CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MƠ HÌNH
4.1 Quy trình thực hiện
Để xây dựng hệ thống khử trùng bằng tia cực tím đảm bảo các yêu cầu đề ra, ta tiến hành thực hiện theo các bước sau:
Bước 1: Tìm và lựa chọn thiết bị phù hợp, đảm bảo về chất lượng và tối ưu chi phí Bước 2: Lựa chọn phần mềm, ứng dụng điều khiển đơn giản, dễ sử dụng
Bước 3: Lắp đặt hệ thống phần cứng Bước 4: Lập trình điều khiển arduino
Bước 5: Kết nối và thiết lập hệ thống với ứng dụng blynk Bước 6: Chạy thử và hoàn thiện
4.2 Lựa chọn thiết bị
4.2.1 Đèn tia UV
Đèn UV hay đèn cực tím là dụng cụ được ứng dụng rộng rãi trong ngành y tế, dược phẩm, thực phẩm nhằm mục đích diệt vi khuẩn có hại, chống lại các vi khuẩn nguy hiểm.
Chức năng: Diệt sạch mạt bụi, mạt bụi là những sinh vật nhỏ bé không thể nhìn thấy bằng mắt thường, trên giường, gối, ghế sofa, thảm, chúng ở khắp mọi nơi trong nhà và gây ra nhiều tác hạ, mạt bụi cắn người làm cho da ngứa và đỏ da, khiến mọi người khơng thể ngủ và khó chịu. Đèn UV này có thể dễ dàng tiêu diệt vi khuẩn bao gồm: nấm mốc, Staphylococcus aureus, E.coli, Pet parvovirus, virus cúm,... Ánh sáng từ đèn cực tím sẽ phá vỡ chúng thành nước và oxy. Đèn này có thể loại bỏ mùi giống như mùi Smoky trong nhà bếp, mùi mốc trong phịng ngủ và mùi hơi trong nhà vệ sinh, hộp giày, tủ lạnh, thùng rác,... Tia UV-C có thể tiêu diệt vi khuẩn. gây ra mùi, và ozone sẽ nhanh chóng tiêu diệt và phân hủy oxy hóa các chất hữu cơ hoặc vơ cơ Làm sạch khơng khí: Có thể phá vỡ các chất nhỏ trong khơng khí, giảm các chất gây dị ứng có thể gây hen suyễn và dị ứng, làm cho khơng khí trong lành hơn.
25
Đèn UV hay đèn cực tím là dụng cụ được ứng dụng rộng rãi trong ngành y tế, dược phẩm, thực phẩm nhằm mục đích diệt vi khuẩn có hại, chống lại các vi khuẩn nguy hiểm.Chức năng: Diệt sạch mạt bụi, mạt bụi là những sinh vật nhỏ bé khơng thể nhìn thấy bằng mắt thường, trên giường, gối, ghế sofa, thảm, chúng ở khắp mọi nơi trong nhà và gây ra nhiều tác hạ, mạt bụi cắn người làm cho da ngứa và đỏ da, khiến mọi người khơng thể ngủ và khó chịu. Đèn UV này có thể dễ dàng tiêu diệt vi khuẩn bao gồm: nấm mốc, Staphylococcus aureus, E, Pet parvovirus, virus cúm, Ánh sáng từ đèn cực tím sẽ phá vỡ chúng thành nước và oxy. Đèn này có thể loại bỏ mùi giống như mùi Smoky trong nhà bếp, mùi mốc trong phịng ngủ và mùi hơi trong nhà vệ sinh, hộp giày, tủ lạnh, thùng rác, tia UV-C có thể tiêu diệt vi khuẩn. gây ra mùi, và ozone sẽ nhanh chóng tiêu diệt và phân hủy oxy hóa các chất hữu cơ hoặc vơ cơ Làm sạch khơng khí: Có thể phá vỡ các chất nhỏ trong khơng khí, giảm các chất gây dị ứng có thể gây hen suyễn và dị ứng, giết chết các chất gây cảm lạnh, sán, dị ứng, nhiễm trùng xoang, làm cho khơng khí trong lành hơn.
26
4.2.2 ESP8266
ESP8266 là một hệ thống trên chip (SoC), do công ty Espressif của Trung Quốc sản xuất. Nó bao gồm bộ vi điều khiển Tensilica L106 32-bit (MCU) và bộ thu phát Wi-Fi. Nó có 11 chân GPIO (Chân đầu vào / đầu ra đa dụng) và một đầu vào analog, có nghĩa là bạn có thể lập trình nó giống như với Arduino hoặc vi điều khiển khác. Bản thân chip ESP8266 có 17 chân GPIO, nhưng 6 trong số các chân này (6- 11) được sử dụng để giao tiếp với chip nhớ flash trên bo mạch. Ngồi ra nó có kết nối Wi-Fi, vì vậy ta có thể sử dụng nó để kết nối với mạng Wi-Fi, kết nối Internet, lưu trữ máy chủ web với các trang web thực, để điện thoại thông minh của bạn kết nối với nó, ... Khả năng là vơ tận! Khơng có gì lạ khi con chip này đã trở thành thiết bị IoT phổ biến nhất hiện có.
Có nhiều module khác nhau của nó, các module độc lập như dịng ESP - ## của AI Thinker hoặc các bộ phát triển hoàn chỉnh như NodeMCU DevKit hoặc WeMos D1. Các bo mạch khác nhau có thể có các chân cắm khác nhau, có ăng-ten Wi-Fi khác nhau hoặc dung lượng bộ nhớ flash khác nhau trên bo mạch.
Hình 4. 2 ESP8266
ESP8266 có thể được dùng làm module Wifi bên ngoài, sử dụng firmware tập lệnh AT tiêu chuẩn bằng cách kết nối nó với bất kỳ bộ vi điều khiển nào sử dụng UART
27
nối tiếp hoặc trực tiếp làm bộ vi điều khiển hỗ trợ Wifi, bằng cách lập trình một chương trình cơ sở mới sử dụng SDK được cung cấp.
Các chân GPIO cho phép IO Analog và Digital, cộng với PWM, SPI, I2C, v.v. ESP8266 có nhiều ứng dụng khi nói đến IoT. Đây chỉ là một số chức năng mà chip này được sử dụng
• Kết nối mạng: Ăng-ten Wi-Fi của module cho phép các thiết bị nhúng kết nối với bộ định tuyến và truyền dữ liệu
• Xử lý dữ liệu: Bao gồm xử lý đầu vào cơ bản từ cảm biến analog và kỹ thuật số để tính tốn phức tạp hơn nhiều với RTOS hoặc SDK không phải hệ điều hành
• Kết nối P2P: Tạo giao tiếp trực tiếp giữa các ESP và các thiết bị khác bằng kết nối IoT P2P
Máy chủ Web: Truy cập các trang được viết bằng HTML hoặc ngôn ngữ phát triển. ESP8266 chỉ là tên của con chip. Về cơ bản, có ba định dạng mà bạn có thể mua: Chip ESP8266: Đây là chip cơ bản do Espressif sản xuất, không được che chắn và cần được hàn vào một module.
Module ESP8266: Đây là những module có thể gắn trên bề mặt chứa chip, sẵn sàng được gắn vào MCU, do Espressif, Ai-Thinker và một số nhà sản xuất khác sản xuất. Bo phát triển ESP8266: Đây là các bo phát triển IoT MCU hoàn chỉnh đã được cài đặt sẵn các module. Chúng được sử dụng cho các nhà phát triển và nhà sản xuất để tạo nguyên mẫu trong giai đoạn thiết kế, trước khi bắt đầu sản xuất. Bo phát triển được sản xuất bởi một số nhà sản xuất khác nhau và các thông số kỹ thuật khác nhau giữa các module. Một số thông số kỹ thuật cốt lõi cần biết khi đánh giá các tùy chọn bo phát triển IoT của ESP8266 bao gồm:
• Chân GPIO • Chân ADC • Ăng-ten Wi-Fi • Đèn LED • Che chắn • Bộ nhớ flash
28
4.2.3 Module Buck DC-DC dùng XL4016
Module Buck DC-DC dùng XL4016 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh dịng ra đến 8A. Tức là khi cấp một nguồn 24V vào module, sau khi giảm áp ta có thể nhận được một nguồn có cường độ lớn nhất là 8A và điện áp ra nhỏ hơn 24V.
Hình 4. 3 Module Buck DC-DC dùng XL4016.
Thông số kỹ thuật:
− Điện áp đầu vào: 4 - 40VDC.
− Điện áp đầu ra: 1.25 – 36VDC.
− Dòng ra lớn nhất: 8A nên dùng tối đa 5A
− Công suất tối đa: 200W.
− Hiệu suất chuyển đổi: 94%.
− Tần số chuyển đổi: 180KHz, điều chế PWM để điều chỉnh điện áp.
− Chip sử dụng XL4016 có bảo vệ q dịng, q nhiệt và ngắn mạch.
4.2.4 Module relay 5VDC
Relay (rơ-le) là một công tắc, khác với công tắc ở một điểm cơ bản là relay được kích hoạt bằng điện thay vì phải sử dụng tay người. Chính vì đó, relay là cơng tắc
29
điện tử. Một module realy được cấu tạo từ 2 linh kiện cính là rơ-le và transitor. Trên thị trường có 2 loại module relay: module relay đóng ở mức thấp và module relay đóng ở mức cao. Sở dĩ có sự khác biệt này do transitor, transitor gồm 2 loại NPN - kích ở mức cao và PNP - kích ở mức thấp.
Một rơ-le bình thường có 6 chân, trong đó 3 chân để kích, 3 chân cịn lại nối với thiết bị đóng ngắt cơng suất cao.
Hình 4. 4 Module relay 5VDC.
− Ba chân dùng để kích:
• VCC: cấp tín hiệu điện thế kích tối ưu cho chân này.
• GND: nối với cực âm.
• IN: chân tín hiệu, có nhiệm vụ kích rơ-le.
− Ba chân còn lại nối với thiết bị đóng ngắt cơng suất cao:
• COM: chân nối với chân bất kỳ của thiết bị, nên nối vào chân lửa nếu là nguồn xoay chiều hoặc cực dương nếu là nguồn một chiều.
• NO: tiếp điểm thường mở, thay đổi trạng thái khi có tín hiệu kích.
30 Thơng số kỹ thuật:
− Điện áp hoạt động: 5VDC.
− Dịng tiêu thụ: 200mA.
− Tín hiệu kích: Low(0V).
− Tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A.
4.2.5 Nút nhấn
Nút ấn là một loại công tắc đơn giản điều khiển hoạt động của máy hoặc một số loại quá trình. Hầu hết, các nút nhấn là nhựa hoặc kim loại. Hình dạng của nút ấn có thể phù hợp với ngón tay hoặc bàn tay để sử dụng dễ dàng. Tất cả phụ thuộc vào thiết kế cá nhân. Nút ấn có 2 loại chính là nút nhấn thường mở hoặc nút nhấn thường đóng.
Hình 4. 5 Nút nhấn
Ngun lí làm việc của nút nhấn:
Nút nhấn có ba phần: Bộ truyền động, các tiếp điểm cố định và các rãnh. Bộ truyền động sẽ đi qua tồn bộ cơng tắc và vào một xy lanh mỏng ở phía dưới. Bên trong là một tiếp điểm động và lò xo. Khi nhấn nút, nó chạm vào các tiếp điểm tĩnh làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm. Trong một số trường hợp, người dùng cần giữ nút hoặc nhấn liên tục để thiết bị hoạt động. Với các nút nhấn khác, chốt sẽ giữ nút bật cho đến khi người dùng nhấn nút lần nữa.
Ứng dụng:
Công tắc nút nhấn sử dụng nhiều trong các ứng dụng khác nhau như máy tính, điện thoại nút nhấn và nhiều thiết bị gia dụng. Bạn có thể nhìn thấy chúng trong nhà, văn phòng và trong các ứng dụng cơng nghiệp ngày nay. Chúng có thể bật, tắt máy hoặc làm cho thiết bị thực hiện các hoạt động cụ thể, như trường hợp với máy tính.
31
Trong một số trường hợp, các nút nhấn có thể kết nối thơng qua liên kết cơ học, điều khiển một nút nhấn khác hoạt động
Đa số, các nút sẽ có màu sắc cụ thể để biểu thị mục đích của chúng. Ví dụ như nút nhất màu xanh thường được sử dụng để bật thiết bị hay nút nhấn màu đỏ để tắt thiết bị. Điều này tránh gây nên một sô nhầm lẫn. Nút dừng khẩn cấp thường là các nút ấn lớn, thường có màu đỏ và có đầu lớn hơn để sử dụng dễ dàng hơn.
Là linh kiện thụ động. Trong mạch, nó được dùng để điều khiển các chức năng được lập trình trong VĐK. Trong đồ án này, nút nhấn thực hiện các thao tác để cài đặt, thiết lập hệ thống.[3]
4.2.6 Tụ hóa
Hình 4. 6 Tụ hóa
Tụ hố hay Tụ điện điện phân là loại tụ điện có phân cực. Các điện cực làm bằng nhôm tinh khiết, độ dày của điện cực khoảng 0.075-0.13mm, để tăng diện tích hiệu dụng có thể dùng hóa chất ăn mịn để có thể thay đổi độ dày hai bản cực. Lớp điện môi Al2O3 bám trên cực dương dày khoảng vài um, có khả năng chịu được điện áp cao khoảng 800KV/mm.
Cấu tạo và tính chất của tụ hóa:
Tụ nhơm được làm bằng hai lá nhơm và một miếng đệm giấy ngâm trong chất điện phân. Một trong hai lá nhôm được phủ một lớp oxit, và lá đó hoạt động như một cực dương, trong khi lá khơng phủ lớp oxit đóng vai trị là cực âm. Trong quá trình hoạt động, cực dương gắn điện áp dương so với cực âm, đó là lý do tại sao cực âm thường được đánh dấu bằng dấu trừ dọc theo thân của tụ điện. Cực dương, giấy ngâm chất điện phân và cực âm được xếp chồng lên nhau. Tất cả được cho vào một lớp vỏ hình trụ và nối với mạch điện bằng chân. Có hai hình dạng phổ biến là: tụ dạng trục
32
và dạng xun tâm. Tụ hình trục có một chốt trên mỗi đầu hình trụ, trong khi ở dạng xuyên tâm, cả hai chân đều nằm trên cùng một đầu của hình trụ.
Tụ hóa có điện dung lớn hơn hầu hết các loại tụ điện khác, thường là 1µF đến 47mF. Ngồi ra cịn có một loại tụ điện đặc biệt, được gọi là tụ điện hai lớp hoặc siêu tụ điện, có điện dung có thể đạt tới hàng ngàn farad. Điện dung của tụ nhôm được quyết định bởi một số yếu tố, chẳng hạn như độ dày của chất điện phân. Điều này có nghĩa là tụ có kích thước lớn thì điện dung lớn.
Đáng nói hơn, các tụ hóa sử dụng cơng nghệ cũ sẽ có thời hạn sử dụng ngắn, thường chỉ là một vài tháng. Nếu không sử dụng, lớp oxit sẽ bị hỏng và phải làm lại. Để làm lại lớp oxit, có thể nối tụ điện với một nguồn điện áp thông qua một điện trở và từ từ tăng điện áp cho đến khi lớp oxit được xây dựng lại hoàn tồn. Tụ hóa hiện đại có thời hạn sử dụng từ 2 năm trở lên. Sau thời gian đó phải làm lại bằng cách trên để tiếp tục sử dụng.
Ứng dụng của tụ hóa:
Có một số ứng dụng khơng quan tâm nhiều đến dung sai và phân cực xoay chiều, nhưng yêu cầu giá trị điện dung lớn. Vì thế tụ hóa thường được sử dụng như thiết bị lọc trong các nguồn cung cấp năng lượng để giảm nhiễu điện áp (voltage ripple). Khi được sử dụng trong việc chuyển đổi nguồn điện, tụ hóa thường là thành phần quan trọng đối với tuổi thọ của nguồn điện, vì vậy người ta thường sử dụng các tụ điện chất lượng cao.
Tụ hóa cũng có thể được sử dụng trong việc làm mịn tín hiệu đầu vào và đầu ra, sử dụng như một bộ lọc thơng thấp nếu tín hiệu là tín hiệu một chiều. Tuy nhiên, tụ hóa khơng hoạt động tốt với các biên độ lớn và tín hiệu tần số cao. Trong các ứng dụng như vậy, các tụ điện ESR thấp phải được sử dụng để giảm tiêu hao và tránh quá nhiệt.
Một ví dụ thực tế là sử dụng tụ hóa làm bộ lọc trong các bộ khuếch đại âm thanh mà mục tiêu chính của nó là làm giảm tiếng ồn, vì tiếng ồn ở tần số 50Hz hoặc 60Hz gây ra từ nguồn điện có thể nghe được nếu khuếch đại lên.
33
4.2.7 Điện trở
“Điện trở là một đại lượng vật lý biểu thị đặc tính cản trở dịng điện của một vật có khả năng cho dịng điện chạy qua” .
Hình 4. 7 Điện trở
4.2.8 Biến trở
Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn. Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện. Biến trở có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính:
- Cuộn dây làm bằng hợp kim có điện trở suất lớn
- Con chạy/chân chạy có khả năng chạy dọc cuộn dây để làm thay đổi giá trị trở kháng của biến trở
- Chân ngõ ra gồm có 3 chân (3 cực): Trong số 3 cực này, sẽ có 2 cực được cố định ở 2 đầu của điện trở. Cực còn lại sẽ di chuyển và được gọi là cần gạt. Vị trí của cần gạt trên dải điện trở sẽ quyết định hoàn toàn giá trị của biến trở.
Nguyên lý hoạt động của biến trở:
Nguyên lý hoạt động của biến trở khá đơn giản, dựa trên sự thay đổi dài ngắn khác nhau của dây dẫn khi được tách rời. Trên các thiết bị điện thường có các vi mạch điều khiển hoặc các núm văn. Khi người điều khiển thực hiện điều chỉnh các núm văn thì
34
các mạch kín sẽ thay đổi chiều dài dây dẫn, từ đó làm cho điện trở trong mạch thay đổi.
Trên thực tế thì việc thiết kế mạch điện tử ln có một khoảng sai số nhất định, do đó khi thực hiện điều chỉnh mạch điện, người ta sẽ phải dùng biến trở. Lúc này biến