Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển tốc độ động cơ của quạt máy thông qua ứng dụng điện thoại android

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP.HCMKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện tử, Truyền Thông Mã ngành: 141 I.TÊN ĐỀ

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Tp Hồ Chí Minh - 8/2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP.HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện tử, Truyền Thông Mã ngành: 141

I.TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ CỦA QUẠT MÁY THÔNG QUA ỨNG DỤNG ĐIỆN THOẠI ANDROID.

II NHIỆM VỤ

- Đọc các tài liệu, đồ án tốt nghiệp, đề tài liên quan

- Tìm hiểu các linh kiện công suất như MOSFET, OPTO

- Tìm hiểu các chuẩn truyền thông như UART, I2C

- Tìm hiểu phần mềm Android Studio, module giao tiếp Bluetooth HC-05

- Thiết kế ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ quạt máy trên điện thoại

- Thiết kế và thi công mạch công suất điều khiển điện áp đầu vào của quạt

- Thiết kế và thi công hoàn thiện hệ thống điều khiển động cơ quạt

- Viết chương trình điều khiển cho Ardunio, nạp code và chạy thử nghiệm, chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống

- Thực hiện viết sách luận văn báo cáo

- Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 09/03/2020

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/08/2020

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS QUÁCH THANH HẢI

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp

Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 3 năm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Bản lịch trình này được đóng vào cuốn báo cáo)

Họ tên sinh viên: Nguyễn Thanh Quang MSSV: 16141243

Họ tên sinh viên: Vũ Thị Phương Anh MSSV: 16141106

Lớp: 16141DT2B

Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển tốc độ động cơ của quạt

máy thông qua ứng dụng điện thoại Android

Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD

Tuần 1 - Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án,

Tuần 4 - Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị thích hợp

(20/4 – 26/4) - Tìm hiểu công nghệ Bluetooth, giao tiếp UART

Tuần 5 - Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức

(18/5 – 24/5) Android bằng Android Studio

- Nghiên cứu, tính toán và thiết kế sơ đồ mạchTuần 9 công suất để điều khiển điện áp đầu vào của quạt,

(25/5 – 31/5) giải thích nguyên lý hoạt động của mạch

- Mô phỏng mạch

ii

Tuần 10 - Kết nối Arduino Uno với mạch công suất

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho hệ thống điều khiển(1/6 – 7/6)

- Viết chương trình điều khiển hệ thốngTuần 11 - Thiết kế mô hình hệ thống

(8/6 – 14/6) - Vẽ mạch PCB

Tuần 12 - Thi công phần cứng

(15/6 – 21/6)

Tuần 13 - Thử nghiệm toàn bộ hệ thống Kiểm tra và sữa

(22/6 – 28/6) chữa các lỗi nếu có

Tuần 14 - Viết báo cáo và làm slide báo cáo

iii

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Người thực hiện đề tài

Vũ Thị Phương Anh Nguyễn Thanh Quang

iv

đã truyền dạy cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường.

Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giảng viên hướng dẫn TS QuáchThanh Hải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp tài liệu cũng như các kiến thứcquan trọng tạo điều kiện thuận lợi nhất có thể cho chúng em trong suốt quá trìnhthực hiện đề tài

Chúng em cũng gửi lời cảm ơn tới ba mẹ và người thân đã đồng hành, chia sẻ

và động viên tinh thần cũng như vật chất trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Chúng em cũng gửi lời cảm ơn tới các bạn ngành CNKT Điện tử - Truyềnthông K16 đã trao đổi và chia sẻ kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báutrong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Thanh Quang

Vũ Thị Phương Anh

v

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI CẢM ƠN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG x

TÓM TẮT xi

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 3

1.5 BỐ CỤC 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 QUY TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CỦA HỆ THỐNG 4

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.2.1 Arduino Uno R3 4

2.2.2 Module HC - 05 4

2.2.3 LCD 16x2 6

2.2.4 Mạch chuyển đổi I2C cho LCD 6

2.2.5 Giao tiếp I2C 6

2.2.6 Giao tiếp UART 7

2.2.7 IC cách ly quang TLP250 7

2.2.8 IGBT 25N120 8

2.2.9 Encoder KY - 040 9

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 12

3.1 GIỚI THIỆU 12

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 12

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 12

3.2.2 Lựa chọn, tính toán và thiết kế mạch 13

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 21

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 22

4.1 GIỚI THIỆU 22

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 22

4.2.1 Thi công bo mạch 22

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 24

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 25

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 25

4.3.2 Thi công mô hình 25

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 28

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 28

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 32

4.4.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại, máy tính, … 36

4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 39

4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 39

4.5.2 Quy trình thao tác 40

Chương 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 43

5.1 ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 43

5.1.1 Đánh giá khả năng điều khiển của kỹ thuật đề xuất 43

5.1.2 Đánh giá chức năng vận hành của phần mềm đã xây dựng 47

5.2 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 53

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54

6.1 KẾT LUẬN 54

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 56

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Hình ảnh minh họa cho Ardunio UNO R3 4

Hình 2.2 Hình minh họa cho Module Bluetooth HC-05 5

Hình 2.3 LCD 16x2 6

Hình 2.4 Hình minh họa mạch chuyển đổi I2C cho LCD 6

Hình 2.5 Sơ đồ kết nối giao tiếp UART .7

Hình 2.6 Hình ảnh minh họa cho IC cách quang TLP250 7

Hình 2.7 Hình minh họa sơ đồ chân IC cách quang TLP250 8

Hình 2.8 IGBT 25N120 8

Hình 2.9 Sơ đồ chân của IGBT 25N120 9

Hình 2.10 Hình minh họa cho Encoder 040 9

Hình 2.11 Hình ảnh minh họa của Encoder 10

Hình 2.12 Hình minh họa cho cấu tạo của Encoder 10

Hình 2.13 Hình minh họa cho hình dạng của Encoder 11

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 12

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý tổng quát của Arduino Uno R3 13

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối Arduino Uno R3 với Encoder Ky-040 và HC-05 14

Hình 3.4 Kết nối LCD với mạch chuyển giao tiếp I2C 15

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino Uno R3 với LCD 16

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly dùng TLP250 17

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 17

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino Uno R3 với khối công suất 19

Hình 3.9 Adapter nguồn 9V – 1A 20

Hình 3.10 Adapter nguồn đôi 12V – 1A 20

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 21

Hình 4.1 Mặt dưới của mạch PCB 22

Hình 4.2 Mặt trên của mạch PCB 23

Hình 4.3 Sơ đồ bố trí linh kiện 23

Hình 4.4 Mặt trên của mạch sau khi lắp ráp và hàn các linh kiện 25

Hình 4.5 Mặt dưới của mạch sau khi lắp ráp và hàn các linh kiện 26

Hình 4.6 Lắp đặt mạch và module nguồn lên mặt đế của quạt 26

Hình 4.7 Lắp đặt HC-05, LCD I2C, Encoder Ky 040 lên mặt trên của quạt 27

Hình 4.8 Quạt sau khi lắp đặt xong 27

Hình 4.9 Lưu đồ giải thuật cho Arduino Uno R3 28

Hình 4.10 Lưu đồ chương trình con xử lý và thực dữ liệu nhận được 29

Hình 4.11 Lưu đồ ứng dụng điện thoại 30

Hình 4.12 Lưu đồ kết nối Bluetooth 31

Hình 4.13 Hình minh họa quy trình làm việc của arduino 32

Hình 4.14 Giao diện lập trình Arduino 33

Hình 4.15 Hình minh họa giao diện file trong menu Ardunio 33

Hình 4.16 Giao diện Sketch trong Menu Arduino IDE 34

Hình 4.17 Giao diện Tool trong Menu Arduino IDE 35

Hình 4.18 Hình minh họa cho việc chọn Board Arduino cần sử dụng 35

Hình 4.19 Hình minh họa Arduino Toolbar 36

Hình 4.20 Tạo dự án mới trong Android Studio 36

Hình 4.21 Hộp thoại chọn thiết bị lập trình 37

Hình 4.22 Cấu hình cho dự án Android Studio 37

Hình 4.23 Phần mềm build các biến cho dự án ban đầu 38

Hình 4.24 Giao diện lập trình của phần mềm Android Studio 38

Hình 4.25 Chạy mô phỏng ứng dụng đã viết 39

Hình 4.26 Lưu đồ quy trình thao tác 40

Hình 4.27 Lưu đồ quy trình con điều khiển từ xa 41

Hình 4.28 Lưu đồ quy trình con điều khiển bằng tay 42

Hình 5.1 Dạng sóng điện áp ngõ ra tại cấp số 25 43

Hình 5.2 Dạng sóng điện áp ngõ ra tại cấp số 50 44

Hình 5.3 Dạng sóng điện áp ngõ ra tại cấp số 75 44

Hình 5.4 Dạng sóng dòng điện ngõ ra tại cấp số 25 với R để đo dòng là 100Ω 44 Hình 5.5 Dạng sóng dòng điện ngõ ra tại cấp số 50 với R để đo dòng là 100Ω 45 Hình 5.6 Dạng sóng dòng điện ngõ ra tại cấp số 75 với R để đo dòng là 100Ω 45 Hình 5.7 Dạng sóng xung kích cho IGBT tại cấp số 25 45

Hình 5.8 Dạng sóng xung kích cho IGBT tại cấp số 50 46

Hình 5.9 Dạng sóng xung kích cho IGBT tại cấp số 75 46

Hình 5.10 Chỉ số THD tại cấp số 75 46

Hình 5.11 Chỉ số THD tại cấp số 100 47

Hình 5.12 Biểu tượng của ứng dụng điều khiển 47

Hình 5.13 Giao diện kết nối Bluetooth 47

Hình 5.14 Giao diện cài đặt Bluetooth mặc định của điện thoại 48

Hình 5.15 Giao diện chờ cập nhật dữ liệu của ứng dụng 49

Hình 5.16 Giao diện điều khiển quạt từ xa 49

Hình 5.17 Điều khiển từ xa quạt vận hành ở mức tốc độ 50 50

Hình 5.18 Điều khiển từ xa quạt vận hành ở mức tốc độ 80 50

Hình 5.19 Ban đầu quạt tắt đứng yên 51

Hình 5.20 Quạt đang vận hành với mức tốc độ 50 52

Hình 5.21 Quạt đang vận hành với mức tốc độ 25 52

Hình 5.22 Quạt đang vận hành với mức tốc độ 80 52

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Kết quả sau khi đo thông số quạt 18

Bảng 3.2: Dòng tiêu thụ và điện áp hoạt động của các module 20

Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện 24

Bảng 5.1 Đánh giá tổng méo hài điện áp ngõ ra của bộ điều khiển 43

TÓM TẮT

Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ thì các thiết

bị, hệ thống thông minh cũng dần được tạo ra Các hệ thống điều khiển thông minhđược sử dụng rộng rãi trong đời sống, trong đó nổi bật và được ứng dụng nhiều cóthể nói đến hệ thống thông minh điều khiển thiết bị điện trong nhà và nếu nói đếncác thiết bị điện trong hộ gia đình thì không thể không nhắc đến quạt máy

Hiện nay xu hướng điều khiển số với các module chuyên dụng như moduleLED, module Wifi, Bluetooth, các board điều khiển như Arduino, Raspberry, …đang phát triển một cách mạnh mẽ Nhờ đó mà việc điều khiển hệ thống trở lênthuận tiện và dễ dàng hơn rất nhiều

Nội dung của đề tài là áp dụng những kiến thức điện tử cũng như kiến thức về

vi điều khiển đã được học để thiết kế một hệ thống điều khiển tốc độ động cơ quạtmáy Hệ thống gồm một mạch công suất điều khiển tốc độ động cơ với bộ điều khiềukhiển trung tâm là Arduino Uno R3 Không chỉ thay đổi tốc độ và trạng thái động cơbằng nút nhấn và nút xoay trên mạch công suất mà còn có thể điều khiển thông qua ứngdụng Android trên điện thoại thông minh được giao tiếp với vi điều khiển thông

qua module Bluetooth HC-05 Số liệu được hiển thị trên LCD 16X2 và trên giaodiện của ứng dụng một cách trực quan, dễ nhìn giúp người sử dụng dễ dàng thấyđược trạng thái và tốc độ hiện tại của quạt máy Tốc độ của động cơ bao gồm rấtnhiều cấp số khác nhau khiến người sử dụng có thể thay đổi để phù hợp với yêu cầucủa bản thân nhất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ thì các thiết

bị, hệ thống thông minh cũng dần được tạo ra Các hệ thống điều khiển thông minhđược sử dụng rộng rãi trong đời sống, chẳng hạn như hệ thống thông minh điềukhiển thiết bị điện trong nhà [1] Các thiết bị điện trong hộ gia đình thì có lẽ chúng

ta không thể không nhắc đến quạt máy

Nguyên tắc hoạt động của đa số các quạt máy hiện nay là khi có dòng điện chạytrong dây dẫn quấn trên lõi sắt từ (hay còn gọi là phe silic) được làm bằng tole silicmỏng ghép nhiều miếng lại với nhau tạo ra một lực tác động lên Rotor [2] Do vị trí cáccuộn dây (dây chạy và dây đề) đặt lệch nhau và tác dụng làm lệch pha của tụ điện sẽtạo ra trong lòng Stator các lực hút không cùng phương với nhau Vì hai lực hút lệchnhau về thời gian và phương nên sẽ tạo trong lòng stator một từ trường quay làm choRotor quay được Để thay đổi tốc độ của quạt người thay đổi điện kháng mắc nối tiếpvới cuộn chạy nhằm thay đổi đổi dòng qua Stator Cuộn kháng này thường được quấntrên Stator với các quạt cây và quấn trên hộp số với quạt trần Như vậy, để tạo ra mộtđộng cơ quạt máy có ba chế độ quạt thì ta cần tới bốn cuộn dây bao gồm một cuộnchạy, hai cuộn số và một cuộn Với cách thực hiện thay đổi tốc độ như trên thì sẽ làmtăng chi phí sản xuất quạt do tăng lượng dây đồng, khối lượng lõi thép và tổn hao nănglượng trên cuộn kháng Để giảm giá thành, những năm trước một kỹ thuật được đề xuất

là sử dụng các khóa công suất TRIAC thay đổi điện áp đặt lên cuộn chạy do đó thay đổidòng điện stator và thay đổi tốc độ Kỹ thuật này cho phép không sử dụng cuộn kháng

do đó giảm lượng dây đồng và khối lượng quạt Tuy nhiên dòng điện trong stator cóhình dạng không sine nên dòng điện do quat gây ra có các sóng hài bậc cao ảnh hưởngđến chất lượng điện năng Bên cạnh đó do dòng điện không sine nên moment quạtkhông đều dẫn đến mau hư các bạc đạn

Nhận thấy nhược điểm khi sử dụng nguyên lý điều khiển tốc độ quạt máy nhưtrên, cùng với xu hướng điều khiển số với các module chuyên dụng như module LED,module Wifi, Bluetooth, các board điều khiển như Arduino, Raspberry, nhóm làm đềtài kiến nghị thực hiện việc thiết kế và thi công một hệ thống áp dụng VXL Arduino vàmodule Bluetooth HC-05 để điều khiển tốc độ của quạt máy bằng phương pháp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

điều khiển điện áp đầu vào của động cơ quạt với đặc điểm không sử dụng cuộn số,không sử dụng linh kiện công suất gây ra méo hài dòng điện lớn như SCR hayTRIAC, có khả năng điều khiển số cấp rất lớn Đó là nội dung chính của đề tài

“Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển tốc độ động cơ của quạt máy thông quaứng dụng điện thoại Android”

1.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển tốc độ động cơ của quạt máy thôngqua ứng dụng điện thoại Android để giải quyết được các vấn đề đã đặt ra bằngphương pháp tăng/giảm điện áp ngõ vào xoay chiều của quạt máy (phát triển dựatrên mạch giảm áp một chiều [3]) làm thay đổi tốc độ động cơ của quạt máy.Phương pháp này giúp hệ thống không sử dụng linh kiện công suất gây ra méo hàidòng điện lớn như SCR hay TRIAC (không ảnh hưởng đến lưới điện), không sửdụng cuộn số của quạt (giảm giá thành), điều khiển được số cấp rất lớn (đáp ứngyêu cầu của người sử dụng tốt hơn) Ngoài ra, vi điều khiển Arduino Uno R3 đượcdùng để điều khiển điện áp ngõ vào xoay chiều của quạt thông qua mạch công suất(mạch giảm áp AC/AC dùng IGBT25N120 và TLP250) và điều khiển các ngoại vikhác như màn hình LCD 16x2 để hiển thị trạng thái của quạt, module Encoder KY-

040 dùng để điều khiển quạt bằng tay và module HC-05 dùng để kết nối giữa ứngdụng điện thoại để điều khiển quạt với hệ thống thông qua Bluetooth (có thể tíchhợp vào hệ thống nhà thông minh trong tương lai)

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi công hệthống điều khiển tốc độ động cơ của quạt máy thông qua ứng dụng điện thoại Android,nhóm chúng em đã tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau:

• NỘI DUNG 1: Kết nối Arduino Uno với Module Bluetooh HC-05 và màn hình LCD

• NỘI DUNG 2: Nghiên cứu xây dựng mạch công suất để điều khiển điện áp đầu vào của quạt thông qua Arduino Uno

• NỘI DUNG 3: Kết nối Arduino Uno với mạch công suất

• NỘI DUNG 4: Nghiên cứu xây dựng một ứng dụng Android giao tiếp với hệ thống thông qua Bluetooth

• NỘI DUNG 5: Thiết kế mô hình hệ thống

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

• NỘI DUNG 6: Nghiên cứu lập trình để điều khiển mạch công suất, hiển thị cấp số hiện tại của quạt

• NỘI DUNG 7: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống

• NỘI DUNG 8: Viết báo cáo thực hiện

• NỘI DUNG 9: Bảo vệ luận văn

1.4 GIỚI HẠN

Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:

• Động cơ công suất 30 đến 60W tương ứng với các quạt cây thông dụng trênthị trường hiện nay

• Ứng dụng điện thoại chạy trên hệ điều hành Android

• Giao tiếp điện thoại với hệ thống qua bluetooth trong phạm vi 10m với địa hình thông thoáng

1.5 BỐ CỤC

• Chương 1: Tổng Quan

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết của các module sử dụng trong quá trình thực hiện đồ án

• Chương 3: Thiết Kế và Tính Tóan

Chương này trình bày quá trình thiết kế và tính toán phần cứng và các app liênquan đến đồ án

• Chương 4: Thi công hệ thống

Chương này trình bày quá trình thi công và hoàn thiện hệ thống của toàn bộ đề tài

• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương này trình bày kết quả của đồ án, đưa ra nhận xét và đánh giá kết quả cuối cùng của đồ án

• Chương 6: Kết luận và Hướng phát triển

Chương này trình bày ưu điểm và nhược điểm của đồ án, sau đó đưa ra hướng phát triển của đồ án

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 QUY TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CỦA HỆ THỐNG

Ban đầu Arduino tạo tín hiệu điều khiển để mạch công suất có điện áp ngõ rabằng 0 (quạt tắt) và chờ có tác động điều khiển của người dùng thông qua ứng dụngđiện thoại hoặc điều khiển trực tiếp trên quạt bằng núm xoay Khi có tác động củangười dùng thì quạt sẽ bật hoặc tắt và có thể điều chỉnh tốc độ quạt khi quạt đangbật Arduino nhận được tín hiệu điều khiển thay đổi tốc độ thì sẽ tạo tín hiệu chomạch công suất nâng hoặc giảm điện áp ngõ ra Điện áp ngõ ra càng lớn thì quạtquay càng nhanh và ngược lại

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.1 Arduino Uno R3

Arduino UNO R3 là board mạch đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và có giá thành rẻ

để giúp giảm chi phí cho sản phẩm [4] Board mạch trang bị vi điều khiển Atmega 328gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thíchvới nhiều board mở rộng khác nhau và có hình dạng như trong hình 2.1

Để phù hợp với đề tài đã chọn thì Ardunio Uno R3 là sự lựa chọn hợp lí, cấuhình phù hợp với yêu cầu và giới hạn của đề tài Ardunio Nano có nhược điểm là dễcháy khi bị đoạn mạch do nó không có khả năng tự ngắt nguồn như ở Ardunio Uno.Ardunio Mega có giá thành cao so với 2 loại Ardunio còn lại và có nhiều chânkhông cần thiết so với yêu cầu của đề tài

Hình 2.1 Hình ảnh minh họa cho Ardunio UNO R3 2.2.2 Module HC - 05

Bluetooth là chuẩn truyền thông không dây để trao đổi dữ liệu ở khoảng cáchngắn Chuẩn truyền thông này sử dụng sóng radio bước sóng ngắn (UHF radio) trongdải tần số dùng trong công nghiệp, khoa học và y tế (2.4 tới 2.485 GHz) Khoảng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

truyền của module này là khoảng 10m Module Bluetooth thông dụng gồm cóModule Bluetooth HC-05 có thể hoạt động được ở 2 chế độ MASTER hoặc SLAVE

và Module Bluetooth HC-06 chỉ hoạt động ở chế độ SLAVE

• Chế độ SLAVE: Thiết lập kết nối từ Smartphone, Laptop, USB, Bluetooth để

dò tìm Module sau đó ghép đôivới mã PIN là 1234 Sau khi ghép đôi thànhcông, sẽ có một cổng Serial từ xa hoạt động ở Baudrate 9600

• Chế độ MASTER: Module sẽ tự động dò tìm thiết bị Bluetooth khác và tiến hành ghép đôi chủ động mà không cần thiết lập gì từ máy tính hoặc Smartphone

Do lí do trên nên trong đề tài này, Module Bluetooth HC-05là lựa chọn tốt nhất

để truyền nhận tín hiệu

Thông số kỹ thuật của Module Bluetooth HC-05

• Giao thức Bluetooth: Bluetooth 2.0

• Giao tiếp: UART

• Nguồn hoạt động: +3.3 VDC 30mA (Hỗ trợ IC 5.0V)

• Nhiệt độ làm việc: -20~ +75Độ C

• Kích thước: 28mm x 15mm x 2.35mm

• Mã ghép đôi: 1234

• Tên thiết bị: HC-05

Hình 2.2 Hình minh họa cho Module Bluetooth HC-05

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sơ đồ chân HC-05 gồm có

• KEY: Chân này để chọn chế độ hoạt động ATMode hoặc DataMode

• VCC: Chân này có thể cấp nguồn từ 3.6V đến 6V

• GND: Nối với chân nguồn GND

• TXD, RXD: đây là hai chân UART để giao tiếp module hoạt động ở mức logic 3.3V

• STATE: Nếu chỉ cần thả nổi thì không cần quan tâm đến chân này

2.2.3 LCD 16x2

LCD 16x2 là loại màn hình hiển thị được tất cả các kí tự trong bảng mã ASCII

và 8 kí tự đặc biệt do người dùng tạo ra, với khả năng hiển thị 2 dòng với 16 ký tựmỗi dòng [5]

Hình 2.3 LCD 16x2 2.2.4 Mạch chuyển đổi I2C cho LCD

Hình 2.4 Hình minh họa mạch chuyển đổi I2C cho LCD

LCD thường có nhiều chân nên khó khăn trong quá trình kết nối Thay vì sửdụng tối thiểu sáu chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5

và D4) thì với module chuyển đổi chỉ cần sử dụng hai chân (SCL, SDA) để kết nối

2.2.5 Giao tiếp I2C

I2C là tên viết tắt của cụm từ tiếng anh “Inter-Integrated Circuit” Nó là mộtgiao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors để truyền dữ liệugiữa một bộ xử lý trung tâm với nhiều IC trên cùng một board mạch chỉ sử dụng haiđường truyền tín hiệu [4]

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Do tính đơn giản của nó nên loại giao thức này được sử dụng rộng rãi cho giaotiếp giữa vi điều khiển và mảng cảm biến, các thiết bị hiển thị, thiết bị IoT,EEPROMs, v.v …

Đây là một loại giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ Nó có nghĩa là các bit dữliệu được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn được thiết lập bởimột tín hiệu đồng hồ tham chiếu

2.2.6 Giao tiếp UART

Các tên đầy đủ UART là “Universal Asynchronous Receiver / Transmitter”[4] Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp Trong UART, giao tiếpgiữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo hai cách là giao tiếp dữ liệu nối tiếp vàgiao tiếp dữ liệu song song

Hình 2.5 Sơ đồ kết nối giao tiếp UART.

Hình 2.6 Hình ảnh minh họa cho IC cách quang TLP250

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.7 Hình minh họa sơ đồ chân IC cách quang TLP250

Khi có dòng điện phân cực thuận cho diode phát quang thì transitor dẫn từchân 8 đến chân 6,7 và ngưng dẫn từ chân 6,7 đến chân 5 Ngược lại, khi không códòng điện phân cực thuận thì transitor dẫn từ chân 6,7 đến chân 5 và ngưng dẫn từchân 8 đến chân 6,7

2.2.8 IGBT 25N120

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là transistor công suất hiện đại, chếtạo trên công nghệ VLSI, cho nên kích thước gọn nhẹ Nó có khả năng chịu đượcđiện áp và dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện

Yêu cầu của đề tài với nguồn vào là 220V hiệu dụng nên điện áp đỉnh là 310V,

và mạch sẽ có các điện áp cảm ứng vì dùng tải cảm nên cần chịu được điện áp

VDS>(310+VL) V, điện áp cần chịu được lớn - khoảng 1200V nên dùng MOSFET,BJT là không thể đáp ứng được Cùng với đó dòng tải là 0.13A, dòng khởi độngkhoảng 2A Vì thế cần chọn công tắc bán dẫn có dòng chịu được lớn hơn 2A đểmạch hoạt động ổn định Ngoài ra, công tắc bán dẫn phải đáp ứng được tần số đóngcắt của mạch công suất là 16kHz Từ đó, IGBT 25N120 là lựa chọn phù hợp nhất đểthực hiện đề thỏa mãn những yêu cầu trên

Hình 2.8 IGBT 25N120

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.9 Sơ đồ chân của IGBT

25N120 2.2.9 Encoder KY - 040

Mạch Volume xoay Rotary Encoder 360 độ không giới hạn số vòng quay,

encoder đưa ra 2 xung vuông 90 độ gọi là 2 phase A và B, xung từ encoder đưa ra

có thể dùng để nhận biết chiều quay, tốc độ quay, vị trí, module cung cấp 2 ngõ racho 2 phase và 1 ngõ ra dạng nút nhấn

Encoder module KY-040 trông giống 1 module biến trở nhưng có ngõ ra dạng xung số Bằng việc xoay núm vặn, ngõ ra xung của 2 kênh sẽ thay đổi với 1 độ

lệch pha xác định (90 độ) giúp phân biệt được chiều xoay

Đếm số lượng xung ngõ ra sẽ cho biết vị trí góc xoay, vị trí này là không giớihạn Đồng thời module cũng cung cấp 1 nút nhấn có thể được lập trình để trở thành

1 nút reset giá trị đếm Từ đó có thể thấy module này rất nhỏ gọn và phù hợp vớiviệc điều khiển cho quạt

Hình 2.10 Hình minh họa cho Encoder 040 Thông số kỹ thuật của Encoder 040:

• Điện áp sử dụng: 3-5 VDC

• Độ phân giải: 20 xung/vòng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sơ đồ chân của Encoder 040:

Giới thiệu chung về Encoder

Bộ mã hóa số vòng quay encoder là một thiết bị cơ điện có khả năng làm biếnđổi chuyển động tuyến tính (chuyển động thẳng) hoặc chuyển động tròn thành tínhiệu số hoặc xung Khi có sự thay đổi vị trí trục quay, các bộ mã hoá được sử dụng

để kiểm tra góc lệch của trục đang làm việc Các xung đầu ra của bộ mã hoá đượcnhận và kiểm soát bởi bộ phận cảm biến, để xác định đúng vị trí máy và tốc độ dichuyển Nhờ có encoder, các động cơ điện được điều khiển vị trí chính xác theo tínhiệu điều khiển

Hình 2.11 Hình ảnh minh họa của

Encoder Cấu tạo Encoder gồm:

• Một bộ thu phát quang (LED phát – LED thu)

• Một hệ thống lỗ (rãnh) được bố trí trên một đĩa tròn hoặc một thanh thẳng theo một quy tắc nào đó

Hình 2.12 Hình minh họa cho cấu tạo của Encoder

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nguyên lý hoạt động của Encoder

Gồm một bộ thu phát hồng ngoại và một đĩa cho chia lỗ được đặt giữa hệthống thu phát này Đĩa được gắn trên trục của động cơ hoặc trục chuyển động Quátrình đĩa chuyển động làm cho phần photo sensor thay đổi trạng thái và tạo ra mộtchuỗi các xung vuông trên đầu ra Đây là thông số kĩ thuật quan trọng của mộtencoder Tuỳ theo số lỗ trên đĩa mà số xung tạo ra trong một vòng quay của đĩakhác nhau Số lượng xung càng lớn nghĩa là số lỗ càng nhiều trên một vòng tròn

360 độ Nghĩa là có thể điều khiển càng chính xác hơn Dĩ nhiên bộ encoder càngđắt tiền Có thể thấy có nhiều loại encoder dùng từ trường hoặc trên đĩa có nhiềuvòng lỗ nhưng ở đây sẽ giới thiệu loại phổ dụng và đơn giản nhất là sử dụng ánhsáng như trên Trong thực tế có thể thấy các bộ encoder trên các động cơ DC chứkhông chỉ là các thành phần độc lập Việc lựa chọn và sử dụng hai loại encoder nàyđều có những ưu và nhược điểm riêng Hình dạng encoder: