiều DC có cấu tạo từ phận: phận đứng yên cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu gọi stato, phận quay tạo từ cuộn dây gọi roto Hoạt động động DC cho hình 2: Hình Hoạt động động Như vậy, đảo chiều dòng điện động đảo chiều quay Đặc tính kĩ thuật hầu hết động DC tốc độ quay (vòng/phút) cao mơmen ngẫu lực thấp Nhưng cần có tốc độ quay chậm, mơmen ngẫu lực lớn nên động DC nắp thêm hộp số để giảm tốc độ tăng thêm mơmen lực Hình 3: Mơ hình khí sản phẩm (khi hoạt động) Khi gặp trời mưa trời tối hệ thống cảm biến báo tín hiệu cho điều khiển trung tâm, từ lệnh cho động thực nhiệm vụ thu đồ vào đồng thời thả bạt che xuống Mạch điện Do thiết bị hoạt động hồn tồn tự động hoạt động chế độ điều khiển tay, mạch điện phải thiết kế cho đảm bảo tính linh hoạt Để làm việc mạch điện thiết kế để hoạt động điều khiển từ vi xử lý trung tâm; kết hợp với mạch công suất điều khiển động linh hoạt role fet 2.1 Nguồn điện Nguồn điện cho VXL sử dụng nguồn 12V cung cấp từ acqui adaptor sau thơng qua chuyển đổi IC7805 để chuyển thành điện áp chuẩn 5V Trong mạch có thêm tụ để ổn định điện áp, lọc nhiễu đồng thời có led để báo nguồn hoạt động Hình 4: Khối nguồn VĐK 2.2 Khối xử lý trung tâm Phần quan trọng mạch điện chip xử lý trung tâm 89V51RD2 (do hạn chế đề tài nên xin phép không trình bày chi tiết cấu tạo hoạt động chip xử lý này) Hình sơ đồ nguyên lý khối trung tâm với đường tín hiệu vào Hình 5: Khối VXL trung tâm 2.3 Cảm biến Có loại cảm biến sử dụng: - Cảm biến mưa: chế tạo cách lấy sợi dây đồng quấn song song với quanh miếng nhựa cứng, gặp mưa nước làm dẫn điện dây làm điện áp vào chân IC LM324 tăng lên - Cảm biến sáng: dùng quang trở, trời tối điện áp vào chân IC LM324 tăng lên IC LM324 IC so sánh, cho mức tín hiệu Nếu điện áp chân > chân chân cho điện áp 5V (tưng ứng mức 1), điện áp chân < chân chân cho điện áp  0V (tương ứng mức 0) Tín đưa chân đưa tới xử lý trung tâm để điều khiển hoạt động tương ứng 10 Hình 6: Khối cảm biến 2.3 Khối cơng suất (điều khiển động cơ) Để đảo chiều động cơ, tận dụng ưu điểm băm xung PWM 89V51RD2 (điều tốc động cách cung cấp tín hiệu khơng liên tục) thiết kế chọn sử dụng kết hợp ROLE FET Để đảm bảo an toàn cho hệ thống khối xử lý trung tâm khối cơng suất ngăn cách với khối cách li quang (thơng các opto), sau tín kích lên nhờ IC ULN2803 Hình 7: Khối cách li quang 11 Hình 8: Khối điều khiển động Hình 9: Khối nguồn khối trung tâm thực tế 12 Hình 10: Khối cơng st Hình 11: Mạch cảm biến 13 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 từ chương trình điều khiển từ tín hiệu từ nút nhấn cảm biến Lưu đồ máy trạng thái tổng quát: Kéo lên Nhấn phím kéo xuống Nhả Phím, CTHT Nhấn phím kéo vào Nhấn phím kéo lên Kéo xuống Nhả Phím, CTHT Kéo vào Nhả phím Kéo Nhấn phím kéo SẴN SÀNG (DỪNG) Nhả Phím, CTHT Chạm CTHT Mưa, tối Chạm CTHT Nắng, sáng Kéo xuống + kéo vào Kéo lên + kéo 3.2 Phương pháp điều biến độ rộng xung Để điều khiển tốc độ động cách linh hoạt, ta dùng phương pháp điều biến độ rộng xung Dòng cấp cho động khơng liên tục mà có dạng xung, giá trị trung bình xung tỉ lệ với tốc độ động Hình 12: Minh hoạt phương pháp điều biến độ rộng xung 14 - Chu kỳ Tp khơng đổi, chu kỳ làm việc tc thay đổi Chu kỳ làm việc tc tương ứng với việc động cấp nguồn Như vậy, thay đổi chu kỳ làm việc tc làm thay đổi tốc độ động (Theo hình minh họa (hình 12), chu kỳ làm việc tc1 ứng với việc động quay nhanh chu kỳ làm việc tc2) - Phương pháp điều biến độ rộng xung thực phần mềm (chạy theo ngắt thời gian hệ thống) sau (hình 13): Hình 13: Minh họa giải thuật điều khiển động theo phương pháp điều biến độ rộng xung 3.3 Chương trình điều khiển Chương trình điều khiển viết ngơn ngữ C, ngôn ngữ trực quan, tương đối dễ sử dụng Nội dung lập trình điều khiển: #include #include #include // khai bao dong co #define dong_co_vr CCAP2H //dong co vao #define dong_co_lx CCAP1H //dong co len xuong sbit ro_le_vr = P1^2; //dieu khien dao chieu dong co vao sbit ro_le_lx = P1^3; //dieu khien dao chieu dong co len xuong sbit cambiensang = P0^1; 15 sbit cambienmua = P0^0; sbit coi = P3^4; // khai bao nut bam sbit nut_keo_len = P2^0; sbit nut_keo_vao = P2^1; sbit nut_keo_ra = P2^2; sbit nut_keo_xuong = P2^3; sbit ht_keo_len = P2^4; sbit ht_keo_ra = P2^5; sbit ht_keo_xuong = P2^6; sbit ht_keo_vao = P2^7; unsigned int k, tudong; //ham delay void delay (unsigned int t) { unsigned int i; for(i=0;i