Cảm biến Hall

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3. Arduino Mega2560 và các linh kiện điện tử liên quan

2.3.5. Cảm biến Hall

Với mục đích mơ phỏng và thi cơng hệ thống nhớ vị trí ghế, nhóm chúng em chọn cảm biến Hall để xác định từ tính của nam châm (nam châm này được đặt trên đường truyền mơ tơ tiến lùi), qua đó nhóm chúng em sẽ lập trình đọc giá trị điện áp đầu ra của cảm biến Hall – đó chính là cơ sở chính phục vụ cho việc mô phỏng và thi công hệ thống nhớ vị trí ghế của nhóm.

2.3.5.1. Cảm biến Hall là gì?

Cảm biến Hall là loại cảm biến dùng để phát hiện từ tính của nam châm để đo độ lớn của từ trường. Điện áp đầu ra của nó tỷ lệ thuận với cường độ từ trường qua nó.

Cảm biến hiệu ứng Hall được sử dụng cho các ứng dụng phát hiện độ gần, định vị, phát hiện tốc độ và cảm biến hiện tại.

Hình 2.41. Cảm biến Hall

2.3.5.2. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến Hall

• Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vng góc lên một thanh Hall đang có dòng điện chạy qua.

• Khi dòng điện chạy qua vật liệu dẫn điện, các electron di chuyển theo một đường thẳng.

• Đặt vật liệu trong từ trường và cho dòng điện chạy qua. Một lực tác dụng lên chúng làm cho chúng lệch khỏi đường thẳng ban đầu.

• Nhìn chung, trong ví dụ này dòng electron sẽ bị uốn cong như hình 2.42.

• Với nhiều electron hơn ở bên phải của vật liệu và nó tạo nên sự khác biệt về hiệu điện thế giữa hai bên. Độ lớn của hiệu điện thế này tỉ lệ thuận với độ lớn của dòng điện và cường độ từ trường.

38

Hình 2.42. Electrol bị uốn cong

2.4. Các phần mềm hỗ trợ thiết kế

2.4.1. Phần mềm thiết kế 2D AUTOCAD

Hình 2.43. Giao diện sử dụng của Autocad

Để phác thảo ý tưởng thiết kế, nhóm chúng em sử dụng phần mềm AUTOCAD để hỗ trợ về mặt thiết kế sơ bộ phần khung cho mơ hình ghế điện. AUTOCAD được phát triển và ứng dụng phổ biến trong các nghành chế tạo máy, xây dựng, công nghiệp,…

Nhờ tính tiện dung trong các nghành sử dụng bản vẽ thiết kế 2D thậm chí là 3D. AUTOCAD giúp giải quyết 1 cách nhanh gọn các vấn đề liên quan tới thiết kế, mô phỏng kết cấu, kiến trúc,….

39

2.4.2. Phần mềm thiết kế 3D SOLIDWORKS

Hình 2.44. Giao diện sử dụng của phần mềm SOLIDWORKS

Để thiết kế mơ phỏng mơ hình từ bản vẽ 2D, nhóm chúng em sử dụng phần mềm thiết kế 3D SOLID trong các ngành kỹ thuật, công nghiệp. SOLIDWORKS được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các ngành khác như: đường ống, kiến trúc, nội thất, xây dựng...

Nhờ tính năng thiết kế 3D mạnh mẽ và danh mục các giải pháp hỗ trợ đa dạng. Các dịng sản phẩm phân tích, mơ phỏng của SOLIDWORKS giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến lắp ghép, truyền động, động học (motion), độ bền, ứng suất, mô phỏng dòng chảy và áp suất….

2.4.3. Phần mềm thiết kế mô phỏng mạch điện PROTEUS 8

Trong quá trình lập trình và thiết kế mạch đánh pan, nếu thực hiện luôn trên mạch Arduino thật sẽ tốn thời gian lắp mạch và nếu có sai sót bị hư mạch thì sẽ tốn kém chi phí. Do đó nhóm chúng em đã sử dụng phần mềm mô phỏng Proteus 8. Tuy phần mềm mô phỏng này chưa chính xác hồn tồn tuyệt đối nhưng cũng giúp ích rất nhiều cho việc thiết kế, mô phỏng các mạch điện trên mặt lí thuyết.

40

Hình 2.45. Phần mềm Proteus

Phần mềm vẽ Proteus là phần mềm vẽ mạch điện tử được phát triển bởi công ty Lancenter Electronics. Phần mềm có thể mơ tả hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng hiện nay.

Proteus có khả năng mô phỏng hoạt động của các mạch điện tử bao gồm phần thiết như kế mạch và viết trình điều khiển cho các loại vi điều khiển như MCS-51, AVR, PIC… Có 2 chương trình trong phần mềm đó là ARES dùng trong vẽ mạch in và ISIS sử dụng cho mơ phỏng mạch. Trong 2 chương trình này thì nhóm chủ yếu sử dụng ISIS, với khả năng mô phỏng hoạt động của các vi điều khiển mà không cần dùng thêm bất kỳ một phần mềm phụ trợ nào khác.

Hình ảnh mạch điện được tạo bởi ISIS rất đẹp và dễ nhìn, cho phép tùy chọn các đường nét, các màu sắc mạch điện hoặc các thiết kế theo các templates. Ngồi ra phần mềm mơ phỏng mạch của Protues có khả năng sắp xếp các đường mạch và vẽ điểm giao mạch tự động.

41

Hình 2.46. Giao diện người dùng Proteus 8

2.5. Các phần mềm hỗ trợ viết thuật toán 2.5.1. Arduino IDE 2.5.1. Arduino IDE

Nhóm sử dụng phần mềm Arduino IDE để viết chương trình thuật tốn và xuất file hex để nạp vào phần mềm mô phỏng mạch Proteus 7. Sau đây là một số thơng tin cơ bản nhóm chúng em tìm hiểu về Arduino IDE.

2.5.1.1. Sơ lược về Arduino IDE

Arduino IDE là một phần mềm mã nguồn mở chủ yếu được sử dụng để viết và biên dịch mã vào module Arduino. Nó có các phiên bản cho các hệ điều hành như MAC, Windows, Linux và chạy trên nền tảng Java đi kèm với các chức năng và lệnh có sẵn đóng vai trò quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong mơi trường.

Có rất nhiều các module Arduino như Arduino Mega 2560, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro và nhiều module khác. Mỗi module chứa một bộ vi điều khiển trên board mạch được lập trình và chấp nhận thơng tin dưới dạng mã. Mã chính, còn được gọi là sketch, được tạo trên nền tảng IDE sẽ tạo ra một file Hex, sau đó được chuyển và tải lên trong bộ điều khiển trên bo.

Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần cơ bản: trình chỉnh sửa và trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã được yêu cầu và phần sau được sử dụng để biên dịch và tải mã lên module Arduino.

42

Hình 2.47. Giao diện Arduino IDE

2.5.1.2. Cách Arduino IDE hoạt động

Khi chúng ta viết mã và biên dịch, IDE sẽ tạo file Hex cho mã. File Hex là các file thập phân Hexa được Arduino hiểu và sau đó được gửi đến board mạch bằng cáp USB. Mỗi bo Arduino đều được tích hợp một bộ vi điều khiển, bộ vi điều khiển sẽ nhận file hex và chạy theo mã được viết.

2.5.1.3. Thư viện

Các thư viện rất hữu ích để thêm chức năng bổ sung vào module Arduino. Có một danh sách các thư viện chúng ta có thể thêm bằng cách nhấp vào nút Sketch trong thanh menu và đi tới Include Library.

Khi nhấp vào Include Library và thêm thư viện tương ứng, nó sẽ xuất hiện trên đầu sketch với ký hiệu #include. Hầu hết các thư viện đều được cài đặt sẵn và đi kèm với phần mềm Arduino. Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể tải xuống từ các nguồn bên ngồi.

43

Hình 2.48. Thư viện

2.5.1.4. Chọn board

Để tải sketch lên, chúng ta cần chọn board mạch phù hợp mà chúng ta đang sử dụng và các cổng cho hệ điều hành đó. Chỉ cần nhấp vào Tool trên Menu, đi tới phần Board và chọn bo chúng ta muốn làm việc. Tương tự, COM1, COM2, COM4, COM5, COM7 hoặc cao hơn được dành riêng cho board Serial và board USB. Chúng ta có thể tìm thiết bị serial USB trong phần cổng của Windows Device Manager.

Sau khi lựa chọn chính xác cả Board mạch và Cổng Serial, nhấp vào nút Verify và sau đó là nút Upload xuất hiện ở góc trên bên trái của phần sáu nút hoặc chúng ta có thể chuyển đến phần Sketch và nhấn verify/compile rồi tải lên.

Sketch được viết trong trình soạn thảo văn bản và sau đó được lưu với phần mở rộng tệp .ino.

2.5.1.5. Bootloader

Khi chúng ta đi đến phần Tool, sẽ tìm thấy Bootloader ở cuối. Việc ghi mã trực tiếp vào bộ điều khiển sẽ rất hữu ích, khơng cần phải mua ổ ghi bên ngồi để ghi mã. Khi mua module Arduino mới, bootloader đã được cài đặt bên trong bộ điều khiển. Tuy nhiên, nếu chúng ta định mua một bộ điều khiển và đặt vào module Arduino, thì cần ghi lại Bootloader bên trong bộ điều khiển bằng cách chuyển đến phần Tools và chọn Burn Bootloader.

2.5.1.6. Mô phỏng Arduino trên Proteus

Để mô phỏng Arduino thơng qua Proteus, chúng ta cần có các bước cơ bản như sau: • Đầu tiên là cài đặt thư viện Arduino cho Proteus

44 • Xuất file hex từ phần mềm Arduino IDE

• Click đúp chuột vào board Arduino trong Proteus để chọn file hex vừa xuất • Chạy Proteus và kiểm tra kết quả

2.5.2. Microsoft Visual Studio Code (MVSC)

Hình 2.49. Giao diện gõ thuật toán của MVSC

Visual Studio Code (VS Code hay VSC) là một trong những trình soạn thảo mã nguồn phổ biến nhất được sử dụng bởi các lập trình viên. Nhanh, nhẹ, hỗ trợ đa nền tảng, nhiều tính năng và là mã nguồn mở chính là những ưu điểm vượt trội khiến VS Code ngày càng được ứng dụng rộng rãi.

• Visual Studio Code hỗ trợ nhiều ngơn ngữ lập trình như C/C++, C#, F#, Visual Basic, HTML, CSS, JavaScript, … Vì vậy, nó dễ dàng phát hiện và đưa ra thơng báo nếu chương chương trình có lỗi.

• Visual Studio Code có thể hoạt động tốt trên cả ba nền tảng Windows hoặc Linux hoặc Mac Systems.

45 • Đi kèm với sự phát triển của lập trình là nhu cầu về lưu trữ an toàn. Với Visual Studio Code, người dùng có thể hồn tồn n tâm vì nó dễ dàng kết nối với Git hoặc bất kỳ kho lưu trữ hiện có nào.

• Visual Studio Code hỗ trợ nhiều ứng dụng web. Ngồi ra, nó cũng có một trình soạn thảo và thiết kế website.

• Một số đoạn code có thể thay đổi chút ít để thuận tiện cho người dùng. Visual Studio Code sẽ đề xuất cho lập trình viên các tùy chọn thay thế nếu có.

• Visual Studio Code: nó có thể phát hiện nếu bất kỳ đoạn mã nào không đầy đủ. Thậm chí, khi chúng ta qn khơng khai báo biến, Intellisense sẽ tự động giúp chúng ta bổ sung các cú pháp còn thiếu.

Nhóm chúng em sử dụng thêm VSC để viết thuật tốn bởi sự thuật tiện của nó, ngồi những tính năng cơ bản như trên thì VSC còn có thể liên kết với Arduino IDE để nhóm có thể viết thuật tốn với giao diện dễ nhìn hơn, dễ dàng kiểm soát lỗi với sự hỗ trợ từ phần mềm. Do có thể liên kết với Arduino IDE nên khi lưu thuật tốn trong q trình viết nó sẽ đồng bộ sang Arduino IDE, từ đó chỉ cần Verify để xuất file hex sang board Arduino mô phỏng bằng Proteus.

2.6. u cầu về mơ hình giảng dạy

Về thiết kế, mơ hình giảng dạy ghế điện cần đáp ứng những yêu cầu cơ bản sau: • Mơ hình đạt u cầu về mặt thiết kế trên bản vẽ và độ chính xác cao.

• Tính tiện dụng trong q trình sử dụng, dễ dàng vận chuyển vào lớp học. • Đủ chắc chắn về kết cấu nhưng vẫn đảm bảo tính thẩm mĩ.

• Thiết kế phù hợp với nhu cầu học trực tiếp trên bàn của sinh viên.

• Thiết kế bố trí các giắc cắm, cơng tắc, relay, cầu chì và các chi tiết trên bảng điều khiển đảm bảo tính thuận tiện trong q trình học và sử dụng.

46

Chương 3. THIẾT KẾ, THI CƠNG MƠ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM 3.1. Thiết kế mơ hình giảng dạy ghế điện

3.1.1. Ý tưởng về mơ hình

Mơ hình ghế điện có lẽ đã xuất hiện nhiều từ những đề tài dưới với sự hướng dẫn của thầy Lê Quang Vũ, thầy Vũ Đình Huấn. Nhưng nhận ra vấn đề về sự di chuyển khá bất tiện, thêm vào đó là những mơ hình ghế trước đều chưa có nhớ vị trí ghế, hoặc nếu có thì cũng khơng phải là mơ hình giảng dạy hồn chỉnh. Từ đó nhóm chúng em đã nảy ra ý tưởng làm một mô hình giảng dạy với thiết kế phù hợp với sự di chuyển vào lớp và bảo quản dễ dàng hơn về sau.

Ngay từ những ngày đầu, với việc xem xét những phiên bản mơ hình ghế điện đã có từ trước và tham khảo những nguồn trên internet, nhóm chúng em đã có ý định sẽ làm mơ hình ghế điện dạng đứng và có thể đặt ở trên bàn để phù hợp với việc giảng dạy của giảng viên.

Hình 3.1. Những mẫu mơ hình tham khảo ở xưởng điện và từ internet

Nhóm đã lên ý tưởng thiết kế mơ hình kiểu đứng với bố trí bảng điều khiển chính dạng dọc theo bên hông ghế điện và bảng điều khiển phụ phía trước ghế (phần 1 và 2 hình 3.2).

Mục đích thiết kế dọc bên hơng ghế thay vì ở phía trước để đảm bảo khi sử dụng sinh viên hoặc giảng viên đều có thể đứng gần ghế điện và bảng điều khiển nhất có thể, tránh

47 việc quan sát các bộ phận của ghế bị khó khăn và vướng. Vấn đề thứ 2 và cũng có lẽ là vấn đề nhóm em mong muốn đó là việc làm một mơ hình mang một thiết kế có tính sáng tạo hơn, khác những mơ hình trước đó những vẫn đảm bảo sự phù hợp về thiết kế và bố trí, thuận tiện cho giảng viên và sinh viên.

Hình 3.2. Vị trí các phần trên khung mơ hình ghế theo thiết kế

Sau khi tham vấn nhu cầu của giảng viên hướng dẫn là mong muốn đặt được mơ hình lên bàn để giảng dạy và cũng như sinh viên có thể làm các bài tập thực hành ở trên bàn thì nhóm em đã bàn bạc lại và quyết định rút ngắn chiều cao của mơ hình đã thiết kế ban đầu để phù hợp với nhu cầu thực tế đó hơn. Bên dưới là bản thiết kế hồn chỉnh phần khung mơ hình 3D bằng SOLIDWORKS với các thơng số như hình 3.4.

48

Hình 3.4. Bản thiết kế khung 3D của mơ hình

3.1.2. Thiết kế các bảng điều khiển và bảng ghi chú.

Sau khi lên ý tưởng thiết kế, nhóm đã đo đạc các thơng số linh kiện cần thiết để thiết kế bảng điều khiển với các bố trí gọn gàng, tiện lợi trong quá trình sử dụng cho giảng viên cũng như sinh viên trong quá trình giảng dạy và học tập.

Bảng điều khiển phía trước ghế, tương ứng với phần 1 (hình 3.2), bao gồm: • Tên mơ hình

• Bảng tên

• 3 đèn tín hiệu, 1 LCD và 5 cơng tắc đánh pan

49

Hình 3.6. Bảng điều khiển chính phía bên hơng ghế

Bảng điều khiển chính phía bên hơng ghế, bao gồm: • Các cơng tắc pan test

• Cơng tắc nhớ vị trí ghế, cơng tắc khố K

50

Hình 3.7. Bảng ghi chú

Bảng ghi chú bao gồm:

• Các lưu ý quan trọng bên trái • Tên các pan test phía bên phải

Sau khi thiết kế mơ hình khung ghế và các bảng điều khiển ghế xong, chúng ta được mơ hình hệ thống ghế hồn thiện như hình dưới.

51

3.1.3. Tổng quan về mơ hình hệ thống

Sau khi tham khảo ý kiến của GVHD, cùng với ý tưởng của nhóm, nhóm chúng em đã lên phương án xây dựng mơ hình hệ thống bao gồm những phần chính sau:

1.Vi điều khiển trung tâm (Arduino).

2.Bộ phận điều khiển và cơ cấu chấp hành (Công tắc chỉnh ghế và mô tơ). 3.Bộ phận gửi tín hiệu (Pan, test Pan, cảm biến Hall).

4.Bộ phận xuất tín hiệu (Màn hình LCD, led tín hiệu).

Hệ thống mơ hình giảng dạy ghế điện của nhóm sẽ cung cấp các ứng dụng vào bài thực hành cho sinh viên và giảng viên như:

• Đèn led đỏ sáng và hiển thị thông báo lên màn LCD nếu có lỗi đánh pan. • Đèn led vàng sáng lên 3 giây với mỗi pan được sửa đúng.

• Đèn led xanh sáng và điển thị thơng báo lên màn LCD nếu lỗi được sửa đúng hết bằng pan test.

• Đánh nhiều pan cùng lúc đều được.

• Mỗi lần sửa sai lỗi bằng pan test, đèn vàng sẽ không sáng.