LCD có quá nhiều chân gây khó khăn trong quá trình kết nối và chiếm dụng nhiều chân của vi điều khiển. Module chuyển đổi I2C cho LCD sẽ giải quyết vấn đề này, thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi người dùng chỉ cần sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối. Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780 (LCD 1602, LCD 2004, …), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.
Thông số kĩ thuật
Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)
Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)
Trọng lượng: 5g
Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 3.1. Ý tưởng thiết kế
Từ những tìm hiểu về giàn phơi và các loại giàn phơi hiện nay, em xin đề xuất ý tưởng thiết kế mô hình giàn phơi cho đồ án của mình như sau:
Giàn phơi bao gồm 2 chế độ điều khiển: Chế độ điều khiển tự động và chế độ điều khiển từ xa qua internet
Với chế độ điều khiển từ xa qua internet: Sử dụng App Blynk trên điện thoại có thể điều khiển động cơ giàn phơi vào ra, điều khiển hệ thống quạt thổi khô quần áo.
Với chế độ điều khiển tự động:
o Sử dụng cảm biến cường độ ánh sáng: Ban ngày cho quần áo ra phơi, ban đêm cất quần áo vào nhà.
o Sử dụng cảm biến mưa để phát hiện trời mưa và cất quần áo kịp thời.
o Sử dụng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí để điều khiển bật tắt hệ thống thổi khô quần áo tự động.
3.2. Thiết kế sơ đồ khối
Hình 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống
Nhiệm vụ và chức năng các khối:
Khối nguồn: Cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
Khối vi điều khiển (Arduino + ESP32):
Nhận dữ liệu từ các khối cảm biến và gửi dữ liệu lên App Blynk
Xuất tín hiệu ra màn hình hiển thị thông qua giao tiếp I2C
Điều khiển hệ thống quạt, động cơ giàn phơi
Khối cảm biến:
o Sử dụng cảm biến mưa để theo dõi trời mưa;
o Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm để theo dõi nhiệt độ, độ ẩm môi trường;
o Cảm biến cường độ ánh sáng đo cường độ ánh sáng
Khối hiển thị: Sử dụng màn hình LCD để hiển thị thông tin dữ liệu cảm biến cho người dùng giám sát tại giàn phơi
Khối điều khiển động cơ và động cơ bước: Bao gồm động cơ bước và module driver điều khiển động cơ bước, nhận lệnh từ vi điều khiển để quay giàn phơi ra vào
App blynk: Điều khiển các chế độ của giàn phơi, điều khiển bằng tay theo ý định của người dùng và nhận dữ liệu cảm biến gửi lên từ giàn phơi
3.3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý
3.3.1. Khối nguồn
Khối nguồn 12V cung cấp điện cho khối thực thi và khối động cơ. Khối nguồn 12V đi qua module hạ áp LM2596 xuống 5V cung cấp điện cho các khối vi điều khiển, cảm biến mưa, cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ và khối hiển thị
Hình 3. 2: Sở đồ nguyên lý khối nguồn
3.3.2. Khối hiển thị
Khối hiển thị sử dụng nguồn 5V từ đầu ra của LM2596, sử dụng giao tiếp I2C qua 2 tín hiệu SCL và SDA kết nối tới vi điều khiển
3.3.3 Khối cảm biến
Khối cảm biến sử dụng nguồn 5V từ đầu ra của LM2596:
- Cảm biến mưa sử dụng giao tiếp qua tín hiệu MUA kết nối tới vi điều khiển
Hình 3. 4: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến mưa
- Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm sử dụng giao tiếp qua tín hiệu DHT11 kết nối tới vi điều khiển
Hình 3. 5: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến nhiệt độ
- Cảm biến cường độ ánh sáng sử dụng giao tiếp I2C qua 2 tín hiệu SCL và SDA kết nối tới vi điều khiển
Hình 3. 6: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến ánh sáng
3.3.4. Khối thực thi
khiển bật tắt qua giao tiếp kết nối tới tín hiệu QUAT với vi điều khiển
Hình 3. 7: Sơ đồ nguyên lý khối thực thi
3.3.5. Khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm sử dụng nguồn 5V từ đầu ra của LM2596, giao tiếp với các module ngoại vi.
3.3.6. Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống
Hình 3. 9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Nguyên lý hoạt động:
Sau khi cấp nguồn 12V qua JACK DC1, nguồn đi qua module hạ áp LM2596 xuống 5V cấp nguồn cho toàn bộ linh kiện trong mạch và cấp nguồn 12V cho khối thực thi và khối động cơ.
Vi điều khiển lần lượt giao tiếp lấy dữ liệu từ các cảm biến cường độ ánh sáng qua I2C, cảm biến mưa qua tín hiệu MUA, cảm biến nhiệt độ độ ẩm không khí qua DHT11 sau đó giao tiếp qua I2C hiển thị lên LCD và gửi dữ liệu thu được lên App Blynk
Khi phát hiện trời mưa từ dữ liệu thu được từ cảm biến mưa, vi điều khiển xuất tín hiệu tới module driver điều khiển động cơ để điều khiển động cơ quay giàn phơi cất quần áo vào nhà. Dựa vào cảm biến cường độ ánh sáng, nếu ban
ngày, vi điều khiển xuất tín hiệu tới module driver điều khiển động cơ để điều khiển quay giàn phơi ra ngoài trời.
Vào ban đêm, vi điều khiển xuất tín hiệu tới module driver điều khiển động cơ để điều khiển động cơ quay giàn phơi tới vị trí trong nhà. Dựa vào dữ liệu cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khi độ ẩm không khí quá ẩm, vi điều khiển xuất tín hiêu 1 tới QUAT bật quạt thổi khô.
3.4. Thiết kế mạch in
3.5. Thiết kế lưu đồ thuật toán
Các bước của thuật toán:
Bước 1: Hệ thống khởi động và khởi tạo các thanh ghi, khởi tạo LCD, khởi tạo UART, khởi tạo các biến cần dùng
Bước 2: Đọc dữ liệu các cảm biến và hiển thị dữ liệu thu được lên LCD
Bước 3: Gửi dữ liệu cảm biến lên App Blynk
Bước 4: Khởi động hệ thống với chế độ tự động
Bước 5: Nếu có tín hiệu điều khiển chuyển đổi chế độ bằng tay, hệ thống chuyển chế độ sang điều khiển bằng tay từ App Blynk. Nếu không có tín hiệu điều khiển, hệ thống kết thúc
Với chế độ tự động, hệ thống lần lượt kiểm tra các điều kiện của cảm biến.
Với trời nắng, không có mưa và quần áo đã được thu vào: ESP32 gửi dữ liệu qua UART tới Arduino để điều khiển giàn phơi ra
Với trời tối và quần áo chưa thu: ESP32 gửi dữ liệu qua UART tới Arduino để điều khiển giàn phơi vào
Với trời mưa và quần áo chưa thu: ESP32 gửi dữ liệu qua UART tới Arduino để điều khiển giàn phơi ra
Khi quần áo đã thu vào và độ ẩm không khí cao lớn hơn 90%: ESP32 gửi dữ liệu qua UART tới Arduino để điều khiển bật quạt thổi khô quần áo
Hình 3. 12: Chế độ điều khiển từ App Blynk
điều khiển của người dùng để thực thi hệ thống. Nếu lệnh điều khiển giàn phơi ra phơi, ESP32 sẽ gửi dữ liệu qua UART để điều khiển giàn phơi ra và ngược lại.
Hình 3. 13: Lưu đồ thuật toán Arudino
UART.
Nếu là tín hiệu kéo giàn phơi ra, Arduino điều khiển động cơ kéo giàn phơi ra.
Nếu là tín hiệu kéo giàn phơi vào, Arduino điều khiển động cơ kéo giàn phơi vào.
Nếu là tín hiệu bật quạt, Arduino điều khiển bật quạt.
Nếu là tín hiệu tắt quạt, Arduino điều khiển tắt quạt.
3.6. Thi công mô hình và đánh giá
3.6.1. Mạch điều khiển
Quy trình thi công mạch điều khiển:
Chuẩn bị toàn bộ linh kiện điện tử
Chuẩn bị phím đồng và gia công thủ công in mạch lên phím đồng. Mạch in 1 lớp.
Hàn header, jump kết nối lên phím đồng vừa hàn
3.2.2. Mô hình
Quy trình thi công mô hình:
Chuẩn bị linh kiện thi công mô hình: Tấm fomex, bulong, ốc vít và các phụ kiện khác
Hình 3. 16: Giao diện app Blynk
3.2. Kiểm thử và đánh giá
3.2.1. Thử nghiệm 1: Chế độ tự động thu dàn phơi khi trời mưa
Do quá trình thử nghiệm không có mưa, do đó giả lập mưa bằng cách dùng bình tưới hoa tạo phun mưa vào cảm biến. Kết quả đáp ứng của hệ thống như bảng dưới đây:
Lần thử nghiệm Kết quả Thời gian
1 Dàn phơi tự động thu vào 2 giây
2 Dàn phơi tự động thu vào 1 giây
3 Dàn phơi tự động thu vào 1.5 giây
4 Dàn phơi tự động thu vào 2 giây
5 Dàn phơi tự động thu vào 1 giây
Dựa vào bảng kết quả cho thấy chế độ tự động cất quần áo khi trời mưa hoạt động ổn định với thời gian đáp ứng từ 1 đến 2 giây.
Sự khác nhau về thời gian này do lượng nước giả lập mưa đến cảm biến khác nhau, từ đó dẫn đến thời gian đáp ứng của cảm biến mưa là khác nhau. Tuy nhiên, với thời gian đáp ứng này, hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng nhu cầu điều khiển
3.2.2. Thử nghiệm 2: Chế độ tự động phơi quần áo khi trời sáng và cất quần áo khi trời tối dựa vào cảm biến ánh sáng áo khi trời tối dựa vào cảm biến ánh sáng
Kết quả thử nghiệm được lập trong bảng dưới đây
Bảng 3. 2: Kết quả thử nghiệm 1
Buổi Lần Kết quả
Sáng 1 Dàn phơi được đưa ra ngoài trời lúc 5h sáng 2 Dàn phơi được đưa ra ngoài trời lúc 5h30 sáng Tối 1 Dàn phơi tự động thu vào lúc 18 tối
2 Dàn phơi tự động thu vào lúc 18h30 tối
Sau 4 lần thử nghiệm trong đó 2 lần vào buổi sáng và 2 lần vào buổi tối cho thấy chế độ điều khiển tự động phơi và thu dàn phơi hoạt động ổn định.
Kết quả khác nhau về thời gian do cường độ ánh sáng vào các ngày là khác nhau, kèm theo trời nhiều mây dẫn đến ảnh hưởng của ánh sáng đến cảm biến là khác nhau.
3.2.3. Thử nghiệm 3: Theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, điều khiển dàn phơi từ App Blynk Blynk
Là thử nghiệm cho việc điều khiển và giao tiếp qua App Blynk với hai tác vụ chính là điều khiển chế độ hoạt động và giám sát thông số môi trường.
- Trong thử nghiệm này khi giao tiếp với nút bấm trên trên giao diện người dùng, ngay lập tức sẽ nhận được tín hiệu phản hồi nhanh chóng, độ trễ thấp.
- Với đồ thị thể hiện giám sát nhiệt độ được truyền ổn định liên tục với mỗi chu kì 15 giây update một lần.
Thử nghiệm này được thực hiện 2 trường hợp để theo dõi thời gian đáp ứng của hệ thống:
Sử dụng Internet
Sử dụng mạng internet để tiến hành thử nghiệm 4. Kết quả như bảng dưới đây
Bảng 3. 3: Sử dụng internet
Lần
Nhiệt độ Độ ẩm Thời gian đáp
ứng chế độ điều khiển Môi trường App Blynk Môi trường App Blynk 1 20 20 70 70 0.4 giây 2 21 21 85 85 0.6 giây 3 18 18 79 79 0.3 giây 4 17 17 89 89 0.3 giây 5 23 23 90 90 0.5 giây Sử dụng sóng di động 4G
Sử dụng mạng di động 4G để tiến hành thử nghiệm 4. Kết quả như bảng dưới đây
Lần
Nhiệt độ Độ ẩm Thời gian đáp
ứng chế độ điều khiển Môi trường App Blynk Môi trường App Blynk 1 23 23 85 85 1.1 giây 2 16 16 87 87 1 giây 3 24 24 79 79 0.9 giây 4 18 18 82 82 0.8 giây 5 21 21 89 89 0.7 giây
Sau 2 trường hợp thử nghiệm:
Đánh giá tốc độ điều khiển: Tốc độ điều khiển truyền, nhận gói tin nhanh chóng và tin cậy. Thời gian đáp ứng chế độ điều khiển khi sử dụng internet nhanh hơn tốc độ đáp ứng khi sử dụng 4G.
Đánh giá về phản hồi từ client: Tín hiệu phản hồi nhanh chóng, chính xác do kích thước bản tin nhỏ.
Kiểm tra tính ổn định của hệ thống: Hệ thống hoạt động khá ổn định, ngoài ra hệ thống vẫn có thể lưu thông tin của hệ thống khi mất nguồn điện, khi có điện trở lại thì hệ thống hoạt động bình thường
3.2.3. Thử nghiệm 4: Tự động bật quạt thổi khô khi độ ẩm cao
Trong thử nghiệm này, khi độ ẩm không khí lớn hơn 90% sẽ tự động bật quạt thổi khô quần áo. Để tạo đổ ẩm trên 90%, sử dụng thổi hơi nước lạnh tạo ẩm.
Kết quả thử nghiệm như bảng dưới đây:
Bảng 3. 5: Kết quả thử nghiệm 3 Lần Độ ẩm (%) Kết quả 1 93 Quạt tự động bật 2 78 Quạt không bật 3 75 Quạt không bật 4 92 Quạt tự động bật
5 91 Quạt tự động bật
Dựa vào bảng kết quả cho thấy tính năng tự động bật quạt thổi khô khi độ ẩm cao hoạt động tốt. Khi độ ẩm trên 90%, quạt tự động bật, còn khi độ ẩm nhỏ hơn 90%, quạt không bật.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Sau thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Phạm Duy Phong và sự giúp đỡ của các thầy trong khoa Điện Tử Viễn Thông, em đã cơ bản hoàn thành Đồ án tốt nghiệp, đề tài “Nghiên cứu giải pháp tự động điều khiển giàn phơi quần áo” với các nội dung chính như sau:
1. Tìm hiểu tổng quan về Arduino: Định nghĩa, lịch sử và ứng dụng của Arduino trong đời sống
2. Tìm hiểu chi tiết về Arduino Uno được sử dụng trong đồ án
3. Tìm hiểu chi tiết các linh kiện trong hệ thống như ESP32, LCD, Các cảm biến sử dụng
4. Lên ý tưởng thiết kế chế tạo mô hình
5. Thiết kế, chế tạo thành công mô hình giàn phơi thông minh với đầy đủ các tính năng đặt ra
6. Kiểm thử hoạt động của mô hình.
Quá trình thực hiện đồ án đã giúp em nắm được các công việc cơ bản để tiến hành xây dựng, thiết kế và triển khai một mẫu sản phẩm thực tế. Đồng thời, công trình nghiên cứu này cũng giúp em củng cố lại những kiến thức chuyên ngành tích lũy được trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] https://www.slideshare.net/nataliej4/thit-k-ch-to-gin-phi-thng-minh
[2] https://thuvienmuasam.com/t/gian-phoi-thong-minh-la-gi-uu-diem-ra-sao [3] Trần Thu Hà – Trương Thị Bích Ngà – Nguyễn Thị Lưỡng – Bùi Thị Tuyết Đan– Phù Thị Ngọc Hiếu, Giáo trình Điện tử cơ bản, NXB: ĐHQG TP.HCM 2013
[4] Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Vi điều khiển, NXB: Trường ĐHSPKT TP. HCM
[5] Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Vi xử lý nâng cao, NXB: Trường ĐHSPKT TP.HCM.
[6] Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Kỹ thuật số, NXB: ĐHQG TPHCM, 2013. [7] Hoàng Ngọc Văn, Giáo trình Điện tử công suất, Trường ĐHSPKT TP.HCM, 2007.
[8] https://gianphoihoaphatchinhhang.com
https://gianphoidaiviet.vn/tim-hieu-dac-diem-cua-gian-phoi-thong-minh-gan- tuong/
PHỤ LỤC Mã code: #include <WiFi.h> #include <WiFiClient.h> #include <BlynkSimpleEsp32.h> #include <LiquidCrystal_I2C.h> #include <Wire.h> #include <DHT.h> #include <BH1750FVI.h>
// chan vi dieu khien noi voi cam bien #define DHTPIN 23