6. Điểm: (Bằng chữ: )
4.1.2 Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối
4.1.2.1 Sơ đồ khối
Hình 4. 2 : Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm các khối chính sau:
Khối nguồn.
Khối xử lí trung tâm.
Khối cảm biến.
Khối công suất.
Khối động cơ.
Khối giao tiếp với thiết bị ngoại vi.
Khối nút nhấn.
4.1.2.2 Chức năng các khối.
Khối nguồn: Cung cấp nguồn hoạt động cho tất cả các khối của hệ thống
Khối xử lí trung tâm: là trung tâm xử lí mọi hoạt động của hệ thống, nhận và xử lí dữ liệu từ cảm biến mưa,nhận và xử lí tín hiệu điều khiển từ thiết bị ngoại vi để điều khiển hoạt động cũng như chế độ của động cơ.
Khối cảm biến: Nhận biết thời tiết mưa hay không mưa từ đó gửi tín hiệu về khối xử lí trung tâm.
Khối công suất: nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lí trung tâm,từ đó điều khiển động cơ.
Khối động cơ: nhận tín hiều điều khiển từ khối công suất,thực hiện các chế độ quay theo yêu cầu.
Khối giao tiếp với thiết bị ngoại vi: gửi tín hiệu điều khiển về khối xử lí trung tâm thông qua cáp mạng.
Khối nút nhấn: điều khiển chế độ quay của động cơ thông qua hoạt động thủ công bằng tay.
4.1.3 Hoạt động của hệ thống
Giàn phơi thông minh hoạt động dựa trên nguyên tắc tự động, điều khiển bằng tay khi cần thiết và điều khiển qua mạng.
Khi trời mưa: Cảm biến sẽ nhận biết và truyền tín hiệu về khối vi xử lí trung tâm, khối vi xử lí trung tâm sẽ xử lí tín hiệu sau đó điều khiển động cơ thu đồ vào mái che một cách tự động.
Khi trời không mưa: Cảm biến nhận biết và truyền tín hiệu về khối xử lí trung tâm,từ đó xử lí và xuất tín hiệu điều khiển động cơ kéo đồ ra phơi.
Khi đồ đã được phơi khô xong, tránh hiện tượng phơi ngoài nắng lâu làm ảnh hưởng tới đồ,người sử dụng có thể thu đồ vào hoặc kéo đồ ra thông qua hệ thống nút nhấn gắn trên giá phơi.
Ngoài ra, một điểm mới được ứng dụng trên giàn phơi là người dùng có thể điều khiển hoạt động của giàn phơi (phơi đồ, thu đồ) bằng cách điều khiển qua mạng, chỉ cần người dùng có một chiếc máy tính, table, smartphone được kết nối mạng, người dùng có thể điều khiển giàn phơi thông qua một địa chỉ web có giao diện đơn giản, dễ sử dụng.
4.1.4 Cấu hình cơ bản của hệ thống
Giàn phơi thông mình bao gồm một số thành phần chính sau:
Khung giàn phơi là nơi dùng để phơi đồ, nơi gắn các thiết bị điều khiển cũng như thiết bị cảm biến.
Cảm biến gắn trên khung, tiếp xúc trực tiếp với không gian bên ngoài.
Hộp điều khiển gồm vi điều khiển Arduino uno, động cơ, các module cũng như linh kiện cần thiết cho hoạt động của hệ thống. Là nơi chứa
đựng bộ xử lí của giàn phơi, được gắn trực tiếp lên thanh dọc của giàn phơi.
Móc phơi đồ được gắn lên thanh ngang của khung phơi. Kết nối với hệ thống dây kéo của giàn phơi.
Mái che đồ gắn trực tiếp lên khung phơi để che đồ mỗi khi gặp thời tiết mưa động cơ thu đồ vào, và dùng để che đậy hộp điều khiển trung tâm.
4.2. Thiết kế, tính toán hệ thống 4.2.1. Khối 1: Xử lý trung tâm 4.2.1.1.Phương án thiết kế
Ban đầu những người thực hiện lựa chọn hai phương án đó là dùng kit Arduino Mega 2560 và kit Arduino Uno. Nhưng xét thấy vi điều khiển là Kit Arduino UNO với thiết kế nhỏ gọn, có thể gắn phù hợp với module Arduino internet shield, số chân GPIO phù hợp với yêu cầu của đề tài. Giá thành không quá cao nên những người thực hiện đã quyết định chọn Vi điều khiển là kit Arduno Uno
Các module kết nối vào KIT gồm:
Mạch cầu điều khiển động cơ L298N.
Module cảm biến mưa.
Dây cáp mạng kết nối modem.
Nút nhấn.
Các module kết nối với KIT thông qua các chân GPIO vào ra.
Bằng việc điều khiển KIT xuất và nhận tín hiệu tại các chân GPIO, ta điều khiển được các module hoạt động theo yêu cầu đặt ra trước đó.
4.2.1.1.1. Phần cứng 4.2.1.1.1.1. Sơ đồ nguyên lý
Hình 4. 4 : Sơ đồ nguyên lí của nút nhấn 4.2.1.1.1.2. Sơ đồ, chức năng
4.2.1.1.1.3. Kết nối
Arduino UNO có 14 chân digital (từ chân 0 đến chân số 13) dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Ta chọn các chân này để kết nối với cảm biến,nút nhấn,mạch cầu L298N.
Kết nối module Arduino Ethernet shield với Kit Arduino UNO:
Ta chỉ cần chụp module Arduino Ethernet shied lên Kit Arduino Uno theo nguyên tắc tên GPIO trên module Arduino Ethernet shied sẽ trùng với GPIO của Kit Arduino Uno.
Hình 4. 7 : Sơ đồ nguyên lí kết nối của Arduino Uno và Arduino Ethernet shield.
4.2.1.1.2. Phần mềm
Hình 4. 8 : Lưu đồ giải thuật phần mềm Giải thích :
Đầu tiên ta kiểm tra 3 điều kiện sau:
Kiểm tra nút nhấn(kéo ra),nếu được nhấn nút thì động cơ sẽ kéo đồ ra.
Kiểm tra nút nhấn(kéo vào),nếu được nhấn nút thì động cơ sẽ thu đồ vào.
Kiểm tra cảm biến,nếu có mưa thì động cơ sẽ thu đồ vào.
Khi hát hiện trời mưa,động cơ thu đồ vào xong,tiếp tục kiểm tra điều kiện của cảm biến,nếu không mưa thì động cơ lại kéo đồ ra.
4.2.2 Khối 2: Module cảm biến mưa. 4.2.2.1 Phương án thiết kế 4.2.2.1 Phương án thiết kế
Những người thực hiện đề tài đã ìm hiểu các hệ thống điện tử phát hiện mưa chia ra làm hai loại: thứ nhất là dùng camera để nhận biết và loại thứ hai là dùng cảm biến (tương tự da của con người). Trong môi trường Arduino, bạn có thể dùng cả 2 cách trên để phát hiện mưa. Tuy nhiên, để tiết kiệm chi phí và dễ dàng trong việc lập trình, cài đặt, những người thực hiện đề tài thường chọn phương pháp thứ hai đó là sử dụng cảm biến mưa.
Hình 4. 9 : Cảm biến mưa
Mạch cảm biến mưa được đặt ngoài trời để kiểm tra trời có mưa không, qua đó truyền tín hiệu điều khiển đóng / ngắt rơ le.
Mạch cảm biến mưa gồm 2 bộ phận:
Bộ phận cảm biến mưa được gắn ngoài trời
Bộ phận điều chỉnh độ nhạy cần được che chắn
Mạch cảm biến mưa hoạt động bằng cách so sánh hiệu điện thế của mạch cảm biến nằm ngoài trời với giá trị định trước (giá trị này thay đổi được thông qua 1 biến trở màu xanh) từ đó phát ra tín hiệu đóng / ngắt rơ le qua chân D0.
Khi cảm biến khô ráo (trời không mưa), chân D0 của module cảm biến sẽ được giữ ở mức cao (5V-12V). Khi có nước trên bề mặt cảm biến (trời mưa), đèn led màu đỏ sẽ sáng lên, chân D0 được kéo xuống thấp (0V).
Mạch hoạt động với nguồn 5V. 4.2.2.2 Sơ đồ nguyên lí.
Hình 4. 10 : Sơ đồ nguyên lí 4.2.2.3 Kết nối
Chân VCC được nối với nguồn 5V của Module Arduino Ethernet Shield cung cấp nguồn cho module hoạt động.
Chân GND được nối với chân GND của Module Arduino Ethernet Shield.
Chân D0 được nối với chân số 6 (Digital) của Module Arduino Ethernet Shield.
4.2.3 Khối 3 : Khối công suất 4.2.3.1 Phương án thiết kế 4.2.3.1 Phương án thiết kế
Mạch cầu H L298N có khả năng chịu được điện áp 12V, 2A, dòng và áp này phù hợp với động cơ được lựa chọn. Module này có khả năng điều khiển 2 động cơ, điều khiển chiều thuận nghịch, điều khiển tốc độ của động cơ, giá thành phù hợp với khả năng cho phép. Ngoài ra có 4 lỗ nằm ở 4 góc của module thuận tiện cho việc cố định modue khi sử dụng.
Hình 4. 11 : Hình ảnh thực tế 4.2.3.2 Sơ đồ nguyên lí
4.2.3.3 Kết nối
Chân ENA được nối với chân Digital 5 của Arduino Ethernet Shield.Chân này cho phép điều khiển mạch cầu A gồm 2 ngõ ra OUT1 và OUT2.
Chân IN1 nối với chân Digital 2 của Arduino Ethernet Shield. Đây là chân nhận tín hiệu điều khiển từ Arduino Unno.
Chân IN2 nối với chân Digital 4 của Arduino Ethernet Shield. Đây là chân nhận tín hiệu điều khiển từ Arduino Unno.
Chân VCC nối với nguồn 12V được cung cấp từ adapter.
Chân VS nối với nguồn 5V của Arduino Ethernet Shield.
2 chân OUT1 và OUT2 nối với động cơ, 2 chân này điều khiển chế độ hoạt động cho động cơ.
4.2.4 Khối 4 : Động cơ 4.2.4.1 Phương án thiết kế
Những người thực hiện đề tài lựa chọn 2 phương án đó là sử dụng động cơ DC và động cơ DC giảm tốc hộp số vuông.
Vì yêu cầu của giàn phơi đặt ra là khi kéo đồ với một khối lượng đáng kể thì cần một động cơ khỏe, tốc độ không quá nhanh, khóa trục quay khi không cấp điện. Thiết kế nhỏ gọn, có thể đặt trong hộp điều khiển, thông số định mức phù hợp với ngõ ra điều khiển của Module mạch cầu L298N.
Do đó, những người thực hiện đề tài quyết định chọn động cơ DC giảm tốc hộp số vuông với thông số kỹ thuật công suất 20W, điện áp 12V, dòng điện nhỏ hơn 2A, tốc độ 90 vòng / phút. Cơ cấu bên trong hộp giảm tốc bằng cơ cấu trục vít nên khi không cấp điện, trục quay sẽ bị khóa.
4.2.4.2 Sơ đồ nguyên lí
Hình 4. 14 : Sơ đồ nguyên lí 4.2.4.3 Kết nối
Hai dây của động cơ nối với 2 ngõ ra điều khiển OUT1 và OUT2 của mạch cầu l298N.
4.2.5 Khối 5 : giao ti ếp thiết bị ngoại vi 4.2.5.1 Phương án thiết kế 4.2.5.1 Phương án thiết kế
Giàn phơi thông minh có thêm tính năng điều khiển qua mạng Ethernet, do đó, cần một modem mạng để có thể thực hiện điều này. Những người thực hiện đề tài đã có sẵn modem mạng lắp đặt tại nhà,nên đã chọn modem wifi cáp quang Gpon để thực hiện đề tài.
Hình 4. 15 : Modem wifi cáp quang Gpon 4.2.5.2 Kết nối
4.2.6 Khối 6 : Giao diện webserver 4.2.6.1 Yêu cầu 4.2.6.1 Yêu cầu
Yêu cầu được đặt ra là thiết kế một giao diện web đơn giản, dễ sử dụng với tất cả các đối tượng người dùng, được viết bằng ngôn ngữ HTML trong công cụ lập trình cho Arduino IDE classic version 1.0.6.Giao diện web được lập trình đáp ứng được những tính năng đặt ra của đề tài như điều khiển động cơ kéo vào, kéo ra, hiển thị trạng thái thời tiết.
4.2.6.2 Phần mềm 4.2.6.2.1 Cảm biến 4.2.6.2.1 Cảm biến
Hình 4. 16 : Lưu đồ giải thuật kiểm tra cảm biến
Giải thích : Khi thời thiết có mưa (hoặc không),hệ thống cảm biến sẽ tự động
nhận diện, gửi tín hiều về khối vi xử lí trung tâm,từ khối xử lí trung tâm gửi tín hiệu điều khiển động cơ thu đồ vào (kéo đồ ra). Người dùng có thể theo dõi trạng thái thời tiết thông qua giao diện web.
4.2.6.2.2 Nút nhấn cơ/nút nhấn giao diện web
Hình 4. 17 : Lưu đồ thuật toán nút nhấn cơ/nút nhấn trên web
Giải thích : Khi quần áo đã phơi khô xong, người dùng muốn thu đồ vào để cất hoặc thu xong rồi kéo đồ mới ra để phơi, người dùng có thể thao tác trên nút nhấn cơ gắn trên hộp điều khiển hoặc nút nhấn thông qua giao diện web, từ đó gửi tín hiều về khối vi xử lí trung tâm, từ khối xử lí trung tâm gửi tín hiệu điều khiển động cơ thu đồ vào (kéo đồ ra).
4.2.6.3.Thiết kế giao diện chính của chương trình
Sau khi nghiên cứu và tính toán những tính năng chính của giàn phơi, những người thực hiện đã phác họa ra giao diện đơn giản trên web được lập trình đơn giản bằng ngôn ngữ HTML như sau:
Hình 4. 18 : Phác họa giao diện đơn giản trên web
Hình 4. 19 : Giao diện web xây dụng trên Arduino IDE 1.0.6 Tên đề tài
Nút nhấn điều khiển kéo vào/kéo ra
Hiện thị trạng thái thời tiết(mưa/không mưa)
Hình 4. 20 : Giao diện thực tế trên giao diện điện thoại.
4.2.7 Triển khai mô hình thực tế
Hình 4. 22 : Mô hình triển khai thực tế
Các thiết bị cần thiết cho hệ thống:
Hộp điều khiển: là thiết bị chính bao gồm vi điều khiển, động cơ,có gắn nút nhấn,thiết kế hình hộp đặt và bảo vệ các thiết bị bên trong, có khóa cẩn thận.
Cảm biến mưa: đặt trực tiếp ngoài trời để có thể dễ dàng phát hiện thời tiết mưa hay không mưa
Khung giàn phơi: thiết kế bằng gỗ chắc chắn, làm giá đỡ cho thanh phơi đồ cũng như gắn các thiết bị liên quan.
Mái che đồ: che chắn hộp điều khiển cũng như che đồ khi gặp thời tiết mưa,tránh bị ướt đồ khi thu vào.
Yêu cầu kỹ thuật và trang thiết bị để phần mềm hoạt động tốt:
Khung phơi đảm bảo chắc chắn, chịu được khối lượng đồ từ 7kg đến 10kg theo thiết kế ban đầu.
Động cơ chạy chậm, khỏe đảm bảo kéo đồ ra vào một cách trơn tru.
Cảm biến hoạt động tốt, dễ dàng phát hiện thời tiết mưa hay không, từ đó hệ thống xử lí hoạt động phù hợp.
Mái che đủ rộng để che chắn hộp điều khiển cũng như che đồ tránh bị ướt khi trời mưa.
Giao diện web điều khiển qua mạng thiết kế đơn giản rõ ràng, dễ sử dụng với người dùng.
Chương 5 KẾT QUẢ
5.1 Kết quả nghiên cứu
Sau thực hiện đề tài “THIẾT KẾ GIÀN PHƠI THÔNG MINH” đề tài đã hoàn
thành các nội dung chính như sau :
Về nội dung lý thuyết :
Nắm được về cấu trúc Arduino UNO R3.
Tìm hiểu và phân tích các đặc tính kỹ thuật của Arduino UNO R3.
Trình bày các giao tiếp Arduino UNO R3 với các thiết bị ngoại vi.
Tìm hiểu về cảm biến mưa, mạch cầu L298N, công tắc hành trình, module Arduino Ethernet shield.
Về nội dung đề tài :
Tìm hiểu đặc tính các linh kiện sử dụng như: Arduino UNO R3, mạch cầu L298N, cảm biến mưa, công tắc hành trình v.v…
Thiết kế giàn phơi thông minh: cơ bản đã hoạt động tự động theo đúng yêu cầu đặt ra ban đầu và cảm biến mưa kiểm tra tốt khi thời tiết có mưa hay khô ráo, hệ thống có tính ổn định. Các nút nhấn hoạt động tốt phù hợp yêu cầu điều khiển bằng tay và giao diện webserver đảm bảo được các yêu cầu khi cần điều khiển từ xa .
5.1.1 Kết quả phần cứng :
Về phần cứng: cơ bản đã thiết kế sơ bộ được hệ thống vận hành dây truyền và ròng rọc để phục vụ hoạt động thu vào và kéo ra của giàn phơi. Phần cứng cho phép nhận biết và kiểm tra trời có mưa hay không thông qua module cảm biến mưa. Đồng thời còn có 2 nút nhấn “thu vào” và “kéo ra” để phục vụ cho điều khiển bằng tay.
Hình 5. 1 : Hình ảnh tổng thể của sản phẩm sau khi hoàn thành
Hình 5. 3 : Mặt sau của sản phẩm
Hình 5. 5 : Mặt sau của hộp điều khiển
5.1.2 Kết quả phần mềm
Về phần mềm : thiết kế được giao diện của webserver đơn giản, dễ sử dụng với người sử dụng. Dưới đây là giao diện và các tính năng.
5.1.2.1 Truy cập giao diện điều khiển Webserver
Hình 5. 7 : Truy cập địa chỉ IP của webserver
Để truy cập địa chỉ giao diện điều khiển webserver, ta chỉ cần mở một trình duyệt web phổ biến hiện nay như Google Chrome, Cốc Cốc, Internet Explorer, Firefox…v.v.
Sau đó gõ địa chỉ IP đã thiết đặt từ trước cho Arduino vào địa chỉ Address như trong hình, chúng ta đã có thể truy cập tới giao diện điều khiển của webserver như hình sau.
Hình 5. 8 : Giao diện điều khiển Webserve 5.1.2.2 Chức năng chính
Giao diện này cho phép người sử dụng có thể điều khiển dàn phơi thu vào hoặc