Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát tự động

GVHD: TS Hồng Sơn SVTH: Lê Huy Hợi LỜI NĨI ĐẦU Thế kỉ XXI-Thời đại khoa học công nghệ, phát triển vượt bậc khoa học công nghệ Xã hội ngày phát triển, nhu cầu giải phóng sức lao động người tất yếu Các thiết bị cơng nghệ điều khiển tự động hóa áp dụng vào thực tế sống sinh hoạt sản xuất người ngày phổ biến Chính mà em chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát tự động” Mục tiêu nghiên cứu đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát tự động.Đề tài tập trung vào nghiên cứu hệ thống điều khiển cho máy rửa bát, để thực đề tài, em sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp lí thuyết kết hợp với thực nghiệm khoa học Đề tài em chia làm phần sau: Phần 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Phần 2: Nội dung khóa luận Chương 1: Khái quát chung máy rửa bát Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát Chương 3: Lắp ráp vận hành thử nghiệm Trong suốt thời gian làm đề tài giúp đỡ thầy, cô giáo môn Kỹ thuật điện Tự động hóa đặc biệt hướng dẫn tận tình, chi tiết thầy giáo TS.Hoàng Sơn giúp em hồn thành khóa luận Mặc dù cố gắng kiến thức kinh nghiệm hạn chế nên khóa luận em khơng thể tránh thiếu sót, em mong bảo thầy cơ, để em hồn thiện tốt khóa luận tốt nghiệp Hà nội, ngày 05 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Lê Huy Hợi GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Lê Huy Hợi NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Chữ ký, họ tên) GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Lê Huy Hợi NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN (Chữ ký, họ tên) GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Lê Huy Hợi MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.Tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan tới đề tài khóa luận 2.Tình hình nghiên cứu nước liên quan tới đề tài khóa luận .2 3.Mục tiêu nghiên cứu đề tài nhiệm vụ 4.Nội dung nghiên cứu 5.Đối tượng nghiên cứu .2 6.Phương pháp nghiên cứu PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN Chương 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MÁY RỬA BÁT 1.1 Khái quát hệ thống điều khiển máy rửa bát 1.1.1 Khái niệm chung điều khiển .3 1.1.2 Các thành phần hệ thống điều khiển 1.2 Khái quát máy rửa bát đề tài chế tạo 1.2.1 Yêu cầu toán lắp đặt chi tiết 1.2.2.Giới thiệu sơ lược sản phẩm đề tài Chương 2:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY RỬA BÁT .8 2.1 Yêu cầu nhiệm vụ toán 2.1.1 Yêu cầu 2.1.2 Nhiệm vụ 2.2 Hệ thống van nạp cho máy rửa bát .8 2.2.1 Tính tốn chọn ống dẫn nước 2.2.2 Tính tốn chọn van điện từ 2.2.3 Tính tốn chọn cảm biến lưu lượng nước .10 2.2.4 Chọn công tắc phao nước 12 2.3 Tính tốn chọn phận đun nhiệt cho máy rửa bát 12 2.4 Tính tốn chọn bơm 13 2.5 Nghiên cứu thống sấy khô bát đĩa 15 2.6 Thiết kế hệ thống điều khiển 15 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Lê Huy Hợi 2.6.1 Giới thiệu board Arduino Uno 16 2.6.2 Phần mềm lập trình 21 2.6.3 Giải thuật 29 Chương 3:LẮP RÁP, VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM 36 3.1 Lắp ráp phận hệ thống điều khiển 36 3.2 Lắp đặt hệ thống điện 38 3.3 Chạy thử nghiệm sản phẩm 42 3.4 Kết vận hành thử nghiệm 45 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Các thông số bơm .13 Bảng 2.2 Các thông số Arduino Uno .16 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống máy rửa bát Hình 1.3: Mơ hình tổng quan hệ thống máy rửa bát Hình 2.1: Hình ảnh dây tio dẫn nước vào Hình 2.2: Sơ đồ cấu tạo hình ảnh van điện từ Hình 2.3: Hình ảnh thực tế cấu tạo cảm biến lưu lượng nước 10 Hình 2.4: Hình ảnh thực tế cơng tắc phao nước 12 Hình 2.5: Hình ảnh mâm nhiệt thực tế 13 Hình 2.6: Hình ảnh thực tế bơm 14 Hình 2.7: Hình ảnh thực tế đèn halogen .15 Hình 2.8: Board mạch Arduino Uno 17 Hình 2.9:Chip Atmega328 18 Hình 2.10: Các chân vào Arduino Uno 20 Hình 2.11: Giao diện lập trình phần mềm Arduino IDE 21 Hình 2.12: Menu file phần mềm IDE 22 Hình 2.13: Cách chọn board hình IDE .23 Hình 2.14: Cách chọn cổng COM hình IDE 23 Hình 2.15: Kết nối Arduino với máy tính 25 Hình 2.16: Tìm kiếm Device Manager cửa sổ Run 25 Hình 2.17: Giao diện Device Manager .26 Hình 2.18: Kiểm tra cổng kết nối Arduino .26 Hình 2.19: Vị trí phần mềm Arduino 27 Hình 2.20: Chọn loại mạch Aruino phần mềm 27 Hình 2.21: Chọn cổng làm việc cho Arduino 28 Hình 2.22: Cách xác nhận cổng làm việc phần mềm .28 Hình 2.23: Chọn cách nạp Chip 28 Hình 2.24: Sơ đồ thuật tốn hệ thống 29 Hình 3.1: Bản thiết kế lắp ráp phận điều khiển 36 Hình 3.2: Lắp đặt bơm 37 Hình 3.3: Lắp đặt van nước .37 Hình 3.4: Lắp đặt hệ thống đun 38 Hình 3.5: Cảm biến lưu lượng cảm biến nhiệt độ 38 Hình 3.6: Lắp đặt vi xử lí 39 Hình 3.7: Lắp đặt module relay kênh .39 Hình 3.8: Cầu đấu phân chia nguồn 40 Hình 3.9: Lắp ráp module relay với động 40 Hình 3.10: Mạch điều khiển sau lắp ráp .41 Hình 3.11: Kết nối khối nguồn 41 Hình 3.12: Các phận điều khiển sau lắp ráp 42 Hình 3.13: Bát đĩa bẩn 42 Hình 3.13: Xếp bát đĩa vào máy 43 Hình 3.14: Hệ thống sẵn sàng chuẩn bị khởi động 43 Hình 3.15: Các nút điều khiển 44 Hình 3.16: Bát đĩa sau rửa xong .44 PHẦN I:TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan tới đề tài khóa luận Các báo cáo thiết bị máy rửa bát khí sáng chế năm 1850 Joel Houghton người Mỹ sáng chế Ban đầu loại máy rửa bát loại chạy sức học (thiết bị cầm tay hỗ trợ tốt) chưa sử dụng điện Thiết bị làm gỗ làm quay tay nước phun lên ăn Thiết bị máy rửa bát bị đánh giá chậm khơng có tính ứng dụng cao, chí tiêu tốn sức lao động việc rửa tay Tuy nhiên, lại tảng ban đầu để nhà phát minh sau dựa vào để sáng chế loại mẫu máy rửa bát hoàn hảo Đến năm 1865 LA Alexander cho mắt sản phẩm tương tự Joel Houghton, khơng có đổi so với ban đầu lực tác động nhẹ cho người vận hành Năm 1983 hội chợ Thế Giới máy rửa bát hand-powered Josephine Cochrane sáng chế máy rửa bát không sử dụng lực quay thơng thường, mà sử dụng áp lực dịng nước để rửa sạch, sản phẩm của bà đánh giá cao sản phẩm chưa phải giải pháp tối ưu chưa thực nhân rộng thực tế Còn Anh, William Howard phát minh máy rửa bát nhỏ dùng cho gia đình vào năm 1924 máy đại kết hợp hầu hết yếu tố thiết kế có tính mơ hình ngày hôm Máy rửa bát bao gồm cửa trước để tải, dây rack để giữ đồ sành sứ bẩn phun luân phiên.Yếu tố làm khô điện chí cịn thêm vào thiết kế củng năm 1940, máy đại dùng gia đình.Đến năm 1960 nhiều đặc tính thêm vào máy rửa bát bỏ gọn gầm bếp tủ Càng ngày máy rửa bát đại, nhiều tiện ích, kiểu dáng đẹp, tiết kiệm nước, tiết kiệm điện đặc biệt tiêu chuẩn hóa kích thước bên ngồi theo kích thước ngăn tủ nhà bếp Theo số liệu thống kê tính đến năm 2012, 75% gia đình Mỹ Đức sử dụng máy rửa bát thay cho công việc rửa bát tay hàng ngày Tình hình nghiên cứu nước liên quan tới đề tài khóa luận Ở Việt Nam, việc nghiên cứu phát triển máy rửa bát chưa thực phổ biến Như trường Đại học Sư Phạm kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh có số đề tài nghiên cứu máy rửa bát đề tài dừng lại việc chế tạo thử nghiệm mà chưa đưa sở lí thuyết cho việc tính tốn, thiết kế chế tạo Hay sản phẩm anh Nguyễn Văn Ngọc Thái Bình chế tạo thành cơng máy rửa bát sản phẩm anh bán thị trường lại cao so với thu nhập trung bình người dân Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu đề tài nhiệm vụ Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát tự động Nội dung nghiên cứu - Tính tốn chọn cấu phù hợp với yêu cầu toán đặt - Sắp xếp lắp đặt cấu hệ thống điều khiển - Thiết kế, lập trình hệ thống điều khiển Đối tượng nghiên cứu Đề tài tập trung vào nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát tự động Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phân tích tổng lí thuyết kết hợp với thực nghiệm khoa học else{ chuTrinh4(); } } buoc1: chuTrinh1(); } } void chuTrinh1(){// Mở van cho nước chảy vào digitalWrite(van1, LOW); currentTime = millis(); // Every second, calculate and print litres/hour if (currentTime >= (cloopTime + 1000)) { cloopTime = currentTime; // Updates cloopTime // Pulse frequency (Hz) = 7.5Q, Q is flow rate in L/min l_min = (flow_frequency); // (Pulse frequency x 60 min) / 7.5Q = flowrate in L/hour flow_frequency = 0; // Reset Counter Serial.print(l_min, DEC); // Print litres/hour Serial.println(" L/min"); } delay(500); if(flow_frequency==0){ digitalWrite(13,HIGH); } else{ digitalWrite(13,LOW); } } void chuTrinh2(){// Bắt đầu trình rửa digitalWrite(van1, HIGH); delay(1000); digitalWrite(bom1, LOW); // sensors.requestTemperatures(); // Send the command to get temperature readings 33 /***************************************************************** ***/ /* Serial.print("Nhiệt độ: "); Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0)); if(temp>=60){ digitalWrite(giaNhiet,HIGH); } else{ digitalWrite(giaNhiet,LOW); }*/ Delay(300000,nhietdo); digitalWrite(giaNhiet,HIGH); digitalWrite(bom1, HIGH); } void chuTrinh3(){// Bắt đầu trình xả digitalWrite(van2, LOW); digitalWrite(bom2, LOW); delay(180000); digitalWrite(van2, HIGH); digitalWrite(bom2, HIGH); } void chuTrinh4(){// sấy bát đũa, kết thúc chu trình digitalWrite(quat, LOW); delay(300000); digitalWrite(quat, HIGH); // ResetBoard( WDTO_60MS); asm volatile ( "jmp 0"); } void Delay(float delayTime, void (func)()){ unsigned long endTime = millis() + delayTime; while(millis() < endTime) { func(); //while(millis() < endTime){}; //Xóa dịng muốn lặp hàm func, giữ muốn chạy hàm func lần } 34 } void nhietdo() { sensors.requestTemperatures(); // Send the command to get temperature readings /***************************************************************** ***/ Serial.print("Nhiệt độ: "); Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0)); Serial.println(); if(temp>=60){ digitalWrite(giaNhiet,HIGH); } else{ digitalWrite(giaNhiet,LOW); } } 35 Chương 3: LẮP P RÁP, VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM HỆ Ệ THỐNG 3.1 Lắp ắp ráp phận hệ thống điều khiển Các khối lắp ráp gồm:  Khối nguồn  Khối vi xử lí: + Board Arduino Uno  Khối Input: + Cảm biến lưu lượng ợng + DS18b20 + Phao điện + Nút bấm  Thiết ết bị đóng cắt Module Relay  Khối Output: + Bơm + Van điện từ + Thanh gia nhiệt + Đèn halogen + Loa chip Sử dụng phần mềm m Inventer thiết thi kế lắp ráp phận điều khiển: Hình 3.1: Bản ản thiết kế lắp ráp phận điều khiển 36 Quy trình lắp ráp phận hệ thống điều khiển: Bước 1: Lắp đặt bơm hút bơm xả Lắp đặt bơm nằm gần diện với trung tâm hệ thống, để hạn chế đường ống lắp từ khoang chứa tới bơm Hình 3.2: Lắp đặt bơm Bước 2: Lắp đặt hệ thống van nước Do chức van nước đóng mở ngăn cho nước bơm vào xả nước ngoài, nên ta bố trí lắp van song song Hình 3.3: Lắp đặt van nước 37 Bước 3: Lắp hệ thống đun Do mâm nhiệt đun với nhiệt độ cao nên ta phải lắp ráp cho hệ thống đảm bảo chịu nhiệt, đồng thời tránh rò rỉ điện Hình 3.4: Lắp đặt hệ thống đun Bước 4: Lắp đặt cảm biến Sử dụng cảm biến nhiệt độ để giới hạn nhiệt độ đun cảm biến lưu lượng xác định xem hệ thống có nước hay chưa Hình 3.5: Cảm biến lưu lượng cảm biến nhiệt độ 3.2 Lắp đặt hệ thống điện a) Thiết kế sơ đồ dây cho hệ thống 38 b) Trình tự lắp đặt mạng điện cho hệ thống: Bước 1: Lắp đặt vi điều khiển cho hệ thống, dùng vít định vị vào hộp điềukhiển Hình 3.6: Lắp đặt viđiều khiển Bước 2: Lắp đặt module relay kênh Trong trình hoạt động ta dùng module relay kênh với vai trò sử dụng cách ly mạch lực (cấp dòng điện lớn chạy thiết bị) mạch điều khiển viđiều khiển Việc cách ly đảm bảo cho bên mạch điều khiển vi điều khiển không bị ảnh hưởng cố thiết bị bên mạch lực gây Hình 3.7:Lắp đặt module relay kênh Bước 3: Sử dụng cầu đấu phân chia nguồn Trong trình lắp ráp để tránh việc nhầm lẫn ta chia thành phân khu hoạt động có điện áp khác để dễ quản lí việc lắp đặt mạng điện Dựa vào nguồn sử dụng cấu làm việc phận hệ thống ta chia làm phân khu: phân khu thứ hoạt động với điện áp cao 220V (bơm, mâm nhiệt, đèn halogen); phân khu thứ hai hoạt động với điện áp thấp 12V (van điện từ); phân 39 khu thứ ba hoạt động với điện áp 5v (nguồn cấp cho vi xử lí Arduino, module relay kênh, cảm biến nhiệt độ, cảm biến lưu lượng, cịi chíp) Với việc chia làm phân khu ta lắp đặt theo thứ tự phận làm việc với điện áp cao 220V trước sau tới 12V cuối 5V Hình 3.8:Cầu đấu phân chia nguồn Bước 4: Lắp ráp module relay với động Sau chia phân khu điện áp ta nối động cảm biến vào thiết bị đóng cắt rơ le Hình 3.9: Lắp rápmodule relay với động Sau kết nối vi điều khiển, thiết bị đóng cắt vào phận điều khiển ta mạch điều khiển hình 3.10 40 Hình 3.10: Mạch điều khiển sau lắp ráp Bước 5: Kết nối nguồn điện với hệ thống điều khiển Để đảm bảo hệ thống vận hành cách ổn định, nguồn điện cấp vào cho hệ thống hoạt động phải đảm bảo đáp ứng yêu cầu sử dụng mà tốn đặt ra, em sử dụng nguồn tổ ong cho điện áp 5VDC 12VDC Hình 3.11: Kết nối khối nguồn Kết sau lắp đặt cấu chấp hành bảng mạch điều khiển 41 Hình 3.12: Hoàn thiện hệ thống điều khiển 3.3 Chạy thử nghiệm sản phẩm Sau thực lắp ráp khí phần điều khiển ta tiến hành chạy thử nghiệm sản phẩm Bước 1: Chuẩn bị bát đĩa bẩn Để chạy thực nghiệm sản phẩm ta cần chuẩn bị bát đĩa bẩn, sau ăn xong gạt bỏ phần thức ăn thừa để lại phần bát đĩa bẩn Hình 3.13:Bát đĩa bẩn 42 Bước 2: Sắp xếp bát đĩa vào máy Bát đĩa bẩn xếp gọn gàng theo thứ tự, mặt bát phải nghiêng xuống vòi phun, để vòi phun nước lên bát đĩa Hình 3.13: Xếp bát đĩa vào máy Sau xếp xong bát đĩa ta đóng nắp máy rửa bát lại tiến hành mở khóanước từ bể chứa vào máy rửa bát, chuẩn bị khởi động hệ thống Hình 3.14: Hệ thống sẵn sàng chuẩn bị khởi động 43 Bước 3: Ta nhấn nút start khởi động: Sau cấp nguồn điện cho máy ta nhấn nút start màu xanh khởi động hệ thống, nút màu đỏ reset lại tồn hệ thống Hình 3.15: Các nút điều khiển Sau nhấn nút khởi động hệ thống, công việc chờ khoảng 50 phút tất chu trình hoàn thành Bước 4: Mở nắp lấy bát đĩa Hình 3.16:Bát đĩa sau rửa xong 44 3.4 Kết vận hành thử nghiệm Thực nghiệm nhiều môi trường khác nhau, với lượng thời gian đặt cho mối chu trình hệ thống hoạt động ổn định khơng bị nhiễu yếu tố bên Mặc dù hệ thống sấy độ bát đĩa chưa đáp ứng yêu cầu đặt chấp nhận được, kết thực nghiệm hoàn toàn chứng minh tính đắn phương án đưa sở lý thuyết 45 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ Kết luận: Trải qua thời gian tìm hiểu nghiên cứu, xây dựng ý tưởng bắt tay vào thi công Em hoàn thành đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát tự động”.Hệ thống thiết kế hoạt động theo chu trình cách sử dụng Arduino Uno lập trình xử lí phân tích tín hiệu cảm biến, giới hạn khoảng thời gian đặt cho chu trình Hệ thống chế tạo thành cơng chạy thử nghiệm ngồi thực tế, kết hệ thống hoạt động theo chu trình mà người lập trình đặt trước Trên sở hệ thống điều khiển mang lắp ráp cho hệ thống có quy mơ lớn Hạn chế: - Ít chế độ lựa chọn cho người sử dụng - Hệ thống sấy chưa thực tốt sấy bát chưa khơ hồn tồn - Chưa có hệ thống kiểm định chắn bát sau rửa hay chưa - Lắp đặt hệ thống dây điện chưa có tính thẩm mĩ cao Hướng phát triển: Do giới hạn kinh phí thời gian thực hiện, nghiên cứu dừng lại việc hệ thống điều khiển với công suất nhỏ tính hạn chế Em mong muốn đầu tư nhiều thời gian kinh phí để nâng cấp, làm cho sản phẩm thông minh hơn, phát triển thêm nhiều tính khả diệt khuẩn tia UV, hay có khả tự giám sát hiển thị lên hình, thực nhiều chế độ rửa tự động 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.Phạm Văn Ất (2002), Giáo trình kỹ thuật lập trình C nâng cao (Tái lần thứ 4), Nhà xuất KHKT [2] Tiêu Kim Cương (2010),Giáo Trình Ngơn Ngữ Lập Trình C, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [3].Richard H Barnett, Sarah Cox and Larry O’Cull (May 2006),Embedded C Programming and the Atmel AVR 2nd Edition, Thomson Delivimar Learing [4] http://www.arduino.com/ [5].http://codientu.org/ [6] http://www.hocavr.com/ [7] http://mcu.banlinhkien.vn/ 47 ... vụ Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát tự động Nội dung nghiên cứu - Tính tốn chọn cấu phù hợp với yêu cầu toán đặt - Sắp xếp lắp đặt cấu hệ thống điều khiển - Thiết kế, lập trình hệ thống. .. hệ thống điều khiển thường gặp nhất.Trong khóa luận ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát tự động? ??, dựa vào sơ đồ khối tổng quát ta thiết lập sơ đồ khối tổng quát máy rửa bát. .. hệ thống điều khiển Đối tượng nghiên cứu Đề tài tập trung vào nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát tự động Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phân tích tổng lí thuyết kết hợp