Thiết kế hệ thống tự động hóa cho mô hình nhà vệ sinh công cộng thông minh

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA CHO MÔ HÌNH NHÀ VỆ SINH CÔNG CỘNG THÔNG MINH Giảng viên hướng dẫn: ThS.DOÃN THANH CẢNH... Đề tài: Thiết k

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA CHO MÔ HÌNH

NHÀ VỆ SINH CÔNG CỘNG THÔNG MINH

Giảng viên hướng dẫn: ThS.DOÃN THANH CẢNH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Nguyễn Văn Đệ

số sinh viên: 1662030008

ớp: ĐH K19 KTĐ-ĐT Ngành: K thuật iện - Điện tử

Bộ môn: K thuật iện - Điện tử Kho : K thuật – ông nghệ

I Đề tài:

Thiết kế hệ thống tự ộng hó cho mô hình nhà vệ sinh công cộng thông minh

II Nội dung

1 Tổng quan về ề tài nghiên cứu

2 Giới thiệu các linh kiện

3 Phân tích nguyên lý hoạt ộng củ mô hình

4 Thiết kế mô hình

5 ô phỏng và thực nghiệm

6 ác nội dung liên qu n ến ề tài

III Các bản vẽ A 1 :

1 Sơ ồ khối mô hình

2 Sơ ồ nguyên lý mạch iều khiển

3 ác bản vẽ cần thiết

IV Cán bộ hướng dẫn: ThS Do n Th nh ảnh

V Ngày giao nhiệm vụ: ………

VI Ngày hoàn thành: ………

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

1 Họ và tên sinh viên : Nguyễn Văn Đệ Chuyên ngành : K thuật iện - Điện tử

Tôi cam o n ồ án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của ThS Do n Th nh ảnh

ác kết quả công bố trong ồ án tốt nghiệp là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác

Người thực hiện đề tài

(Ký v i rõ ọ tên)

Nguyễn Văn Đệ

MỤC LỤC iv

HƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG NHÀ VỆ SINH ÔNG CỘNG THÔNG INH 2

1 Giới thiệu chung về hiện trạng vấn ề nhà vệ sinh công cộng trong tình hình hiện nay 2

2 Phương án giải quyết các vấn ề nhà vệ sinh công cộng 4

HƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ Á THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG Ô HÌNH 6

Phần iều khiển 6

2.1 Arduino 6

2.2 Relay 11

2.3 Cảm biến siêu âm 12

2.4 Động cơ iện 1 chiều (sử dụng óng mở cửa) 13

2.5 áy bơm 14

2.6 ông tắc giới hạn (công tắc hành trình) 15

2.7 Nút nhấn 15

2.8 Biến áp 16

2.9 Cầu diode 16

2.10 Đèn led 16

2.11 ạch chuyển iện áp 12V – 5V DC 17

2.12 Quạt thông gió 17

2.13 Đèn chiếu sáng 18

HƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19

3.1 GIỚI THIỆU 19

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19

3.2.1 Sơ ồ khối hệ thống và nguyên lý hoạt ộng 19

3.3 Sơ ồ kết nối thực tế hệ thống 22

3.3.1 Nguồn 22

3.3.2 Cửa tự ộng 22

3.3.3 áy rửa tay 23

3.3.4 Hệ thống xả tự ộng và khó cửa 24

3.3.5 Quạt thông gió 25

3.3.6 Đèn chiếu sáng 25

3.3.7 Sơ ồ toàn bộ hệ thống: 26

3.3.5 Thiết kế lắp ặt hoàn thiện mô hình 26

3.3.6 Sắp xếp thiết bị các phòng 27

3.3.7 Hoàn thiện lắp ráp và hoàn thiện mô hình 27

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 30

TÀI IỆU THAM KHẢO 31

PHỤ LỤC 32

1 hương trình lập trình cho hệ thống xả nước và khó cửa 32

2 hương trình lập trình cho máy rửa tay tự ộng 34

Hình 1.2 Một số nhà vệ sinh thông minh trên thế giới 3

Hình 1.3.Một số nhà vệ sinh công cộng tiêu biểu 4

Hình 1.4 Nhân viên l u dọn nhà vệ sinh 4

Hình 1.5 ô hình nhà vệ sinh thông minh hướng tới 5

Hình 2.1 Sơ ồ pin mạch arduino nano 6

Hình 2.2 Nguồn iện cho mạch rduino 8

Hình 2.3 mạch d o ộng cho arduino 9

Hình 2.4 Mạch reset cho arduino 10

Hình 2.5 ạch nạp và gi o tiếp máy tính cho rduino 11

Hình 2.6 Relay 11

Hình 2.7 Sơ ồ kích thước Rel y 5V 5 chân 12

Hình 2.8 Cảm biến siêu âm 13

Hình 2.9 Động cơ iện 1 chiều 13

Hình 2.10 ác thông số vật lý củ ộng cơ 14

Hình 2.11 áy bơm 15

Hình 2.12 ông tắc hành trình 15

Hình 2.13 Nút nhấn 16

Hình 2.14 Diode 16

Hình 2.16 ạch chuyển iện áp 12V s ng 5VD 17

Hình 2.17 Quạt thông gió 18

Hình 2.18 Đèn chiếu sáng 18

Hình 3.1 Sơ ồ khối phần nguồn iện củ mô hình 19

Hình 3.2 Sơ ồ khối cửa tự ộng và khó cửa 20

Hình 3.3 Sơ ồ khối máy rửa tay tự ộng 21

Hình 3.4 Sơ ồ kết nối nguồn iện 22

Hình 3.5 Sơ ồ kết nối linh kiện phần cánh cử và khó cửa 22

Hình 3.8 Quạt thông gió 25

Hình 3.9 Đèn chiếu sang 25

Hình 3.10 Sơ ồ toàn bộ hệ thống 26

Hình 3.11 áy rửa tay 28

Hình 3.12 Phần trước mô hình 28

Hình 3.13 Bộ iều khiển cánh cửa 29

Hình 3.14 Bộ khó cử và xả nước tự ộng 29

LỜI NÓI ĐẦU

Cuộc sống ngày càng phát triển, ời sống con người ngày càng nâng lên, không những về mặt tinh thần, kinh tế cũng như nếp sống sinh hoạt hằng ngày, khoa học k thuật là một phần không thể thiếu trong những sự th y ổi mới mẻ

ó, từ iều nhỏ nhặt trong cuộc sống

ũng chính vì sự phát triển không ngừng củ con người, òi hỏi sự phát minh sáng tạo, tạo ra nhiều thiết bị thông minh làm tối ưu hó sức l o ộng của con người, ảm bảo n toàn, tiết kiệm và giúp cho con người làm việc ở những môi trường ặc thù Thế nên nghành công nghệ k thuật ngày càng th y ổi lớn

ến chất lượng cuộc sống, cũng như sinh hoạt con người trong ời sống hiện nay Xuất phát từ nhu cầu ó, nhà vệ sinh công cộng thông minh là một trong những ề xuất, yêu cầu Giúp con người kết nối gần hơn với công nghệ, giúp ơn giản hó môi trường làm việc ặc thù, giúp tiết kiệm thời gi n và năng lượng

Th y vì làm việc trong môi trường có ặc thù nhạy cảm, nên mô hình nhà vệ sinh công cộng thông minh r ời giúp giải quyết về mặt, kinh tế, x hội, môi trường hính vì tính ứng dụng c o, áp ứng từ nhu cầu thực tế củ con người, giải

quyết ược các vấn ề bất cập, nên em chọn ề tài “ Thiết kế hệ thống tự động hóa cho mô hình nhà vệ sinh công cộng thông minh” làm ồ án tốt nghiệp cùng với sự ịnh hướng và hướng dẫn của thầy Doãn Thanh Cảnh

Trong thời gian thực hiện ồ án không tránh khỏi những hạn chế và s i sót

Em rất mong nhận ược sự óng góp và giúp ỡ củ các thầy cô và các bạn ể

ề tài ược hoàn thiện hơn

Thanh H n t n n m

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Đệ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG NHÀ VỆ SINH CÔNG CỘNG

Thực tế ở nước ta hiện n y, nhà VS còn thiếu về số lượng và kém về chất lượng: mùi hôi nồng nặc, thiếu nước, bồn cầu dơ bẩn, hoen ố…Đặc biệt ý thức sử dụng nhà VS củ ại số người dân chư c o húng ể lại những

hệ lụy ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe củ người dân ác chuyên gi y tế khuyến cáo nhà vệ sinh là nơi trú ngụ và phát tán nhiều loại mầm bệnh như: viêm g n A, tiêu chảy do khuẩn E oli, S lmonell , vi rút Norovirus Nhà VSCC lại càng nguy hiểm hơn nữ , khi nó quy tụ chất thải của nhiều người, ến

từ nhiều nơi với ủ các tình trạng sức khỏe khác nh u

ìn 1 1 N vệ sinh k ôn sạch sẽ

Tại nhiều nước trên thế giới như: Nhật ản, Sing pore, các nước châu u… vấn ề nghiên cứu chế tạo và xây dựng nhà vệ sinh công cộng thông minh rất ược qu n tâm ầu tư từ nhiều năm trước ây, các nhà vệ sinh công cộng thông minh có thể tự ộng trong hầu như các công oạn như tự óng mở

cử , bật tắt èn chiếu sáng, tự ộng xả nước, khử mùi… ược tr ng bị hầu như ở khắp các khu vực công cộng củ các quốc gi này

ìn 1 2 Một số n vệ sinh t ôn min trên t ế giới

Tại Việt N m, vấn ề xây mới, lắp ặt và cải thiện chất lượng nhà VS cũng ược các cấp, ngành củ các t nh, thành phố qu n tâm, ầu tư Tuy nhiên việc ầu tư này chư ược qu n tâm thực sự ác nhà VS chủ yếu thiết kế và xây dựng theo mô hình cũ, còn vấn ề nghiên cứu chế tạo, xây dựng các nhà VS thông minh là một vấn ề còn mới Đến thời iểm hiện tại các nhà VS thông minh mới ch ược tr ng bị cho các khách sạn, sân

b y còn các khu công cộng khác có nhu cầu sử dụng c o như tại các bến xe, các khu công viên, các b i biển…còn chư có

ìn 1 3.Một số n vệ sin côn cộn tiêu biểu

Ngoài những vấn ề ược nêu ở trên, thì vấn ề nhà vệ sinh công cộng cũng là một môi trường ặc biệt, ặc thù òi hỏi sự văn hó , tế nhị cao Do vậy công nhân dọn dẹp vệ sinh cũng rất bất tiện do vậy òi hỏi một nhà vệ sinh giúp giải quyết ược những vấn ề nhạy cảm ó, thì rất cần một hệ thống nhà vệ sinh thông minh

ìn 1 4 N ân viên l u dọn n vệ sinh

2 Phương án giải quyết các vấn đề nhà vệ sinh công cộng

- Để giải quyết ược các vấn ề nêu ở trên thì chúng t cần xây dựng một

hệ thống nhà vệ sinh thông minh có các mức ộ như s u:

 Tạo sự tiện lợi cho người i vệ sinh, có thể sử dụng dễ dàng, tiết kiệm thời gian

 Giải quyết ược vấn ề môi trường, tiết kiệm

Cụ thể từng vấn ề chúng t cần phải giải quyết nhƣ s u:

- Lựa chọn ƣợc các thiết bị và xây dựng ƣợc các thuật toán iều khiển thiết bị vận hành một cách tự ộng nhằm chuyển các nhà VS thành thông minh: Lựa chọn các thiết bị hỗ trợ thông minh, dùng mạch tích hợp vi xử lý, vi iều khiển ể lập trình tịch hợp các dữ liệu lập trình cài ặt, ể chuyển ổi thuật toán vi xử lý thông qu các cảm biến, ể giúp ích cho hỗ trợ xử lý công việc trong nhà vệ sinh

- Hoàn thiện ƣợc mô hình: Đƣ vào hoạt ộng theo các quy trình ánh giá quá trình hoạt ộng

ìn 1 5 Mô ìn n vệ sin t ôn min ướng tới

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH Phần điều khiển

2.1 Arduino

Mạch Arduino n no ược sử dụng trong ồ án, với ưu iểm rất nhỏ gọn , dễ dàng lắp ặt, có khả năng kết nối với máy tính ể lập trình và theo dõi thông số qua serial monitor ch bằng một sợi cáp mini usb , ồng thời có khả năng tương thích c o với các loại cảm biến, các thiết bị ngoại vi, và các loại board mở rộng

ìn 1: Sơ đồ pin mạch arduino nano

T ôn số kĩ t uật củ mạc arduino nano:

Số chân Digit l I/O 14 (6 chân PW )

Số chân An log 8 (Độ phân giải 10 bit)

Dòng tối trên mỗi chân I/O 40 mA

ìn : N uồn điện c o mạc rduino

 Tạo r các iện áp 5V ể cung cấp cho vi iều khiển và cũng là iểm cấp nguồn cho các thiết bị bên ngoài sử dụng ạch Arduino N no sử dụng I ổn

áp LM1117 ể tạo iện áp 5V Đây là I ổn áp tuyến tính, tuy hiệu suất không

c o nhưng ít gợn nhiễu và mạch ơn giản

 ảo vệ ngược nguồn, quá tải ( ô vuông màu ỏ) F1 là một cầu chì tự phục hồi, trong trường hợp bạn ch sử dụng dây cáp US ể cấp nguồn thì tổng

dòng tiêu thụ không ược quá 500mA Nếu không cầu chì sẽ ngăn không cho dòng iện chạy qu

 áo nguồn Đèn nguồn ON sáng lên báo thiết bị ược cấp nguồn Nếu các bạn cắm nguồn mà èn nguồn không sáng thì có thể nguồn cung cấp củ bạn bị hỏng hoặc j ck kết nối lỏng, hoặc mạch Arduino N no kết nối với các linh kiện bên ngoài bị ngắn mạch

T iết kế mạc d o độn

ạch gi o ộng tạo r các xung lock giúp cho vi iều khiển hoạt ộng, thực thi lệnh… o rd mạch Arduino N no sử dụng thạch nh 16 hz làm nguồn

d o ộng

ìn 3: mạc d o độn c o rduino

T iết kế mạc Reset

Để vi iều khiển thực hiện khởi ộng lại thì chân RESET phải ở mức logic LOW (~0V) trong 1 khoản thời gi n ủ yêu cầu ạch reset củ bo rd Arduino N no phải ảm bảo ược 2 việc:

 Reset bằng t y: Khi nhấn nút, chân RESET nối với GND, làm cho U RESET Khi không nhấn nút chân Reset ược kéo 5V

 Reset tự ộng: Reset tự ộng ược thực hiện ng y khi cấp nguồn cho vi iều khiển nhờ sự phối hợp giữ iện trở nối lên nguồn và tụ iện nối ất Thời

gi n tụ iện nạp giúp cho chân RESET ở mức OW trong 1 khoản thời gi n ủ

ể vi iều khiển thực hiện reset

 Khởi ộng vi iều khiển trước khi nạp chương trình mới

ìn 4: Mạc reset c o rduino

T iết kế mạc nạp v i o tiếp m tín

 Vi iều khiển Atmeg 328P trên o rd Arduino N no ược nạp sẵn 1 bootlo der, cho phép nhận chương trình mới thông qu chuẩn gi o tiếp UART (chân 0 và 1) ở những giây ầu s u khi vi iều khiển Reset

 áy tính gi o tiếp với o rd mạch Arduino N no qu chuẩn gi o tiếp USB (D+/D-), thông qu một I Driver I này có nhiệm vụ chuyển ổi chuẩn

gi o tiếp US thành chuẩn gi o tiếp UART ể nạp chương trình hoặc gi o tiếp truyền nhận dữ liệu với máy tính (Seri l)

 Phần thiết kế mạch nạp có tích hợp thêm 2 èn ED,nên khi nạp chương trình các bạn sẽ thấy 2 ED này nhấp nháy òn khi gi o tiếp, nếu có dữ liệu từ máy tính gửi xuống vi iều khiển thì èn ED Rx sẽ nháy òn nếu có dữ liệu từ

vi iều khiển gửi lên máy tính thì èn Tx sẽ nháy

Hình 2.5: ạch nạp và gi o tiếp máy tính cho rduino

2.2 Relay

Rel y là một công tắc iện từ ược vận hành bởi một dòng iện tương

ối nhỏ có thể bật hoặc tắt một dòng iện lớn hơn nhiều Sử dụng một

n m châm iện (một cuộn dây trở thành một n m châm tạm thời khi dòng iện chạy qu nó) ể th y ổi vị trí tiếp iểm bên trong của relay

ìn 6 Relay

T ôn số kỹ t uật:

- Thời gi n nhả h m: 5ms

C ~ 75oC Relay là loại linh kiện óng ngắt iện cơ ơn giản Nó gồm 2 phần chính là cuộn hút và các tiếp iểm ấu tạo củ rel y ược mô tả trong hình

ìn 7 Sơ đồ kíc t ước Rel 5V 5 c ân

Cụ thể trong ồ án này , rel y ược sử dụng kết hợp với transisitor NPN

1815 và iện trở , tạo thành rel y module có thể iều khiển với iện áp 5v Để

ảo chiều ộng cơ giúp óng mở cửa

2.3 Cảm biến siêu âm

ảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm ảm biến gồm 2 module.1 module phát r sóng siêu âm và 1 module thu sóng siêu âm phản xạ

về Đầu tiên cảm biến sẽ phát r 1 sóng siêu âm với tần số 40khz Nếu có chướng ngại vật trên ường i, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác ộng lên module nhận sóng ằng cách o thời gi n từ lúc phát ến lúc nhận sóng t sẽ tính ược khoảng cách từ cảm biến ến chướng ngại vật

Khoảng cách = (thời gi n * vận tốc âm th nh (340 m/s) / 2

ìn 8: Cảm biến siêu âm

T ôn số kĩ t uật củ cảm biến :

2.4 Động cơ điện 1 chiều (sử dụng đóng mở cửa)

Động cơ với bộ bánh răng giảm tốc , giúp giữ cho ộng cơ qu y với tốc

ộ thích hợp , không quá nh nh , ảm bảo n toàn khi óng mở của

ìn 9: Động cơ điện 1 chiều

T ôn số kỹ t uật củ độn cơ :

- Điện áp hoạt ộng:3V~ 9V DC (Hoạt ộng tốt nhất từ 6 - 8V)

- ômen xoắn cực ại: 800gf cm min 1:48 (3V)

- Tốc ộ không tải: 125 Vòng/ 1 Phút (3V) (Với bánh 66mm: 26m/1p)

ìn 11: M bơm

2.6 Công tắc giới hạn (công tắc hành trình)

à loại công tắc có 3 pin , có 2 chế ộ thường óng và thường mở , sử dụng ể dừng cử khi di chuyển tới iểm mở hoặc óng

- Kiểu tiếp iểm: NO, NC

- Kiểu ấu nối: chân hàn

2.7 Nút nhấn

Nút nhấn ược sử dụng ở ồ án này là loại 6mm, có 2 tiếp iểm thường

ìn 13: Nút n ấn

2.8 Biến áp

Trong ồ án sử dụng biến áp ể chuyển mức iên áp c o 220v xuống 5v, qua cầu diode ch nh lưu lấy r iện áp 5v D cung cấp cho mạch với thông số kĩ thuật như s u:

ìn 17:Quạt t ôn i

2.13 Đèn chiếu sáng

- Thông số k thuật:

- Loại giao diện: Đuôi E27

- Điện áp ầu vào: 220V

- ông suất: 10W

- hùm ti góc: 360 ộ

- àu sáng: trắng

ìn 18: Đèn c iếu s n

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 GIỚI THIỆU

Yêu cầu ề tài : Thiết kế nhà vệ sinh thông minh gồm một buồng vệ sinh và một máy rửa tay tự ộng, người sử dụng tương tác với hệ thống thông qu cảm biến ể sử dụng các chức năng củ nhà vệ sinh mà không cần chạm vào, có cửa thoát hiểm bằng t y trong trường hợp mất iện Qua những yêu cầu ề r nhóm

sẽ tiến hành tính toán và thiết kế cho hệ thống

- Biến áp: ổi iện áp từ 220V AC xuống 12V AC

- Ch nh lưu: chuyển ổi dòng iện xoay chiều thành 1 chiều

- Bộ chuyển ổi iện áp: chuyển iện áp 12VD s ng 5VD

- ed báo nguồn: ể báo nguồn cho từng thiết bị kết nối với nguồn iện