Thiết kế và thi công mô hình cửa tự động

Thiết kế và thi công mô hình cửa tự động Thiết kế và thi công mô hình cửa tự động Thiết kế và thi công mô hình cửa tự động luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

quá trình thực hiện đề tài này

Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 Sinh viên thực hiện

Tống Đức Huân

1.9 Cửa trượt tự động sử dụng trong siêu thị 9

2.3 Sơ đồ kích thước bánh răng động cơ 14

3.22 Mạch mô phỏng 3D nhìn từ trái qua 40

4.8 Thực hiện thi công mạch điều khiển 44

4.11 Cửa không hoạt động khi không có người 46

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1.Tổng quan về các loại cửa 3

1.1.1 Cửa cuốn 3

1.1.2 Cửa trượt xếp lớp 5

1.1.3 Cửa trượt: 7

1.2.Giới thiệu đề tài 8

1.3 Nhiệm vụ thiết kế và thi công 9

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 10

2.1 Các yêu cầu của mô hình cửa tự động: 10

2.1.1 Yêu cầu về cơ khí: 10

2.1.2 Mục đích của việc thiết kế: 10

2.1.3 Nhiệm vụ các bước thiết kế 10

2.2 Giới thiệu các chi tiết trong mô hình: 11

2.2.1 Khung mô hình 11

2.2.2 Cánh cửa: 11

2.2.3 Động cơ: 16

CHƯƠNG 3: PHẦN ĐIỀU KHIỂN 18

3.1.Yêu cầu của mô hình: 18

3.2.Sơ đồ khối của hệ thống: 18

3.3.Các linh kiện điện tử sử dụng trong mô hình 18

3.3.1.Cảm biến 18

3.3.2 Arduino pro mini: 23

3.4 Chương trình điều khiển: 28

3.4.1 Sơ đồ thuật toán 28

3.4.2 Phần mềm viết chương điều khiển arduino 30

3.5 Sơ đồ nguyên lý: 35

3.5.1 Nguyên lý hoạt động của mạch : 35

3.5.2 Giới thiệu phần mềm thiết kế sơ đồ: 35

3.5.3 Sơ đồ nguyên lý: 38

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM 41

4.1 Thực hiện mô hình: 41

4.2 Nguyên lý hoạt động của mô hình 45

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49

5.1 Kết luận 49

5.2 Hạn chế 50

5.3 Hướng phát triển của đề tài 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xã hội văn minh hiện đại, cửa là một bộ phận không thể thiếu được trong từng công trình kiến trúc Tuy nhiên loại cửa bình thường (cửa không tự động) mà chúng ta hay dùng hiện nay lại có những nhược điểm gây phiền toái cho người sử dụng, đó là: cửa thường chỉ đóng mở dược khi có tác động của con người vào nó Vì vậy mà dùng cửa thường làm tốn thời gian và gây cảm giác ngại cho người sử dụng Việc thiết kế ra một loại cửa tiện ích hơn, đa năng hơn, phục vụ tốt hơn cho đời sống con người trong thời điểm xã hội ngày càng hiện đại và phát triển hiện nay là tất yếu và vô cùng cần thiết Vì vậy cần thiết kế ra một loại cửa tự động khắc phục tốt những nhược điểm của cửa thường Mục đích của việc thiết kế cửa tự động là để tạo ra được một loại cửa vừa duy trì được những đặc tính cần có của cửa, vừa khắc phục những nhược điểm lớn của loại cửa bình thường Do đó, khi sử dụng cửa tự động, người dùng hoàn toàn không phải tác dụng trực tiếp lên cánh cửa

mà cửa vẫn tự động đóng mở theo ý muốn của mình Với tính năng này, cửa tự động mang lại những thuận lợi lớn cho người sử dụng: Thứ nhất, cửa tự động rõ ràng sẽ đem lại cảm giác thoải mái cho người dùng, loại bỏ hoàn toàn cảm giác ngại, khó chịu như khi dùng cửa thường Thứ hai, nếu người dùng cửa đang bê vác vật gì đó (bằng cả hai tay ) thì cửa tự động không những chỉ tạo cảm giác thoải mái

mà thực sự đã giúp người dùng, tạo thuận lợi cho người hoàn thành công việc mà không bị cản trở Thứ ba, sử dụng cửa tự động sẽ giúp người dùng nó đỡ tốn thời gian để đóng mở cửa’ tức là tiết kiệm cho họ một khoảng tời gian dù là rất nhỏ nhưng cũng có thể rất cần thiết trong nhịp sống công nghiệp hiện đại ngày nay Đặc biệt, ở những nơi công cộng, công sở, cửa tự động ngày càng phát huy ưu điểm Đó

là vì cửa tự động sẽ giúp cho lưu thông qua cửa nhanh chóng dễ dàng, cũng như sẽ giảm đi những va chạm khi nhiều người cùng sử dụng chung một cánh cửa Thêm vào đó, hiện nay hệ thống máy lạnh dược sử dụng khá rộng rãi ở những nơi công sở,

công cộng Nếu ta dùng loại cửa bình thường thì phải đảm bảo cửa luôn đóng khi không co người qua lại để tránh thất thoát hơi lạnh ra ngoài gây lãng phí Thế nhưng điều này trong thực tế lại rất khó thực hiện vì ý thức của mỗi người ở nơi công cộng là rất khác nhau Do đó, cửa tự động, với tính chất là luôn đóng khi không có người qua lại đã đáp ứng được tốt yêu cầu này Chính vì những ưu điểm nổi bật của cửa tự động mà chúng ta càng phải phát triển ứng dụng nó rộng rãi hơn, đồng thời nghiên cứu để cải tiến và nâng cao chất lượng hoạt đ động của cửa tự động để nó ngày càng hiện đại hơn, tiện ích hơn Để nghiên cứu một cách chính xác

và cụ thể về cửa tự động, cần thiết phải chế tạo ra mô hình cửa đóng mở tự động,

mô tả hoạt đọng, hình dáng, cấu tạo của cửa tự động Từ mô hình này t có thể quan sát và tìm hiểu hoạt động của cửa tự động, cũng như có thể lường trước những khói khăn có thể gặp phải khi chế tạo cửa tự động trên thực tế Cũng từ mô hình có thể thấy được ưu nhược điểm của thiết kế mà từ đó khắc phục những hạn chế, phát huy thế mạnh thiết kế cánh cửa ưu việt hơn, hoàn thiện hơn cho con người

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1.Tổng quan về các loại cửa

Hiện nay có nhiều loại cửa tự động : cửa kéo,cửa đẩy, cửa cuốn, cửa trượt

1.1.1 Cửa cuốn

Hình 1.1 Cửa cuốn

Hình 1.2 Cửa cuốn

Hình 1.3 Sơ đồ cửa cuốn

Loại cửa này có ưu điểm là gọn nhẹ tiện dụng và dễ sử dụng, lại chỉ cần động cơ công suất nhỏ Loại cửa này thường được dùng cho gara ô tô Nó có tính kinh tế khá cao vì không mấy khó khăn khi làm được loại cửa này Nhưng có nhược điểm là cửa không chắc chắn và dễ bị hỏng hơn các loại cửa khác

1.1.2 Cửa trượt xếp lớp

Hình 1.4 Cửa trượt xếp lớp

Hình 1.5 Sơ đồ cửa trượt xếp lớp

Là loại cửa đi nhiều cánh được mở bằng cách trượt và xếp trên ray, ngoài ra còn

có các cánh có thể mở quay Được làm từ profile định hình có kích thước lớn, vững chắc Có tính cách âm, cách nhiệt và độ kín, khít cao

Đa dạng kích thước, kiểu dáng, phù hợp nhiều kiểu kiến trúc

1.1.3 Cửa trượt:

1.6 Cửa trượt

1.7 Cửa trượt

Hình 1.8 Cửa trượt cong Loại cửa này có đặc điểm là có một rãnh trượt cố định cho phép cánh cửa thể trượt qua trượt lại Loại cửa này thường được sử dụng trong nhà hàng, khách sạn,

cơ quan hay sân bay, nhà ga Loại cửa này có ưu điểm là kết cấu khá nhẹ nhàng,tạo ra một cảm giác thoáng đạt và thoải mái và lịch sự rất thích hợp với nhưng nơi công cộng, cơ quan

Loại cửa này thiết kế rất toàn vẹn, nó có thể nhận biết được người, máy móc cũng như loài vật có thể đi qua Nhược điểm của loại cửa này là không hề chắc chắn, nhẹ nhàng nhưng không có nghĩa là gọn gàng mà ngược lại có khi lại rất cồng kềnh

Có một điều không thể phủ nhận đó là tính phổ biến của loại cửa này

1.2.Giới thiệu đề tài

Cửa tự động đang dần dần trở thành xu hướng thiết kế của cuộc sống hiện đại do các ưu điểm vượt trội như khả năng sử dụng đáp ứng mật độ lưu thông cao,

tốc độ đóng mở nhanh, tính an toàn, và tiết kiệm diện tích sử dụng Khi không có không gian rộng để lắp các loại cửa thông thường thì giải pháp cửa đóng mở tự động là giải pháp tối ưu, giúp người sử dụng không còn phải bận tâm về chiều rộng cũng như không gian của nơi lắp đặt Đặc biệt là cửa trượt tự động 2 cánh – một hệ cửa tự động thực sự đã tạo nên phong cách mới cho mọi công trình

Cửa tự động đóng mở sử dụng Motor và board mạch điều khiển cửa trượt Phù hợp cho lắp đặt tất cả các công trình văn phòng, cửa hàng, siêu thị

Hình 1.9 Cửa trượt tự động sử dụng trong siêu thị

1.3 Nhiệm vụ thiết kế và thi công

- Thiết kế cơ khí

- Thiết kế điện

- Thiết kế mạch điều khiển

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 2.1 Các yêu cầu của mô hình cửa tự động:

- Kích thước gọn gàng

- Hệ thống cơ hoạt động tốt

- Hệ thống cửa đáp ứng mọi yêu cầu đặt ra

2.1.1 Yêu cầu về cơ khí:

- Yêu cầu của thiết kế lầ phải giống cửa thật cả về hình thức lẫn chất lượng hoạt động, phải chắc chắn gọn gàng Do đó, việc thiết kế cơ khí cho mô hình phải đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật như đối với cửa thật: khung cửa, cánh cửa, bánh răng, rãnh trượt, xích, bánh răng

- Động cơ là loại động cơ một chiều được cấp nguồn bởi chỉnh lưu cầu 1 chiều và kết hợp với bộ đảo chiều cho phép động cơ có thể quay thuận hoặc quay ngược

2.1.2 Mục đích của việc thiết kế:

- Nghiên cứu, chế tạo mô hình cửa tự động này giúp cho sinh viên có những hiểu

biết sâu sắc về lĩnh vực điều khiển thông minh và có thể nắm bắt được nhiều kiến thức về ngành nghề như: điện tử, điện cơ, cơ khí

- Việc tạo ra mô hình hoạt động tốt sẽ tạo điều kiên cho sinh viên có cơ hội học tập

và nghiên cứu một cách thực tế là một cơ hội rất tốt giúp sinh viên khỏi bỡ ngỡ khi làm việc thực tế

2.1.3 Nhiệm vụ các bước thiết kế

Nhiệm vụ của đề tài này là thiết kế mô hình cửa tự động dùng arduino ta cần biết:

Bước 1: Đi khảo sát thị trường, thăm dò nhu cầu người sử dụng như muốn thiết kê cổng theo dáng nào, khối lượng cổng bao nhiêu, vận hành như thế nào

Bước 2: Nêu các yêu cầu với 1 cửa tự động mà thị trường đang cần và bắt đầu ý tưởng thiết kế mô hình sản phẩm

Bước 3: Phân tích ưu nhược điểm của từng ý tưởng một để chọn ra mô hình cuối cùng

Bước 4: Bắt tay vào làm sản phẩm thực và lập trình cho chạy thử

2.2 Giới thiệu các chi tiết trong mô hình:

2.2.1 Khung mô hình

Hình 2.0 Khung mô hình thực tế

2.2.2 Cánh cửa:

- Sử dụng vật liệu mica 5mm

Hình 2.1 Sơ đồ kích thước cánh cửa trái Kích thước cánh cửa bên trái:

Hình 2.2 Sơ đồ kích thước cánh cửa phải Kích thước cánh cửa bên trái:

Hình 2.3 Sơ đồ kích thước bánh răng động cơ

Đường kính bánh răng: Ø21 mm

Bước răng: 5 mm

Chiều cao răng: 2mm

Đường kính trục: Ø6

Hình 2.4 Sơ đồ lắp ráp 2 cánh cửa Kích thước cơ cấu cửa:

Rộng: 200mm

Dài: 160mm

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu cánh cửa:

Khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ thanh răng 1 chạy sang phải làm cho cánh cửa 1 chạy sang bên phải, thanh răng 2 chạy sang trái làm cho cánh cửa 2 chạy sang bên trái và ngược lại

Hình 2.5 Sơ đồ kích thước thanh gá cánh cửa Kích thước thanh gá:

- Chiều dài động cơ: 60mm

- Chiều dài động cơ tính cả hộp giảm tốc: 115mm

Hình 2.7 Động cơ găn hộp số

CHƯƠNG 3: PHẦN ĐIỀU KHIỂN

3.1.Yêu cầu của mô hình:

- Các thiết bị điều khiển hoạt động chính xác, thời gian tác động nhanh, phổ biến trên thịtrường thuận tiện cho sửa chữa và nâng cấp

- Mô hình thiết kế sao cho nhỏ gọn thích hợp cho việc học tập nghiên cứu sau này, cácthiết bị lắp đặt sao cho thuận tiện cho việc bảo trì, thay thế hoặc nâng cấp hoàn thiệnmô hình

3.2.Sơ đồ khối của hệ thống:

Ta có sơ đồ nguyên lý hệ thống như sau

Hình 3.0 Sơ đồ nguyên lý hệ thống

Ngoài ra có bộ nguồn cung cấp cho toàn bộ hệ thống

- Chức năng: cấp điện cho toàn hệ thống

- Nhiệm vụ: chuyển điện áp từ 220V AC sang 12-24V DC cung cấp cho toàn hệ

thống

Khối cảm biến

Cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR motion sensor)

Khối điều khiển

Mạch điều khiển trung tâm sử dụng arduino pro mini

Khối chấp hành:

Động cơ điện servo 24 VDC

3.3.Các linh kiện điện tử sử dụng trong mô hình

3.3.1.Cảm biến

- Cảm biến chúng ta sử dụng loại cảm biến : “Cảm biến hồng ngoại thụ động” (PIR motion sensor)

Hình 3.1 Cảm biến hồng ngoại thụ động

Cảm biến cho phép nhận diện những vật phát ra sóng hồng ngoại di chuyển vào hay ra khỏi phạm vi quét của cảm biến

Cảm biến có kích thước nhỏ, tiêu thụ ít điện năng, dễ sử dụng

Cảm về cơ bản được làm bằng một cảm biến pyroelectric ( trên là kim loại tròn với một tinh thể hình chữ nhật ở trung tâm), có thể phát hiện mức bức xạ hồng ngoại

Hình 3.2 Cảm biến phát hiện ánh sáng hồng ngoại

Cảm biến phát hiện ánh sáng hồng ngoại đang di chuyển, so sánh với một nguồn hồng ngoại khác như ánh sáng hồng ngoại của một bức tường Trên cảm biến còn gắn thêm các tụ điện và điện trờ, và chip BISS0001 một loại rẻ tiền

PIR là một loại cảm biến khá phức tạp Cảm biến PIR tự có khe cắm trong

đó, mỗi khe cắm được làm bằng một loại vật liệu đặc biệt nhạy cảm với ánh sáng hồng ngoại

Khi không có một luồng ánh sáng hồng ngoại ( Con người ) và di chuyển vào trong vùng quét của vùng quét của cảm biến, cả hai khe của cảm biến cùng phát hiện một bức xạ hồng ngoại, các bức xạ này phát ra từ các bức tường hoặc mặt trời

Hình 3.3 Bộ phát bức xạ hồng ngoại Khi có một vật phát ra hồng ngoại đi qua một khe của cảm biến, làm thay đổi giá trị giữa hai khe của cảm biến Khi vật thể phát xạ đi ra khỏi vùng quét của cảm biến điều ngược lại xảy ra với cảm biến Nhứng thay đổi đó đều được cảm biến phát hiện

Hình 3.4 Mô phỏng hoạt động của cảm biến

Tầm phát hiện của cảm biến PIR chỉ là hai vùng chữ nhật Nên chúng ta phải

sử dụng thêm một ống kính để ngưng tụ một vùng rộng lớn Ống kính được làm đơn giản từ một miếng nhựa, mặc dù có thể làm biến dạng tín hiệu

Hình 3.5 Biến dạng tín hiệu

Các ống kính ngưng tụ ánh sáng, một phạm vi lớn cho cảm biến

Hình 3.8 Sơ đồ cảm biến được chia nhỏ

3.3.2 Arduino pro mini:

Hình 3.9 Sơ đồ chân arduino pro mini

-Hình 3.10 Mạch arduino pro mini

Thông số kỹ thuật của mạch arduino pro mini:

Board Arduino Pro Mini 5V 16Mhz mặc định sử dụng nguồn 5V và chạy ở xung nhịp 16Mhz Tuy nhiên trên board có sẵn đầu vào RAW để cấp nguồn thông qua mạchđiều áp từ 3.3V – 12Vhoặc Vcc cấp nguồn 3.3V hoặc 5V

Module Arduino Pro Mini không có sẵn giao tiếp USB Điều này có nghĩa là bạn không thể cắm trực tiếp board Arduino Pro Mini vào máy tính như Arduino Mega2560, Arduino Uno R3, Arduino Nano Tuy nhiên có thể sử dụng board Arduino Uno R3 để lập trình cho Arduino Pro Mini

Hình 3.11 Chip AT Mega 328P

Thông số kỹ thuật của chip AT MEGA 328P-AU:

3.3.3 Relay

Rơ-le là một loại linh kiện điện tử thụ động rất hay gặp trong các ứng dụng thực

tế Khi bạn gặp các vấn đề liên quan đến công suất và cần sự ổn định cao, ngoài

ra có thể dễ dàng bảo trì, thì rơ-le chính là cái bạn cần tìm Vì vậy, hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về relay và các ứng dụng của nó trong cuộc sống

Từ rơ-le là từ vay mượn từ tiếng nước ngoài (cụ thể là tiếng Pháp) nên trong từ

đó không bao hàm ý nghĩa gì nhiều Vì vậy, ta sẽ không phân tích rơ-le là gì thông qua tên gọi của nó Vì vậy, tớ sẽ sử dụng những linh kiện điện tử khác mà chắc chắn bạn đã biết rồi để diễn giải

Hình 3.12 Relay

Rơ-le là một công tắc (khóa K) Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản,

rơ-le được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người Chính vì lẽ đó, rơ-rơ-le được dùng làm công tắc điện tử! Vì rơ-le là một công tắc nên nó có 2 trạng thái: đóng và mở

Trên thị trường chúng ta có 2 loại module rơ-le: module rơ-le đóng ở mức

thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng), module rơ-le đóng ở

mứccao (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng) Nếu sơ sánh giữa 2 module rơ-le có cùng thông số kỹ thuật thì hầu hết mọi kinh kiện của nó đều giống nhau, chỉ khác nhau ở chỗ cái transistor của mỗi module Chính vì cái transistor này nên mới sinh ra 2 loại module rơ-le này đấy (có 2 loại transistor là NPN - kích ở mức cao, và PNP - kích ở mức thấp)