GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QUẠT ĐIỆN THÔNG MINH
Lịch sử nghiên cứu
Quạt điện có nguồn gốc từ quạt kéo ở vùng Trung Đông vào thế kỉ XIX, hoạt động dựa trên cơ chế tạo luồng gió từ một khung vải bạt và dây dẫn Sau cuộc cách mạng công nghiệp cuối thế kỉ XIX, quạt dẫn động bằng đai được phát triển, thay thế trục giữa bằng máy móc động, từ đó dẫn đến sự cải tiến dần dần của quạt điện.
Chiếc quạt máy đầu tiên được chế tạo bởi Omar-Rajeen Jumala vào năm 1832, với phát minh mang tên máy quạt ly tâm hoạt động giống như máy bơm không khí Sự phát triển của quạt điện bắt đầu khi Thomas Edison và Nikola Tesla phát hiện ra nguồn năng lượng điện vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, dẫn đến việc cải tiến quạt cơ học thành quạt chạy bằng điện.
Vào năm 1882, Philip Diehl đã giới thiệu quạt điện trần, được coi là cha đẻ của quạt điện hiện đại Ngày nay, quạt điện đã trở thành thiết bị thiết yếu trong mỗi gia đình.
Hiện nay, quạt điện đã phát triển với nhiều mẫu mã thông minh như quạt thông gió, quạt làm mát, quạt phun sương, quạt điều hòa hơi nước và quạt không cánh Các loại quạt này có cấu trúc tương tự nhau, bao gồm động cơ tạo gió, bộ điều khiển cung cấp năng lượng và một số mẫu có thêm bộ tạo sương để tăng độ ẩm Bộ điều khiển thường có chế độ điều khiển bằng tay hoặc remote với các mức tốc độ khác nhau, tuy nhiên, việc sử dụng quạt vẫn gặp nhiều vấn đề khi nhiệt độ môi trường thay đổi.
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mô hình quạt điện thông minh” được chọn nhằm mang lại sự tiện lợi và đổi mới cho cuộc sống Mô hình này sử dụng luật mờ để tự động điều chỉnh tốc độ quạt dựa trên hai yếu tố đầu vào là nhiệt độ và độ ẩm, và điều khiển hai đầu ra là motor quạt và motor máy bơm nước.
Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quạt và máy bơm một cách linh hoạt thông qua việc thay đổi điện áp cấp cho động cơ, dựa trên tín hiệu từ nhiệt độ và độ ẩm môi trường.
Các chế độ quạt được điều khiển qua Web, mang lại sự tiện lợi và khả năng kết nối mở rộng với các sản phẩm thông minh khác.
Các vấn đề đặt ra
Sử dụng hệ thống cơ khí sẵn trong quạt
Hệ thống động cơ quạt xoay chiều không đồng bộ 1 pha bao gồm rotor và stator, nhận xung và nguồn từ bộ điều khiển để tạo ra momen quay cho cánh quạt hoạt động.
Hệ thống máy bơm nước 1 pha xoay chiều hoạt động bằng cách lấy điện từ đầu ra của mạch điều khiển, giúp bơm nước từ đáy quạt lên để cung cấp cho dàn mát.
Hệ thống cánh quạt hoạt động bằng cách nhận momen quay từ trục, tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa mặt trước và mặt sau của cánh quạt Điều này dẫn đến sự hình thành các dòng khí đối lưu, di chuyển từ phía sau ra phía trước hoặc theo chiều ngược lại.
Hệ thống bể nước mini cung cấp cho máy bơm
Hệ thống điện xoay chiều 1 pha dân dụng hoạt động với điện áp 220V và tần số 50Hz Nó sử dụng mạch nhận biết điểm 0V và mạch công suất để điều khiển góc mở của triac, từ đó điều chỉnh hoạt động của quạt và máy bơm.
Bộ điều khiển trung tâm sử dụng Arduino Uno R3 để nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm, sau đó xuất tín hiệu điều khiển cho mạch công suất.
Module NodeMCU esp8266 kết nối với Arduino Uno R3 thông qua giao tiếp
UART, nhận dữ liệu từ Arduino và thực hiện các thao tác điều khiển thông qua
Chương trình điều khiển mờ với 4 cấp độ được phát triển dựa trên các phần mềm lập trình và mô phỏng như Arduino IDE.
Xây dựng giao tiếp một Web đơn giản dễ sử dụng
Sau khi hoàn thành thử nghiệm trên phần mềm Matlab/Simulink để kiểm tra tính ổn định, chất lượng, đảm bảo an toàn và đánh giá
Hệ thống phải đảm bảo hoạt động ổn định ở các cấp tốc độ
Hệ thống được đánh giá hoạt động ổn định khi hoàn thành sản phẩm thực tế.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Nghiên cứu các kênh thông tin và internet, cùng với các bài viết trong nước và quốc tế, cho thấy điều khiển mờ có nhiều ứng dụng hiệu quả trong việc điều khiển tốc độ động cơ và quạt điện.
Tìm hiểu cách tạo gió của quạt, các loại quạt điện trên thị trường
Tìm hiểu về bộ chuyển đổi ADC và các thiết bị thành phần trong hệ thống là rất quan trọng Vi xử lý và vi điều khiển đóng vai trò then chốt trong việc xử lý dữ liệu, trong khi các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm cung cấp thông tin cần thiết cho các ứng dụng tự động hóa và điều khiển môi trường.
Nghiên cứu sự ảnh hưởng nhiệt độ và độ ẩm đến cơ thể con người thông qua các bài báo đánh giá của nước ta và nước ngoài
Tìm hiểu cách sử dụng các phần mềm lập trình (Matlab và Arduino IDE) và các phần mềm thiết kế mô phỏng trên máy tính
Tìm hiểu về cách mô hình hóa, giúp cho việc tính toán và chọn các trang thiết bị điện vào mạch để điều khiển thiết bị
Phương pháp nghiên cứu mô hình hóa mô phỏng
Kết quả xây dựng được được thử nghiệm đánh giá trên phần mềm mô phỏng và sản phẩm thực tế
Trong khuôn khổ của đồ án này, phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm Proteus được sử dụng để mô phỏng đánh giá chất lượng điều khiển
Giới hạn, phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các loại quạt điện có sẵn sử dụng điện áp AC 220V công suất nhỏ ( 0 Điều này cũng đồng nghĩa với việc T2 phân cực ngược Vì vậy, trong khoảng thời gian từ φ1 đến π, nếu có tín hiệu điều khiển T2, thì T2 sẽ không dẫn được.
Khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột khi mở Tiristor, và điện cảm càng lớn thì dòng điện biến thiên càng chậm Nếu xung điều khiển quá hẹp, dòng điện không đủ lớn để vượt qua dòng điện duy trì, dẫn đến việc van bán dẫn không tự giữ dòng điện và không mở Hiện tượng này xảy ra ở đầu và cuối chu kỳ điện áp, khi điện áp tức thời đặt vào van bán dẫn vẫn khóa Chỉ khi điện áp mở đủ lớn hơn dòng điện duy trì, dòng điện mới có thể tồn tại trong mạch Để khắc phục tình trạng này, cần tạo ra xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp từ lúc mở van cho đến cuối bán kỳ.
Mạch phát hiện điểm không:
Hình 2.7 Mạch phát hiện điểm 0
Trong mạch xác định điểm tại vị trí 0V, điện áp xoay chiều đi qua diode cầu, cho phép dòng điện chạy qua diode Zener 5V và Opto Khi không có dòng điện, INT0 có điện áp 5V, tương ứng với mức logic 1 Ngược lại, khi có dòng điện, INT0 giảm xuống 0V, tương ứng với mức logic 0 Hình ảnh minh họa cho thấy A là xung từ diode cầu và B là dạng xung đầu ra INT0 được đưa vào ngắt.
Hình 2.8 Xung đầu vào, ra của mạch phát hiện điểm 0
Tín hiệu tại điểm INT0 cho thấy khi điện áp xoay chiều 220V đạt giá trị 0, xung tín hiệu tại INT0 sẽ là 5V Chúng ta sẽ đưa tín hiệu này vào vi điều khiển để xử lý Việc phát hiện điểm 0 của điện áp 220V giúp chúng ta có khả năng đóng mở trong từng chu kỳ của điện 220V, thay vì chỉ đóng mở mỗi chu kỳ.
Nhiệm vụ chính của mạch này là đóng/mở các triac để điều khiển quạt:
Hệ thống cảm biến và điều khiển
2.3.1 Hệ thống cảm biến a, Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
Cảm biến DHT11 (Cảm biến Nhiệt độ và Độ ẩm) là một thiết bị tương tự dễ dàng thu thập dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire, cho phép truyền tải thông tin chỉ với một dây Với bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp, cảm biến này cung cấp dữ liệu chính xác mà không cần thực hiện bất kỳ phép tính nào.
Hình 2.17 Module cảm biến DHT11
22 Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 5 bước: Bước 1: Gửi tín hiệu Start
Bước 2: Đọc giá trị trên DHT11
DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte Trong đó:
Byte 1: Giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)
Byte 2: Giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)
Byte 3: Giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)
Byte 4: Giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)
Byte 5: Kiểm tra tổng Đọc dữ liệu:
Nếu Byte 5 được tính bằng tổng của Byte 1, Byte 2, Byte 3 và Byte 4 (8 bit), thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ sẽ chính xác Ngược lại, nếu giá trị này không khớp, kết quả đo sẽ không có ý nghĩa.
Sau khi kết nối với cảm biến DHT11, thiết bị sẽ truyền liên tục 40 bit dữ liệu (0 hoặc 1) về MCU, được chia thành 5 byte để biểu thị kết quả nhiệt độ và độ ẩm Hệ thống điều khiển có thể được thực hiện qua ứng dụng bằng cách sử dụng Kit thu phát ESP8266.
Kit RF thu phát wifi ESP8266 CP2102 là một giải pháp phát triển dựa trên chip Wifi SoC ESP8266, nổi bật với thiết kế thân thiện và khả năng tích hợp trực tiếp với trình biên dịch Arduino Chip này cho phép thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị qua sóng wifi, mang lại sự tiện lợi cho người dùng trong việc quản lý và điều khiển các thiết bị thông minh.
- Phiên bản firmware: NodeMCU Lua
- Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102
- GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU
- Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin
- GIPO giao tiếp mức 3.3VDC
- Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash
Hình 2.18 Sơ đồ chân Kit Wifi Esp8266
2.3.2 Hệ thống điều khiển a, Bộ xử lý trung tâm
Arduino Uno R3 là bảng mạch vi điều khiển nguồn mở, sử dụng vi điều khiển Microchip Atmega328, được phát triển bởi Arduino.cc Bảng mạch này có các chân đầu vào và đầu ra digital, analog, cho phép giao tiếp với nhiều bảng mạch mở rộng khác nhau.
Hình 2.19 Arduino Uno R3 ngoài thực tế
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V qua cổng USB hoặc từ nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng từ 7-12V DC, giới hạn từ 6-20V Sử dụng pin vuông 9V là lựa chọn hợp lý nếu không có nguồn từ cổng USB Cần lưu ý rằng cấp nguồn vượt quá giới hạn có thể gây hỏng Arduino UNO.
GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị có nguồn điện riêng biệt, cần phải nối các chân GND lại với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA
- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA
- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND
Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân IOREF, và giá trị này luôn là 5V Tuy nhiên, cần lưu ý rằng chân này không được sử dụng để cấp nguồn 5V cho các thiết bị khác, vì chức năng chính của nó không phải là cung cấp điện.
- RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ
Arduino Uno có 14 chân digital để đọc và xuất tín hiệu, với hai mức điện áp là 0V và 5V Mỗi chân có dòng vào/ra tối đa là 40mA và được trang bị các điện trở pull-up từ trong vi điều khiển Atemega328, mặc dù các điện trở này không được kết nối mặc định.
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –
RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua
Kết nối Bluetooth thường được hiểu là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, tốt nhất là không nên sử dụng hai chân này trừ khi thật sự cần thiết.
Chân PWM (~) 3, 5, 6, 9, 10 và 11 cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit, tương ứng với giá trị từ 0 đến 255, điều này có nghĩa là bạn có thể điều chỉnh điện áp ra từ 0V đến 5V thông qua hàm analogWrite() Khác với những chân khác chỉ có mức điện áp cố định 0V và 5V, chân PWM mang lại sự linh hoạt trong việc điều chỉnh điện áp.
Chân giao tiếp SPI trên mạch bao gồm 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), và 13 (SCK) Bên cạnh các chức năng cơ bản, bốn chân này còn được sử dụng để truyền dữ liệu qua giao thức SPI với các thiết bị khác.
- LED 13: trên Arduino Uno có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút
Khi thực hiện reset, đèn sẽ nhấp nháy để báo hiệu, và nó được kết nối với chân số 13 Khi người dùng kích hoạt chân này, đèn LED sẽ sáng lên Bài viết cũng giới thiệu về Matlap và Simulink.
Matlab là phần mềm mạnh mẽ chuyên giải quyết các bài toán kỹ thuật, đặc biệt là những bài toán liên quan đến ma trận Phần mềm này cung cấp nhiều toolboxes, tức là các hàm mở rộng, giúp người dùng xử lý các vấn đề đặc thù như xử lý tín hiệu số, hệ thống điều khiển, mạng neuron, logic mờ và mô phỏng.
Hình 2.20 Giao diện phần mềm Matlab
Sau khi khởi động Matlab ta được cửa sổ như hình 2.24 bao gồm:
- Cửa sổ command window: Là cửa sổ làm việc chính của matlab
- Cửa sổ current folder: Là nơi lưu các thư mục làm việc đã lưu
- Cửa sổ command History: là nơi lưu lịch sử làm việc
Simulink là phần mềm mở rộng của MATLAB, được sử dụng để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích các hệ thống động Phần mềm này thường được áp dụng trong thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống DSP, hệ thống thông tin và nhiều loại hệ thống mô phỏng khác Để khởi động Simulink, người dùng có thể nhấp chuột trái vào biểu tượng Simulink Library trên thanh công cụ của MATLAB hoặc nhập lệnh Simulink vào cửa sổ lệnh command window.
Hình 2.21 Giao diện cửa sổ thư viện Simulink
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH QUẠT ĐIỆN THÔNG
Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí
Hệ thống quạt dùng để nghiên cứu là quạt điều hòa hơi nước HongXin:
Hình 3.1 Quạt điều hòa hơi nước Hongxin
Hình 3.2 Tổng quan quạt điều hòa HongXin
Sơ đồ tổng quan các khối điều khiển và hoạt động:
Hình 3.3 Sơ đồ khối của hệ thống quạt thông minh
Tính chọn thông số kĩ thuật cho động cơ và chi tiết cơ khí: a, Động cơ quạt
Phần động cơ quạt và động cơ bơm nước sẽ được nghiên cứu nhằm điều chỉnh tốc độ gió và phun sương Động cơ quạt có khả năng tạo ra lưu lượng gió lên đến 230 m³/h.
Tốc độ gió tiêu chuẩn đạt được:
Tốc độ gió tiêu chuẩn đáp ứng yêu cầu về diện tích làm mát từ 10-15m 2 cho đa số phòng ngủ, phòng khách của các hộ gia đình
Từ công thức tính dòng điện trên động cơ:
P: Công suất định mức động cơ (W)
I: Dòng điện định mức (A) cos𝜑: Hệ số công suất (0.8 ~ 1)
Tụ có giá trị là:
Do đó, nhóm đồ án chọn tụ giá trị 1.5𝜇F để khởi động động cơ
Hình 3.4 Động cơ quạt điều hòa HongXin
Thông số động cơ quạt:
Động cơ bơm nước hoạt động với tần số 50-60Hz, có nhiệm vụ cung cấp nước cho ngăn tản nhiệt Để đáp ứng yêu cầu về độ cao, động cơ cần đạt chiều cao tương đương với hệ thống quạt nghiên cứu (0.7 m) và lưu lượng nước đạt 90 L/h, đảm bảo cung cấp đủ lượng nước cần thiết cho một tấm làm mát với các thông số kỹ thuật cụ thể.
- 1 tấm có kích thước: 20 – 30 – 2.5 cm
Thể tích cần phủ nước là:
Hình 3.5 Động cơ máy bơm nước module DHY-16
Thông số động cơ máy bơm:
Lưu lượng nước này vừa đủ để làm mát mà không gây ẩm thấp cục bộ cho căn phòng, tránh các hiện tượng đọng nước, nấm mốc c, Cánh quạt
Hệ thống cánh quạt thiết kế lồng sóc với kích thước vừa đủ kết hợp động cơ quạt công suất 18W giúp đạt công suất tối ưu mà không tạo ra lực cản lớn cho động cơ Cánh quạt được thiết kế dựa trên nguyên mẫu từ hệ thống quạt Hongxin, đảm bảo phù hợp với các thông số kỹ thuật đầu ra và lắp ráp trong buồng quạt.
Hình 3.6 Cánh quạt điều hòa
Cánh quạt được thiết kế với từng tầng riêng biệt, giúp lưu lượng gió ra đều đặn và giảm tiếng ồn khi điều chỉnh hướng gió nhờ vào các luồng gió xen kẽ Hệ thống cánh lồng sóc của quạt cho phép hòa trộn không khí khô với hơi nước từ tấm làm ẩm từ ba hướng khác nhau, nâng cao hiệu quả sử dụng.
Tính toán, thiết kế hệ thống điện
Để đảm bảo mạch điều khiển ổn định và hiệu quả, Triac điều khiển cần đáp ứng các yêu cầu về điện áp định mức (Udm) và dòng điện định mức (Idm) dựa trên công suất hệ thống và điều kiện làm việc thực tế Công suất định mức của tải là 23W với điện áp định mức là 220V.
Hệ số công suất: cosφ = 0.8
Khi đó: Điện áp cực đại của Triac:
Ucd = √2 x Udm = √2 x 220 = 311.13V (3.7) Điện áp của Triac cần chọn:
K là hệ số dự trữ điện áp của Triac, ở đây lấy 1.8
Itai = P / (U x cosφ) = 23 / (220 x 0.8) = 0.131 A (3.9) Triac chọn là BTA136 có thông số: Điện áp: Udm = 600V
Dòng điện định mức: Idm = 4A
Dòng điện điều khiển: Idk = 50mA Điện áp điều khiển: Udk = 1.5V
Dũng điện rũ: Ir = 500àA
Sụt trên triac khi mở: ∆U = 1.7V
Nhiệt độ làm việc cực đại: t = 125 o C
Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển
Bài toán yêu cầu điều khiển tốc độ quạt và máy bơm dựa trên lệnh từ người dùng qua ứng dụng hoặc nút nhấn, đồng thời tự động điều chỉnh theo nhiệt độ và độ ẩm môi trường Hệ thống sẽ chuyển đổi giữa hai chế độ thông qua tín hiệu Wifi, do đó nhóm sẽ thiết kế bộ điều khiển tự động cho quạt điều hòa kết hợp với bộ điều khiển bằng nút nhấn có sẵn Dưới đây là sơ đồ khối của bộ điều khiển.
Hình 3.8 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển của hệ thống quạt điều hòa bao gồm 4 bộ phận chính:
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn 5V DC, 12VDC và 220V AC cho hệ thống
- Khối đầu vào: Là các giá trị cảm biến, tín hiệu xung từ mạch phát hiện điểm 0, tín hiệu điều khiển từ bên ngoài hệ thống
- Khối vi xử lí: Gồm 2 vi xử lí trung tâm là Arduino UNO R3 và Esp8266
- Khối trung gian: Là các mạch công suất điều khiển đóng mở bằng tín hiệu vi xử lí
- Khối đầu ra: Động cơ quạt và động cơ bơm nước
Hệ thống điều khiển sử dụng ba nguồn điện: 220V AC cho động cơ bơm nước, 9V DC cung cấp năng lượng cho Arduino, và 5V DC cho Kit Wifi Esp8266.
Mô hình quạt thông minh duy trì phương pháp điều khiển truyền thống từ mô hình quạt tham khảo Tín hiệu điện đi qua trở hãm dòng được truyền đến động cơ Khi chế độ điều khiển được thay đổi thông qua ứng dụng Bluetooth, vi xử lý sẽ xử lý tín hiệu đó.
Arduino UNO R3 sẽ tiếp nhận tín hiệu và quyết định chạy chương trình điều khiển tự động hoặc chuyển sang chế độ relay để thực hiện điều khiển thủ công Hệ thống điện đầu vào sẽ hỗ trợ quá trình này.
Hệ thống nút nhấn được thiết kế với các chế độ quạt tùy chỉnh theo 3 cấp độ, cùng với các chức năng hoạt động khác như phun ẩm, đèn báo chế độ và đèn LED hiển thị.
Các nút và phím cơ bản trên quạt:
- Nút Stop: Nút tạm ngắt
- Nút Speed: Điều chỉnh chế độ (3 cấp)
- Nút Cool: Bật chế độ phun ẩm
- Nút điều gió: Bật chế độ cho tuốc năng hoạt động
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm kết nối với Arduino cung cấp thông tin liên tục về nhiệt độ và độ ẩm cho vi xử lý Kết hợp với các luật điều khiển mờ, hệ thống sẽ tạo ra tín hiệu điện để điều khiển đóng mở triac, từ đó tự động điều chỉnh tốc độ động cơ quạt và động cơ bơm nước.
Mạch công suất đầu ra sử dụng triac để điều khiển nguồn cho động cơ quạt và máy bơm, với từng triac được dẫn dòng theo tín hiệu từ vi điều khiển, tạo ra các cấp tốc độ khác nhau Các tín hiệu môi trường được hiển thị trên đèn LED, cho biết rõ tốc độ động cơ và chế độ quạt hiện tại Đầu nối động cơ quạt có cuộn trở giảm dòng tương ứng với triac, cho phép điều chỉnh tốc độ dựa trên giá trị điện trở Dòng điện cấp cho triac vào động cơ là 220V AC, được phân phối qua 4 dây màu: đen, vàng, xanh và trắng, trong đó có 3 cấp tốc độ và 1 dây nối đất.
Việc điều khiển động cơ bằng vi xử lý ESP8266 thông qua mạch điều khiển triac cho phép cung cấp dòng điện hiệu quả Arduino sử dụng luật hợp thành mờ để điều chỉnh thời gian đóng mở T, trong khi nút nhấn giúp giảm áp thông qua các cuộn dây giảm dòng Để tạo xung tín hiệu mở triac, cần cấp xung từ đầu ra vi xử lý trung tâm qua Moc3020, từ đó điều khiển triac dựa trên nguồn xung đầu ra.
Đầu nối động cơ máy bơm hoạt động với tín hiệu bật tắt trong chế độ chạy tay và tín hiệu dao động khi chuyển sang chế độ tự động Điều này được thực hiện nhờ vào luật mờ và mạch điều khiển thời gian đóng mở triac T c, cùng với hệ thống vi xử lý tín hiệu.
Hệ thống sử dụng 2 vi xử lí:
- Vi xử lí Arduino UNO R3:
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 nhận tín hiệu, sau đó được giải mã và kết hợp với các luật hợp thành mờ đã được cài đặt sẵn Quá trình này cho phép đưa ra các tín hiệu rời rạc theo miền thời gian T, từ đó điều khiển triac để mở hoặc đóng nguồn cho cả động cơ quạt và động cơ máy bơm.
Kit Wifi Esp8266 cho phép nhận tín hiệu chuyển mạch qua ứng dụng và điều khiển chế độ hoạt động của relay để cấp nguồn cho từng loại thiết bị Nó giao tiếp với Arduino thông qua giao thức UART và hiển thị thông tin về nhiệt độ và độ ẩm trên màn hình LCD.
Các vi điều khiển đều được cấp nguồn qua các bo mạch biến áp, cấp nguồn 5V
DC, 9V DC để đạt được tối ưu về chất lượng cũng như tuổi thọ của vi điều khiển d, Hệ thống cảm biến
Hệ thống sử dụng cảm biến DHT11 để thu thập thông tin về nhiệt độ và độ ẩm từ môi trường Cảm biến này được kết nối trực tiếp với vi xử lý Arduino UNO R3, giúp nhận nguồn và xử lý thông tin hiệu quả.
- Tín hiệu digital: Tín hiệu cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
Dựa trên nguyên lý hoạt động và tín hiệu phản hồi từ hai giá trị của cảm biến, nhóm đã thiết kế sơ đồ nối chân cho cảm biến DHT11 như sau: Chân Vcc và Gnd được kết nối với nguồn và Gnd của Arduino, trong khi chân Data truyền tải thông tin về nhiệt độ và độ ẩm của cảm biến.
3.3.2 Thiết kế luật điều khiển mờ
Bước 1: Cấu trúc bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ được thiết kế với 2 đầu vào là nhiệt độ và độ ẩm, cùng với 2 đầu ra tương ứng là thời gian trễ của quạt và thời gian trễ của bơm.
Hình 3.9 Cấu trúc bộ điều khiển mờ điều khiển quạt và máy bơm
Bước 2: Định nghĩa tập mờ
Bảng 3.1 Phạm vi biến ngôn ngữ cho các biến
Nhiệt độ(°C) Lạnh Vừa Nóng
[0 20 25] [20 25 30] [25 30 100] Độ ẩm(%) Thấp Trung bình Cao
Xác định giá trị ngôn ngữ của các biến ngôn ngữ như sau:
Phạm vi biến ngôn ngữ cho các biến được thể hiện tại (bảng 3.1) Từ đó, định nghĩa tập mờ các biến ngôn ngữ trên phần matlab như sau:
- Mờ hóa đầu vào nhiệt độ:
Hình 3.10 Mờ hóa đầu vào nhiệt độ
- Mờ hóa đầu vào độ ẩm:
Hình 3.11 Mờ hóa đầu vào độ ẩm
- Mờ hóa đầu ra thời gian trễ của động cơ quạt và động cơ bơm nước
Hình 3.12 Mờ hóa đầu ra thời gian trễ của động cơ quạt và động cơ bơm nước
Ta có luật hợp thành đối với động cơ quạt và máy bơm:
Bảng 3.2 Luật hợp thành đối với động cơ quạt và máy bơm Động cơ quạt(Q) Động cơ bơm nước(MB) Độ ẩm Thấp Trung bình cao
Bước 3: Xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành)
Theo luật hợp thành, chúng ta có 9 luật hợp thành cho động cơ quạt và 9 luật hợp thành cho động cơ bơm nước, được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 3.13 Xây dựng luật điều khiển mờ Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành
- Chọn thiết bị hợp thành MAX-MIN
Bước 5: Chọn nguyên lý giải mờ
- Giải mờ ngõ ra theo Sugeno (sử dụng nguyên lý giải mờ điểm trọng tâm):
Bảng giá trị đầu ra:
Bảng 3.3 Giá trị điện áp ra với từng thời gian trễ
Hàm thuộc Chậm Vừa Nhanh Độ trễ (ms) 7 4 1 Điện áp ra (V)
