Để điều khiển được máy pha chế tự động nhóm em sử dụng module blutooth HC-05 kết nối với app được cài đặt sẵn trên điện thoại.
Người dùng sẽ điều khiển phần cứng của máy qua một ứng dụng chạy trên hệ điều hành Android. “Bạn có thể tùy chọn pha một ly đồ uống theo 3 công thức có sẵn trong ứng dụng hoặc sáng tạo loại đồ uống của riêng mình bằng cách hòa trộn tỷ lệ nguyên liệu khác nhau..
Giao diện ứng dụng Android của máy pha chế tự động có thiết kế đơn giản nhằm tiết kiệm điện năng và bộ nhớ khi dùng trên điện thoại. Màn hình chức năng hiển thị trạng thái hoạt động và có 3 nút bấm tuỳ chọn loại đồ uống yêu thích. “Tỷ lệ phần trăm các nguyên liệu tạo nên các loại đồ uống khác nhau được căn cứ theo tỷ lệ thời gian.
Hình 2.18:Thiết kế giao diện điều khiển trên điện thoại
❖ Lập trình app trên Mit app Inventer
Sau khi tạo một dự án mới, trình duyệt sẽ tự động chuyển đến cửa sổ làm việc. Có hai chế độ để làm việc, chế độ designer cho phép người dùng thiết kế giao diện ứng dụng bằng cách kéo thả các thành phần như nút nhấn, hình ảnh, thông báo… Và chế độ Blocks cho phép người dùng lập trình các hành vi của ứng dụng chẳng hạn như hiển thị thông báo khi người dùng nhấn vào một nút. Sau khi thiết kế xong giao diện, chúng ta chuyển qua chế độ blocks để lập trình hành động cho ứng dụng.
Hình 2.19: Lập trình trên Mit app Inventer
Hình 2.20: Lập trình trên Mit App Inventer
CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.1 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống
Hệ thống gồm 3 khu vực làm việc chính: khu vực cấp cốc, khu vực cấp nguyên liệu và khu vực khuấy. Ngoài ra còn có các hệ thống phụ trợ gồm: con lăn, tay quay con trượt.
Mô tả trình tự hoạt động của hệ thống: cốc sau khi được cấp vào hệ thống sẽ được bàn xoay đưa đến các vị trí được ấn định. Đầu tiên cốc sẽ di chuyển tới vị trí cấp nguyên liệu lỏng và rắn, nguyên liệu được định lượng từ trước sẽ được cấp vào cốc. Sau đó cố sẽ di chuyển tới vị trí khuấy, sau khi khuấy xong sẽ được di chuyển ra vị trí phục vụ và kết thúc 1 chu trình hoạt động.
3.1.2 Cơ cấu cấp cốc
Sử dụng cơ cấu có 2 thanh để chen vào giữa các khe cốc, tách các cốc nhựa ra với nhau để mỗi khi tách duy nhất một cốc ra khỏi ống. Sau đó qua cơ cấu đẩy để đưa cốc xuống. Giúp cấp phát cốc tự động có sẵn trong máy. Khi điều khiển 2 trục chen vào giữa các khe cốc để tách các cốc ra với nhau thì cần có sự chính xác cao để có thể 2 trục cùng vào 1 khe cốc, để mỗi khi tách duy nhất một cốc ra khỏi ống chứa.
Hình 3.2: Cơ cấu cấp cốc
1, giá đỡ 2, giá giữ cốc 3, cơ cấu đẩy cốc 4, thanh dẫn 5, trục động cơ 6, tay quay 7, sevor motor
Động cơ và trục lấy cốc: Lực tác dụng chủ yếu vào trục lấy cốc là khối lượng của chồng cốc tác dụng lên trên bề mặt cốc. Để có thể tách cốc ra khỏi nhau thì lực đẩy của động cơ phải lớn hơn lực ma sát.
Kích thước cốc cấp cho máy: chọn cốc nhựa dùng 1 lần. - Chu vi miệng lớn 7.5 cm
- Cao 9cm, miệng nhỏ 6.8 cm
- Khe hở nhỏ nhất của 2 ly chồng nhau = 4mm - Khối lượng ly khoảng 10 gam=0.01kg
a)Thiết kế trục, tai giữ và lấy ly
Khoảng cách 2 tai : 6.5 < tai < 7 cm để có thể để vừa cốc và không bị rớt cốc ta chọn khoảng cách 6.8 cm.
Hình 3.3: Kích thước cốc sử dụng
Biên dạng hình học có dạng 2 thanh thẳng song song để giữ và 1 biên dạng hình cong để nhả phôi.
Độ dày tai phải <4mm để có thể lấy từng cốc. Ta chọn độ dày 3.1 mm Hệ thống ly ta cho phép cấp khoảng 20 cốc .
Khối lượng tổng của cốc là : 20 x 0.01 =0.2kg
Trọng lượng tác dụng 1 bên thành là: 0.2 x 0.5 = 0.1 kg
Chọn vật liệu: Vì cơ cấu chịu lực nhẹ lại có cấu trúc hình học chữ u nên cần vật liệu cứng nhưng nhẹ nên ta chọn nhôm để thiết kế.
b) Tính bộ truyền
Hệ thống cấp cốc sẽ trượt trên 2 thanh trượt song song để trượt từ vị trí giữ cốc đến vị trí nhả cốc .Vì vậy nhóm sẽ chọn sử dụng cơ cấu tay quay con trượt biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.
Hình 3.5: mô phỏng hoạt động trên Geogebra classic
Quãng đường cần di chuyển để trượt từ vị trí nhả đến vị trí lúc đầu là 60mm. Từ đó ta có những thông số sau:
Tay quay quay trong bán kính 30mm Thanh truyền khoảng cách 100mm
Khoảng cách từ tay quay ở vị trí góc bằng 90 độ khoảng cách tâm quay đến tâm con trượt là 95mm
Cơ cấu sẽ được thiết kế bằng nhựa hoặc mika để cơ cấu nhẹ hơn bề mặt trơn ma sát sẽ nhỏ hơn
c) Chọn động cơ
Khi ly tác dụng lên thành tai sẽ tạo 1 momen lên 2 trục. Để chống hiện tượng xoay ta chọn động cơ có tính hãm .
Trọng lượng tác dụng lên thành 0.25kg.
Lực ma sát trượt tạo bởi thanh dẫn hướng với bộ phận cấp cốc:
𝐹𝑚𝑠𝑡 = 𝜇. 𝑁 (3-1)
Trong đó:
𝜇: hệ số ma sát trượt của nhựa là 0.08 N: Độ lớn áp lực (N=m.g)
Ta có: Fmst=𝜇. 𝑁= 𝜇. 𝑚. 𝑔=9,8.0,08.0,3=0,23 (N) Tổng lực tác dụng lên là : Ft= 0.1+0,23=0,33 (N)
Vậy momen hãm cần có trên trục là: 0,25x10 x 0,004 = 0,01 N.m
(với 0.004 là khoảng cách tai đến trục). Ta chọn Động cơ 28BYJ-498 phù hợp với thông số tính toán.
Hình 3.6: chọn Động cơ 28BYJ-498
Thông số động cơ : Mômen xoắn 34N/m Nó là một động cơ bước có các đặc điểm sau:
• Loại: động cơ bước hoặc bước đơn cực
• Giai đoạn: 4 (bước đầy đủ), vì có 4 cuộn dây bên trong. • Resistencia: 50 Ω.
• Mô-men xoắn động cơ: 34N/m tương đương với việc đặt khoảng 0.34 kg/cm lên trục của nó. Đủ để nâng bằng một ròng rọc chỉ hơn một phần tư kg.
• Tiêu thụ: 0,5A
• Số bước mỗi vòng: 8 của loại nửa bước (mỗi bước 45º)
• Hộp số tích hợp: 1/64, vì vậy nó chia mỗi bước thành 64 bước nhỏ hơn để có độ chính xác cao hơn, do đó, nó đạt 512 bước 0.7º mỗi bước. Hoặc nó cũng có thể được xem là 256 bước đầy đủ cho mỗi vòng (bước đầy đủ).
Để điều khiển được động cơ này ta cần dùng mạch đệm ULN2003 với ưu điểm nhỏ gọn, có sẵn mạch đệm cho động cơ, thích hợp dùng cho những ai mới làm quen với động cơ bước, từ đây sẽ hiễu rõ hơn về cấu tạo cũng như phương thức điều khiển của động cơ.
Thông số kỹ thuật:
Mạch đệm ULN2003:
• Điện áp cung cấp: 5 ~ 12VDC.
• Tín hiệu ngõ vào: 4 chân in1, in2, in3, in4.
• Tìn hiệu ngõ ra: Jack cắm động cơ bước 28BYJ-48. • 4 led hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ.
3.1.3 Cơ cấu quay cấp nguyên liệu
❖ Cấp nguyên liệu rắn
Nguyên liệu rắn khó bảo quản, rất dễ ẩm mốc nên nếu bảo quản không tốt thì thời gian sử dụng ngắn, không đảm bảo chất lượng sản phẩm. Cơ cấu cấp bột cần được thiết kế khoa học và chế tạo chính xác để máy hoạt động hiệu quả hơn.
Nguyên liệu được người dùng cấp vào khay đựng nguyên liệu,1 servo được gắn vào trục của lắp xả nguyên liệu, thông qua relay đóng tắt để điều khiển servo quay đóng mở lắp xả nguyên liệu xuống.
Hình 3.7: Cơ cấu cấp nguyên liệu rắn
Động cơ bước được gắn với lắp xả nguyên liệu. Trọng lượng của nguyên liệu tác động trực tiếp đến động cơ. Vì vậy momen của động cơ phải lớn hơn lực tác động.
Giả sử: trọng lượng của nguyên liệu là m=1kg Bán kính lắp xả nguyên liệu: r=3cm 𝐹 = 𝑚. 𝑎 = 1.9,8 = 9,8 (𝑁) (3-2) => áp lực tác dụng lên lắp xả là: 𝑃 = 𝐹. 𝑆 (3-3) o P: áp xuất o S: diện tích mặt chịu lực
o F: lực ép lên diện tích chịu lực
𝑃 = 𝐹. 𝑆 = 9,8. 𝜋. 0,032 = 0,028 (𝑁/𝑚2) Momen quay của động cơ:
𝑀 = 𝐹. 𝑑 (3-4)
o F: lực tác dụng (N)
o d: khoảng cách tâm quay đến giá của lực
𝑀 = 𝐹. 𝑑 = 9,8.0,03 = 0,294 (𝑁. 𝑚) Ta chọn Động cơ 28BYJ-498 có thông số :
• Mômen xoắn : 34 N.m ❖ Cấp nguyên liệu lỏng
Để cấp được nguyên liệu lỏng ta sử dụng bơm mini bơm nguyên liệu từ các bình chứa vào cốc.
Hình 3.8: Bơm nước mini
• Điện áp sử dụng: 3~5VDC.
• Dòng điện sử dụng: 100~200mA. • Lưu lượng bơm: 1,2~1,6L / 1 phút. • Đường kính ngoài ống dẫn: 7.5mm • Kích thước: 24 x 45 mm
• Trọng lượng: 28g
Thời gian để bơm chất lỏng vào cốc là: 𝑇 = 𝑉
𝑄
(3-5)
Trong đó:
T: thời gian để bơm đầy chất lỏng vào cốc (s) V: thể tích của cốc (ml)
Q: lưu lượng của bơm (ml/s)
Do sử dụng cốc có dung tích là 200 ml, ta có thời gian để bơm được 70% dung tích cốc tại 5VDC là:
𝑇 = 0,7 × 200 × 60
1600 = 5,25(𝑠)
Thời gian để bơm đủ chất lỏng tại 3VDC là: 𝑇 = 0,7 × 200 × 60
1200 = 7(𝑠)
3.1.4 Cơ cấu khuấy
Hình 3.9: Cơ cấu khuấy
1, sevor motor 2, tay quay 3, trục động cơ 4, thanh dẫn
5, thanh trượt dẫn hướng 6, giá giữ bộ phân khuấy 7, cơ cấu khuấy
Cấu tạo gồm 2 bộ phận chính là: Cơ cấu tay quay-con trượt và motor khuấy. Cơ cấu tay quay con trượt gồm 1 bàn xoay, xoay quanh con trục cố định và 1 con trượt trượt trên giá đỡ. Cơ cấu tay quay con trượt bản chất là biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, giúp motor khuấy có thể đi lên hoặc hạ xuống tuỳ ý.
Motor khuấy được gắn liền với 1 đầu của con trượt, khi con trượt đi xuống motor khuấy sẽ thực hiện nhiệm vụ hoà tan nguyên liệu trong cốc.
Động cơ đầu khuấy :
Hình 3.10: Đầu khuấy nối với động cơ
Cách nối giữa đầu khuấy và động cơ:
Đầu khuấy cần quay tốc độ chậm, momen cần không quá lớn để tránh làm cà phê văng ra ngoài. Để cơ cấu đơn giản, gọn nhẹ ta gá động cơ khuấy với đầu khuấy bởikhớp nối.Tức tỉ truyền ở đây là 1:1.Ta chọn động cơ vàng gắn sẵn giảm tốc có thông số như sau :
• Tỉ số truyền: 1:48 • Moment:0,8N/cm
Hình 3.11: Động cơ khuấy
Bộ phận di chuyển đầu khuấy:
Sử dụng bộ truyền động tay quay con trượt biến chuyển động quay của thành chuyển động tịnh tiến của thanh răng, từ đó kéo theo sự hoạt động của các bộ phận khác trong cơ cấu.
Tỷ số truyền dự kiến của cơ cấu: 𝑖 = 𝑛ⅆ𝑐
𝑛𝑐𝑡
(3-6)
ndc: số vòng quay của động cơ nct: công suất làm việc
𝑖 = 𝑛ⅆ𝑐 𝑛𝑐𝑡 = 𝑛ⅆ𝑐 𝑣𝑐𝑡 = 2𝜋𝑟 60 = 2𝜋 × 9,5 60 ≈ 1
Hành trình tối đa của tay khuấy là 9,5cm nên nó cũng là hành trình của thanh trượt.
Để đầu khuấy có thể di chuyển lên xuống được thì lực quay của động cơ phải lớn hơn lực ma sát của con trượt với thanh trượt và trọng lượng của đầu khuấy.
Tại điểm quay được gắn 1 động cơ bước để dịch chuyển cơ cấu lên xuống tự động. Lực tác dụng chủ yếu là lực kéo theo phương thẳng đứng của cơ cấu nên trục quay.
Ta có công thức:
F = m. a (3-7)
a: gia tốc trọng trường ( lấy 9,8m/s2) Vậy lực tác dụng lên trục bằng:
𝐹 = 0,2.9,8 = 1,96 (𝑁)
Momen quay của động cơ: M=F.d= 1,96.0,95=1,826 (N.m)
Động cơ bước 28BYJ-498 vẫn đáp ứng được thông số tính toán nên ta sử dụng nó.
3.1.5 Cơ cấu bàn xoay
Hình 3.12: Cơ cấu bàn xoay
1, bàn quay
2, bộ phận giữ cốc 3, puly
4, trục động cơ 5, sevor motor
6, cơ cấu dẫn hương bàn xoay
Các cốc được bố trí theo dạng hình tròn của tấm đỡ, và có ổ bi hình trụ ở giữa có thể quay tròn giúp điều khiển vị trí các cốc.
Để bàn dẫn cốc có thể di chuyển được thì lực quay của động cơ phải lớn hơn lực ma sát giữa ly và sàn.
Các thành phần lực tác dụng lên tay dẫn ly: N: là phản lực từ tay chuyển ly.
Fms: là lực ma sát. P: là lực tạo từ ly. F: là lực kéo
Bỏ qua tất cả các tác dụng phụ khác, chỉ tính đến ma sát ta có:
𝐹𝑚𝑠 = 𝜇. 𝑚. 𝑔 (3-8)
Ly chứa có dung tích khoảng 200 ml, trọng lượng bàn chuyển ly tầm 0,4 kg (chọn vật liệu bằng mica nhẹ dễ gia công ) nên trọng lượng tương đương là: m = 0,6 kg. Lấy g=9,8. Ma sát giữa vật bằng nhựa trơn bóng và mica ta lấy =0.2
Vậy lực ta có ma sát là : Fmsly = 0,2.0,6.9,8= 1,176 ( N )
Khoảng cách từ tâm cốc đến trục là <100mm (bán kính đĩa chia độ là 200mm)
Vậy momen tác dụng của động cơ là: Mdc=1,176.0,1=0,1176 N.m
Ta chọn động cơ bước Động cơ 28BYJ-48, điện áp hoạt động: 5V và 12V
Hình 3.13: Vị trí đặt con lăn
Do cốc được làm bằng nhựa, khối lượng không đáng kể vì vậy khi cấp nguyên liệu vào cốc sẽ làm cho cốc bị lệch khỏi vị trí và rơi ra ngoài. Nhóm đề tài đã thiết kế thêm bộ phận hấng ly, tác dụng giúp ly được cố định khi rơi xuống và không bị đổ khi cấp nguyên liệu.
Khi cấp nguyên liệu xuống cốc, khối lượng của nguyên liệu sẽ dồn về một góc của bàn chia xoay sử dụng lâu dài sẽ dẫn đến lệch trục, không cân trục. Để giải quyết vấn đề này, nhóm đã thiết kế các con lăn được đặt dưới vị trí các cốc, nhằm chịu lực giúp bàn xoay không bị lệch.
Các con lăn sẽ được gắn các vòng bi và được cố định trục trong, mặt ngoài vòng bi đỡ lấy mặt dưới của bàn chia độ, khi bàn quay xoay thì các vòng bi cũng xoay theo giúp cốc di chuyển dễ dàng.
3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển Thiết kế sơ đồ điện của hệ thống Thiết kế sơ đồ điện của hệ thống
Hình 3.14: Sơ đồ mạch điện của hệ thống
Hệ thống điện của Máy pha chế tự động được chia thành các mục nhỏ gồm:
- Khối cấp nguồn: 5v,9v,12v.
- Khối đầu vào: cảm biến, relay, module HC-05. - Khối đầu ra: động cơ bước, động cơ DC, bơm nước
Lưu đồ thuật toán
Hình 3.15: Lưu đồ thuật toán hệ thống
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.16: sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống gồm các bộ phận: 1)Cơ cấu cấp ly 2)Cơ cấu cấp liệu rắn
3)Cơ cấu cấp nguyên liệu lỏng 4)Cơ cấu bàn xoay
5)Cơ cấu khuấy
3.3 Thiết kế hệ thống điện- điện tử cho hệ thống 3.3.1 Tổng quan về hệ thống điện 3.3.1 Tổng quan về hệ thống điện
Hình 3.17: Tổng quát hệ thống điện
Hệ thống điện của Máy pha chế tự động được chia thành các mục nhỏ gồm:
- Khối cấp nguồn: 5v,9v,12v.
- Khối đầu vào: cảm biến, relay, module HC-05. - Khối đầu ra: động cơ bước, động cơ DC, bơm nước.
3.3.2Hệ thống điện đầu vào
❖ Đấu nối module HC-05 với Arduino
Để kết nối điều khiển được arduino thông qua điện thoại ta cần dùng modul blutooth HC-05.
Modul HC-05 gồm 3 chấn: VCC, GND và chân out kết nối với 3 chân Arduino 5v, GND và chân 4 của arduino.
Hình 3.18: Sơ đồ nối chân của arduino với HC-05
❖ Đấu nối cảm biến với arduino
Hệ thống sử dụng cảm biến hồng ngoại: là một thiết bị điện tử có khả năng đo và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh.