thiết kế xây dựng hệ thống truyền tải tự động vật dụng tại bệnh viện

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - - ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI TỰ ĐỘNG VẬT DỤNG TẠI BỆNH VIỆN Giảng viên hướng dẫn: ThS PHẠM VĂN SỰ Sinh viên thực hiện: Hệ: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Một động bước thực tế Hình 1.2: Động biến từ trở Hình 1.3: Động đơn cực Hình 1.4: Động hai cực Hình 1.5: Động nhiều pha .10 Hình 1.6: Các phận cấu thành nên động bước 10 Hình 1.7: Arduino Mega 2560 keypad 3x4 .12 Hình 2.1: Sơ đồ tổng thể hệ thống 13 Hình 2.2: Sơ đồ ngun lý mơ hình 14 Hình 2.3: Sơ đồ chân ULN2003 18 Hình 2.4: Sơ đồ mạch kênh 18 Hình 2.5: Module ULN2003 19 Hình 2.6: Động bước 28BYJ-48 5VDC 19 Hình 2.7: Sơ đồ cuộn dây động bước 28BYJ-48 20 Hình 2.8: Sơ đồ mơ hệ thống Proteus …………………………………… 21 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, việc ứng dụng cho hệ thống nhúng ngày trở nên phổ biến: từ ứng dụng đơn giản điều khiển chốt đèn giao thông định thời, đếm sản phẩm dây chuyền sản xuất, điều khiển tốc độ động điện chiều, thiết kế biển quảng cáo dùng Led ma trận, đồng hồ thời gian thực… đến ứng dụng phức tạp hệ thống điều khiển robot Việc ứng dụng hệ thống điều khiển tự động vào nhà máy xí nghiệp, trường học áp dụng vào thời gian gần Và kể đến việc áp dụng hệ thống điều khiển tự động băng tải bệnh viện, phục vụ tiện lợi cho việc chuyền đồ vật dụng thiết bị y tế cần chuyển từ nhà A sang nhà B mà không cần phải làm thủ công bê Với mong muốn giới thiệu ứng dụng hệ thống điều khiển tự động đời sống đại để người biết đến vài ứng dụng cụ thể tầm quan trọng hệ thống nhúng, nhóm chúng em tìm hiểu đưa mơ hình điều khiển động bước, ứng dụng băng chuyền bệnh viện Trong trình thực báo cáo, kiến thức hạn hẹp kỹ phân tích thiết kế chưa cao nên cịn nhiều thiếu sót, kính mong thầy đóng góp thêm ý kiến để đề tài chúng em thành công Nhóm thực báo cáo chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy Phạm Văn Sự tồn thể thầy khoa Kỹ thuật điện tử I tạo điều kiện giúp đỡ em trình thực đề tài nghiên cứu khoa học Dưới em xin trình bày chi tiết phần nội dung đề tài nghiên cứu khoa học CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI VÀ CHỌN ĐỘNG CƠ BƯỚC PHỤC VỤ CHO VIỆC TRUYỀN TÀI 1.1.1 ĐỊNH HƯỚNG CÁC THIẾ BỊ PHỤC VỤ ĐỀ TÀI Với đề tài truyền tải vật dụng không gian cố định chúng em chọn giải pháp cho phép người dùng nhập liệu từ keypad để điều khiển động bước Phục vụ cho việc truyền tải vật dụng từ vị trí A sang vị trí B 1.1.2 VAI TRÒ CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ LÝ DO CHỌN ĐỘNG CƠ BƯỚC Động bước có vai trò quan trọng điều khiển chuyển động kỹ thuật số, tự động hóa… cấu chấp hành trung thành với lệnh đưa dạng số, chấp hành xác Ta điều khiển quay góc bất kỳ, xác, dừng lại vị trí ta muốn Vì ứng dụng nhiều tự động hóa điều khiển số Một số ứng dụng như: máy CNC, robot, ổ cứng… Và đặc biệt băng chuyền tải hàng hóa việc sử dụng động bước sử dụng rộng rãi việc điều khiển dễ dàng Rất nhiều ứng dụng đòi hỏi cấu chuyển động có độ xác cao, chuyển động êm cho thấy vai trò động bước quan trọng 1.1.3 CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC Động bước loại động điện có nguyên lý ứng dụng khác biệt với đa số động điện thông thường Chúng thực chất động không đồng dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay chuyển động rotor có khả cố định rơ to vào vị trí cần thiết Về cấu tạo, động bước dược coi tổng hợp hai loại động Động chiều không tiếp xúc động đồng giảm tốc công suất nhỏ Các mấu động rotor stator nam châm vĩnh cửu trường hợp động biến từ trở khối làm bật liệu nhẹ có từ tính, cho phép chúng quay nhanh với vi điều khiển thích hợp cho phép chúng khởi động dừng lại vị trí ta muốn cách dễ dàng Hình 1.1: Một động bước thực tế Động bước dùng hệ thống vịng hở đơn giản hệ thống đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, tải trọng thay đổi điều khiển gia tốc lớn, người ta dùng hệ điều khiển vòng kín với động bước chiều khơng tiếp xúc động đồng giảm tốc công suất nhỏ 1.1.4 HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC Động bước không quay theo chế thông thường, chúng quay theo bước nên có độ xác cao mặt điều khiển Chúng làm việc nhờ chuyển mạch điện tử đưa tín hiệu điều khiển vào stator theo thứ tự tần số định Tổng số góc quay rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay tốc độ quay rotor phụ thuộc vào thứ tụ chuyển đổi tần số chuyển đổi Một số ưu nhược điểm động bước: • Ưu điểm: - Khi dùng động bước không cần mạch phản hồi cho điều khiển vị trí vận - tốc Thích hợp với thiết bị điều khiển số với khả điều khiển số trực tiếp (động bước trở thành thông dụng kĩ thuật robot, băng truyền tải • nhà máy…) Nhược điểm: - Công suất thấp( việc nâng cao công suất động bước quan tâm nay) 1.1.5 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC Brushless (khơng chổi than): STEP loại động không chổi than Load Independent (độc lập với tải): động bước quay với tốc độ ổn định tầm moment động Open loop positioning (điều khiển vị trí vịng hơ): thơng thường đếm xung kích động để xác định vị trí mà khơng cần phải có cảm biến hồi tiếp vị trí, đơi ứng dụng địi hỏi tính xác cao STEP thường sử dụng kết hợp với cảm biến vị trí như: encoder, biến trở… Holding Torque (moment giữ): STEP giữ trục quay nó, so với động DC khơng có hộp số moment giữ STEP lớn nhiều Excellent Response (Đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khởi động, dừng lại đảo chiều quay cách dễ dàng 1.1.6 ỨNG DỤNG Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động bước cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu thực trung thành lệnh đưa dạng số Động bước ứng dụng nhiều ngành Tự động hóa chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác Ví dụ : Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển định vị hệ quan trắc, bám mục tiêu khí tài quan sát, điều khiển q trình truyền tải nhà máy, bệnh viện… 1.1.7 MỘT SỐ LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC Động biến từ trở Hình 1.2: Động biến từ trở Động đơn cực Hình 1.3: Động đơn cực Động hai cực Hình 1.4: Động hai cực Động nhiều pha Hình 1.5: Động nhiều pha Động bước phân loại dựa theo cấu trúc cách quấn cuộn dây stator Dựa theo cấu trúc rotor, động bước chia thành loại: - Động bước từ trở biến thiên - Động bước nam châm vĩnh cửu Động bước lai Dựa theo cách quấn dây stator, động bước chia thành hai loại: Động bước đơn cực Động bước lưỡng cực Hình 1.7: Các phận cấu thành nên động bước Ngoài ra, loại rơi vào hai phương pháp cấu tạo Trong phương pháp thứ nhất, rotor có bình thường, Stator có tương tự để giữ cuộn dây Trong phương pháp thứ hai mặt rotor stator có nhiều nhỏ Ưu điểm nhỏ tạo góc bước nhỏ 1.2 CÁC GIẢI PHÁP VÀ XÁC ĐỊNH BÀI TỐN 1.2.1 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP a Khảo sát phân tích tốn Hiện thực tế việc điều khiển động bước có nhiều phương pháp, tùy mục đích sử dụng, tùy vào yêu cầu mà người ta có phương pháp điều khiển động bước cho phù hợp với u cầu cơng nghệ tính tối ưu hóa sản phẩm Trên thị trường có nhiều module điều khiển thiết kế sẵn, chuyên biệt phù hợp cho sản phẩm riêng Dựa vào nguyên lý hoạt động đặc tính động bước, người ta thiết kế sẵn mạch số, IC chuyên dụng để điều khiển động bước, kết hợp với module khác để có sản phẩm hồn thiện Với IC chun dụng người ta thiết kế mạch điều khiển động bước nhanh gọn, đơn giản, độ xác cao Tuy nhiên việc sử dụng vi mạch chuyên dụng để điều khiển nó, ta hồn tồn sử dụng vi điều khiển để điều khiển nó, kết hợp với module khác lập trình ta hồn tồn điều khiển động bước tùy theo ý mình, chủ động thiết kế phần cứng Việc thiết kế mạch điều khiển động bước dùng vi điều khiển đơn giản chi phí rẻ Thơng qua lập trình ta thiết kế mạch tùy ý cho tối ưu nhất, với việc sử dụng vi điều khiển để điều khiển động bước ta tích hợp thêm cho nhiều chức khác cho ứng dụng cụ thể với điều khiển mà khơng cần tốn thêm nhiều module khác b LỰA CHỌN GIẢI PHÁP o Giải pháp cơng nghệ Qua phân tích trên, nhóm chúng em đưa giải pháp điều khiển động bước sử dụng vi điều khiển thông qua việc điều khiển chuỗi xung đưa đến cuộn dây động bước để quay góp tùy theo ý mình, qua ta hồn tồn xác định góc quay động cơ, xác định vị trí cụ thể chuyển động o Giải pháp thiết kế Đề điều khiển ta sử dụng keypad nhập liệu sau liệu gửi tớ vi điều khiển Chúng em lựa chọn vi điều khiển Arduino Mega2560 để xuất chuỗi xung đưa đến cuộn dây động cơ, với tần số hợp lý động quay với tốc độ hợp lý, theo yêu cầu thiết kế Qua đó, ta xác định tốc độ thực tế động Hình 1.8: Arduino Mega2560 keypad 3x4 Thông qua việc điều khiển dãy xung đưa đến cuộn dây động ta hồn tồn điều khiển cho động quay góc ý muốn dừng lại vị trí mong muốn Ứng dụng cụ thể đề tài truyền tải thiết bị từ vị trí sang vị trí khác, ta hồn tồn điều khiển cho chạy theo lộ trình đặt sẵn, người dùng nhập giá trị từ keypad tương ứng với vị trí mà hàng cần chuyển đến 10 1.2.2 XÁC ĐỊNH BÀI TOÁN VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI a Các yêu cầu Điều khiển động quay đến vị trí xác định, dừng vị trí ta muốn - Tốc độ quay điều chỉnh Hoạt động với điện áp 5VDC Tốc độ ổn định, sai số nhỏ b Giới hạn Do kinh phí thời gian có hạn nên chúng em làm mơ hình nhỏ sử dụng động với cơng suất nhỏ Nên tốc độ làm việc không cao Momen động nhỏ nên mang tải nhỏ, việc tăng tải trọng làm q trình chuyển động khơng xác Nguồn ni động 5V nên việc cấp nguồn cho động gặp khó khăn, chúng em phải dùng module Boost DC-DC LM2577 chuyển từ 12VDC -> 5VDC Việc sử dụng nhiều motor cịn gặp khó khăn thêm module cần phải chân jump (4 jump điều khiển motor jump nguồn nuôi) CHƯỚNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG Khối Nguồn Khối Đọc Dữ Liệu Từ Keypad Khối Xử Lý Khối Chấp Hành Hình 2.1: Sơ đồ tổng thể hệ thống Khối nguồn: Lấy DC đầu vào 12V qua module LM2577 điều chỉnh 5V cung cấp cho toàn hệ thống 11 Khối đọc liệu từ Keypad: Có nhiệm vụ nhận liệu người sử dụng muốn điều khiển động Khối xử lý: Tiếp nhận liệu đọc từ keypad, từ xuất tín hiệu điều khiển gửi đến khối chấp hành Khối chấp hành: Nhận chương trình lập sẵn từ khối xử lý thực theo yêu cầu 2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 2.2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TỔNG THỂ Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch 2.2.2 MODULE ĐIỀU KHIỂN Sở dĩ nhóm chúng em cọn Arduino Mega2560 có nhiều chân kết nốt, có đến 54 chân digital nhiều vi điều khiển loại khác arduino R3… mà sử dụng động bước 28BYJ module ULN2003 cần nhiều chân điều khiển nên nhóm chúng em chọn 12 Khối điều khiển trung tâm dùng vi điều khiển Arduino Mega2560 Khi có tín hiệu nhập từ keypad, vi điều khiển xuất tín hiệu để điều khiển khối lệnh khối chấp hành( module động cơ) thực theo chương trình lập trình sẵn 2.3 LỰA CHỌN LINH KIỆN 2.3.1.KHỐI ĐIỀU KHIỂN Arduino Mega 2560 phiên nâng cấp Arduino Mega hay gọi Arduino Mega 1280 Sự khác biệt lớn với Arduino Mega 1280 chip nhân Ở Arduino Mega 1280 sử dụng chip ATmega1280 với flash memory 128KB, SRAM 8KB EEPROM KB ARDUINO MEGA 2560 Arduino Mega 2560 vi điều khiển hoạt động dựa chip ATmega2560 Bao gồm: • 54 chân digital (trong có 15 chân sủ dụng chân PWM từ chân số → 13 chân 44 45 46) • ngắt ngồi: chân (interrupt 0), chân (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), and chân 21 (interrupt 2) 13 • 16 chân vào analog (từ A0 đến A15) • cổng Serial giao tiếp với phần cứng: CỔNG SERIAL CHÂN RX CHÂN TX Cổng 0 Cổng 19 18 Cổng 17 16 Cổng 15 14 • thạch anh với tần số dao động 16 MHz • cổng kết nối USB • jack cắm điện • đầu ICSP • nút reset 14 Thơng số kĩ thuật Chip xử lý ATmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp vào (đề nghị) 7V-15V Điện áp vào (giới hạn) 6V-20V Cường độ dòng điện 3.3V pin 50 mA Cường độ dòng điện I/O pin 20 mA Flash Memory 256 KB SRAM KB EEPROM KB Clock Speed 16 MHz 2.3.2.SỬ DỤNG MODULE ULN2003 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 15 - ULN2003 tổ hợp mạch Darlington tích hợp lại Nó dùng rộng dãi ứng dụng điều khiển động cơ, Led,… - Mỗi kênh UNL2003 cho dòng qua tối đa 0.5A - Sơ đồ chân Hình 2.3: Sơ đồ chân ULN2003 - Sơ đồ mạch kênh • Module ULN2003 Hình 2.4: Sơ đồ mạch kênh 16 Hình 2.5: Module ULN2003 • ĐỘNG CƠ BƯỚC 28BYJ-48 5VDC Động bước sử dụng toán động bước pha (thực pha chia làm pha vị trí giữa) (gồm dây), dây kết nối với cuộn dây động dây dây nguồn chung cho cuộn dây Mỗi bước động quét góc 5.625 độ, để quay vòng động phải thực 64 bước Hình 2.6: Động bước 28BYJ-48 5VDC 17 - Sơ đồ cuộn dây Hình 2.7: Sơ đồ cuộn dây động bước 28BYJ-48 • Động bước 28BYJ-48 bước quay 5.625 độ, để quay hết vịng tương ứng với (360 độ) ta cần có 64 bước Tuy nhiên thực tế ta muốn tính số bước thật phải nhân với tỉ lệ bánh  Số bước thật = Số bước lý thuyết * tỉ lệ bánh Trong trường hợp này: Số bước thật = 64 * 64 = 4096 2.3.3.KEYPAD 3x4 Keypad "thiết bị nhập" chứa nút nhấn cho phép người dùng nhập chữ số, chữ ký hiệu vào điều khiển Keypad không chứa tất bảng mã ASCII keyboard keypad thường tìm thấy thiết bị chuyên dụng Các nút nhấn máy tính điện tử cầm tay ví dụ keypad Số lượng nút nhấn keypad thay đổi phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng Trong giới thiệu cách điều khiển loại keypad đơn giản, keypad 3x4 Gọi keypad 3x4 keypad có 12 nút nhấn bố trí dạng ma trận hàng cột Cách bố trí ma trận hàng cột cách chung mà keypad sử dụng Cũng giống ma trận LED, nút nhấn hàng cột nối với nhau, với keypad 3x4 có tổng cộng ngõ (4 hàng cột) Mơ hình Keypad 3x4 thể hình 18 • Thơng số kỹ thuật: Tên sản phẩm Chính loại Pad kích thước Gắn lỗ đường kính Gắn lỗ trung tâm khoảng cách Vật liệu Màu Trọng lượng tịnh Gói nội dung Màng chuyển đổi 3x4 69 x 51 x 10mm/2.7" x 2" x 0.4"( l*w*t) 2mm/0.08" 59 x 46mm/2.3" x 1,8"( l*w) Nhựa, phận điện đen, trắng 17g x màng chuyển đổi 2.4 SƠ ĐỒ MƠ PHỎNG Hệ thống mơ phần mềm Proteus 8.0 19 Hình 2.8: Sơ đồ mơ hệ thống Proteus 2.5 THIẾT LẬP CHƯƠNG TRÌNH CHO HỆ THÔNG Em đọc liệu từ Keypad để điều khiển chương trình Vì em sử dụng step motor, nên có trường hợp xảy TH1: Hàng từ vị trí -> vị trí em dùng phím keypad TH2: Hàng từ vị trí -> vị trí em dùng phím keypad TH3: Hàng từ vị trí -> vị trí em dùng phím keypad TH4: Hàng từ vị trí -> vị trí em dùng phím keypad TH5: Hàng từ vị trí -> vị trí em dùng phím keypad TH6: Hàng từ vị trí -> vị trí em dùng phím keypad Đoạn chương trình em thiết lập ví dụ hàng truyền từ 1->2 ngược lại if(x12==0){ 20 if(temp1!=1){ if(buoc1==0){ stepper1.step(0);x12=1;buoc1 = value;temp1=10;} else { stepper1.step(1); buoc1 ; temp1 = 0; } } } if(x21==0){ if(temp1!=0){ if(buoc4==0){ stepper1.step(0);x21=1;buoc4 = value;temp1=10;} else { stepper1.step(-1); buoc4 ; temp1 = 1; } } } CHƯƠNG III: DEMO SẢN PHẨM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 21 3.1 KẾT LUẬN Sau thời gian gần tuần nghiên cứu với nỗ lực thân hướng dẫn tận tình thầy Phạm Văn Sự, nhóm em hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học “Thiết kế xây dựng hệ thống truyền tải tự động vật dụng bệnh viện ” theo nội dung yêu cầu đặt đề cương đề tài Kết quả, đề tài nghiên cứu khoa học đạt nội dung cụ thể sau đây: - Tìm hiểu tổng quan việc truyền tải thiết bị môi trường làm việc công trường, nhà máy, bệnh viện Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động chung phận động thiết bị sử dụng động bước nói chung số thiết bị động nói riêng dung nói riêng như: động servo, động bước tiên tiến đại - Hiểu nguyên lí cách thức hoạt động việc sử dụng băng truyền động bước - Thiết kế sản phẩm demo - Thiết kế, chế tạo thành công thiết bị HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 3.2 Hướng phát triển đề tài nghiên cứu: • Phát triển phần cứng: Ứng dụng băng truyền cho nhà máy, xí nghiệp cơng nghiệp Ví dụ dùng để chuyển hàng nhà máy, chuyển hành lý sân bay • Phát triển phần mềm: Thay việc phải trực tiếp đến tận nơi để điều khiên băng truyền, ta phát triển việc điều khiển từ xa đâu Ví dụ sử dụng số lại vi điều khiển có giao tiếp thông qua internet ESP8266, Raspberry Pi, vv… Do có nhiều nhà máy xí nghiệp mọc lên, việc vận chuyển hàng hóa vấn đề trọng, nhiên qua việc sử dụng băng truyền ta 22 tiết kiệm chi phí nhân cơng, giá thành rẻ mà phục vụ nhu cầu mà mong muốn Qua trình thực đề tài nghiên cứu khoa học, hướng dẫn tận tình thầy cô, em học cách làm việc nghiên cứu cách khoa học hơn, hiệu Qua đó, phần thể niềm đam mê khát khao làm chủ cơng nghệ Những kiến thức đạt sau trình học tập, nghiên cứu Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng hiểu biết thu sau hoàn thiện đề tài nghiên cứu khoa học, có ích cho em trình làm việc sau Mặc dù có nhiều cố gắng đề tài nghiên cứu khoa học khó tránh khỏi sai sót, em mong nhận góp ý từ thầy giáo để hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 3.3 TÀI LIỆU THAM KHẢO Automatic Control Systems: Basic Analysis and Design Paperback (2011) - Wolovich Programming Arduino Getting Started with Sketches 1st Edition - Simon Monk Step motors and control systems - Benjamin C Kuo 23 ... ứng dụng phức tạp hệ thống điều khiển robot Việc ứng dụng hệ thống điều khiển tự động vào nhà máy xí nghiệp, trường học áp dụng vào thời gian gần Và kể đến việc áp dụng hệ thống điều khiển tự động. .. trình truyền tải nhà máy, bệnh viện? ?? 1.1.7 MỘT SỐ LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC Động biến từ trở Hình 1.2: Động biến từ trở Động đơn cực Hình 1.3: Động đơn cực Động hai cực Hình 1.4: Động hai cực Động nhiều... 3.1 KẾT LUẬN Sau thời gian gần tuần nghiên cứu với nỗ lực thân hướng dẫn tận tình thầy Phạm Văn Sự, nhóm em hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học ? ?Thiết kế xây dựng hệ thống truyền tải tự động vật