(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển máy rửa chén bát thông minh sử dụng cho hộ gia đình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TẤN THIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ÐIỀU KHIỂN MÁY RỬA CHÉN BÁT THƠNG MINH SỬ DỤNG CHO HỘ GIA ÐÌNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ÐIỆN TỬ - 8520114 SKC005789 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TẤN THIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY RỬA CHÉN BÁT THƠNG MINH SỬ DỤNG CHO HỘ GIA ĐÌNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 8520114 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TẤN THIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY RỬA CHÉN BÁT THÔNG MINH SỬ DỤNG CHO HỘ GIA ĐÌNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 8520114 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ HIẾU GIANG Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018 LÝ LỊCH CÁ NHÂN I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN TẤN THIÊN Giới tính: Nam Ngày sinh: 16/06/1990 Nơi sinh: Phú Yên Quê quán: Tuy Hòa, Phú Yên Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: KP4, Phường Phú Thạnh, TP Tuy Hòa, Tỉnh Phú Yên Điện thoại quan: Điện thoại: 0978.678.518 Email: nguyentanthien.py@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Nơi học: Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Phân hiệu TP.HCM Ngành học: Cơ điện tử Tên đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị lọc nước sử dụng lượng mặt trời” Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 06/2013 Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Phân hiệu TP.HCM Người hướng dẫn: TS Lê Lăng Vân III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TN ĐẠI HỌC: Thời gian 7/2013 - 4/2017 5/2017 - 2/2018 3/2018 đến i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 10 năm 2018 Học viên thực Nguyễn Tấn Thiên ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập nghiên cứu tạ Tr n ại học S Phạm Thuật TP.HCM, đ ợc độn v ên, úp đỡ h ớng dẫn tận tình Thầy giáo h ớng dẫn PGS.TS Lê Hiếu Giang, luận văn vớ đề tài “N h ên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình đ ều khiển máy rửa chén bát thơng minh sử dụng cho hộ a đình” đ ợc hồn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy áo h ớng dẫn PGS.TS Lê Hiếu G an tận tình dẫn, úp đỡ tác giả hoàn thành luận văn hoa đào tạo sau đại học, thầy giáo, cô giáo thuộc môn Cơ đ ện tử hoa Cơ khí chế tạo máy, Tr n ại học S Phạm Thuật TP.HCM úp đỡ tác giả trình học tập cũn nh trình n h ên cứu thực luận văn; thầy, áo nhận xét, góp ý q trình phản biện luận văn Tồn thể đồng nghiệp, bạn bè, a đình n i thân quan tâm, động viên, tạo đ ều kiện úp đỡ tác giả suốt q trình học tập hồn thành luận văn TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018 Học viên thực Nguyễn Tấn Thiên iii TÓM TẮT Việc sử dụng máy rửa chén bát (MRCB) không xa lạ với người nội trợ gia đình Việt Nam Khi lựa chọn MRCB vấn đề tiết kiệm điện tiêu thụ yếu tố quan tâm hàng đầu (minh chứng sản phẩm điện máy dán nhãn lượng) Chúng ta dễ nhận thấy mức tiêu hao điện MRCB cấu thành thời gian rửa, nhiệt độ nước rửa, áp lực nước rửa.Các yếu tố lại phụ thuộc vào số lượng chén bát cần rửa mức độ bẩn chén bát Các MRCB ngày có nhiều chế độ cho người dùng lựa chọn họ phải cài đặt tay thông số làm việc qua nút nhấn sau ước lượng khối lượng chén bát cần làm độ bẩn chén bát Việc làm giảm tính tự động hóa gây khó khăn cho người sử dụng (hoặc người không am hiểu thiết bị điện máy) Mặt khác việc tối ưu thông số làm việc giúp máy hoạt động hiệu tiết kiệm lượng điện tiêu thụ Trong phạm vi Luận văn “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mơ hình điều khiển máy rửa chén bát thơng minh sử dụng cho hộ gia đình” tác giả trình bày phương pháp kiểm sốt thơng số làm việc MRCB sử dụng điều khiển logic mờ thực nghiệm kiểm chứng Nghiên cứu, thiết kế điều khiển mờ làm việc dựa nguyên tắc lấy đầu vào khơng xác từ cảm biến xác định giá trị rõ đầu ra, tạo tiền đề cho việc chế tạo MRCB thông minh dùng cho hộ gia đình Nội dung thực bao gồm:  Tìm hiểu tổng quan MRCB  Trình bày sở lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy logic), phương pháp điều khiển thông minh sử dụng hiệu nhiều lĩnh vực  Nghiên cứu, thiết kế điều khiển mờ để xác định thông số làm việc tối ưu cho MRCB thông minh  Mô phần mềm Matlab-simulink kiểm chứng thực nghiệm iv ABSTRACT Nowadays, the use of dishwasher is no longer unfamiliar to the housewives in almost famillies in Vietnam When choosing a dishwasher, the problem of saving power consumption is one of the factors that are of prime concern (the proof is that all electric appliances are labeled of energy) It is easy to recognize that the power consumption of dishwasher is composed of washing time, washing water temperature, washing water pressure These factors depend on the number of cups to be washed and the contamination’s levels of the bowls Dishwashers nowadays or there are a lot of modes for the user to choose or the user must manually set the parameters through the push buttons after estimating the mass of the bowls to be cleaned as well as the dirtiness’s levels of the bowls.This reduces the automation and can make it difficult for users (who are not familiar with electrical appliances) On the other hand, optimizing the working parameters will help the machine operate efficiently and save electricity consumption Within the thesis "Research, design, manufacture of smart dishwasher control models for household use", the author presents the method of controlling the working parameters of the dishwasher using the regulator fuzzy logic control and verifiable experimentation Research and design of fuzzy controllers based on the principle of incorrect input from the sensors and the determination of clear output values, creating a premise for the manufacture of intelligent dishwashers for household use The implementation contents include:   Get an overview of dishwasher Presenting the basis of fuzzy logic theory, intelligent control methods are used effectively in many fields today  Research, design fuzzy controller to determine optimal parameters for intelligent dishwasher  Simulated by Matlab-simulink software and empirical verification v MỤC LỤC LÝ LỊCH CÁ NHÂN i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH HÌNH VẼ ix DANH SÁCH BẢNG BIỂU xi DANH MỤC VIẾT TẮT & THUẬT NGỮ TIẾNG ANH xii MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Tình hình nghiên cứu đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY RỬA CHÉN BÁT 1.1 Máy rửa chén bát (MRCB) ? 1.1.1 Bản chất việc rửa chén bát: 1.1.2 Máy rửa chén bát (MRCB) 1.2 Lịch sử phát triển MRCB 1.3 Nguyên lý làm việc 1.3.1 Phương pháp vật dụng cần rửa nằm giá đỡ xoay, vị trí tia nước khơng đổi 1.3.2 Phương pháp vật dụng cần rửa đứng yên, tia nước chuyển động xoay 10 1.4 Phân loại máy rửa chén 11 1.4.1 Máy rửa chén công nghiệp 11 1.4.2 Máy rửa chén sử dụng cho hộ gia đình 12 1.5 Cấu tạo 13 1.6 Máy rửa chén bát thông minh 15 vi Chƣơng 4: CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MỜ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC CỦA MRCB THÔNG MINH ĐỂ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Thiết kế mạch điều khiển 4.1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tính thơng số làm việc MRCB Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tính thơng số làm việc MRCB Trong đó: PC: Máy tính cá nhân, cơng cụ cho việc lập trình Matlab-Simulink, cơng cụ Waijung v17.03 hỗ trợ cho lập trình nhúng MatlabSimulink, sau dịch chương trình nạp xuống board DSP STM32F4 UART CP2102: Được dùng để chuyển giao tiếp từ USB sang UART TTL ngược lại STM32F407VGT: Có nhiệm vụ thực thi chương trình từ máy tính nạp xuống LCD: Màn hình hiển thị giá trị sau tính tốn Hình 4.2: L u đồ thuật tốn 69 4.1.2 Các linh kiện, thiết bị 4.1.2.1 Board DSP STM32F4 Vì hệ thống có nhiều biến, khối lượng tính toán lớn nên yêu cầu tốc độ xử lý cao Do đề tài học viên sử dụng board DSP STM, có tên STM32F407VGT Hình 4.3: Board DSP STM32F407VGT Cấu tạo board bao gồm: 1: Cổng kết nối với USB nhằm cấp nguồn cho board DSP nạp chương trình 2: Chip nạp chương trình 3: Chíp điều khiển STM32F4 4: Các chân giao tiếp tín hiệu vào/ra 4.1.2.2 Màn hình LCD lines Kết tốn có thơng số ngõ ra, nên ta sử dụng hình LCD lines (2004A) để hiển thị giá trị thơng số dịng Màn hình có khả hiển thị dịng, dịng 20 kí tự, phù hợp với u cầu tốn 70 Hình 4.4: Màn hình LCD 4lines LCD 2004A có 16 chân kết nối sau: - Chân số (VSS): tương đương với GND - cực âm - Chân số (VDD): tương đương với VCC - cực dương (5V) - Chân số (Constrast Voltage - Vo): Điều khiển độ sáng hình - Chân số (Register Select - RS): Điều khiển địa ghi liệu - Chân số (Read/Write - RW): đọc (read mode) hay ghi (write mode) liệu? Nó phụ thuộc giá trị gửi vào - Chân số (Enable pin): Cho phép ghi vào LCD - Từ chân số đến chân số 14 (D0 - D7): chân liệu, chân có giá trị HIGH LOW bạn chế độ đọc (read mode) nhận giá trị HIGH LOW chế độ ghi (write mode) - Chân số 15 (Backlight Anode) (+): Tắt đèn hình LCD - Chân số 16 (Backlight Cathode) (-): Bật đèn hình LCD 4.1.2.3 Khối kết nối với PC Ta sử dụng mạch chuyển USB UART CP2102 sử dụng chip CP2102 để chuyển giao tiếp từ USB sang UART TTL ngược lại Mạch chuyển USB UART CP2102 nhận tất hệ điều hành Windows, Mac, Linux, Android, dễ dàng việc sử dụng giao tiếp 71 Hình 4.5: Mạch chuyển USB UART CP2102 Thông số kỹ thuật mạch chuyển sau: -TXD: Chân truyền liệu UART, dùng kết nối đến chân Rx module khác -RXD: Chân nhận liệu UART, dùng kết nối đến chân Tx module khác -GND: Chân mass nối đất -DTR: Chân reset để nạp cho vi điều khiển -5V: nguồn điện áp dương (tối đa 500mA) -3.3V: nguồn điện áp dương 3,3V 4.1.3 Mơ hình thực tế Hình 4.6: Mơ hình thực tế hệ thống tính thơng số làm việc MRCB 72 - Màn hình LCD 2004A (số 1) kết nối với board DSP STM32F4 (số 2) cáp kết nối (số 4) sau: + Chân số (VSS) GND - cực âm + Chân số (VDD) VCC - cực dương (5V) + Chân số (không sử dụng) không kết nối + Chân số (RS) PE7 + Chân số (RW) PE8 + Chân số (E) PE9 + Từ chân số đến chân số 10 (D0 – D3) (không sử dụng) không kết nối + Từ chân số 11 đến chân số 14 (D4 – D7) PE12, PE13, PE14, PE15 + Chân số 15 ( A) VCC - cực dương (5V) + Chân số 16 (K) GND - cực âm - Các cáp (số 3) nối với chân liệu khơng sử dụng đến tốn nên không cần kết nối với board DSP STM32F4 - Mạch chuyển USB UART CP2102 (số 5) kết nối board DSP STM32F4 (số 2) chân: RXD để nhận liệu từ STM32F4 truyền hiển thị PC chân GND nối với cực âm Mạch UART CP2102 kết nối với PC qua cổng USB - Cáp USB (số 6) có chức truyền liệu từ PC đến STM32F4 nạp chương trình cấp nguồn cho hệ thống chưa sử dụng nguồn riêng 4.2 Xây dựng giải thuật tốn Matlab-Simulink 4.2.1 Cơng cụ hỗ trợ lập trình 4.2.1.1 Matlab Simulink Hiện Matlab hỗ trợ nhiều công cụ để nhúng giải thuật vào board điều khiển, kể đến cơng cụ Waijung hỗ trợ cho STM32F4, có nhiệm vụ dịch code từ Matlab-Simulink file C/C++ để nạp vào board điều khiển 4.2.1.2 Waijung Công cụ Waijung 17.03 hỗ trợ cho lập trình nhúng board STM32F4 73 4.2.2 Mơ hệ thống Matlab – Simulink Hình 4.7: Mơ Matlab –simulink với hỗ trợ công cụ Waijung Trong đó: Khối Target Setup: Để cài đặt STM32F4 Khối UART Setup: Cài đặt giao tiếp DSP STM32F4 với PC Khối UART Tx: Truyền liệu, hiển thị máy tính Khối LCD Setup: Cài đặt giao tiếp LCD với DSP STM32F4 Khối LCD Display: Hiển thị kết LCD Khối Single: Chuyển đổi liệu Khối DieukhienmoMRCB: Là điều khiển mờ thiết kế phần trước Khối: Khoiluong & Doban để nhập giá trị khối lượng chén bát mức độ bẩn thay sử dụng cảm biến để thu thập số liệu môi trường làm việc thực Sau xây dựng hệ thống Matlab-Simulink ta tiến hành chạy Target (chạy chương trình) Nếu khơng có thơng báo lỗi nghĩa chương trình cấu trúc 74 Tiếp ta kết nối mơ hình thực tế với PC, cài đặt driver cho linh kiện tiến hành nạp code vào board DSP STM32F4 Quá trình nạp code khoảng thời gian để tiến hành bước hình bên Hình 4.8: Q trình nạp code xuống STM32F4 thành cơng 4.3 Kết thực nghiệm Với liệu đầu vào nhập từ máy tính: Khối lượng: Kg Độ bẩn: 60 NTU Ta thu kết sau: 75 Hình: 4.9: Kết thực nghiệm hiển thị máy tính với hỗ trợ cơng cụ Terminal Các giá trị hiển thị là: Nhiệt độ nước rửa: 60 Áp lực nước rửa: bar Thời gian rửa: 55 phút Trên hình hiển thị LCD ta nhận kết tương tự 76 Ta tiến hành tương tự với 20 giá trị mô Chương để so sánh kết Bảng 4.1: Kết thực nghiệm cho 20 giá trị ngõ vào Bộ giá trị thông số giá trị 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Bảng 4.2: So sánh kết mô thực nghiệm Bộ Giá trị ngõ vào giá M (Kg) trị 0.5 2.5 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 3 3.2 4 4.5 5 5.1 5.8 6 Nhận xét: Kết thực nghiệm hồn tồn với q trình mơ Matlab Vì khơng có mơi trường thực nghiệm thực tế nên ta tiến hành thực nghiệm dựa vào kết nhập từ máy tính Điều vơ tình làm cho hệ thống ko chịu tác động nhiễu từ việc sử dụng cảm biến thu thập truyền thông tin đến Vi xử lý nên kết mô thực tế giống Kết luận Chƣơng 4: Chương bốn hồn thành việc chế tạo mơ hình thực tế tính giá trị thơng số ngõ MRCB là: nhiệt độ nước rửa, áp lực nước rửa, thời gian rửa Từ với giá trị đầu vào điều khiển mờ xác định giá trị thông tối ưu cho MRCB tự động làm việc mà không cần đến kinh nghiệm hay can thiệp người vận hành máy Việc chế tạo mơ hình tính tốn thơng số làm việc MRCB sử dụng board DSP STM32F4 có ý nghĩa: Nhúng thành cơng giải thuật điều khiển mờ MRCB vào thiết bị ngoại vi DSP STM32F4, xử lý MRCB thực tế 78 Chƣơng 5: KẾT LUẬN 5.1 Kết đạt đƣợc Thiết kế điều khiển mờ tính thơng số làm việc tối ưu cho MRCB Xây dựng giải thuật cho điều khiển mờ phần mềm Matlab Xây dựng mô hình thực tế tính thơng số làm việc MRCB 5.2 Những hạn chế Vì khơng làm việc với mơi trường MRCB thực tế, thay sử dụng cảm biến để thu thập thông số đầu vào khối lượng chén bát bẩn mức độ bẩn chén bát Trong phạm vi luận văn tác giả nhập thơng số từ máy tính để tiến hành mô Phạm vi luận văn thiết kế điều khiển mờ để tìm thơng số làm việc tối ưu mà chưa tiến hành điều khiển cấu chấp hành động bơm hay điện trở nung nóng nước 5.3 Hƣớng phát triển đề tài Sau tối ưu thông số làm việc cần tiến hành toán điều khiển cấu chấp hành động bơm, điện trở nung nóng nước để hồn thiện điều khiển thơng minh cho MRCB Ứng dụng điều khiển thông minh vào MRCB để cải tiến sản phẩm có, mang lại MRCB tốt cho người dùng …HẾT… 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Benton Harbor Global Wash System-Undercounter Dishwashers, Technical education, 2011 [2] Đỗ Trung Tuấn Hệ chuyên gia, NXB Giáo Dục, 1999 [3] Marth Hellmann Fuzzy Logic Introduction, 2001 [4] Phan Xuân Minh Nguyễn Doãn Phước Lý thuyết đ ều khiển m , NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2004 [5] Hứa Thị Hoàng Yến, Nghiên cứu ứng dụng Fuzzy lo c tron đ ều khiển nhiệt độ, Báo cáo nghiệm thu đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường, Đại học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG TPHCM, 2006 [6] Trịnh Xuân Lai Xử lý n ớc cấp cho sinh hoạt công nghiệp, NXB Xây Dựng, Hà Nội, 2004 [7] Robert Babuska Fuzzy and Neural control, DISC Course Lecture Notes, 2004 [8] Huỳnh Thái Hoàng Hệ thốn Gia, TP HCM, 2014 đ ều khiển thông minh, NXB Đại học Quốc [9] Phạm Thượng Hàn K thuật đo l 1996 n đạ l ợng vật lý, NXB Giáo Dục, [10] Nguyễn Đức Thành Matlab ứng dụn tro n đ ều khiển, NXB Đại Học Quốc Gia TP HCM, 2004 [11] S.N.Sivanandam, S.Sumathi, S.N.Deepa Introduction to Fuzzy Logic using Matlab 2006 Một số website http://www.fuzzytech.com , 10/6/2018 http://voer.edu.vn , 2/8/2018 http://waijung.aimagin.com , 23/7/2018 https://www.mathworks.com ,15/6/2018 80 ... ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TẤN THIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY RỬA CHÉN BÁT THƠNG MINH SỬ DỤNG CHO HỘ GIA ĐÌNH... khoang rửa Máy rửa bát đặt bàn: dịng máy với kích thước nhỏ gọn lắp đặt bàn Hình 1.8: Máy rửa chén bát sử dụng cho hộ a đình, k ểu độc lập Chu trình làm việc máy rửa chén bát cho hộ gia đình Hình. .. đề cho việc chế tạo MRCB thông minh sử dụng cho hộ gia đình Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: Điều khiển mờ thông số làm việc MRCB sử dụng cho hộ gia đình Phạm vi nghiên cứu: