NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HYBRID SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ VÀ XE MÁY

Trong chế độ kết hợp, HyS điều khiển công suất đầu ra từ hai động cơ xăng và điện, thông qua hệ thống điều khiển điện tử SGE nhằm tăng công suất và chọn tỷ số truyền phù hợp với trạng th

Trang 3

3 THS HÀ VĂN TUẤN - THS LÊ MINH TRÍ, NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG

MÔ HÌNH SẤY KẾT HỢP HAI CHẾ ĐỘ NÓNG, LẠNH ĐỂ SẤY THẢO DƯỢC……… 24

4 THS ĐINH VIẾT THẮNG, HỆ THỐNG GIÁM SÁT MẮT ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG TRÊN MÁY TÍNH DÙNG FPGA……… 32

5 THS TRỊNH NGỌC CHÂU, HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG SỨC GIÓ KIỂU TĂNG TỐC……… 41

6 TS LÊ VĂN LUẬN – THS LÊ ĐÌNH HIẾU, NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TƯỚI ĐA NĂNG SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN AVR……… 48

7 THS HÀ VĂN TUẤN, XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ PHẦN MỀM TÍNH DIỆN TÍCH THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU DÀN CÓ CÁNH TẢN NHIỆT……… 62

8 THS CAO CHÁNH THÔNG, NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY THÁI

SẮN……… 68

9 THS LÊ THỊ XUÂN, TÁCH, LÀM GIÀU YTRI TỪ HỖN HỢP LA, ND, Y BẰNG HỖN HỢP TRIBUTYL PHOTPHAT VÀ AXIT 2,4,4-

TRIMELPENTYL 2,4,4-TRIMETYLPENTYL PHOTPHONIC…………79

10 THS HÀ VĂN TUẤN, NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM SẤY NGHỆ VÀNG BẰNG MÁY SẤY NÓNG – LẠNH………… 86

11 THS NGUYỄN NGỌC TRÁC, CHẾ TẠO VẬT LIỆU LÂN QUANG

CAAL 2 O 4 : EU 2+ , GD 3+ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỔ KẾT HỢP KỸ THUẬT

Trang 4

Khoa học và Công nghệ số 3 Trang 1

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HYBRID SỬ

DỤNG TRÊN Ô TÔ VÀ XE MÁY

ThS Nguyễn Quân

Tất cả các giải pháp trên đều có những ưu và nhược điểm riêng Trong đó, giải pháp được đánh giá tốt nhất hiện nay là sử dụng nguyên lý lai (hybrid) cho nguồn động lực sử dụng trên phương tiện giao thông vận tải Động cơ lai sẽ kết hợp được

ưu điểm của hai động cơ thành phần và hạn chế những nhược điểm của chúng nên tạo ra được hiệu suất tổng hợp rất cao và đồng thời giảm thiểu phát thải khí gây ô nhiễm môi trường Vì vậy mà công nghệ lai đã được các nhà sản xuất ô tô và xe máy trên thế giới tập trung nghiên rất nhiều trong những năm gần đây

II KHẢO SÁT CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ

HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC LAI (HYBRID) TIÊU BIỂU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ VÀ XE MÁY TRONG NHỮNG NĂM GẦN ĐÂY

Trang 5

1 Piaggio hybrid scooter

Đối với các hãng sản xuất xe máy, công nghệ lai (Hybrid) quả thực là một vấn

đề khó khi áp dụng trên những mẫu xe máy thương mại mang tính chất phổ thông Ngoài việc có chi phí sản xuất cao, việc đưa ra giải pháp sử dụng động cơ điện và động cơ đốt trong có thể phối hợp nhịp nhàng và mang lại hiệu quả cao khi vận hành luôn là một bài toán khó, đòi hỏi tư duy sáng tạo và công nghệ vượt thời gian của những nhà sản xuất Chính vì vậy trong thời điểm hiện tại, những mẫu xe máy Hybrid mỗi khi xuất hiện chưa thể là một giải pháp hoàn hảo cho các phương tiện

di chuyển cá nhân, thế nhưng nó lại mang ý nghĩa lớn về trình độ và đẳng cấp của từng hãng xe

Nhà sản xuất xe máy Italia - Piaggio sẽ trở thành công ty đầu tiên trang bị hệ truyền động hybrid cho xe scooter (xe hai bánh thiết kế dành cho quý bà) Mới đây, hãng thông báo kế hoạch phát triển những phiên bản hybrid dành cho Vespa

LX, Piaggio X8 và chiếc scooter 3 bánh Vespa MP3

Hình 1: Động cơ lai HyS Vespa MP3

Hệ truyền động lai mang tên HyS (Hybrid Scooter) có thể vận hành ở chế độ chỉ động cơ điện hoặc ở chế độ kết hợp (hybrid) giữa động cơ xăng với động cơ

Trang 6

Khoa học và Công nghệ số 3 Trang 3 điện Piaggio HyS là hệ thống lai song song trong đó một động cơ đốt trong và một động cơ điện tích hợp vào vỏ động cơ chung và đồng thời cũng được điều khiển chung bằng một hệ thống điện tử Cả hai động cơ này đồng thời cung cấp năng lượng cho bánh sau bằng bộ truyền động đai vô cấp Hệ thống điều khiển điện tử kết hợp hai động cơ nhằm đem lại khả năng tăng tốc nhanh hơn và giúp giảm đáng kể việc tiêu thụ nhiên liệu (1,67 lít / 100km), ngoài ra khí thải C02 chỉ còn 40g/km khi sử dụng 65% chế độ hybrid và 35% chế độ điện HyS cũng sử dụng hệ thống phanh tái sinh giúp thu hồi năng lượng thường xuyên bị mất đi trong quá trình phanh Ngoài ra, dòng scooter này còn có thể nạp lại ắc quy từ nguồn điện sinh hoạt 220V Hộp số tự động, hệ thống đánh lửa điện tử và khởi động tự động giúp người sử dụng dễ dàng vận hành xe trong đô thị cũng như ở vùng ngoại thành

Piaggio HyS sử dụng giải pháp công nghệ vô cùng tân tiến và phức tạp nhưng vẫn dễ sử dụng Một công tắc dùng để chọn một trong các chế độ vận hành: hybrid hoặc điện Trong chế độ kết hợp, HyS điều khiển công suất đầu ra từ hai động cơ xăng và điện, thông qua hệ thống điều khiển điện tử (SGE) nhằm tăng công suất

và chọn tỷ số truyền phù hợp với trạng thái vận hành của xe Suốt quá trình giảm tốc độ và phanh, hệ thống điều khiển thu hồi công suất bị mất và nạp vào ắc quy Công nghệ truyền động điện tử không chỉ cho phép hệ thống điều khiển kiểm soát năng lượng đầu ra được kết hợp của hai động cơ mà còn điều khiển động cơ nhiệt vận hành ở chế độ có hiệu suất cao nhất, vì vậy giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải gây ô nhiễm môi trường Tất cả những thông tin về công nghệ này vẫn còn nằm trong vòng bí mật Dự kiến, ba phiên bản đầu tiên của Piaggio HyS sẽ là Vespa LX, Piaggio X8 và MP3 ba bánh Theo thông tin ban đầu, HyS sử dụng một động cơ xăng xy lanh đơn, 4 kỳ làm mát bằng chất lỏng, có dung tích 125cm3,

Trang 7

Khoa học và Công nghệ số 3 Trang 4 công suất cực đại 11kW ở số vòng quay 8.500 vòng/phút, kết hợp với một động

cơ điện có công suất cực đại 2,6kW, sử dụng bộ nguồn ắc quy Lithium-ion gồm

3 bình 12V-26AH Trên phiên bản X8 và MP3, ắc quy được dấu vào ngăn đựng hành lý dưới yên xe, tuy nhiên, khoảng không này vẫn đủ lớn để đặt mũ bảo hiểm Mẫu Vespa LX hybrid, khoảng không gian phía dưới yên xe chỉ dùng để chứa ắc quy, cốp đựng hành lý và mũ bảo hiểm sẽ được bố trí ở phía trên sau đuôi xe Trên bản điều khiển ở tay lái xe có lắp đặt một đồng hồ báo tình trạng lưu trữ điện của

ắc quy Thời gian một lần nạp lại đầy bộ nguồn ắc quy bằng lưới điện 220V là khoảng 3 giờ Tổng trọng lượng toàn bộ động cơ và ắc quy của hệ thống HyS là khoảng 30kg

2 Yamaha HV-X Hybrid Scooter

Được giới thiệu tại triển lãm Tokyo Motor Show 2009, Yamaha HV-X được xem như mẫu xe máy hybrid có tính thực tế cũng như khả năng vận hành hoàn hảo trong mọi điều kiện sử dụng Yamaha HV-X Hybrid được trang bị một động cơ điện 300V, công suất tối đa 15kW với bộ ắc quy loại Lithium-ion và động cơ đốt trong xy lanh đơn, 4 kỳ, 250cm3 với bộ truyền động đai vô cấp dẫn động đến

Hình 2: Sơ đồ cấu tạo xe Yamaha HV-X

Hybrid Scooter

Trang 8

Yamaha HV-X Hybrid có cách bố trí các bộ phận trong hệ thống động lực khá phức tạp Tại vị trí đặt bình chứa nhiên liệu truyền thống là một hệ thống bộ nguồn

ắc quy cỡ lớn và hệ thống điều khiển điện tử trung tâm (IC điều khiển)

Trong khi đó, bình chứa nhiên liệu dành cho động cơ đốt trong được chuyển xuống phía đuôi xe Phía dưới bộ vỏ nhựa là những chi tiết động cơ phức tạp được sắp xếp dày đặc trên khung xe Hệ thống động cơ xăng và động cơ điện của HV-X được điều khiển chung bằng bộ IC trung tâm Trong điều kiện xe vận hành ở tốc

độ đều hoặc tăng giảm tốc nhẹ (chậm), hệ thống điều khiển điện tử sẽ kích hoạt động cơ điện và ngắt hệ thống động cơ xăng giúp chiếc xe vận hành ở chế độ êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu Trong khi đó, khi xe cần vận hành ở công suất tối đa như leo dốc hoặc vận hành trên đường cao tốc, hệ thống điều khiển trung tâm sẽ kích hoạt cả hai hệ thống động cơ xăng và động cơ điện cùng hoạt động Như vậy, có thể nhận thấy rõ mục đích sử dụng của từng kiểu động cơ trong hệ thống truyền động lai này là: động cơ điện sẽ được dùng chủ yếu, thường xuyên trong quá trình

xe chạy và khi đi đường trường hoặc vượt dốc thì động cơ xăng mới hoạt động Ngoài ra, khi nguồn điện của ắc quy đã hết, xe có

thể chạy bằng động cơ xăng như một chiếc xe máy bình thường khác

3 Honda Hybrid Scooter

Ngày 24 tháng 8 năm 2004, Honda đã giới thiệu mẫu xe lai đầu tiên kiểu dáng

“scooter” với khả năng giảm khí thải gây ô nhiểm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu Xe lai này kết hợp hoạt động của một động cơ đốt trong phun xăng điện tử 50cm3 và một động cơ điện kiểu xoay chiều đồng bộ gắn trực tiếp vào bánh sau của xe Hệ thống sử dụng một bình ắc quy niken - hyđrua kim loại (Ni-MH) để lưu trữ năng lượng Khi chạy trên đường bằng phẳng trong thành phố, một mình

Trang 9

Khoa học và Công nghệ số 3 Trang 6 động cơ điện sẽ dẫn động xe chạy với tốc độ đạt 30 km/h Khi cần lực phát động lớn như tăng tốc hoặc lên dốc thì động cơ đốt trong sẽ kết với động cơ điện thông qua bộ truyền động đai vô cấp để tăng thêm công suất kéo Để tận dụng năng lượng, khi xe giảm tốc hoặc xuống dốc thì động cơ điện sẽ trở thành máy phát điện nạp điện vào ắc quy Mẫu xe này có hiệu suất rất cao và giảm được 37% nồng độ

CO trong khí thải so với xe máy cùng công suất

Hình 3: Honda hybrid Scooter

4 Toyota Hybrid System II (THS II)

Hệ thống gồm có hai loại nguồn công suất, một động cơ xăng hiệu suất cao sử dụng chu trình nhiệt Atkinson, là một chu trình tỷ số nén cao kết với một động cơ điện đồng bộ xoay chiều (AC) nam châm vĩnh cửu, một máy phát, nguồn ắc quy Niken - Hydrua kim loại (Ni - MH) hiệu suất cao và một điều khiển công suất Bộ điều khiển công suất này có thiết kế một mạch điện tăng áp cao để nâng điện áp của hệ thống cung cấp công suất cho động cơ điện và máy phát đến một điện áp cao đạt 500V, ngoài ra một bộ biến đổi AC-DC để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) sử dụng trên động cơ điện và máy phát thành dòng điện một chiều (DC) lưu trữ trên nguồn ắc quy và ngược lại Một bộ phận quan trọng khác nữa là

bộ phân chia công suất sử dụng cơ cấu vi sai, nhằm phân phối mô men quay từ

Trang 10

động cơ xăng đến động cơ điện và máy phát một cách tối ưu theo mọi chế độ vận hành của ô tô

Bộ điều khiển công suất tự động điều khiển một cách chính xác những hoạt

động của động cơ xăng, máy phát và động cơ điện sao cho chế độ làm việc đạt được hiệu suất cao nhất Nguyên lý hoạt động của động cơ THS II được chia thành sáu chế độ đặc trưng và được mô tả như sau:

- Khởi hành từ tốc độ thấp tới trung bình: Động cơ xăng không hoạt động vì

ở vùng tốc độ này hiệu suất nhiệt thấp, lúc này xe chỉ chạy bằng động cơ điện như

mô tả ở hình 4 với dòng truyền công suất "A"

- Vận hành ở điều kiện bình thường: Công suất của động cơ xăng được bộ vi

sai phân phối công suất chia thành hai phần, một phần làm quay máy phát tạo ra dòng điện cung cấp cho động cơ điện (dòng "B"), phần còn lại của công suất được truyền động trực tiếp đến bánh xe chủ động (dòng "C") Tỷ lệ độ lớn của mỗi dòng công suất "B" và "C" phụ thuộc vào tỉ số truyền trên mỗi nhánh của bộ vi sai Sự phân phối công suất theo nguyên lý này giúp động cơ xăng luôn chạy ở tốc độ quay cao nhưng sức kéo đáp ứng được yêu cầu của lực cản khi xe chạy Nhờ tránh được vùng làm việc ở tốc độ quay thấp nên động cơ xăng có hiệu suất cao và giảm nồng độ khí thải gây ô nhiễm môi trường Một phần công suất dư thừa của động

Trang 11

cơ xăng được máy phát thu nhận và nạp điện cho ắc quy lưu trữ để sử dụng khi cần

- Gia tốc đột ngột: Khi đạp ga đột ngột, hệ thống điều khiển sử dụng hết công

suất phát ra của động cơ xăng theo dòng "B" và "C", đồng thời nhận thêm

dòng điện từ ắc quy để tăng công suất cho động cơ điện theo dòng "A"

- Giảm tốc độ hoặc phanh lại: Động cơ xăng ngừng hoạt động, động cơ điện

đóng vai trò là một máy phát nhận công suất từ các bánh xe (động năng quán tính) và tạo ra dòng điện cao áp nạp lại cho ắc quy theo dòng "D"

- Tự nạp lại nguồn ắc quy: Khi dung lượng điện chứa trong ắc quy còn thấp

hơn mức cho phép, động cơ xăng sẽ được kích hoạt chạy và kéo máy phát điện để tự nạp lại ắc quy theo dòng "E"

- Dừng xe: Động cơ xăng và động cơ điện tự động dừng

Hệ thống lai THS II có bốn đặc trưng sau:

- Giảm mất mát năng lượng: Hệ thống tự động tắt động cơ xăng khi xe dừng

để giảm bớt sự lãng phí năng lượng khi động cơ chạy không tải

Trang 12

- Tái sử dụng lại năng lượng: Năng luợng mà bình thường bị biến thành nhiệt

khi phanh đã được khôi phục thành năng lượng điện nạp lại cho nguồn ắc quy

- Động cơ điện hỗ trợ tăng tốc: Động cơ điện cùng kết hợp với động cơ xăng

nhằm tăng công suất trong suốt quá trình gia tốc

- Điều khiển hoạt động hiệu suất cao: Động cơ điện hoạt động chủ yếu ở tốc

độ thấp và động cơ xăng hoạt động chính ở tốc độ cao nhờ đó mà khắc phụ được nhược điểm của động cơ xăng khi chạy ở tốc độ thấp

Thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống lai THS II (HSD) như sau:

- Động cơ xăng 4 kỳ; 4 xi lanh; tổng dung tích xi lanh 1,5 lít; công suất cực

đại 57kW ở số vòng quay 5000 vòng/phút

- Động cơ điện xoay chiều đồng bộ công suất 50kW, hiệu điện thế 500V

- Ắc quy: Nickel-metal hydride (Ni-MH), hiệu điện thế 500V-100AH

5 Honda Hybrid Car

Hệ thống lai mới nhất hiện nay của Honda được thiết kế cho ô tô du lịch NEW INSIGHT, kiểu động cơ i-VTEC 3-Stage IMA (Integrated Motor Assist)

Trang 13

Khoa học và Công nghệ số 3 Trang 10 Đây là hệ thống lai kiểu kết hợp song song giữa động cơ xăng và động cơ điện Động cơ xăng là loại 4 kỳ 4 xi lanh, dung tích xi lanh 1.3 lít, công suất 65kW ở số vòng quay 5.800 vòng/phút, hệ thống phân phối khí sử dụng công nghệ iVTEC 3-Stage với ba chế độ điều khiển xu páp: đóng hoàn toàn tất cả các xu páp ở trạng thái nghỉ, đóng mở bình thường và đóng mở tăng cường khi chạy ở tốc độ cao Động cơ điện là loại một chiều không chổi than (DC brushless motor), hiệu điện thế 100V, công suất 10kW ở số vòng quay 1.500 vòng/phút Bộ nguồn ắc quy là loại Ni-MH (Nickel - Metal Hydride), dung lượng 100V-200AH Cả động cơ xăng

và động cơ điện được kết hợp nối cứng với nhau và cùng truyền mô men xoắn đến bánh xe chủ động thông qua bộ truyền động đai vô cấp Động cơ điện được thiết

kế có kích thước tương đương như một bánh đà và được lắp vào đúng vị trí của bánh đà động cơ xăng, do đó, rô to của động cơ điện có vai trò tạo quán tính thay thế bánh đà Toàn bộ hệ thống được điều khiển hoạt động phối hợp công suất một cách tự động thông qua bộ điều khiển điện tử PCU (Power Control Unit)

Hình 7: Cấu tạo động cơ Honda Hybrid IMA

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống Honda Hybrid IMA như sau:

Trang 14

- Khởi hành và chạy với vận tốc chậm: Chỉ một mình động cơ điện hoạt động,

lúc này động cơ xăng ở trạng thái nghỉ Vì động cơ điện được lắp nối cứng với động cơ xăng nên trục khuỷu quay theo Để giảm tổn hao công suất trong các xi lanh, hệ thống i-VTEC điều khiển cơ cấu phân phối khí đóng hoàn toàn tất cả các

xu páp (cam không điều khiển mở xu páp)

- Chạy bình thường với vận tốc từ trung bình trở lên: Chỉ một mình động cơ

xăng hoạt động, động cơ điện ở trạng thái nghỉ (không cấp nguồn), rô to của động

cơ điện có vai trò là một bánh đà của động cơ xăng Trong trường hợp này, nếu ắc quy hết điện, động cơ điện được điều khiển trở thành một máy phát điện và nhận một phần công suất từ động cơ xăng để nạp điện cho ắc quy

- Tăng tốc đột ngột hoặc vượt dốc cao: Hệ thống điện tử PCU sẽ điều khiển

cả động cơ xăng và động cơ điện cùng kết hợp công suất để tăng sức kéo cho ô tô

- Giảm tốc hoặc phanh xe: Động cơ xăng được điều khiển chuyển sang trạng

thái nghỉ (tất cả các xu páp đều đóng) và động cơ điện trở thành một máy phát điện nhận động năng quán tính từ ô tô biến thành điện năng nạp lại cho ắc quy

- Dừng xe: Cả hai động cơ đều ngừng hoạt động

Cấu tạo theo nguyên tắc này giúp động cơ nhỏ gọn và nhẹ hơn so với hệ thống THS II của Toyota Tuy nhiên, do hệ thống IMA chỉ kết hợp lai song song nên hiệu quả tổng thể sẽ không bằng hệ thống THS II của Toyota

III KẾT LUẬN

- Hệ thống truyền động lai (hybrid) phối hợp công suất giữa một động cơ xăng

và một động cơ điện đã đem lại hiệu suất cao và hạn chế khí thải gây ô nhiễm môi trường cho ô tô và xe máy Việc kết hợp hoạt động của hai loại động cơ nói trên nhằm phát huy ưu điểm và khắc phục nhược điểm của mỗi loại động cơ thành

Trang 15

Khoa học và Công nghệ số 3 Trang 12 phần Động cơ điện có ưu điểm là hiệu suất cao, vận hành êm dịu, kích thước nhỏ gọn, thu hồi được năng lượng hao phí trong quá trình giảm tốc, , nhưng có nhược điểm là năng lượng lưu trữ bằng ắc quy không đủ lớn để xe chạy được lâu dài và đồng thời việc nạp lại ắc quy thường kéo dài từ 3 đến 6 giờ là vượt quá khả năng chờ đợi của một chiếc xe đang vận hành Động cơ xăng có ưu điểm là có thể chạy lâu dài với lượng xăng lưu trữ trên xe và việc nạp lại nhiên liệu cũng rất đơn giản, nhưng động cơ xăng có hiệu suất thấp và thải khí cháy gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt tốc độ vận hành càng thấp thì nhược điểm càng tăng Hiện nay, động cơ lai (hybrid) đang ngày càng được đầu tư nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới để sử dụng làm nguồn động lực cho ô tô và xe máy

- Nhìn chung, các hệ thống lai đều sử dụng động cơ xăng làm nguồn cung cấp năng lượng chính, các đời xe từ năm 2010 trở đi bắt đầu xuất hiện thêm những hệ thống lai kiểu "Plug in hybrid", nạp lại ắc quy bằng điện lưới dân dụng 220V

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] ĐỖ VĂN DŨNG - Hệ thống điện và điện tử trên ô tô hiện đại Đại học

Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh - 2003

[2] HỒ SỸ XUÂN DIỆU - Nghiên cứu chế tạo ô tô lai (hybrid) hai chỗ ngồi

Luận án tiến sỹ ngành động cơ nhiệt, Đại học Đà Nẵng - Tháng 12 năm 2009

[3] MARC HERWALD - Control design and analysis of an advanced

induction motor electric vehicle drive Thesis submitted to the degree of Master of Science in Electrical Engineering of the Virginia Polytechnic Institute and State University, USA - April 1999

[4] Website: http://www.motorcycle-hybrid.net

[5] Website: http://future-motorcycles.com

Trang 16

Khoa học và Công nghệ số 3 Trang 13 [6] Website: http://www.motorcycle-usa.com

Trang 17

CHẾ TẠO BIẾN TỬ LANGEVIN TRÊN CƠ SỞ HỆ VẬT LIỆU 0,8Pb(Zr 0,48 Ti 0,52 )O 3 –0,125Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 –0,075Pb(Mn 1/3 Nb 2/3 )O 3 PHA

âm Kết quả nghiên cứu các tính chất điện của biến tử hình xuyến cho thấy, hệ gốm PZT - PZN – PMnN pha tạp CuO rất có triển vọng trong việc ứng dụng để chế tạo biến tử phát siêu âm công suất Các mẫu biến tử chế tạo có tính chấp điện tốt: hệ số liên kết điện cơ kp cao, hệ số phẩm chất Qm lớn, tổn hao nhỏ (tan = 0.004) phù hợp để chế tạo máy rửa siêu âm công suất

Vật liệu áp điện cứng chủ yếu được dùng làm các biến tử áp điện bức xạ siêu

âm công suất Vật liệu thường dùng là PZT Các hãng sản xuất thiết bị dùng biến

tử áp điện bức xạ siêu âm không công bố thành phần vật liệu mà chỉ dùng các tên thương mại như PZT4, PZT5, PZT8 do đó việc xác định được thành phần phối liệu phù hợp là hết sức quan trọng trong quá trình chế tạo biến tử [6,7,8,9]

Trang 18

Khoa học và Công nghệ số 3 Trang 15 Biến tử phát siêu âm sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học thông qua sóng siêu âm Hiện nay tại bộ môn Vật

lý chất rắn, Khoa Vật lý trường ĐHKH Huế đang quan tâm nghiên cứu chế tạo các loại biến tử siêu âm nhằm ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như làm sạch bằng sóng siêu âm, máy phát siêu âm công suất đa tần, máy phát siêu âm dưới nước, biến tử phát siêu âm dùng trong thiết bị kiểm tra không phá huỷ bê tông [2,

5,6,7,8,9] Có thể nói, biến tử phát siêu âm đã quyết định một phần không nhỏ vào hiệu quả của thiết bị sử dụng sóng siêu âm hiện nay

Trong bài này chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo biến tử ghép phát siêu âm hình xuyến có kích thước lớn (35 x 12 x 6 mm) (43 x 12 x 6mm) từ gốm áp điện PZT-PZN-PMnN pha tạp CuO và nghiên cứu các tính chất điện cơ của các biến tử nói trên

II THỰC NGHIỆM

Các biến tử được chế tạo theo công nghệ truyền thống kết hợp với phương pháp BO có công thức 0,8Pb(Zr0,48Ti0,52)O3–0,125Pb(Zn1/3Nb2/3)O3– 0,075Pb(Mn1/3Nb2/3)O3 + 0,1% kl CuO

Nguyên liệu ban đầu là các oxyt: PbO (99%), ZrO2 (99%), TiO2 (99%),

Nb2O5 (99,9% Merck), ZnO (99%) MnO2 (99%) và CuO (99%) Quá trình tổng hợp dung dịch rắn PZT–PZN–PMnN bao gồm hai giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: Chế tạo hợp chất (Zn,Mn)Nb2(Zr,Ti)O6 (BO): Trộn các oxit ZrO2, TiO2, ZnO, Nb2O5 và MnO2 nghiền trong 8 giờ và nung ở nhiệt độ 1100 oC trong 2 giờ

Giai đoạn 2: Tổng hợp dung dịch rắn PZT-PZN-PMnN: Trộn hỗn hợp BO đã nghiền 6 giờ với oxyt PbO theo tỷ lệ ứng với mỗi mẫu Hỗn hợp sau khi nghiền trộn 8 giờ, được nung sơ bộ tại nhiệt độ 850 oC trong 2 giờ, sau đó nghiền 16 giờ,

Trang 19

ép thủy lực thành những viên có đường kính 45mm (BT1), 53mm (BT2), thiêu kết ở các nhiệt độ 1100 oC trong 2 giờ đối với mẫu biến tử và 850oC trong 2 giờ đối với mẫu nghiên cứu (đường kính 12mm)

Sự hình thành pha của các mẫu được nghiên cứu bởi phương pháp nhiễu xạ tia X (D8 ADVANCE), hình ảnh vi cấu trúc của các mẫu được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (HITACHI S-4800) Các biến tử được tạo điện cực bằng bạc

và phân cực trong dầu silicon tại nhiệt độ 130 oC, điện trường 12 kV/6cm trong

30 phút Các phổ dao động cộng hưởng được đo từ các hệ đo tự động hóa HIOKI

3532

III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1 Nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample M3-

Trang 20

Khoa học và Công nghệ số 3 Trang 17 perovskit với cấu trúc tứ giác không có pha lạ Kích thước hạt gốm tương đối đồng đều và xếp chặt được thể hiện như trên ảnh SEM (hình 2)

2 Chế tạo biến tử dạng đĩa

Hình 3 Hình thái bề mặt của các biến tử chế tạo

Trên hình 3 biểu diễn hình thái của các biến tử trước khi phủ điện cực và sau khi phủ điện cực Như đã thấy, các biến tử chế tạo gồm 2 nhóm, nhóm biến tử có kích thước 35 mm (B1) và 43mm (B2) với các thông số hình học được cho ở bảng 1

Bảng 1 Thông số hình học của các biến tử

Mẫu Đường kính (mm) Chiều dày (mm)

Trang 21

Hình 4 Phổ cộng hưởng áp điện của các biến tử dạng đĩa BT1 và BT2

Từ các phổ dao động, hệ số liên kết điện cơ kp, hệ số phẩm chất Qm đã được xác định Kết quả cho ở bảng 2

Các biến tử đĩa chế tạo có các thông số áp điện tốt Hệ số phẩm chất Qm và hệ

số liên kết điện cơ kp có giá trị cao Đây là một thành công bước đầu của biến tử chế tạo được trên cơ sở hệ gốm PZT-PZN-PMnN + 0,1%kl CuO Với các thông số

về điện và cơ như vậy, chúng tôi tiến hành chế tạo các biến tử hình xuyến, chúng

sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo

Bảng 2 Thông số áp điện của các biến tử

fp (kHz)

kp

Zmin (Ω)

Qm tan

BT-1.1 7.72 19% 63.5 71.9 0.53 6.0 1461 0.005 BT-1.2 7.72 19% 61.5 71 0.57 6.0 1329 0.005

TB 7.72 19% 62.5 71.45 0.55 6.0 1395 0.005

BT-2.1 7.72 20% 50.7 58.4 0.56 5.9 1679 0.005 BT-2.2 7.72 20% 50.4 58.3 0.57 5.2 1865 0.005

Trang 22

TB 7.72 20% 50.45 58.2 0.57 5.55 1771 0.005

3 Chế tạo biến tử dạng hình xuyến

Từ các biến tử đĩa như ở hình 3, chúng tôi tiến hành dùng máy khoan với mũi khoan kính để khoan biến tử đĩa trở thành biến tử hình xuyến có các thông số hình học như ở bảng 3 và hình thái bên ngoài như ở hình 5

Bảng 3 Thông số hình học của các biến tử xuyến

Mẫu

Đường kính ngoài mm)

Đường kính trong (mm)

Chiều dày (mm)

Hình 5 Hình thái bề mặt của các biến tử Langevin

Từ các phổ dao động cộng hưởng radian (hình 6), hệ số liên kết điện cơ kp, hệ số phẩm chất Qm đã được xác định Kết quả cho ở bảng 4

Trang 23

Hình 6 Phổ cộng hưởng áp điện của các biến tử xuyến BT-1X và BT-2X

Bảng 4 Thông số áp điện của biến tử dạng xuyến trên cở hệ gốm PZT – PZN -

Trang 24

Từ bảng 4 cho thấy rằng, các biến tử hình xuyến được chế tạo trên hệ gốm PZTPZN-PMnN pha tap CuO có các tính chất điện cơ tốt Do đó chúng tôi tiến hành lắp ghép các biến tử theo kiểu Lange vin “Sandwich” cho ở hình 7 Trong

đó, chúng tôi sử dụng 2 biến tử xuyến bề dày 6mm ghép với nhau và sử dụng lớp trở kháng âm hợp lý cho trường hợp nửa bước sóng Tổ hợp như thế dễ chế tạo hơn và có nhiều ưu điểm như: hệ số phẩm chất cơ học cao hơn so với gốm, kim loại dẫn nhiệt tốt nên có thể giảm nhiệt độ của biến tử khi hoạt động, hiệu suất làm việc cao hơn và cải thiện được bức xạ cùng dải băng thông

Hình 7 Biến tử ghép theo kiểu Langevin

Từ các biến tử lắp ghép trên hình 6, chúng tôi đã đo phổ dao động cộng hưởng,

kết quả cho ở hình 8

Trang 25

Hình 8 Phổ cộng hưởng áp điện của các biến tử ghép kiểu Langevin BT-1G và BT-2G

Với các thông số về điện và cơ như đã thảo luận ở trên, các biến tử Langevin được chế tạo trên cơ sở hệ gốm PZT-PZN-PMnN + 0,1%kl CuO có khả năng ứng dụng cao trong việc chế tạo máy rữa siêu âm, siêu âm phát hội tụ và các ứng dụng

khác

V KẾT LUẬN

- Bằng công nghệ gốm truyền thống kết hợp với phương pháp BO chúng tôi

đã chế tạo gốm PZT – PZN – PMnN không có pha pyochlore Các biến tử chế tạo (35 x 12 x 6 mm) (43 x 12 x 6mm) từ gốm áp điện PZT-PZN-PMnN pha tạp CuO có các tính chất điện cơ tốt với hệ số liện kết điện cơ cao, tổn hao điện môi thấp và hệ số phẩm chất Qm cao tổn hao thấp

- Các biến tử dạng đĩa BT1 (d = 35mm) và BT2 (d = 43mm) có các tính chất điện cơ tốt với hệ số liện kết điện cơ cao, tổn hao điện môi thấp và hệ số phẩm chất Qm cao (kp = 0,57, tan = 0,005, Qm >1000, tương ứng)

- Các biến tử hình xuyến BT-1X ((35 x 12 x 6 mm)) và BT-2X ((35 x

12 x 6 mm)) có các tính chất điện cơ tốt với hệ số liện kết điện cơ, tổn hao điện môi và hệ số phẩm chất Qm là 0,47, tan = 0,004, Qm >850, tương ứng

Trang 26

Khoa học và Công nghệ số 3 Trang 23 Với các thông số như vậy, các biến tử chế tạo đáp ứng tốt cho ứng dụng làm máy rửa siêu âm và các ứng dụng khác

[1] Lê Quang Tiến Dũng (2000), Thử nghiệm chế tạo máy rửa siêu âm dùng gốm áp điện hệ PLZT, Luận văn Thạc sỹ khoa học, Đại học Huế Thân Trọng Huy (2004), Nghiên cứu chế tạo biến tử áp điện và ứng dụng

trong lĩnh vực phát siêu âm, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Đại học Huế

[2] Trương Văn Chương, Lê Quang Tiến Dũng (2009), Nghiên cứu chế tạo máy diệt tảo và bọ gậy muỗi bằng sóng siêu âm, Hội nghị Vật lý chất

rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6 (SPMS-2009)

[3] Đặng Anh Tuấn (2011), Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm dưới nước Luận văn thạc sỹ khoa học, Đại học Huế

[4] Phan Thanh Hà (2011), Biến tử phát siêu âm dung trong thiết bị kiểm

tra không phá hủy bê tông, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Đại học Huế

[5] Nguyễn Văn Thông (2010), Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm

công suất đa tần Luận văn thạc sỹ khoa học, Đại học Huế

[6] Lê Quang Quý Tú (2012), Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ Luận văn thạc sỹ khoa học, Đại học Huế

[7] E Moreno, P Acevedo, M Fuentes, A Sotomayor, L Borroto, M

E Villafuerte, L Leija (2005) Design and construction of a Clamped Langevin transducer

Bolt-[8] Puskas W.L., Piazza T (2001), Designer waveforms: Ultrasonic technologies to improve cleaning and eliminate damage, Blackstone-

NEY Ultrasonics Co., 9 North Main St., Jamestown, New York, USA

Trang 27

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH SẤY KẾT HỢP HAI CHẾ ĐỘ

NÓNG, LẠNH ĐỂ SẤY THẢO DƯỢC

Th.s Hà Văn Tuấn, Th.s Lê Minh Trí

TÓM TẮT

Trong bài báo này, chúng tôi phân tích ưu, nhược điểm đặc điểm của quá trình sấy, của phương pháp sấy nóng, phương pháp sấy lạnh Bài báo cũng đã nghiên cứu và xây dựng mô hình sấy 2 chế độ nóng và lạnh để sấy thảo dược nhằm hạn chế các nhược điểm của phương pháp sấy lạnh và phương pháp sấy nóng Bài báo cũng trình bày quy trình vận hành, phân tích đánh giá ưu, nhược điểm của mô hình sấy kết hợp 2 chế độ nóng, lạnh Kết quả nghiên cứu nhằm phục vụ nhu cầu học tập và nghiên cứu của sinh viên, kỹ sư chuyên ngành công nghệ Nhiệt – Lạnh Đồng thời cũng là cơ sở để các doanh nghiệp chế biến và bảo quản thảo dược để nâng cao chất lượng và giảm chi phí

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Dược liệu là sản phẩm đặc biệt, liên quan đến vấn đề sức khỏe của con người Quá trình chế biến, bảo quản đòi hỏi quy trình và công nghệ hết sức nghiêm nghặt để đảm bảo chất lượng Nếu không thì nó không những làm giảm chất lượng sản phẩm mà còn có tác dụng không tốt đối với sức khỏe con người thậm chí gây độc

Hiện nay, dược liệu chủ yếu sấy ở nhiệt độ cao (sấy nóng), phương pháp sấy này có rất nhiều hạn chế như làm biến tính và giảm chất lượng sản phẩm, công nhân vận hành rất vất vả với môi trường nóng bức Dó đó làm giảm tính năng chữa bệnh của dược liệu thậm chí gây ra tác dụng xấu đến sức khỏe con người Trong khi đó phương pháp sấy lạnh, đảm bảo chất lượng, giữ nguyên thành phần vi lượng, các loại vitamin, vô hiệu hóa hoạt động của en yme và tiêu diệt phần lớn vi sinh vật, tăng thời gian bảo quản giữ nguyên thành phần dinh dưỡng, mùi vị và màu sắc đặc trưng

II NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH SẤY KẾT HỢP 2 CHẾ ĐỘ NÓNG, LẠNH ĐỂ SẤY THẢO DƯỢC

2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Phương pháp sấy nóng

Trang 28

Khoa học và Công nghệ số 3 Trang 25 2.1.1.1 Ưu điểm

- Có thể điều chỉnh nhiệt độ sấy trong một khoảng rất rộng Có thể sấy ở nhiệt độ rất cao 900 -10000C, ở nhiệt độ thấp 70 - 900C hoặc 40 -

500C

- Cấu trúc hệ thống đơn giãn, dễ chế tạo và lắp đặt,

- Vật nhanh khô, thời gian sấy ngắn, giá thành sấy thấp, dễ vận hành

- Đầu tư vốn ít

- Giảm tiêu hao điện năng

- Nâng cao được hiệu quả sử dụng nhiệt của hệ thống thiết bị

2.1.1.3 Đặc điểm của quá trình sấy

Giai đoạn làm nóng vật

Giai đoạn này bắt đầu từ khi vật đưa vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho tới khi nhiệt độ vật đạt đến bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt (tư ) Trong quá trình này toàn bộ vật sấy được gia nhiệt Ẩm lỏng trong vật cũng được gia nhiệt cho đến khi đạt được nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất hơi nước trong môi trường không khí trong buồng sấy (tư)

Giai đoạn tốc độ sấy không đổi

Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ hóa hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉ để làm hóa hơi nước Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi





u

Trang 29

Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi biến thiên của độ chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính Ẩm được thóat ra trong giai đoạn này là tự do Khi độ ẩm của vật đạt đến giới hạn uk = ucbmax thì giai đoạn sấy tốc độ không đổi chấm dứt Đồng thời cũng là chấm dứt giai đoạn thoát ẩm tự do chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ giảm

Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần

Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại trong vật là ẩm liên kết Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự

do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ (ẩm liên kết càng chặt) Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi

2.1.2.3 Đặc điểm của quá trình sấy

Khác với phương pháp sấy nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo

ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài của vật nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời

do tiếp xúc với không khí có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên bề mặt cũng

có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật Để tăng cường tách ẩm cho

hệ thống, không khí sấy trải qua giai đoạn tách ẩm ở dàn lạnh, vì thể ẩm trong không khí có thể tồn tại ở ba dạng hơi, lỏng và rắn, với dung ẩm ở dạng hơi dh, dạng lỏng dl và dạng rắn dr, entanpi I của không khí ẩm:

Trang 30

I = tb + (2500+1,93tb)dh + 4,18d1tb + (-335+2,1 tb)dr , kJ/kgkkk (2)

2.2 Đề xuất mô hình sấy kết hợp 2 chế độ nóng, lạnh

2.2.1 Đề xuất mô hình

Từ phân tích trên việc xây dựng một hình sấy kết hợp 2 chế độ nóng và lạnh

là điều cần thiết Nhằm phát huy tối ưu những đặc tính ưu việt của công nghệ sấy lạnh, và công nghệ sấy nóng Để ứng dụng sấy thảo dược nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế cao trong việc ứng dụng sấy các sản phẩm thảo dược có giá trị chữa bệnh cao Từ yêu cầu thực tế đó, chúng tôi đề xuất mô hình sấy 2 chế

13 Lớp cách nhiệt buồng sấy

V1, V2, V3, V4, V5, V6: Van chặn TL1, TL2: Van tiết lưu1,

8 Động cơ quạt

Trang 31

Giai đoạn 1 (sấy nóng): đóng điện cho hệ thống lạnh hoạt động với dàn ngưng 11,

không khí được gia nhiệt bằng nhiệt lượng của dàn ngưng 11 đến nhiệt độ theo yêu cầu (40-450C) Không khí sau khi gia nhiệt được quạt thổi vào buồng sấy gia nhiệt cho vật sấy và nhận ẩm từ vật sấy Sau đó không khí và ẩm được quạt hút về buồng lạnh để làm lạnh và tách ẩm về độ ẩm yêu cầu (30-40%), rồi tiếp tục gia nhiệt và vào buồng sấy

Giai đoạn 2 (sấy lạnh): Chuyển hệ thống lạnh hoạt động với dàn ngưng 09, giảm lượng môi chất qua dàn ngưng 11, để giảm nhiệt độ của không khí trước khi vào buồng sấy về chế độ sấy lạnh (20 – 250C)

2.2.4 Vận hành mô hình sấy 2 chế độ nóng, lạnh

Từ đặc điểm của phương phấp sấy nóng và phương pháp sấy lạnh, chúng tôi

đề xuất quy trình vận hành như sau:

- Thời gian sấy: τ = 8 giờ, năng suất sấy: G1 = 1kg/mẻ, độ ẩm ban đầu : ω1 = 80%, độ ẩm cuối: ω2 = 10%

- Giai đoạn 1: độ ẩm ban đầu ω1 = 80%, độ ẩm cuối ω2 = 30% Nhiệt độ sấy t1 =

Trang 32

450C, độ ẩm φ = 50%, thời gian τ = 2giờ

- Giai đoạn 2: độ ẩm ban đầu ω1 = 30%, độ ẩm cuối ω2 = 10% Nhiệt độ sấy t2 =

200C, độ ẩm φ = 30%, thời gian τ = 6giờ Khối lượng riêng: ρ = 556 kg/m3

Trang 33

Hình 3 Sản phẩm trước khi sây

Hình 5 Biểu diễn tốc độ thoát ẩm theo thời gian sấy

2.2.6 Ưu, nhược điểm của mô hình

III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Xây dựng được mô hình sấy kết hợp 2 chế độ nóng và lạnh để sấy thảo dược Sấy thử nghiệm thảo dược nghệ vàng, gừng rút ngắn được thời gian sấy so với sấy lạnh

là 1 giờ Mô hình đã khắc phục những hạn chế của phương pháp sấy nóng và phương pháp sấy lạnh Ngoài ra mô hình còn phục vụ cho việc nghiên cứu, học tập của sinh viên, kỹ sư chuyên nghành công nghệ Nhiệt - Lạnh

Hình 4 S ả n ph ẩ m trư ớ c khi sây

Trang 34

Cần phải nghiên cứu tỉ mĩ, bài bản để có thể ứng dụng mô hình sấy kết hợp 2 chế

độ nóng lạnh vào thực tiễn sản xuất, đặc biệt là thảo dược

[1] Hoàng Văn Chước (1999), Kỹ thuật sấy, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội [2] http://www.nhandan.com.vn, Trần Hảo, Ngọc Sơn, "Để giảm thất thoát sau thu hoạch", ngày 2/04/2012

[3] http://www.duoclieu.org/2012/07/lam-kho-duoc-lieu.html [4] Lê Minh Trí

“Nghiên cứu, xây dựng mô hình sấy nóng- lạnh để sấy dược liệu (sử dụng hệ thống lạnh và van đảo chiều) “, đề tài cấp Bộ năm 2013

Trang 35

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT MẮT ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG

TRÊN MÁY TÍNH DÙNG FPGA

Ths Đinh Viết Thắng

TÓM TẮT

Bài viết trình bày tổng quan thiết kế một hệ thống giám sát mắt để điều khiển các ứng dụng trên máy tính sử dụng FPGA Hệ thống bao gồm: một camera (TRDD5M), board DE2-FPGA và một máy tính cá nhân Board FPGA sử dụng để điều khiển camera, xử lý ảnh điều khiển chuột máy tính thông qua cáp kết nối chuẩn RS232 Hệ tọa độ của chuột máy tính phụ thuộc vào sự phân tích ảnh từ camera qua xử lý bằng công nghệ FPGA Hệ thống này, không sử dụng kỹ thuật

xử lý hình ảnh bằng các phần mềm trên máy tính mà sử dụng công nghệ FPGA,

vì vậy việc xử lý điểm ảnh sẽ tiện lợi hơn, giảm tải cho máy tính nhằm tăng tốc độ của hệ thống Các thông tin về màu của mắt người được sử dụng để phân tích và

dự đoán sự di chuyển của mắt Hệ thống sẽ dựa trên các thông tin này để điều khiển

sự di chuyển của chuột máy tính

I GIỚI THIỆU

Ngày nay, hệ thống giám sát mắt và mắt - chuột được sử dụng rộng rãi Nhiều hệ thống giám sát sát mắt sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh bằng máy tính với các công cụ như Matlab, Visual C… Nhưng các hệ thống này làm giảm tốc độ của máy tính và

có thể xảy ra các tình huống ngoài mong muốn đối với người sử dụng Do đó, một giải pháp được đưa ra là sử dụng công nghệ FPGA cho phần xử lý ảnh Một hệ thống mắt chuột có thể sử dụng để giám sát sự di chuyển của mắt và xử lý các thông tin về mắt người Vì vậy nó là một giải pháp tốt cho những người không có khả năng thực hiện các thao tác thông thường trên máy tính như: click chuột, rê chuột… Hệ thống này sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh để phát hiện ra sự di chuyển con ngươi của mắt người bằng FPGA, sau đó truyền các thông tin về mắt lên máy tính

để điều khiển con chuột trên màn hình máy vi tính Có rất nhiều cách để giám sát

sự di chuyển của mắt người, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng Trong phạm vi bài báo này, chúng tôi trình bày phương pháp giám sát mắt dựa trên các thông tin về màu mắt Hiện nay, có nhiều hệ không gian màu được sử dụng trong

kỹ thuật xử lý ảnh như RGB, HSI, YUV…Dựa vào khả năng xử lý của công nghệ FPGA, chúng tôi sử dụng hệ không gian màu YUV vì có những thuận lợi riêng

Trang 36

II THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Một hệ thống mắt chuột bao gồm hai phần Phần thứ nhất, gồm các khối xử lý ảnh

từ camera thu được để phát hiện sự di chuyển của mắt người, sau đó các thông tin này sẽ được truyền lên máy tính thông qua chuẩn RS232 để điều khiển chuột trên màn hình Phần thứ hai, là hệ thống phần mềm trên máy tính gồm khối điều khiển con trỏ, khối giao diện và khối ứng dụng Người sử dụng có thể thông qua giao diện ứng dụng để thực hiện một số thao tác đều khiển theo mong muốn

a Kiến trúc phần mềm hệ thống b Kiến trúc phần cứng hệ thống

Hình 1. Tổng quan hệ thống

II.1 Phần cứng hệ thống

Phần cứng hệ thống bao gồm một máy tính các nhân, board FPGA, camera D%M

và cáp nối theo chuẩn RS232

Để xử lý chính xác các điểm ảnh và đáp ứng được thời gian thực, hệ thống đòi hỏi board FPGA xử lý tốc độ cao, camera phân có độ phân giải từ 5 Mega Pixel; Kit DE2-FPGA đáp ứng được các yêu cầu này

II.2 Tiến trình thực hiện hệ thống

Trang 37

Hình 2 Tiến trình thực hiện hệ thống

2.2.1 Kỹ thuật xử lý ảnh của hệ thống

Ảnh ở đầu vào camera được chuyển đổi bởi FPGA thành dữ liệu ảnh có tọa độ trên mặt phẳng Mọi điểm ảnh P(i,j) trên mặt phẳng tọa độ đều có dữ liệu riêng của nó Với cơ sở dữ liệu này, hệ thống cho phép phát hiện con ngươi của mắt người trên bức ảnh Phương pháp này dựa trên các thông tin về màu sắc của con ngươi Các điểm ảnh có giá trị màu phù hợp với ngưỡng màu của con ngươi sẽ được xác định

Trang 38

vậy, việc sử dụng hệ màu RGB để phát hiện con ngươi trên bức ảnh sẽ không chính xác Ngoài các yếu tố về màu sắc, con ngươi cũng được xác định thông qua độ chói màu, độ sáng tối của từng điểm ảnh Hệ thống này sử dụng hệ màu YUV vì

nó phù hợp với chức năng xử lý của FPGA Trong hệ màu YUV, độ chói được biểu diễn bởi yếu tố Y còn hai thành phần thể hiện màu là U và V Đặc tính của con ngươi sẽ được xác định dựa vào mức sáng của điểm ảnh Y và hai thành phần màu của nó là U, V Hệ màu YUV có thể được chuyển đổi từ hệ màu RGB thông qua công thức (1)

Để xác định đặc điểm của từng điểm ảnh, quan trọng là phải xác định ngưỡng của

T j i f

) , ( , 0

) , ( , 255

(2)

g(i, j) là điểm ảnh có tọa độ i, j T là giá trị ngưỡng

Với định nghĩa như trên, ta có thể xác định được giá trị điểm ảnh thuộc con ngươi trên mắt người Tập hợp các điểm ảnh có mức xám nhỏ hơn giá trị ngưỡng, chính

là các vị trí chúng ta mong muốn Muốn biết chính xác ngưỡng của từng điểm

ảnh, ta có thể dựa vào giản đồ xám màu của bức ảnh đó:

a Ảnh gốc

Trang 39

b Giản đồ ngưỡng sáng màu của ảnh

Hình 3

a Ảnh về độ sáng màu

b Các điểm ảnh thuộc con ngươi được xác định trong ảnh

Hình 4

b Tính toán tọa độ điểm trung tâm của con ngươi

Tọa độ của điểm trung tâm của con ngươi (Xc, Yc) được tính gần đúng theo công

Với K là tổng số điểm ảnh thành phần có độ sáng nhỏ hơn ngưỡng sáng của con

ngươi; Xi, Yi là tọa độ của các điểm ảnh thành phần

Trang 40

Hình 5 Kết quả tính toán tọa độ điểm trung tâm của con ngươi

Sau khi có được vị trí của điểm trung tâm con ngươi, chúng ta có thể xác định hướng chuyển động của con ngươi dựa vào tọa độ của nó Các hướng di chuyển

có thể chia ra như sau: phải, trái và trung tâm

Hướng di chuyển của con ngươi trong một bức ảnh có kích cỡ 240 pixel x 320 pixel được minh họa như trong hình 6

Hình 6 Ba Vùng di chuyển khác nhau của con ngươi

Tóm lại, chúng ta có thể xác định hướng di chyển của con ngươi thông qua vị trí trung tâm của nó

Ví dụ: Nếu vị trí trung tâm của con ngươi được xác định tại điểm P(156,99), nghĩa

là nó đang ở cùng trung tâm ứng với trạng thái thư giản của mắt Khi vị trí trung tâm của con ngươi sau đó được xác định là (192,118) thì có nghĩa là nó đang dịch phải Còn nếu vị trí trung tâm của con ngươi sau đó được xác định là (75,111) thì nghĩa là nó đang dịch trái Chúng ta có thể sử dụng các thông tin về vị trí này để điều khiển chuột của máy tính trên màn hình

2.2.3 Giao tiếp giữa FPGA và máy tính

Thông tin về hướng dịch chuyển của con ngươi từ FPGA sẽ được truyền đến máy tính thông qua cáp kết nối theo chuẩn RS232 hoặc USB Các thông tin này sau đó được xử lý bởi một phần mềm được viết bằng ngôn ngữ VB thông qua thư viện điều khiển API để điều khiển click chuột, kéo chuột, v.v Đối với hệ thống sử dụng chuẩn RS232 tốc độ truyền dữ liệu sẽ chậm hơn sử dụng USB

Định dạng
Số trang	125
Dung lượng	3,67 MB