Tóm tắt đồ án Hệ thống giàn phơi thông minh sử dụng thiết bị cảm biến mưa

Nội dung text: Tóm tắt đồ án Hệ thống giàn phơi thông minh sử dụng thiết bị cảm biến mưa

1. TRƯỜNG CAO ĐẲNG CNTT HỮU NGHỊ VIỆT HÀN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI HỆ THỐNG GIÀN PHƠI THÔNG MINH SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢM BIẾN MƢA SVTH : Phạm Văn Tài Lớp : CCVT15A Niên Khóa : 2015-2018 CBHD : ThS. Nguyễn Thị Huyền Trang Đà Nẵng, tháng 06 năm 2018
2. 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, cũng như nhu cầu của con người càng cao trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Trong đó nhu cầu về một cuộc sống tiện nghi, thông minh. Điều này đã thôi thúc các nhà thiết kế, chế tạo ra những sản phẩm đáp ứng những tiện nghi, thông minh đó. Một trong số đó cần kể tới là giàn phơi thông minh. Với các nước phát triển thì nó được sử dụng rộng rãi và phổ biến, còn ở các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam thì đang có xu hướng tìm cho mình tiện nghi thông minh đó. Vì vậy việc có một giàn phơi đồ thông minh sẽ bảo vệ quần áo khi trời mưa kể cả lúc đi vắng, trên nhu cầu và thị trường rộng mở một ý tưởng về đề tài “Hệ thống giàn phơi thông minh sử dụng thiết bị cảm biến mƣa” được đặt ra. Với mục đích góp phần nhỏ vào việc giới thiệu về thiết bị cảm biến mưa tới mọi người và thiết kế xây dựng một mô hình thực tế. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu. - Mục tiêu: Thiết kế, xây dựng mô hình giàn phơi thông minh. - Nhiệm vụ nghiên cứu: + Tìm hiểu thị trường giàn phơi thông minh hiện nay, từ đó đề xuất ý tưởng cải tiến và yêu cầu thiết kế xây dựng mô hình giàn phơi thông minh. + Tìm hiểu hệ thống điều khiển cho giàn phơi thông minh. + Thiết kế và xây dựng mô hình giàn phơi thông minh. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng:
3. 2 + Nghiên cứu về mô hình giàn phơi thông minh sử dụng thiết bị cảm biến mưa. + Các thành phần và hệ thống điều khiển trong giàn phơi thông minh. - Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu lý thuyết về các thành phần trong hệ thống điều khiển. + Nghiên cứu lý thuyết về mô hình giàn phơi thông minh. + Nghiên cứu code và phần mềm nạp code. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau: - Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài. - Tìm hiểu và phân tích hệ thống trong giàn phơi thông minh. - Nghiên cứu các thành phần, xử lý tín hiệu trong hệ thống điều khiển giàn phơi thông minh. - Sử dụng phần mềm Arduino IDE để nạp code. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Hệ thống giàn phơi thông minh sử dụng thiết bị cảm biến mưa là một hướng đi mới cho công nghệ cảm biến. Đề tài giúp người nghiên cứu có được những kiến thức nền tảng về hệ thống điều khiển cảm biến cùng với những ứng dụng thực tiễn của chúng. Từ lý thuyết và mô phỏng, người nghiên cứu có thể phát triển ý tưởng để xây dựng những mô hình thực tế có tính ứng dụng cao.
4. 3 PHẦN NỘI DUNG CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GIÀN PHƠI HIỆN NAY 1.1 Giới thiệu về giàn phơi Thế giới ngày càng thay đổi theo hướng hiện đại và văn minh. Các sản phẩm, thiết bị con người sáng chế ra càng trở nên tiện dụng và tiện lợi. Nhìn những thiết bị công nghệ sẽ thấy chúng đóng góp quan trọng như thế nào đến lịch sử phát triển của loài người và đã trở thành một phần không thể thiếu của cuộc sống hiện nay. Với các sản phẩm hay vật dụng sử dụng trong đời sống hằng ngày cũng có những cải tiến đáng kể theo hướng tích cực so với trước đây. Cái mới ra đời thay thế cái cũ là quy luật không thể thay đổi của vạn vật. Tuân theo quy luật đó, cách phơi móc treo quần áo trước đây vốn rườm rà và có nhiều bất lợi đã được thay thế bằng sản phẩm tân tiến. Sản phẩm đó là giàn phơi quần áo thông minh đạt chất lượng cao hiện đang rất nhiều người sử dụng. Cách phơi đồ trước đây sử dụng dây treo vừa làm tốn không gian sinh sống lại phải tốn công sức đóng đinh vào tường để giăng dây làm mất vẻ đẹp nhẵn mịn của bức tường. Khắc phục nhược điểm đó và đáp ứng lại nhu cầu cấp thiết hiện nay là tiết kiệm không gian sinh sống, giàn phơi quần áo thông minh chất lượng cao đã ra đời.
5. 4 1.2 Các loại giàn phơi hiện nay 1.2.1 Giàn phơi quay tay Hình 1.1 Giàn phơi quay bằng tay 1.2.1.1 Cấu tạo giàn phơi quay tay 1.2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm * Ƣu điểm: - Kết cấu đơn giản nhất trong các loại giàn phơi. - Giá thành rẻ. * Nhƣợc điểm: - Vận hành phức tạp, tốn thời gian và công sức do phải quay tang cuốn bằng tay. - Dễ bị dao động khi bị gió thổi vì thanh phơi chỉ được giữ bằng hai sợi dây cáp. - Lắp đặt khá tốn thời gian. - Không tự động bảo vệ quần áo tránh được mưa.
6. 5 1.2.2 Giàn phơi bấm điện Hình 1.2 Giàn phơi bấm điện 1.2.2.1 Cấu tạo giàn phơi bấm điện 1.2.2.2 Ưu điểm và nhược điểm * Ƣu điểm: - Kết cấu tương đối đơn giản. - Vận hành dễ dàng, nhanh chóng nhờ sử dụng động cơ điện. Có thể nâng thanh phơi lên xuống hoặc dừng giữa trừng. * Nhƣợc điểm: - Dễ giao động khi bị gió tác động do thanh phơi chỉ được giữ bởi hai sợi dây cáp. - Lắp đặt mất thời gian. - Không có khả năng bảo vệ quần áo chống lại mưa. 1.2.3 Giàn phơi điều khiển từ xa Hình 1.3 Giàn phơi điều khiển từ xa
7. 6 1.2.3.1 Cấu tạo giàn phơi điều khiển từ xa 1.2.3.2 Ưu điểm và nhược điểm * Ƣu điểm: - Có khả năng điều khiển từ xa. - Dễ dàng trong việc vận hành. - Kết cấu vững chắc, hạn chế dao động thanh phơi khi bị gió tác động. * Nhƣợc điểm: - Giá thành cao. - Chưa có khả năng tự động bảo vệ quần áo khi trời mưa. 1.2.4 Giàn phơi gắn tường Hình 1.4 Giàn phơi gắn tường 1.2.4.1 Cấu tạo giàn phơi bấm tường 1.2.4.2 Ưu điểm và nhược điểm * Ƣu điểm: - Chịu được trọng tải lớn. - Kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt. - Giá thành rẻ. * Nhƣợc điểm:
8. 7 - Chưa có khả năng bảo vệ quần áo khi trời mưa. - Phải dùng tay để đẩy ra đẩy vào. 1.3 Đề xuất cải tiến giàn phơi thông minh Ý tưởng cải tiến giàn phơi thông minh như sau: Hình 1.5 Mô phỏng giàn phơi thông minh sử dụng thiết bị cảm biến mưa Với tiêu chí, tận dụng tối đa các module có sẵn trên thị trường, từ những ưu điểm và nhược điểm của các loại giàn phơi trên thị trường đã rút ra được các nhược điểm của từng loại giàn phơi, chưa có giàn phơi nào có thể tự động thu đồ khi trời mưa từ đó đề xuất ý tưởng giàn phơi với chức năng thông minh hơn có thể thu quần áo tự động khi gặp trời mưa và phơi đồ khi trời không mưa và có nhà bảo vệ đồ. 1.4 Kết luận chƣơng Hiện nay có nhiều hệ thống giàn phơi đã đưa vào sử dụng và mỗi loại giàn có một ưu điểm và nhược điểm riêng, như giàn phơi quay tay vận hành phức tạp, tốn thời gian và công sức do phải quay tang cuốn bằng tay, hay giàn phơi bấm điện lắp đặt mất thời gian không có khả năng bảo vệ quần áo chống lại mưa từ những thiếu sót của các loại giàn phơi trên, từ đó một ý tưởng về thiết kế xây dựng giàn phơi thông minh.
9. 8 CHƢƠNG II: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÀN PHƠI THÔNG MINH 2.1 Yêu cầu hệ thống điều khiển Trước hết phải chọn những linh kiện hoạt động ổng định cả trời mưa và nắng có giá thành phù hợp dễ dàng lắp ghép, tính toán giàn phơi có thể phơi được năm bộ đồ, tốc độ phơi vừa phải hệ thống phải sắp xếp gọn gàng không ảnh hướng đến các khối khác trong giàn phơi. Cuối cùng là thử xem hệ thống điều khiển hoạt động như theo ý đã đưa ra hay không. 2.2 Sơ đồ hệ thống 2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống Khối Cảm biến Khối Khối vi điều nguồn khiển Khối điều khiển động cơ Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống
10. 9 2.2.2 Sơ đồ nguyên lý Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý 2.2.3 Sơ đồ thuật toán Hình 2.3 Sơ đồ thuật toán
11. 10 2.3 Vật liệu, linh kiện Sau đây là một số linh kiện và module sử dụng trong hệ thống giàn phơi thông minh: Cảm biến mưa Module Arduino uno R3 Động cơ bước (step motor) Module điều khiển động cơ L298 Dây cắm Adapter 12V2A Đèn LED 2.3.1 Cảm biến mưa Hình 2.4 Cảm biến mưa 2.3.1.1 Thông số cơ bản 2.3.1.2 Sơ đồ chân module cảm biến mưa
12. 11 Hình 2.5 Sơ đồ chân Module cảm biến mưa Thứ tự chân Tên gọi Mô tả 1 GND Mass 2 VCC 5V 3 A0 Tín hiệu đầu ra analog 4 D0 Tín hiệu đầu ra digital * Đặc điểm Khi cảm biến khô ráo (trời không mưa), chân D0 của module cảm biến sẽ được giữ ở mức cao (5V). Khi có nước trên bề mặt cảm biến (trời mưa), đèn LED màu đỏ sẽ sáng lên, chân D0 được kéo xuống thấp (0V).
13. 12 2.3.2 Module Arduino Uno R3 2.3.2.1 Thông số kỹ thuật Bảng 2.1 Arduino uno R3 sử dụng hệ vi xử lý ATmega328 với các thông số như sau Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ Khoảng 30mA Điện áp vào 7 – 12V DC Điện áp vào giới hạn 6 – 20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân 30mA I/O Dòng ra tối đa (5V) 500mA Dòng ra tối đa (3,3V) 50mA 32KB (ATmega328) với 0,5KB dùng Bộ nhớ flash bởi bootloader SRAM 2 KB (ATmega328) EPROM 1 KB (ATmega328)
14. 13 2.3.2.2 Chức năng các chân của Arduino R3 2.3.3 Hệ vi xử lý ATmega328 Atmega328 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8. Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bít (2KB SRAM) Hình 2.6 Vi xử lý ATmega328 Hình 2.7 Sơ đồ chân ATmega328 Các thông số chính của vi điều khiển Atmega328:
15. 14 - Bộ vi xử lý. - Giao diện SPI đồng bộ. - Kiến trúc: AVR 8bit. - Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz. - Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB. - Bộ nhớ EEPROM: 1KB. - Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V. - Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit. - Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh. 2.3.4 Động cơ bước Hình 2.8 Động cơ bước (Step Motor) Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết. Động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
16. 15 2.3.5 Module điều khiển động cơ L298 Hình 2.9 Module điều khiển động cơ L298 2.3.5.1 Thông số kĩ thuật 2.3.5.2 Chức năng các chân của L298 - 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10, 12 của L298. Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển. - 4 chân OUTUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT) được nối với các chân 2, 3,13,14 của L298. Các chân này sẽ được nối với động cơ. - Hai chân ENA và ENB dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298. Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động. 2.3.6 Đèn LED Hình 2.10 Đèn led phát quang
17. 16 LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n. 2.3.7 Nguồn Adapter 12V 2A Hình 2.11 Nguồn Adapter 12V 2A 2.3.8 Dây cắm Hình 2.12 Dây cắm
18. 17 2.4 Phần mềm nạp code cho module Arduino Uno R3 Hình 2.13 Giao diện của phần nềm Arduino IDE 2.5 Sơ đồ kết nối chân của hệ thống điều khiển Bảng 2.2 Sơ đồ kết nối chân Động cơ bước Cảm biến Arduino Uno R3 Module L298 (Step Motor) mưa 5v 5v 5v 5v GND GND GND GND A0 Analog 8 in1 9 in2 10 in3 11 in4 Output 1 A Output 2 A- Output 3 B Output 4 B- 2.6 Nguyên tắc hoạt động của từng bộ phận
19. 18 2.6.1 Bộ phận cảm biến Bộ phận cảm biến được lắp ở ngoài trời, nơi có thể thu được nước mưa. Để có thể nhận tín hiệu một cách chính xác thì ta phải điều chỉnh cảm biến để nó có thể nhận độ nhạy nước mưa một cách thích hợp. 2.6.2 Bộ điều khiển động cơ Động cơ bước được kết nối với ròng rọc kéo đồ, khi nhận tín hiệu từ DC L298 thì động cơ bước có chức năng quay để kéo đồ thu hoặc phơi đồ. 2.6.3 Bộ phận xử lý Bộ phận xử lý có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến mưa, sau đó gửi tín hiệu vừa nhận được tới Module điều khiển động cơ L298 Module động cơ L298 điều khiển động cơ bước quay theo tín hiệu nhận được. 2.7 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Nguyên lý hoạt động của giàn phơi thông minh phụ thuộc vào tính hiệu nhận được ở cảm mưa. Sau khi nhận nước mưa hoặc không có mưa thì cảm biến mưa sẽ xuất ra tín hiệu 1 hoặc 0 (mở/tắt) tới Arduino qua chân A0. Sau khi xử lí xong tính hiệu nhận được, Arduino truyền tín hiệu qua các chân 8, 9, 10, 11 tới các chân in1, in2, in3, in4 của DC L298. Từ đây, module điều khiển động cơ sẽ điều khiển step motor quay theo tín hiệu nhận được để kéo ra hoặc thu dây phơi lại. 2.8 Điện áp đầu vào và đầu ra của hệ thống 2.9 Kết quả đạt đƣợc Như theo yêu cầu đưa ra hệ thống điều khiển đã hoạt động ổn định giá thành hợp lý với người sử dụng. Các linh kiện hoạt động
20. 19 tốt khi trời mưa và cả trời nắng, trọng lượng chịu đựng của giàn phơi là hơn năm bộ đồ, tốc độ kéo thu đồ của giàn phơi là vừa phải. 2.10 Kết luận chƣơng Qua chương này nêu rõ cấu tạo chức năng và nhiệm vụ của từng linh kiện và bộ phận điều khiển nguyên tắc hoạt động của cả hệ thống, đi vào mắc nối từng bộ phận linh kiện của hệ thống điều khiển và hệ thống điều khiển đã đi vào hoạt động.
21. 20 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIÀN PHƠI THÔNG MINH 3.1 Yêu cầu thiết kế và xây dựng mô hình giàn phơi Thiết kế và xây dựng mô hình giàn phơi đơn giản dễ nhìn chất liệu khung giàn phơi bằng sắt, nhà bảo vệ bằng giấy bìa chiều cao giàn phơi là hai mươi phân chiều ngang là ba mươi phân. Có thể bảo vệ đồ khi trời mưa dễ dàng lấy đồ chịu đựng tốt với thời gian. 3.2 Xây dựng mô hình và hoàn thành giàn phơi 3.2.1 Mô phỏng giàn phơi bằng phần mềm Paint 3D 3.2.2 Khung giàn phơi . Hình 3.1 Khung phơi sau khi chế tạo Hình 3.2 Giấy Form làm nhà bảo vệ đồ
22. 21 3.2.3 Hệ thống dẫn động khung phơi Hình 3.3 Mô phỏng hệ thống dẫn động của giàn phơi 3.3 Mô hình giàn phơi thông minh hoàn thiện Hình 3.4 Mô hình giàn phơi thông minh hoàn thiện 3.4 Kết quả đạt đƣợc Đã hoàn thành khâu thiết kế và xây dựng mô hình như yêu cầu đưa ra như là: hệ thống dẫn động dây phơi chắc chắn, khung phơi nhỏ gọn được làm bằng sắt, nhà bảo vệ được làm bằng giấy Form cứng, mô hình đã hoàn thành dễ nhìn dễ dàng lắp đặt bảo vệ được đồ khi trời mưa.
23. 22 3.5 Kết luận chƣơng Hệ thống giàn phơi thông minh sử dụng thiết bị cảm biến mưa với thiết kế nhỏ gọn, khung phơi được làm bằng sắt nên rất chắc chắn nhà bảo vệ bằng bìa giấy Form phù hợp với không gian bảo vệ đồ. Hệ thống đã tự động phơi và thu đồ bảo vệ đồ khi trời mưa hoặc có nước trên bề mặt cảm biến.
24. 23 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Sau một thời gian nghiên cứu, đề tài đã làm sáng tỏ một số nội dung sau: - Tổng quan về giàn phơi hiện nay - Hệ thống điều khiển giàn phơi thông minh - Thiết kế và xây dựng mô hình giàn phơi thông minh Hệ thống giàn phơi đã hoàn thành và đã vào hoạt động, phơi đồ khi trời không mưa và tự thu đồ khi trời mưa. Trong quá trình làm đồ án em có tìm hiểu thêm chức năng cho giàn phơi là thu đồ khi trời tối và phơi đồ khi trời sáng dùng cảm biến ánh sáng. Nhưng do hai cảm biến tín hiệu hoạt động ngược nhau, em đã thử và chưa tìm ra cách để ghép chúng lại với nhau. Nếu có điều kiện đề tài sẽ tiếp tục phát triển hệ thống hơn nữa đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Em hy vọng có thể ứng dụng cảm biến mưa, ứng dụng ngay trong đời sống hàng ngày chứ không đơn thuần chỉ là trên mô hình. Đồ án tốt nghiệp được thực hiện dưới sự cố gắng nỗ lực của bản thân và sự chỉ bảo tận tình của giáo viên hướng dẫn, tuy nhiên những thiếu sót và khiếm khuyết là không thể tránh khỏi. Em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của thầy cô giáo trong hội đồng cùng toàn thể các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn.