ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN tử THIẾT KẾ CẢI TIẾN CỬA TỰ ĐỘNG

TÊN ĐỀ TÀI:  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN tử THIẾT KẾ CẢI TIẾN CỬA TỰ ĐỘNG

NỘI DUNG YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI :

- Cơ khí:

            + Thiết kế bộ truyền động đai.

            + Thiết kế khung cơ khí cho cửa.

                        + Truyền động qua động cơ DC servo

- Điện tử:

+ Thiết kế hệ mạch công suất dùng L298

            + Thiết kế mạch điều khiển sử dụng PIC16F877A

+ Thiết kế hệ mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến PIR từ 3,3V lên 5V

- Lập trình:

.+ Vẽ lưu đồ giải thuật điều khiển của hệ thống

 + Sử dụng ngôn ngữ C và phần mềm CCS để lập trình điều khiển.

- Mục tiêu đề tài:Mô hình hoạt động một cách hoàn thiện nhất

.....................................

LỜI GIỚI THIỆU

Mô hình cửa tự động của nhóm là một hệ thống cơ điện tử gồm có kết cấu cơ khí, bộ truyền động đai, các bo mạch điện tử, cảm biến và chương trình cho vi điều khiển  để cửa vận hành hoàn toàn tự động. Dưới đây là khái quát về  mô hình.

Phần cơ khí: nhóm dùng phần mềm AutoCAD  để thiết kế hệ thống cơ khí , vật liệu sử dụng chính là nhôm và meka để làm khung cơ khí..

Phần mạch điện tử gồm:

+Mạch cảm biến sử dụng 2 cảm biến PIR để nhận biết chuyển động.

+Mạch  điều khiển dùng PIC 16F877A

+Mạch công suất dùng IC L298

Phần lập trình: dùng ngôn ngữ C và phần mềm CCS để lập trình.

Cảm biến được đặt phía trước và sau cửa.

• Khi một trong 2 cảm biến  nhận động cơ quay và giảm tốc độ  cửa mở.
• Khi 2 cảm biến không nhận động cơ quay ngược lại và giảm tốc độ cửa đóng.

Mục đích của nhóm là làm cho mô hình cửa tự động hoạt động một cách tốt nhất để nó có thể được ứng dụng làm mô hình thực hành cho các môn như vi điều khiển, cảm biến, điện tử…vv

..............................................

MỤC LỤC

Mục lục.............................................................................................................................................. 8

Lời cảm  ơn........................................................................................................................................ 2

Phiếu đăng ký đồ án........................................................................................................................ 3

Lời giới thiệu..................................................................................................................................... 4

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn................................................................................................ 5

Nhận xét của giáo viên phản biện................................................................................................. 6

 Nhận xét của hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp........................................................................... 7

Danh mục hình ảnh.......................................................................................................................... 9

Chương I: Đặt vấn đề.................................................................................................................... 10

Chương II : Thiết kế và thi công.................................................................................................. 11

Phần A: Cơ khí.................................................................................................................... 11

Phần B : Điện tử................................................................................................................. 22

Phần C: Lập trình.............................................................................................................. 41

Chương III: Kết quả đạt được...................................................................................................... 43

Phụ lục............................................................................................................................................. 44

Tài liệu tham khảo......................................................................................................................... 47

DANNH MỤC HÌNH ẢNH TRONG BÁO CÁO

 

 

Hình 1.1: Cửa tự động quay

Hình 1.2: Cửa tự động trượt ngang

Hình 1.3: Cửa tự động trượt cong

Hình 1.4 : Nhôm và ray cửa

Hình 1.5: Dụng cụ

Hình 1.6: Đinh vít và dive, các loại bát vuông

Hình 1.7 :Khung cửa

Hình1.8: Ray được gắn vào khung mô hình

Hình1.9: Cánh cửa

Hình1.10: Hai cánh cửa được gắn trượt trên hai thanh ray di chuyển

Hình1.11: Bộ truyền đai

Hình 1.12: Thanh truyền được gắn vào đai và cánh cửa

Hình 1.13: Cảm biến được gắn vào khung

Hình 1.14: Khung cơ khí hoàn chỉnh

Hình 2.1: Mạch nguồn

Hình 2.2: Mạch nguồn

Hình 2.3: Mạch  điều khiển

Hình 2.4: Mạch công suất

Hình 2.5: Mạch cảm biến

Hình 2.6: Mạch layout nguồn

Hình 2.7: Mạch layout cảm biến, điều khiển và công suất

Hình 2.8: Lưu đồ giải thuật tổng quan

Chương 1:ĐẶT VẤN ĐỀ

Cơ điện tử là ngành góp phần phát triển các hệ thống sản xuất theo hướng hiện đại, nâng cao hiệu quả và năng suất lao động, tạo nên lợi thế cạnh tranh cho các sản phẩm, các hệ thống cơ điện tử  đang là những hệ thống đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực được thế giới quan tâm và chú trọng phát triển, là sinh viên ngành cơ điện tử sau thời gian được học tập về ngành cơ điện tử  tại trường, được các thầy cô trang bị những kiến thức cần thiết và xem xét khả năng của nhóm, nhóm quyết định chọn đề tài cửa tự động với mục đích thiết kế  một mô hình để áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế .

Cửa tự động được sử dụng nhiều ở các trung tâm thương mại , khu mua sắm, nhà hàng, khách sạn và các cơ quan đơn vị doanh nghiệp. Cửa tự động là đề tài được các sinh viên khóa trước thực hiện tuy nhiên vẫn còn những mặt hạn chế.

Thuận lợi của nhóm là có tài liệu tham khảo của khóa trước dựa vào đó có thể tham khảo và rút ra các  mặt hạn chế để khắc phục nhằm hoàn thiện đề tài một cách tốt nhất. Tuy nhiên nhóm cũng có rất nhiều khó khăn như việc lựa chọn động cơ, vật liệu nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật tính thẩm mỹ phù hợp thiết kế theo đề tài của nhóm, vận chuyển đề tài tương đối khó khăn do kích thước mô hình khá lớn.

Nhóm đã đề ra cho mình những cách giải quyết nhất định như cố gắng tìm hiểu kĩ các tài liệu do thầy Bùi Đức Hồng Phúc giáo viên hướng dẫn đề tài cung cấp, tìm hiểu thêm các tài liệu liên quan, trao đổi với các bạn về cách chọn, điều khiển động cơ, thiết kế mạch điện tử và làm việc hết mình nhằm hoàn thành đề tài  với kết quả tốt nhất.

 

 

Chương 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG.

1. KHUNG CƠ KHÍ

 

I. Phân tích các phương án để thi công  khung cơ khí

Hiện nay trên thị trường rất đa dạng về các loại cửa tự động. Theo nghiên cứu của nhóm thấy có 3 loại cửa tự động phổ biến hơn tất cả đó là cửa tự động quay, cửa tự động trượt ngang và cửa tự động trượt cong.

Cửa tự động quay:

 

Hình 1.1

Đặc điểm:

Cửa tự động quay được dùng nhiều trong các nhà hàng, khách sạn lớn, người qua lại thường xuyên.

Ưu điểm: kiểu dáng đẹp, không cần cảm biến, dễ điều khiển

Nhược điểm: thết kế khó, giá thành cao, cửa chạy liên tục nên tốn điện.

Cửa tự động trượt ngang:

Hình 1.2

Đặc điểm:

Cửa tự động trượt ngang thường được dùng trong các công ty, công sở.

Ưu diểm: thiết kế đơn giản, dễ điều khiển, giá thành rẻ, tiết kiệm điện

Nhược điểm: kiểu dáng đơn giản, tính thẩm mỹ thấp

Cửa tự động trượt cong:

 

Hình 1.3

Đặc điểm:

Cửa tự động trượt cong được dùng trong các nhà hàng, khách sạn sang trọng.

Ưu điểm: kiểu dáng đẹp, sang trọng

Nhược điểm: giá thành cao, thiết kế khó, khó điều khiển

 

II. Quá trình thi công

Sau khi nghiên cứu về ưu nhược điểm của 3 loại cửa trên và khả năng của mình nhóm  đã quyết định chọn mô hình cửa tự động trượt ngang làm đề tài tốt nghiệp.Việc đầu tiên là chuẩn bị vật liệu và dụng cụ máy móc để làm mô hình cửa tự động.

 Bao gồm: Nhôm vuông 2 x 2, ray cửa.

 

Hình 1.4

Máy cắt và mài, máy khoan, tô-vít, kìm bấm đinh dive.

 

Hình 1.5

Các loại đinh vít và đinh dive, các loại bát vuông để cố định:

 

Hình 1.6

Sau khi đã có đầy đủ vật liệu và dụng cụ nhóm bắt đầu làm. Ban đầu là làm bộ khung cửa

 

Hình 1.7a

Khung được làm bằng 2 thanh nhôm 2x2,  70cm và 2 thanh nhôm 2x2 , 120 cm, các thanh nhôm được cố định với nhau bằng những chiếc bát vuông. Sau khi làm xong khung cửa ta bắt đầu gắn thanh ray để cho bánh xe chạy.

 

Cánh cửa được làm bằng meka, kích thước 50x30, gồm có hai cánh đóng mở. trên mỗi cánh được gắn 3 bánh xe như hình trên

Một bánh xe lớn có hai bánh nhỏ bên trong, đường kính mỗi bánh 1cm, trượt trên thanh ray vuông 1x1cm.

 

Tiếp theo là gắn 2 cánh cửa vào khung. Sau khi gắn lên ta được như sau:

Hình 1.10

Tiếp theo là gắn bộ truyền gồm 2 bánh đai, dây đai, 4 thanh truyền lực.

 

Hình 1.11

Hình 1.12

Bộ truyền đai gồm 2 bánh đai 1 gắn vào đầu động cơ, bánh đai còn lại gắn 2 ổ bi hai bên chạy tự do. 4 thanh truyền gắn vào mỗi cánh cửa 2 thanh. Khi động cơ quay bộ chuyền sẽ chuyển động 4 thanh truyền sẽ gắn vào trên và dưới dây đai khi đông cơ quay cửa sẽ mở ra và chạy chiều ngược lại cửa sẽ đóng.

Tiếp theo ta sẽ gắn cảm biến gồm hai cảm biến PIR. Vì cảm biến nhận biết được trong khoảng 140’ nên ta phải gắn cảm biến nghiêng 30 so với phương nằm ngang như thế cảm biến sẽ phát hiện được cả người khi đáng đứng giữa cửa.

Và cuối cùng là gắn động cơ, 2 cánh cửa cố định.

Hình 1.13

 

Sau khi hoàn thành tất cả nhóm em đã làm được mô hình cửa tự động hoàn chỉnh.

Hình 1.14

IV. Bài học kinh nghiệm:

• Cảm biến cần phải được lắp ở những vị trí hợp lí để việc phát hiện đối tượng được tốt nhất
• Khi lắp 2 cánh cửa vào mô hình cần chú ý độ song song của hai thanh ray để cửa có thể trượt một cách tốt nhất
• Khi lắp bộ truyền đai phải tính toán vị trí lắp cho thích hợp để có thể bố trí thanh truyền và mạch điện tử hợp lý
•  Thanh truyền cần được gắn vào đều trên hai cửa để để kéo cửa trượt êm nhất.
• Cần lựa chọn vật liệu thích hợp để khung cơ khí chắc chắn.

B. THI CÔNG MẠCH ĐIỆN TỬ

I. Phương pháp thi công ủi mạch

1. Chuẩn bị vật liệu

- Board đồng, hóa chất rửa mạch (FeCl3), xà phòng, nhựa thông, xăng.
- Bàn ủi, giấy in.
- Các dụng cụ phụ: thau, chậu rửa.

 2. Thiết kế và in mạch ra giấy

- Nhóm dùng phần mềm Orcad để thiết kế mạch in

- In mạch ra giấy theo tỉ lệ 1:1.  Vì không nhiều các tiệm photo copy dùng các phần mền vẽ mạch để in nên ta nên chuyển các file mạch in thành đuôi pdf để tiện cho việc in mạch.

3. Ủi mạch

- Cắt phần mạch in trên giấy cho sát kích thước cần làm.
- Cắt một tấm board đồng bằng với kích thước cần làm.

- Úp phần giấy phía mực đè lên mặt đồng. Làm sao cho vừa vặn, đừng chà qua chà lại. Để cả hai lên một tấm gỗ phẳng hay vật gì khác để làm đế (miễn là chịu nhiệt tốt).

- Bàn ủi cắm điện và để mức nóng tối đa.

-Đặt bàn ủi đè lên lớp giấy và tấm đồng ban nãy. Đè mạnh và cố định tại chỗ trong khoảng 30 giây cho lớp keo trong mực in chảy ra và bám dính vào mặt đồng.

- Để board chỗ thoáng cho nguội đi hoàn toàn.

4.Gỡ bỏ lớp giấy in

- Pha một chậu xà phòng đủ để ngâm phủ toàn bộ board.
- Bỏ board vào ngâm khoảng 20 phút.
- Lấy board ra. Lúc này lớp giấy sẽ bị phân hủy và tróc ra.
- Dùng tay vừa chà vừa gỡ nhẹ lớp giấy ra, không được làm trầy các đường mực.
- Nếu còn một ít giấy bám vào board thì dùng tay kỳ nhẹ cho sạch hết.

5. Rửa mạch in trong dung dịch FeCl3

- Pha FeCl3 vào một chậu nước. Pha nhiều ít tùy theo kích thước board, sao cho bao phủ toàn bộ phần mặt đồng là được.
- Ngâm tấm đồng vào dung dịch trên.
- Khi nào phần đồng thừa bị ăn mòn hết thì lấy ra rửa sạch bằng nước
Dùng miếng cước (chà xông nồi ấy) để làm sạch lớp mực in đi.

6. Hàn linh kiện

- Dựa vào mạch layout được thiết kế trên phần mềm vẽ mạch kết hợp sơ đồ nguyên lý để gắn linh kiện được chính xác.

II. Các mạch điện tử thi công

..........................................

_int_edge(0,L_TO_H); // Ngat canh lên tai RB0

      enable_interrupts(INT_EXT); // Cho phép ngatt ngoài

      enable_interrupts(GLOBAL); // Cho phép ngat toàn cuc

      setup_timer_2(T2_DIV_BY_16,249,1);//Set up Timer 2

      setup_ccp1(CCP_PWM);//Khoi tao module PWM1 tren Píc6f877

      set_pwm1_duty(0);//Tat PWM1

      while(1)

      {

      if(!input(pin_b6)&&!input(pin_b7)&&e<=0)// dieu kien  cua khong mo

         {

         set_pwm1_duty(0);

         output_d(e);

         e=0;

         }

      else if((input(pin_b6)||input(pin_b7))&&e>=400)// dieu kien  cua dung

         {

         set_pwm1_duty(0);

         output_d(e);

         e=400;

         }

      else if(input(pin_b6)||input(pin_b7))// dieu kien  cua  mo

         {   

         output_low(pin_c0);

         output_high(pin_c3);

         set_pwm1_duty(250);

         output_d(e); //xuat gia tri doc duoc ra PORTd

         if(e>=300)

            set_pwm1_duty(100);

         }

      else// dong cua

        {

        output_high(pin_c0);

        output_low(pin_c3);

        set_pwm1_duty(250); 

        output_d(e); //xuat gia tri doc duoc ra PORTd

        if(e<=100)

          set_pwm1_duty(100);

        }

      }

   }

C. LẬP TRÌNH

Ngôn ngữ lập trình được sử dụng là C, với trình biên dịch CCS cho vi điều khiển pic.

Phần cứng gồm:

5. Sử dụng 2 cảm biến PIR nhận biết chuyển động của con người
5. Mạch công suất điều khiển dùng L298
5. Động cơ DC servo, encoder 100xung/vòng
5. Mạch vi điều khiển

• Port b nối với tín hiệu của  cảm biến, xung encoder
• Port c nối với mạch công suất

Nguyên tắc điều khiển mô hình cửa tự động cửa nhóm:

• Bắt đầu chương trình sẽ xét 2 cảm biến PIR trước, sau cửa và tín hiệu xung encoder nếu cả 3 đều bằng 0 tức là cửa đang đóng và chưa có người qua lại và lúc này xuất PWM=0 để cửa gữa nguyên vị trí đóng.
• Khi 1 trong 2 cảm biến PIR nhận tức là có người đi vào hoặc đi ra, vi điều khiển sẽ xuất mức logic cho 2 chân chiều và xuất PWM tối đa cho động cơ quay mở cửa, đếm xung encoder và giảm tốc theo giá trị xung encoder
• Khi 2 cảm biến PIR không có tín hiệu và giá trị xung encoder khác 0 tức là không còn người qua lại và cửa đang mở,vi điều khiển xuất mức mức logic ngược lại cho 2 chân điều khiển chiều để động cơ quay đóng cửa và giảm tốc theo giá trị xung encoder.
• Khi người qua lại liên tục 2 cảm biến PIR luôn có tín hiệu và cửa đã mở hoàn toàn giá trị xung encoder tối đa( trong mô hình là 400 xung) thì vi điều khiển xuất PWM=0 động cơ đứng yên, cửa dừng lại.
•  
• .........................................................................
• Chương 3:KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1. Kết quả đạt được

• Hoàn thành tốt các mạch điện tử.
• Hiểu được nguyên lý hoạt động của các mạch điện tử và cảm biến PIR., đông cơ DC servo.
• Lắp ráp các bộ phận  mạch điện và cảm biến vào khung cơ khí chắc chắn, đảm bảo an toàn khi sử dụng.
• Cửa hoạt động tương đối ổn định

2. Những mặt hạn chế

• Chưa lập trình cho cửa hoạt động được như mong muốn của nhóm.
• Chưa khắc phục được thời gian khởi động của cảm biến còn khá dài(1 phút)
• Quá trình cửa hoạt động còn tạo ra tiếng ồn

3. Hướng phát triển

• Thiết kế và lập trình để PID cho cửa để quá trình đóng mở cửa chính xác.
• Nâng cao tính năng của cửa không chỉ để tự động mở cửa  mà có thêm tính năng quan sát báo động, gửi lời chào khi có người đi qua, chấm công tại các cơ quan doanh nghiệp, thống kê số người qua lại.

Tài liệu tham khảo:

1. Bài giảng vật liệu linh kiện điện tử   

2. Tài liệu PIC 16F887A ,   

3. Giáo trình điều khiển động cơ điện một chiều. Tác giả: Nguyễn Trọng Thắng – Trường ĐH SPKT TP HCM

4. Kỹ thuật điện tử, tác giả :Lê Phi Yến – Lưu Phú – Nguyễn Như Anh