Mục đích nghiên cứu
Hệ thống được thiết kế để thu thập dữ liệu về gió, nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng, đồng thời hỗ trợ theo dõi video trực tiếp từ camera Dữ liệu thu thập sẽ được gửi trực tiếp đến ứng dụng giám sát Blynk và nền tảng dữ liệu Thingspeak.
Lắp đặt hệ thống và chạy thử nghiệm.
Đề tài “Thiết kế chế tạo hệ thống hỗ trợ người vận hành theo dõi môi trường làm việc của xe cẩu” tập trung vào việc quan sát và giám sát các thông số thời tiết cũng như hoạt động của cần cẩu Hệ thống này sẽ là nền tảng quan trọng để phát triển các giải pháp hỗ trợ người vận hành, từ đó nâng cao mức độ an toàn lao động trong ngành cần cẩu và các lĩnh vực khác tại Việt Nam, góp phần thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
2.1.1 Khái niệm về xe cẩu, cần cẩu.
Cần cẩu, hay còn gọi là xe cẩu hoặc cần trục, là thiết bị nâng hạ quan trọng trong xây dựng Thiết bị này kết hợp giữa hệ thống máy móc, dây cáp và pa lăng để treo móc vật cẩu Cần cẩu thường sử dụng cơ cấu tay cần, dầm cầu hoặc khung cổng để nâng hạ các vật nặng, phục vụ cho thi công, lắp ráp công trình và bốc xếp hàng hóa hiệu quả.
Xe cẩu được phân loại đa dạng dựa trên nhu cầu sử dụng, bao gồm các loại xe cẩu từ 2,5 tấn, 5 tấn, 8 tấn, đến 30 tấn (như cẩu Kato) và xe cẩu nâng người.
+ Phân chia theo cấu tạo hệ thống di chuyển: Xe cẩu bánh xích và xe cẩu bánh lốp.
+ Phân chia theo hệ thống dẫn động: Xe cẩu thuỷ lực, xe cẩu dẫn động cơ khí, xe cẩu dẫn động cơ điện.
Các loại xe cẩu chuyên dụng nhất tại Việt Nam theo hình thức phân chia dựa trên cấu tạo hệ thống di chuyển là:
Xe cẩu cố định là loại xe cẩu không thể tự di chuyển, bao gồm các loại như cần cẩu và cẩu tháp Điểm nổi bật của xe cẩu cố định là cầu trục vững chắc, bền bỉ, có khả năng nâng đỡ hàng hóa với trọng tải lớn.
Hình 2 1 Xe cẩu cố định
Xe cẩu cố định là thiết bị quan trọng trong các công trình xây dựng như nhà cao tầng, thủy điện và cầu Chúng được sử dụng để nâng hạ các loại nguyên vật liệu và hàng hóa có kích thước và trọng tải lớn, đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình thi công.
Xe cẩu di động có khả năng tự di chuyển ngang trên mặt đất, mang lại sự linh hoạt cao nhờ nguồn năng lượng tích hợp trên máy Các loại xe này sử dụng tay cần nghiêng, cho phép thay đổi tầm với thông qua việc điều chỉnh góc nghiêng của tay cần hoặc lắp thêm tay cần phụ.
Hình 2 2 Xe cẩu di động
Thiết bị này tận dụng trọng lượng của phần xe làm đối trọng khi nâng hạ hàng hóa, đồng thời có thể kết hợp thêm đối trọng phụ để tăng cường độ ổn định cho máy.
Xe cẩu chuyên dụng bánh lốp là phương tiện lý tưởng cho các công việc như cẩu máy móc, thiết bị nặng, cứu nạn và bốc xếp hàng hóa Với bánh xe cao su, xe cẩu này di chuyển nhanh chóng và tiện lợi, giúp nâng tải và vận chuyển hàng hóa hiệu quả Đặc biệt, xe còn được trang bị chân chống để tăng cường sự ổn định cho cần cẩu trong quá trình hoạt động.
Hình 2 3 Xe cẩu bánh lốp.
Xe cẩu bánh lốp sở hữu thiết kế cần cẩu chắc chắn, giúp việc bốc dỡ hàng hóa và thiết bị nặng trở nên dễ dàng Với kích thước nhỏ gọn và tải trọng thấp hơn so với xe cẩu chuyên dụng bánh xích, xe cẩu bánh lốp được chia thành 3 loại nhỏ hơn.
+ Xe cẩu địa hình: (25 tấn – 70 tấn) Di chuyển được trên mọi địa hình, tính cơ động linh hoạt cao, tải trọng ở mức tầm trung.
Xe cẩu tải có trọng lượng từ 25 tấn đến 200 tấn, được thiết kế đặc trưng với hệ thống cần nâng hạ phía trên và thùng xe tải phía dưới Hai phần này được kết nối bằng bàn xoay, cho phép phần trên di chuyển linh hoạt xung quanh bàn xoay, mang lại tính cơ động cao cho thiết bị.
Xe cẩu địa hình 2 cabin (70 tấn – 1600 tấn) là loại xe có tải trọng lớn nhất, kết hợp những ưu điểm nổi bật của xe cẩu địa hình và xe cẩu tải Với khả năng cơ động cao, xe cẩu này có thể di chuyển nhanh chóng, đáp ứng hiệu quả nhu cầu vận chuyển hàng hóa nặng.
Xe cẩu tự hành, hay còn gọi là xe tải cẩu, có trọng tải từ 2 tấn đến 100 tấn Thiết kế của xe cẩu tự hành bao gồm hệ thống cần nâng hạ ở phía trên và thùng xe tải ở phía dưới, được kết nối bằng bàn xoay Điều này cho phép phần trên di chuyển tự do xung quanh bàn xoay, mang lại tính cơ động cao cho xe.
Xe cẩu xích là loại phương tiện có hệ thống bánh xe được thiết kế đặc biệt với cấu tạo bằng xích, tương tự như bánh xe của máy ủi Loại xe này thường được sử dụng trong các công trình nặng nhọc, với khả năng di chuyển linh hoạt và ổn định trên địa hình khó khăn.
Hình 2 4 Xe cẩu bánh xích.
Xe cẩu này được sử dụng phổ biến trong các công trường xây dựng cũng như trong các ngành công nghiệp thủy điện, dầu khí và vận tải Với khả năng nâng tải trọng lớn từ 50 tấn đến vài nghìn tấn, xe cẩu này có sức nâng vượt trội so với xe cẩu bánh lốp Mặc dù tính cơ động không cao, xe cẩu vẫn có khả năng di chuyển trên các địa hình phức tạp và gồ ghề, mang lại nhiều lợi ích cho các dự án lớn.
Xe cẩu bánh xích nổi bật với tính ổn định cao và khả năng nâng hàng hóa có tải trọng lớn, cho phép di chuyển ổn định trên nhiều loại địa hình, đặc biệt là trên mặt đất mềm và lún Đây là ưu điểm vượt trội mà xe cẩu bánh lốp không thể sánh kịp.
Xe cẩu bánh xích có trọng lượng nặng, dẫn đến việc tiêu hao nhiên liệu lớn khi vận hành Vì vậy, loại xe này thường được sử dụng trong các công trường có địa hình phức tạp Tuy nhiên, một nhược điểm là khi cần di chuyển xe cẩu đến vị trí xa, cần phải sử dụng xe chuyên dụng để vận chuyển.
*Tải trọng giới hạn của cần cẩu, xe cẩu:
Nội dung nghiên cứu
2.2.1 Nghiên cứu về hệ thống đo gió.
Máy đo gió (anemometer) hay phong kế (windmeter) là thiết bị phổ biến trong trạm thời tiết, dùng để đo tốc độ gió Thuật ngữ "anemometer" có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, với "anemos" nghĩa là gió, và được sử dụng trong khí tượng học và khí động lực học Mô tả đầu tiên về máy đo gió được ghi nhận vào khoảng năm 1450 bởi Leon Battista Alberti Thiết bị này không chỉ đo tốc độ gió mà còn xác định hướng gió và áp suất của gió, với hai chức năng chính hiện nay là đo tốc độ và hướng gió.
Hệ thống đo gió được lắp đặt tại các trạm khí tượng thủy văn và các trạm thu tín hiệu trên cao, cung cấp các chỉ số về áp suất và vận tốc gió Hệ thống này hỗ trợ doanh nghiệp trong việc dự đoán các hiện tượng thời tiết như mưa, bão, và lũ lụt Ngoài ra, hệ thống đo gió còn có ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực hàng hải, xây dựng và thể thao.
2.2.2 Nghiên cứu về phần cứng điều khiển.
2.2.2.1 Cảm biến tốc độ gió dạng cốc.
Cảm biến đo tốc độ gió, được phát minh bởi Tiến sĩ John Thomas Romney Robinson vào năm 1846 tại Đài thiên văn Armagh, là một trong những thiết bị đo gió đầu tiên với thiết kế hình bán cầu dạng cốc Đến nay, thiết bị này vẫn được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng đo lường gió.
Hình 2 7 Cảm biến đo tốc độ gió dạng cốc
Gồm 3 hoặc 4 tay đòn đặt vuông góc với nhau Ở đầu mỗi tay đòn có gắn một chén hình bán cầu Có một trục đứng ở giữa nằm ở giao điểm các tay đòn là tâm mà các chén quay xung quanh và một bộ truyền động thực hiện đếm số vòng mà trục quay được và từ số vòng quay được đó trong một khoảng thời gian ta sẽ tính ra được vận tốc gió Các bán cầu được đặt đối xứng với nhau nên gió luôn thổi vào phía trong của bán cầu Mặc dù, phía ngoài của bán cầu cũng có gió thổi vào nhưng áp suất gió rất nhỏ, do đó bán cầu sẽ bị đẩy đi theo 1 hướng, kết hợp với hiện tượng quán tính, lần lượt các bán cầu liên tục bị đẩy sinh ra hiện tượng quay vòng.
Mô hình cảm biến tốc độ gió hoạt động dựa trên nguyên lý của cảm biến góc quay Encoder, sử dụng đĩa quay có 3 lỗ Khi đĩa quay một vòng, nó tạo ra 3 xung đầu ra Cảm biến này được trang bị một vi xử lý, cho phép xuất tín hiệu dạng xung PWM với tần số 70Hz và tốc độ tối đa 30m/s Từ các thông số này, chúng ta có thể quy đổi số lần chớp tắt của encoder trong một giây để tính toán tốc độ gió.
DHT11 là một cảm biến kỹ thuật số chi phí thấp, được thiết kế để đo lường nhiệt độ và độ ẩm Cảm biến này có khả năng kết nối dễ dàng với các bộ vi điều khiển nhỏ gọn, mang lại sự tiện lợi trong việc thu thập dữ liệu môi trường.
Arduino và Raspberry Pi có thể được sử dụng để đo độ ẩm và nhiệt độ một cách nhanh chóng Cảm biến DHT11 là một thiết bị đo độ ẩm tương đối, hoạt động bằng cách sử dụng điện trở nhiệt và cảm biến độ ẩm điện để đo lường không khí xung quanh.
Cảm biến DHT11 tích hợp cảm biến độ ẩm điện dung và điện trở nhiệt để đo nhiệt độ Cảm biến độ ẩm sử dụng tụ điện với hai điện cực và chất nền giữ ẩm làm chất điện môi Để đo nhiệt độ, DHT11 áp dụng một điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ âm, giúp giảm giá trị điện trở khi nhiệt độ tăng.
Cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng cảm biến NTC hoặc nhiệt điện trở, trong đó điện trở của cảm biến thay đổi theo nhiệt độ Những cảm biến này được chế tạo từ việc thiêu kết các vật liệu bán dẫn như gốm hoặc polyme, cho phép sự thay đổi lớn trong điện trở chỉ với những biến động nhỏ về nhiệt độ, cụ thể là điện trở sẽ giảm khi nhiệt độ tăng.
Cảm biến DHT11 được cấu tạo với một thành phần cảm biến độ ẩm có hai điện cực và chất giữ ẩm ở giữa Khi độ ẩm thay đổi, độ dẫn hoặc điện trở giữa các điện cực này cũng thay đổi Sự thay đổi điện trở này được IC đo và xử lý, giúp vi điều khiển luôn sẵn sàng để thực hiện việc đọc dữ liệu.
Hình 2 9 Cấu tạo của cảm biến độ ẩm bên trong cảm biến DHT11
Tín hiệu tương tự từ cảm biến DHT11 được chuyển đổi thành định dạng kỹ thuật số và gửi đến vi điều khiển Arduino trong khung 40 bit Hai nhóm 8 bit đầu tiên chứa thông tin về độ ẩm, trong khi hai nhóm 8 bit còn lại đại diện cho nhiệt độ Điều này có nghĩa là dữ liệu được mã hóa thành hai byte cho độ ẩm và hai byte cho nhiệt độ.
2.2.2.3 Cảm biến cường độ ánh sáng quang trở
Quang trở, hay còn gọi là photoresistor hoặc photocell, là linh kiện điện tử có khả năng thay đổi điện trở khi có ánh sáng chiếu vào Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý quan dẫn, cho phép giá trị điện trở biến đổi tương ứng với cường độ ánh sáng nhận được Hiện nay, quang trở được ứng dụng rộng rãi trong các mạch cảm biến ánh sáng, hệ thống đèn đường, báo động ánh sáng và đồng hồ ngoài trời.
Gồm 2 phần chính là các màng kim loại được đấu nối với nhau thông qua các đầu cực Linh kiện được thiết kế theo cách cung cấp diện tích tiếp xúc tối đa 2 màng kim loại và được đặt trong hộp nhựa.
Hình 2 10 Cấu tạo cảu cảm biến ánh sáng quang trở
Quang trở, được cấu tạo từ Cadmium Sulphide (CdS), có khả năng tiếp xúc với ánh sáng và cảm nhận sự thay đổi cường độ ánh sáng Chúng có thể được đặt trong một hộp nhựa, giúp tối ưu hóa khả năng quang dẫn bằng cách giảm thiểu số lượng hạt electron không được ánh sáng chiếu vào.
Khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn, nó tạo ra các điện tử tự do, dẫn đến sự gia tăng khả năng dẫn điện và giảm điện trở của chất bán dẫn Nếu chất bán dẫn này được kết nối vào mạch điện, hiện tượng này có thể gây ra tình trạng ngắn mạch.
Phương pháp nghiên cứu phương pháp nghiên cứu lý thuyết, thực tế
2.3.1 Phương pháp nghiên cứu phương pháp nghiên cứu thực tế.
Là các phương pháp tác động trực tiếp vào đối tượng có trong thực tiễn để làm rõ bản chất và các quy luật của đối tượng.
Phương pháp quan sát khoa học bao gồm hai loại chính: quan sát trực tiếp và quan sát gián tiếp, có thể phân chia theo thời gian và không gian Đối với các nghiên cứu quy mô lớn, việc chia thời gian nghiên cứu thành từng giai đoạn là cần thiết để thu thập thông tin chính xác và xác thực nhất Quan sát không chỉ là phương thức cơ bản để nhận thức sự vật mà còn giúp phát hiện vấn đề nghiên cứu và kiểm chứng giả thuyết Phương pháp này cung cấp tài liệu cụ thể và cảm tính trực quan, mang lại giá trị khoa học lớn cho nghiên cứu.
+ Phương pháp thực nghiệm khoa học:
Phương pháp thực nghiệm là cách thu thập thông tin thông qua quan sát trực tiếp, trong đó người nghiên cứu chủ động tạo ra các điều kiện thay đổi để khảo sát đối tượng Phương pháp này cho phép lặp lại các thí nghiệm, kiểm soát và tách biệt từng yếu tố ảnh hưởng, từ đó đo lường và đánh giá chính xác sự biến đổi của hiệu quả theo từng yếu tố.
Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm là một phương pháp nghiên cứu quan trọng, giúp xem xét và đánh giá các thành quả thực tiễn trong quá khứ Bằng cách này, chúng ta có thể rút ra những kết luận hữu ích cho cả thực tiễn và khoa học, từ đó nâng cao hiệu quả công việc và phát triển kiến thức.
2.3.2 Phương pháp nghiên cứu phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết là cách thu thập thông tin từ sách báo và tài liệu để tìm ra các khái niệm và tư tưởng cơ bản, làm nền tảng cho lý luận của đề tài Phương pháp này giúp hình thành giả thuyết khoa học, dự đoán các thuộc tính của đối tượng nghiên cứu và xây dựng các mô hình lý thuyết hoặc thực nghiệm ban đầu.
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, hay còn gọi là phương pháp nghiên cứu tài liệu, người nghiên cứu cần tập trung vào việc thu thập và xử lý các thông tin liên quan.
+ Cơ sở lý thuyết liên quan đến chủ đề nghiên cứu của mình.
Các thành tựu lý thuyết đạt được có mối liên hệ chặt chẽ với chủ đề nghiên cứu, đồng thời các kết quả nghiên cứu cụ thể đã được công bố trên các ấn phẩm uy tín.
Trong chương 2, tôi đã xác định rõ các đối tượng nghiên cứu và phương pháp thiết kế hệ thống hỗ trợ người vận hành trong việc theo dõi môi trường thời tiết của cần cẩu Dựa trên những kiến thức này, chương 3 sẽ tập trung vào việc xây dựng mô hình cho hệ thống.