Tính cấp thiết của đề tài
Trẻ em từ xa xưa đã được xem là những thiên thần nhỏ bé, vì vậy con người luôn nỗ lực tạo ra những điều kiện tốt nhất cho sự phát triển của trẻ Trong số đó, "nôi trẻ em" là một vật dụng không thể thiếu trong mỗi gia đình có trẻ nhỏ Qua thời gian, nôi trẻ em đã trải qua nhiều thay đổi và cải tiến, mang đến những tính năng mới nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống cho trẻ, đồng thời đảm bảo sự an toàn và yên tâm cho các bậc phụ huynh.
Trước đây, khi nôi em bé chưa ra đời, trẻ thường ngủ võng, điều này không chỉ không an toàn mà còn không tốt cho sức khỏe của trẻ Do đó, luôn cần có người bên cạnh để chăm sóc và trông chừng trẻ em.
Những chiếc nôi truyền thống đƣợc sử dụng rất phổ biến cho tận đến ngày nay nhƣng vẫn còn nhiều hạn chế
Hình 1.1 Ngày xưa trẻ nằm võng hoặc giường thay cho nôi
Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã cho ra đời những chiếc "nôi thông minh" với nhiều tính năng hiện đại, giúp tạo điều kiện tối ưu cho sự phát triển của trẻ Những chiếc nôi này có khả năng tự rung để ru ngủ, phát nhạc và tương tác chơi đùa với trẻ, từ đó giảm bớt gánh nặng cho các bà mẹ và gia đình có em bé.
Tình hình nôi thông minh trong nước
Hiện nay, nôi thông minh đang ngày càng phổ biến tại Việt Nam, dần thay thế cho nôi truyền thống Nhiều công ty như AUTORU và VINANOI đã ra đời, chuyên sản xuất các thiết bị thông minh cho trẻ em, trong đó có nôi thông minh Tuy nhiên, các sản phẩm này thường có giá thành cao, ít tính năng hoặc các tính năng hoạt động chưa hiệu quả, và thiếu sự đồng bộ giữa thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển.
Hình 1.2 Nôi trẻ em truyền thống
Hình 1.3 Nôi thông minh của một số hãng tại Việt Nam
Các sản phẩm thông minh cho trẻ em, bao gồm nôi thông minh, ở các nước phát triển như Nhật Bản và Mỹ có tính hoàn thiện cao hơn so với Việt Nam Những sản phẩm này không chỉ sở hữu các tính năng thông minh hoạt động hiệu quả và an toàn mà còn cung cấp sự tương tác và phản hồi tích cực với trẻ, giúp nâng cao trải nghiệm sử dụng.
Những cải tiến của nhóm đối với nôi thông minh đã có
+ Thiết kế theo hướng hiện đại khác với những kiểu truyền thống trước kia, tạo ra nhiều không gian cho trẻ hơn nhƣng vẫn gọn nhẹ
+ Đồng bộ với bộ phận điều khiển tạo ra sự đồng nhất trong thiết kế
Cấu trúc của sản phẩm được thiết kế đơn giản và thuận tiện, cho phép sử dụng theo cả hai chiều ngang và dọc Đặc biệt, thiết kế cần đảm bảo an toàn tuyệt đối cho trẻ em, đồng thời có độ bền cao và tính thẩm mỹ hấp dẫn cho nôi em bé.
Các tính năng thông minh:
Sản phẩm sẽ không chỉ duy trì các tính năng hiện có như tự đưa trẻ vào giấc ngủ và phát nhạc, mà còn tích hợp thêm nhiều tính năng mới, đồng thời cải tiến các tính năng cũ để nâng cao hiệu quả hoạt động.
Cảm biến chuyển động giúp nhận biết khi trẻ giật mình thức giấc trong giấc ngủ, từ đó xử lý thông tin để điều khiển nôi, tiếp tục lắc hoặc dừng lại tùy theo tình trạng của trẻ.
Hình 1.4 Nôi thông minh của Mỹ
Cảm biến âm thanh giúp phân tích trạng thái của bé, xác định xem bé có đang khóc hay không Hệ thống này sẽ thông báo cho người chăm sóc kịp thời để xử lý tình huống, đồng thời kích hoạt một số thiết bị hỗ trợ dỗ dành trẻ.
+ Hệ thống điều khiển quạt thông qua nhiệt độ với nhiều cấp độ khác nhau, hiển thị nhiệt độ
+ Đồ chơi thông minh cho trẻ có thể đƣợc tự động kích hoạt hoặc kích hoạt bằng tay theo ý muốn người dùng
+ Hệ thống phát nhạc cho trẻ với cổng USB dễ dàng thay đổi bài hát
Dựa trên những nhu cầu hiện tại, nhóm đã phát triển sản phẩm "nôi thông minh" với thiết kế hiện đại và nhiều tính năng thông minh, nhằm hỗ trợ hiệu quả cho các bậc phụ huynh có con nhỏ trong xã hội bận rộn ngày nay.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nôi thông minh ra đời với phương châm khoa học kỹ thuật phục vụ cuộc sống, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng cuộc sống cho cả trẻ em và phụ huynh, giúp tiết kiệm thời gian và công sức.
Khi thiết kế và chế tạo nôi thông minh, các yêu cầu kỹ thuật cần tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chí chất lượng của sản phẩm thương mại Đặc biệt, thiết kế cơ khí phải đảm bảo độ bền và độ cứng vững cao để đáp ứng nhu cầu sử dụng trên thị trường.
+ Hệ thống điều khiển hoạt động hiệu quả, ổn định và tiết kiệm năng lƣợng
Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học và công nghệ, sản phẩm nôi thông minh sẽ ngày càng được cải thiện, mang đến chất lượng tốt nhất phục vụ nhu cầu cuộc sống của con người.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Giấc ngủ đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong sự phát triển của em bé, giúp bé có một cơ thể khỏe mạnh và tăng trưởng nhanh chóng Một giấc ngủ sâu và ngon sẽ mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe của trẻ.
Trong xã hội hiện đại, các bà mẹ không chỉ bận rộn với công việc mà còn phải chăm sóc gia đình Để hỗ trợ các mẹ và mang lại giấc ngủ ngon cho trẻ, nhóm nghiên cứu đã quyết định thực hiện đề tài này.
Nhằm mang lại sản phẩm tốt nhất phục vụ cuộc sống con người, nhóm đã thực hiện đề tài "nôi thông minh" cho trẻ em.
Tạo ra một sản phẩm hoàn thiện nhất, giá thành thấp nhƣng đảm bảo chất lƣợng và hiệu quả cho người sử dụng
Quá trình thực hiện đề tài giúp mỗi thành viên áp dụng kiến thức học được vào thực tiễn, từ đó nâng cao kỹ năng cá nhân và tích lũy kinh nghiệm quý báu cho việc học tập và làm việc trong tương lai.
Phạm vi nghiên cứu
Thiết kế và chế tạo sản phẩm nôi thông minh cho trẻ em.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết cơ khí chế tạo máy, gia công cơ khí
Tìm hiểu các phương pháp điều khiển, mô phỏng hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển và phần mềm Proteus
Thực nghiệm trên các sản phẩm nôi thông minh đã có.
Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Khảo sát lý thuyết các loại dao động, phương pháp truyền dao động để ứng dụng cho nôi thông minh một cách tối ƣu
Thiết kế chương trình điều khiển cho nôi thông minh dùng vi điều khiển PIC.
Kết cấu luận văn
Chương 1: Tổng quan đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Tính toán và thiết kế cơ khí
Chương 4: Hệ thống điện và điều khiển
Chương 5: Kết quả đạt được và hướng phát triển
Phần cơ khí
Đồ án giúp nhóm có thể vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế Vận dụng nhiều kiến thức đã học để thực hiện đề tài nhƣ:
+ Vật liệu học: Chọn lựa vật liệu phù hợp với chức năng và độ bền
+ Vẽ kỹ thuật: Tạo bản vẽ 2D, để gia công
+ Thiết kế cơ khí: Sử dụng phần mềm solidworks để thiết kế và tính toán
+ Sức bền vật liệu và cơ lý thuyết: Tính toán độ bền và ứng suất, chuyển vị
+ Nguyên lý chi tiết máy: Tính toán và chọn cơ cấu truyền động
+ Cơ sở công nghệ chế tạo máy: Công nghệ gia công chi tiết, lắp ráp chi tiết
Các môn đại cương như Vật lý và Toán học đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các cơ cấu truyền động cho nôi Những cơ cấu này bao gồm cơ cấu cam, cơ cấu sử dụng khí nén, và cơ cấu bánh răng thanh răng, mỗi loại đều mang lại những ưu điểm riêng trong ứng dụng.
Cơ cấu cam được lựa chọn làm cơ cấu truyền động chính nhờ vào những ưu điểm nổi bật như tính đơn giản, dễ chế tạo, chi phí thấp và hiệu suất cao, đặc biệt phù hợp với cơ cấu lắc nôi.
2.1.1 Cơ sở lý thuyết cơ cấu cam
Cơ cấu cam là một hệ thống cơ khí sử dụng khớp loại cao, cho phép chuyển động qua lại của khâu bị dẫn thông qua đặc tính hình học của khâu dẫn.
Khâu dẫn của cơ cấu đƣợc gọi là cam, còn khâu bị dẫn đƣợc gọi là cần
+ AB là kích thước động của khâu 1, AB thay đổi trong quá trình làm việc
+ Khớp cao giữa khâu 1 và khâu 2 là B
Cơ cấu cam phẳng: các khâu chuyển động trong cùng một mặt phẳng hay trong các mặt phẳng song song nhau [4]
+ Theo chuyển động của cam: cam quay, cam tịnh tiến,…
+ Theo chuyển động của cần: lắc, tịnh tiến, chuyển động song phẳng
+ Theo dạng đáy của cần: bằng, nhọn, con lăn, biên dạng bất kỳ
Cơ cấu cam không gian: các khâu chuyển động trong các mặt phẳng không gian song song nhau [4]
Hình 2.2 Cơ cấu cam phẳng
Hình 2.3 Cơ cấu cam không gian
Sử dụng dao động tắt đần để đƣa nôi hiệu quả và êm ái hơn
Dao động tắt dần là hiện tượng dao động có biên độ giảm theo thời gian, do ảnh hưởng của lực ma sát Khi lực ma sát trong môi trường càng lớn, quá trình tắt dần của dao động sẽ diễn ra nhanh hơn.
2.1.3.Tính công suất động cơ
Công suất cần thiết cần phải cung cấp:
Trong đó: Nct – Công suất cần thiết
N – Số vòng quay của động cơ trong một phút
T – Momen xoắn động cơ phải cung cấp Công suất động cơ:
Trong đó: Nđc – công suất động cơ
N ct – công suất cần thiết η = 0.95 – hiệu suất bộ truyền
Hình 2.4 Dao động tắt dần
Lý thuyết điều khiển
Môn học: Kỹ thuật số
Môn học: Điện – điện tử
Môn học: Vi điều khiển PIC
Môn học: Lập trình ứng dụng trong kỹ thuật
Môn học: Hệ thống truyền động servo
2.2.1 Tổng quan về họ vi điều khiển PIC
PIC là dòng vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip, với phiên bản đầu tiên là PIC1650, được phát triển bởi Microelectronics Division thuộc General Instrument.
PIC, viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khả trình thông minh), là sản phẩm đầu tiên của hãng General Instrument với mã hiệu PIC1650 Thiết bị này được sử dụng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16 bit CP1600, dẫn đến việc người ta thường gọi PIC bằng cái tên này.
Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi (PIC) 8-bit được phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CPU CP1600, mặc dù CP1600 là một CPU tốt nhưng kém về khả năng này PIC sử dụng microcode đơn giản trong ROM và mặc dù thuật ngữ RISC chưa được sử dụng vào thời điểm đó, nhưng thực chất PIC là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, cho phép thực hiện một lệnh trong mỗi chu kỳ máy (tương đương 4 chu kỳ của bộ dao động).
Năm 1985, General Instrument đã bán bộ phận vi điện tử của mình, dẫn đến việc chủ sở hữu mới hủy bỏ nhiều dự án đã lỗi thời Tuy nhiên, PIC đã được cải tiến với việc bổ sung EEPROM, tạo thành một bộ điều khiển vào ra khả trình Hiện nay, nhiều dòng PIC được sản xuất với hàng loạt module ngoại vi tích hợp sẵn như UART, PWM, và ADC, cùng với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word.
Hiện nay, tại Việt Nam, đã có một cộng đồng nghiên cứu và phát triển PIC, dsPIC và PIC32
Trên thị trường có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng, nhưng chúng ta có thể điểm qua một vài nét nhƣ sau:
• 8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard có sửa đổi
• FLASH và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte
• Các cổng xuất/nhập (I/O ports) (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với logic 0 và logic 1)
• Các chuẩn giao tiếp ngoại vi nối tiếp đồng bộ, không đồng bộ USART, AUSART, EUSARTs
• Bộ chuyển đổi ADC analog-to-digital converters, 10/12 bit
• Bộ so sánh điện áp (Voltage Comparators)
• Các module Capture/Compare/PWM
• Bộ nhớ nội EEPROM - có thể ghi/xoá lên tới 1 triệu lần
• FLASH (dùng cho bộ nhớ chương trình) có thể ghi/xóa 10.000 lần
• Module Điều khiển động cơ, đọc encoder
• Hỗ trợ giao tiếp USB
• Hỗ trợ điều khiển Ethernet
• Hỗ trợ giao tiếp CAN
• Hỗ trợ giao tiếp LIN
• Hỗ trợ giao tiếp IrDA
• Một số dòng có tích hợp bộ RF (PIC16F639, và rfPIC)
• KEELOQ mã hoá và giải mã
• DSP những tính năng xử lý tín hiệu số (dsPIC)
2.2.2 IC số 74HC595 và một số linh kiện bán dẫn
2.2.2.1 IC mở rộng port 74HC595
74HC595 là một IC số ghi dịch 8 bit kết hợp chốt dữ liệu ra, ngõ vào nối tiếp ngõ ra song song
Chức năng: thường được sử dụng trong các mạch quét led 7 thanh, led ma trận,…
Bạn có thể mở rộng chân cho vi điều khiển một cách không giới hạn bằng cách kết nối tuần tự các IC 74HC595 Tuy nhiên, khi số lượng IC kết nối tăng lên, tốc độ xử lý và độ nhạy của tín hiệu đầu ra sẽ bị ảnh hưởng.
Ý nghĩa quan trọng của một số chân IC 74HC595
+ Chân QA đến QH: xuất dữ liệu khi chân 13 tích cực ở mức thấp và có một xung tích cực ở sườn âm tại chân chốt 12 (LATCH CLOCK)
Chân số 13 là chân cho phép hoạt động tích cực ở mức thấp (logic 0) Khi ở mức cao, chân này sẽ cung cấp dữ liệu với trạng thái trở kháng cao và không cho phép xuất dữ liệu.
+ Chân 14: chân vào dữ liệu nối tiếp Tại một thời điểm xung lock chỉ đƣa vào đƣợc 1 bít dữ liệu
+ Chân 11: chân vào xung clock Khi có 1 xung clock tích cực ở sườn dương thì 1 bit dữ liệu đƣợc dịch vào IC
+ Chân 12: xung clock chốt dữ liệu Khi có 1 xung clock tích cực ở sườn dương thì cho phép xuất dữ liệu trên các chân output QA đến QH
Hình 2.6 Sơ đồ khối 74HC595
Linh kiện bán dẫn, hay còn gọi là phần tử bán dẫn, là các thiết bị điện tử sử dụng tính chất điện tử của các vật liệu như silic, germani, arsenua galli và cả chất bán dẫn hữu cơ.
Linh kiện bán dẫn hoạt động dựa trên nguyên lý dẫn truyền điện tử ở trạng thái rắn, khác biệt với các linh kiện truyền điện tử thông qua phát xạ nhiệt hay khí trong chân không, như ở đèn điện tử chân không Nhờ vào những ưu điểm vượt trội, linh kiện bán dẫn đã dần thay thế linh kiện nhiệt điện trong hầu hết các ứng dụng hiện nay.
Linh kiện bán dẫn được sản xuất dưới hai dạng chính: linh kiện rời và mạch tích hợp (IC) Mạch tích hợp có thể chứa từ vài đến hàng tỷ linh kiện, tất cả được gia công và kết nối trên một nền bán dẫn duy nhất, đó là tấm wafer.
Linh kiện bán dẫn transistor:
Transistor hay tranzito là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng nhƣ một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử
Có 2 loại transistor phổ biến: NPN, PNP
Transistor là linh kiện điện tử cần nguồn năng lượng để hoạt động, và yêu cầu phải phân cực để có thể sử dụng Tùy thuộc vào mục đích, transistor có thể được kết nối với mạch điện theo nhiều cách khác nhau để thực hiện các chức năng như khóa điện từ, truyền dẫn điện và khuếch đại tín hiệu.
Điốt Schottky là một loại linh kiện bán dẫn với điện áp rơi phân cực thuận thấp (0,15 - 0,45 volt) và tốc độ ngắt nhanh, giúp nâng cao hiệu suất chuyển mạch và giảm tổn hao năng lượng so với điốt silic (0,6 - 0,7 volt) Trong khi đó, điốt Zener, hay còn gọi là "điốt đánh thủng", được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong miền đánh thủng; khi mắc ngược chiều, nó cho phép dòng điện đi qua nếu điện áp vượt quá mức định mức Khi phân cực thuận, điốt Zener hoạt động như một điốt thông thường, và khi phân cực nghịch, dòng điện ban đầu rất nhỏ nhưng có thể tăng lên khi điện áp đạt ngưỡng nhất định.
Khi áp nghịch đạt đến giá trị thích ứng Vngƣợc = Vz (với Vz là điện áp Zener), dòng điện qua điốt sẽ tăng mạnh, trong khi hiệu điện thế giữa hai đầu điốt gần như không thay đổi, được gọi là hiệu thế Zener.
2.2.3 Điều khiển cộng cơ DC Điều khiển động cơ DC (DC Motor) là một ứng dụng thuộc dạng cơ bản nhất của điều khiển tự động vì DC Motor là cơ cấu chấp hành (actuator) đƣợc dùng nhiều nhất trong các hệ thống tự động
Điều khiển tốc độ động cơ chủ yếu dựa vào việc điều chỉnh xung PWM để thay đổi vận tốc Xung PWM không trực tiếp quay động cơ mà cần thông qua mạch công suất gọi là Driver Driver DC Motor có thể là các linh kiện công suất rời hoặc được kết hợp để tạo thành mạch cầu H, không chỉ điều khiển vận tốc mà còn cho phép đảo chiều động cơ.
Để điều khiển số vòng quay hoặc vận tốc động cơ, việc đọc góc quay của motor là rất cần thiết Có một số phương pháp để xác định góc quay, bao gồm tachometer, biến trở xoay và encoder Trong đó, tachometer đo vận tốc quay, biến trở xoay là phương pháp analog, trong khi encoder, đặc biệt là encoder quang, thuộc nhóm phương pháp digital.
Yêu cầu kỹ thuật cơ khí của nôi thông minh
Dựa trên số liệu về kích thước và cân nặng trung bình của trẻ em từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) cùng với khảo sát ý kiến của các bậc phụ huynh về nôi thông minh, nhóm nghiên cứu đã xác định rằng nôi thông minh cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cơ bản để đảm bảo an toàn và thoải mái cho trẻ.
Thiết kế nôi cho trẻ em từ 2 tháng tuổi đến 1 tuổi
Đảm bảo an toàn khi hoạt động
Đẹp, thẩm mỹ, thoáng mát, tạo sự thoải mái cho em bé
Dao động lắc với tần số thấp và biên độ nhỏ
Thuận tiện cho việc chăm sóc em bé
Nôi có thể lắc với 2 chiều hướng khác nhau:
+ Lắc theo phương dọc cơ thể bé
+ Lắc theo phương ngang cơ thể bé
Tổng quan thiết kế phần cơ khí
Sử dụng phần mềm solidworks để thiết kế phần cơ khí cho nôi em bé
Từ yêu cầu kỹ thuật như trên và theo định hướng của những ý tưởng ban đầu nhóm đã đƣa ra thiết kế cơ bản nhƣ hình sau:
Các bộ phận chính của nôi:
3.2.1.1 Cơ cấu truyền động chính cho nôi Để truyền động cho nôi có nhiều cơ cấu khác nhau nhƣ: cơ cấu cam, cơ cấu sử dụng khí nén, cơ cấu bánh răng thanh răng,…
Cơ cấu cam nổi bật với nhiều ưu điểm như tính đơn giản, dễ chế tạo, chi phí thấp và hiệu suất cao, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho cơ cấu lắc nôi Do đó, nhóm đã quyết định chọn cơ cấu cam làm cơ cấu truyền động chính.
Phân tích cơ cấu truyền động chính cho nôi:
Cơ cấu truyền động thứ nhất là một dạng của cơ cấu cam phẳng, trong đó cam và cần nằm trong hai mặt phẳng song song Trục dẫn động của cam chuyển động trong rãnh của cần, chịu tác động liên tục từ trục dẫn Cần được nối với giá qua khớp quay, tạo ra dao động lắc Cơ cấu cam chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động lắc qua lại của thân nôi, mang lại nhiều ưu điểm.
+ Biên độ có thể kiểm soát đƣợc
+ Cơ cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt
Sau khi tiến hành thi công và thử nghiệm nhận thấy cơ cấu có nhiều nhƣợc điểm: + Không thể lắc bằng tay đƣợc khi mất điện
+ Dao động chƣa đƣợc êm ái và biên độ cố định
Động cơ cần hoạt động liên tục để tạo ra dao động và chịu tải trọng không đều, dẫn đến nguy cơ hư hỏng cao và tiêu tốn nhiều năng lượng.
Hình 3.2 Cơ cấu truyền động thứ nhất
Dựa trên những khuyết điểm đã xác định, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn một cơ cấu truyền động chính mới nhằm khắc phục những vấn đề này Cơ cấu truyền động thứ hai sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.
Cơ cấu truyền động chính thứ hai Đây là một hình thức của cơ cấu cam phẳng, trong đó thanh quay (1) là cam, thanh
Cơ cấu cam chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động lắc qua lại của thân nôi Cần chỉ bị tác động bởi cam tại một thời điểm nhất định trong chu kỳ quay, không chịu tác động liên tục như trong cơ cấu thứ nhất.
Khi động cơ hoạt động, cam (1) quay sẽ tác động lên cần (2), làm cho thân nôi lệch khỏi vị trí cân bằng ban đầu Khi tác động kết thúc, cam (1) sẽ kích hoạt công tắc hành trình để dừng động cơ Lúc này, thân nôi sẽ dao động nhẹ nhàng quanh vị trí cân bằng nhờ quán tính Cấu trúc này giúp nôi hoạt động êm ái và ổn định hơn.
+ Dao động êm ái, biên độ dao động giảm dần theo thời gian
+ Động cơ chỉ cần tác động 1 lần lúc đầu cung cấp năng lƣợng cho nôi tự dao động sau đó dao động tắt dần theo thời gian
+ Tiết kiệm điện vì động cơ không phải hoạt động liên tục
+ Có thể lắc bằng tay khi mất điện
Hình 3.3 Cơ cấu truyền động thứ hai
+ Cơ cấu đã khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm của cơ cấu ban đầu
+ Biên độ dao động không điều chỉnh đƣợc
Sau khi đƣa vào thực tiễn và thử nghiệm, cơ cấu hoạt động ổn định và êm ái
3.2.1.2 Cơ cấu thay đổi chế độ lắc
Nôi thông minh đƣợc thiết kế với 2 chế độ lắc đƣợc điều chỉnh qua chốt khóa (1) trên đĩa xoay
Chế độ lắc của nôi:
+ Lắc theo chiều dọc: kiểu lắc nôi truyền thống
+ Lắc theo chiều ngang: kiểu lắc mới tạo cảm giác như người mẹ ru em bé, kiểu lắc này nhằm chống say xe cho em bé
Hình 3.4 Nôi lắc dọc Hình 3.5 Nôi lắc ngang
3.2.2 Các chi tiết chính của phần cơ khí
Khung nôi đƣợc làm bằng vật liệu là thép ống dày 1.7 (mm) đƣợc uốn theo hình dạng nhƣ hình
Thân nôi được làm bằng inox 301 đường kính được uốn và hàn lại với nhau như sau:
Trục cơ cấu cam đƣợc làm với vật liệu thép CT3, với hình dạng nhƣ hình sau:
Hình 3.10 Trục cơ cấu cam
Chốt khóa đƣợc làm với vật liệu là thép CT3, cho phép chuyển đổi hoặc khóa giữa hai kiểu đƣa nôi ngang và dọc
Thanh ghép nối cho phép kết nối giữa nôi và khung nôi
Hình 3.12 Khớp nối động cơ
3.2.3 Chi tiết lắp ghép cơ khí
Hình 3.14 Lắp ghép giá treo
Lắp ghép cơ cấu cam và động cơ
Lắp ghép giá treo và thân nôi
Lắp ghép thân nôi và khung nôi
3.2.3.2 Lắp ghép cơ cấu cam và động cơ
Hình 3.15 Lắp ghép thanh xoay
Hình 3.16 Lắp ghép cơ cấu cam và động cơ
3.2.3.3 Lắp ghép thân nôi và giá treo
3.2.3.4 Lắp khung nôi và thân nôi
Hình 3.17 Lắp ghép thân nôi và giá treo
Hình 3.18 Chi tiết lắp ghép khung nôi và thân nôi
3 Ổ bi gối đỡ UC203 FK204
Tính toán phần cơ khí
Theo yêu cầu ban đầu, nôi dao động cần có tần số thấp và biên độ nhỏ, vì vậy biên độ dao động khoảng 200-300 mm là hợp lý Chúng ta chọn biên độ dao động của nôi là 250 mm Cơ cấu truyền động chính cho nôi em bé được thiết kế là cơ cấu cam Để tính biên độ của cơ cấu cam, ta áp dụng bài toán hình học cơ bản.
Điểm O là tâm của ổ bi gối đỡ UC203 FK204 Điểm A' đại diện cho vị trí mà cơ cấu cam tác dụng vào thân nôi với biên độ lớn nhất Điểm B' là hình chiếu vuông góc của điểm A' lên mặt phẳng đáy thân nôi, trong khi điểm B là hình chiếu vuông góc của điểm B' trên đường thẳng đi qua O theo phương thẳng đứng Cuối cùng, điểm A là hình chiếu vuông góc của điểm A' trên đường thẳng đi qua O cũng theo phương thẳng đứng.
AA‟ – ẵ biờn độ của cơ cấu cam
BB‟ – ẵ biờn đụ dao động của thõn nụi
BB‟ = = 125 (mm), OA‟ = 220 (mm), OB‟ = 950 (mm)
Vì ▲OAA‟ ~ ▲OBB‟ nên ta có:
Hình 3.19 Biên độ dao động của thân nôi
Tính lại biên độ dao động của thân nôi là:
Suy ra: Biên độ dao động của nôi là l 1 = 2xBB‟= 2x120 $0 (mm)
Biên độ của cơ cấu cam là l2 = 2xAA‟ = 2x28 = 56 (mm)
3.3.2 Tính toán ứng lực, chuyển vị của nôi
Ta cần tính đường kính d của thanh treo thân nôi (1), để có thể chịu được khối lượng của em bé và các chi tiết khác gắn trên thanh treo
Thanh treo (1) chịu tải trọng từ khối lượng của em bé và các bộ phận treo như đĩa xoay, thanh xoay Do đó, lực tác dụng lên thanh treo (1) là trọng lực do khối lượng của em bé và các bộ phận này gây ra Từ đó, công thức tính lực tác dụng lên thanh được suy ra.
Trong đó: Lực tác dụng lên thanh treo là F (N)
Khối lƣợng của em bé cho phép m 1 = 15 (kg)
Tổng khối lƣợng của các bộ phận treo trên thanh treo là m 2 = 15 (kg)
Hình 3.20 Thanh treo thân nôi
Thay số vào ta đƣợc F = (m 1 +m 2 ).g = (15+15).10 = 300 (N)
Nội lực trong thanh treo:
Xét thanh AC: ∑ ↔ YA + Y C – F = 0 YA = F – Y C = 300 – 150 = 150 (N) Biểu đồ nội lực trong thanh treo (1):
Từ biểu đồ ta thấy: Tại điểm B có ứng suất uốn lớn nhất với độ lớn: | | Xét mặt cắt tại B: d a a
Trong đó d: Là đường kính của thanh treo AC
| | – Là mômen uốn tại điểm B
W x – Là mômen chống uốn của mặt cắt B
[ ] – Là ứng suất pháp cho phép của vật liệu z – Ứng suất trên mặt cắt ngang B
Mômen chống uốn của mặt cắt B đƣợc tính theo công thức:
J X = J Y = 0,05d 4 – Mômen quán tính chính trung tâm của mặt cắt điểm B y max = – Khoảng cách lớn nhất từ điểm tính ứng suất đến đường trung hòa Thay vào (3.2) ta đƣợc:
= 7,8 (mm) Với a = 20 (mm), F = 300 (N), vật liệu thép 45 có , tra bảng 6.1 [1] Ứng suất cho phép [ ] tra bảng 10.5 [1]
Sử dụng phần mềm SolidWorks để mô phỏng và phân tích ứng lực cũng như chuyển vị của khung nôi Đặt lực F = 300 N lên khung nôi và quan sát sự chuyển vị, đồng thời kiểm tra ứng suất của cấu trúc này để đánh giá khả năng chịu lực.
Bảng 3.5 Thuộc tính của vật liệu
Khung nôi chịu tác động của lực F00(N) Thuộc tính của vật liệu
Tên vật liệu: Thép hợp kim Giới hạn chảy: 620.422 N/mm 2 Độ bền kéo: 723.826 N/mm 2
Sau quá trình chạy mô phỏng ta thu đƣợc kết quả nhƣ sau
Hình 3.21 Khung nôi phân tích lực
Chuyển vị của khung nôi
Bảng 3.6 Bảng kết quả chuyển vị của khung nôi
Từ bảng kết quả ta thấy:
+ Khung nôi có chuyển vị lớn nhất z 1.05683 mm
+ Khung nôi có sự chuyển vị nhỏ và có thể bỏ qua đƣợc, khi hoạt động có thể nhún nhƣng vẫn an toàn
Ứng suất kéo tác dụng lên khung nôi
Bảng 3.7 Bảng kết quả ứng suất tác dụng lên nôi
Stress VON: von Mises Stress
Displacement URES: Resultant Displacement 0 mm
Từ bảng kết quả ta thấy:
+ Khung nôi có chịu ứng suất kéo lớn nhất là 6.52056 N/mm 2 (MPa)
+ Khung nôi chịu ứng suất kéo nhƣ hình, và chịu chịu ứng suất kéo lớn nhất là:
6.52056 N/mm 2 (MPa) < 620.422 N/mm 2 (ứng suất cho phép)
Suy ra : Khung nôi đủ điều kiện bền
Kiểm tra độ an toàn của khung nôi
Bảng 3.8 Bảng kết quả kiểm tra an toàn của khung nôi
Khung nôi an toàn Max von Mises
Khung nôi-SimulationXpress Study-Factor of Safety-Factor of Safety
Từ bảng kết quả ta thấy:
+ Khung nôi với kích thước và hình dạng như trên đảm bảo an toàn
+ Ta thấy khung nôi có chuyển vị tương đối nhỏ 1.05683, khung nôi có hiện tượng nhún nhƣng vẫn an toàn
+ Khung nôi có chịu ứng suất kéo lớn nhất là:
6.52056 N/mm 2 (MPa) < 620.422 N/mm 2 (ứng suất cho phép)
Suy ra: Khung nôi đủ điều kiện bền, an toàn khi hoạt động
3.3.3 Tính toán chọn động cơ
3.3.3.1 Động cơ quay máy quạt
Cơ sở chọn động cơ Động cơ cho máy quạt cần:
+ Tốc độ quay lớn để có thể làm mát nhanh chóng
+ Dùng nguồn thấp để đảm bảo an toàn cho người sử dụng
Từ những yêu cầu trên ta chọn động cơ với các thông số kỹ thuật nhƣ sau:
Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật của động cơ quạt
Tên sản phẩm Động cơ Điện áp DC 12V Đánh giá tốc độ 6300 rpm
Chiều dài động cơ 34mm/1.3" Đường kính động cơ 24mm/0,94"
Mô-men xoắn 0.1kg cm
Vật liệu Kim loại, linh kiện điện tử
Hình 3.22 Động cơ máy quạt và quạt
3.3.3.2 Động cơ quay đồ chơi
Cơ sở chọn động cơ Đối với động cơ quay đồ chơi cần:
+ Chạy với tốc độ chậm khoảng 40 ÷ 60 (rpm) để đồ chơi quay chậm
+ Dùng nguồn thấp khoảng 5 ÷ 12 (V) để đảm bảo an toàn cho người dùng
+ Hoạt động êm ái, không gây ồn
Từ những yêu cầu trên ta chọn động cơ:
+ Động cơ DC Mini giảm tốc 12V/160PRM model 16A050
Cơ sở chọn động cơ
Nhiều người tin rằng đưa nôi mạnh và nhanh giúp bé dễ ngủ hơn, nhưng thực tế, bé chỉ ngủ khi quá mệt Giấc ngủ này thường không sâu, dễ chập chờn và có thể dẫn đến nhiều ác mộng, ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của trẻ.
Trẻ nhỏ có hệ thần kinh chưa hoàn thiện, khiến chúng dễ bị ảnh hưởng bởi các kích thích bên ngoài Việc rung lắc mạnh trẻ có thể gây ra chấn thương nghiêm trọng, dẫn đến hội chứng rung lắc, một dạng chấn thương não Do đó, cần hết sức cẩn trọng khi chăm sóc trẻ nhỏ để tránh những tác động nguy hiểm này.
Để giúp trẻ dễ dàng đi vào giấc ngủ và có giấc ngủ ngon, cần lựa chọn động cơ tạo dao động lắc với tần số thấp và tốc độ quay chậm Điều này sẽ tạo ra nhịp đu đưa êm ái, nhẹ nhàng và không gây tiếng động.
Hình 3.23 Động cơ DC giảm tốc GA25
Tính toán công suất động cơ
Xét thân nôi tại vị trí biên độ lớn nhất
Trong đó: α : góc khi khung nôi ở vị trí biên độ lớn nhất
P t : Tải trọng động cơ phải chịu
F : Lực cần cung cấp cho thân nôi đi ra vi trí biên
A : Điểm cơ cấu cam tác dụng lên thanh xoay ở vị trí biên
A‟ : Hình chiếu của A trên OB
Công thức tính tải trọng:
Khối lƣợng của em bé cho phép m 1 = 15 (kg)
Tổng khối lƣợng của các bộ phận treo trên thanh treo là m 2 = 15 (kg)
Thay số vào ta đƣợc F = (m 1 + m 2 ).g = (15+15).10 = 300 (N)
Hình 3.24 Thân nôi tại vị trí biên độ lớn nhất
Ta có cơ cấu cam có cánh tay đòn z = 20 (mm)
Momen xoắn động cơ cần cung cấp tại vị trí biên là:
T = P y z = 300.20 = 6000 (N.mm) Chọn động cơ có hộp số có tốc độ vòng N = 20 ( vòng /phút)
Công suất cần thiết cần phải cung cấp:
= 0.0126 (kW) = 12.6 (W) Công suất động cơ:
Ta chọn động cơ có công suất 15 (W)
+ Động cơ DC có hộp giảm tốc
+ Tốc độ không hộp số: 4000 (rpm)
+ Tốc độ qua hộp số: 5V ~ 5 (rpm)
12V ~ 10 (rpm) 24V ~ 20 (rpm) Hình 3.25 Động cơ đưa nôi Động cơ
Chọn ổ bi lắp giữa đĩa xoay và thanh xoay
+ Tải trọng nhỏ, không có lực dọc trục F a = 0
+ Đường kính của thanh xoay d 0 (mm) và lỗ trong của đĩa xoay có đường kính
Cho nên ta chọn ổ bi đỡ một dãy 1000906 có d 0 (mm), D = 47 (mm), B = 9 (mm), r = 0,5 (mm), C = 5,95 (kN), C O = 4,06(kN) Tra bảng P2.7, trang 254 tài liệu tham khảo [1]
Chọn ổ bi lắp vào cơ cấu cam
Chức năng: Làm giảm ma sát và không gây tiếng động khi cơ cấu cam hoạt động
+ Tải trọng không đáng kể, không có lực dọc trục
+ Đường kính trục cơ cấu cam d = 6 (mm)
Cho nên ta chọn ổ bi đỡ một dãy ký hiệu 696ZZ 6x15x5
Chọn ổ bi lắp thân nôi với khung nôi
Hình 3.26 Ổ bi lắp giữa thân nôi và khung nôi
(1) : Ổ bi lắp giữa thân nôi và khung nôi
F : Lực tác dụng lên ổ bi
Công thức để tính lực tác dụng lên ổ bi:
Lực tác dụng lên ổ bi là F (N)
Khối lƣợng của em bé cho phép m 1 = 15 (kg)
Tổng khối lƣợng của các bộ phận treo trên thanh treo là m 2 = 15 (kg)
Thay số vào ta đƣợc F = (m 1 +m 2 ).g = (15+15).10 = 300 (N)
+ Chịu tải trọng hướng tâm F r = F00 (N), không có lực dọc trục F a =0
+ Ổ bi phải gắn chi tiết khác vào nên phải có hình dạng phù hợp
+ Đường kính trong phải lớn hơn 7,8 (mm)
Ta có F a / F r = 0 < 0,3 cho nên ta chọn ổ bi đỡ một dãy
Do ổ bi làm việc với số vòng quay n < 1 cho nên ta tiến hành chọn ổ bi theo khả năng tải tĩnh
Theo công thức 11.18 tài liệu tham khảo [1] :
Q t C O Trong đó: Q t – Tải trọng tĩnh quy ƣớc
Với Qt tính theo công thức 11.19 và 11.20 tài liệu tham khảo [1] :
Q t = F r Trong đó: X O = 0,6 – Hệ số tải trọng hướng tâm Tra bảng 11.6 tài liệu tham khảo [1]
Y O = 0,5 – Hệ số tải trọng dọc trục.Tra bảng 11.6 tài liệu tham khảo [1]
Thay vào công thức 11.19 và 11.20 ta đƣợc:
Q t = F r = 300 (N) = 0,3 (kN) Thay vào công thức 11.18 ta đƣợc: Q t C O C O 0,3 (kN)
Ta phải chọn ổ bi có đường kính trong d > 7,8 (mm) và có C O 0,3 (kN) và có hình dạng phù hợp với yêu cầu đƣa ra
Chọn ổ bi gối đỡ UC203 FK204
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật ổ bi gối đỡ UC203 FK204 Đường kính lổ 17 mm
Bảng 3.4 Kích thước ổ bi gối đỡ UC203 FK204 a 110 mm h 42 mm e 32 mm
Hình 3.27 Ổ bi gối đỡ UC203 FK204
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN - ĐIỀU KHIỂN
4.1.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 4.1 Sơ đồ khối mạch điện
Trong sơ đồ gồm có:
+ Vi điều khiển dòng PIC 16F887A
+ Mạch công suất sử dụng IC công suất L298 và Transistor công suất TIP41C
Khối hiển thị sử dụng LED 7 thanh và LED đơn để hiển thị nhiệt độ cùng các thông số đã được thiết lập LED đơn cũng có chức năng hiển thị trạng thái đóng hoặc ngắt của các thiết bị và trạng thái nhấn nút Hệ thống còn tích hợp thông báo âm thanh khi nhấn phím, mang lại trải nghiệm người dùng tốt hơn.
+ Khối nguồn sử dụng các IC nguồn ổn áp LM2596-12V, LM2596-5V để tạo ra nguồn nuôi phù hợp cho hệ thống hoạt động
+ Khối tín hiệu vào bao gồm các tín hiệu nút nhấn, tín hiệu cảm biến (CB nhiệt độ,
CB âm thanh, CB chuyển động), tín hiệu từ module sim 900-A
+ Module sim 900A giao tiếp hai chiều truyền nhận dữ liệu với vi điều khiển thông qua giao thức truyền nhận dữ liêụ nối tiếp bất đồng bộ UART
Các thiết bị điện như động cơ chính, đồ chơi và quạt thực chất là các động cơ DC, được điều khiển bởi vi điều khiển thông qua mạch công suất.
+ Module phát nhạc MP3 đƣợc điều khiển trực tiếp từ vi điều khiển, mạch hỗ trợ loa ngoài với công suất tối đa 3W
Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu từ nút nhấn, cảm biến hoặc công tắc hành trình, sau đó xử lý tín hiệu để điều khiển các cơ cấu chấp hành như động cơ, phát nhạc và đồ chơi Đặc biệt, động cơ DC được điều khiển gián tiếp thông qua các khối công suất, đảm bảo hoạt động hiệu quả và chính xác.
Chế độ điều khiển bằng tay cho phép người dùng thao tác trực tiếp qua các nút nhấn, giúp dễ dàng bật hoặc tắt các thiết bị theo mong muốn.
Chế độ tự động hoạt động dựa trên tín hiệu từ cảm biến hoặc công tắc hành trình gửi đến hệ thống điều khiển Hệ thống này sẽ xử lý thông tin và điều khiển các thiết bị một cách hiệu quả và chính xác.
4.1.2 Các thiết bị điện công suất
Bảng 4.1 Bảng thiết bị công suất
Tên thiết bị Điện áp hoạt động
Motor đƣa nôi 12 ÷ 24 24 15 Động cơ quay đồ chơi 9 ÷ 12 12 4
4.1.3 Tính toán công suất điện tiêu thụ của toàn hệ thống
Bảng 4.2 Bảng tính toán công suất điện tiêu thụ của hệ thống
Tên thiết bị Công suất
Thời gian hoạt động trung bình trong 24h (h)
Motor đƣa nôi 15 2 30 Động cơ quay đồ chơi
Tổng công suất điện hệ thống trong một ngày: 214
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Bài toán điều khiển đặt ra cho nôi thông minh:
+ Điều khiển động cơ đƣa nôi hoạt động ổn định và chính xác, đây là nhiệm vụ quan trọng nhất
+ Điều khiển đóng mở các thiết bị trang bị cho nôi nhƣ: quạt, đồ chơi, phát nhạc
Chức năng tự động của nôi trẻ em bao gồm hai nhiệm vụ chính: ru trẻ ngủ và tạo điều kiện cho trẻ tự chơi Hệ thống hoạt động dựa trên việc phân tích và xử lý tín hiệu từ các cảm biến gắn trên nôi, truyền về bộ xử lý trung tâm, từ đó điều khiển đóng mở các thiết bị phù hợp để hỗ trợ sự phát triển của trẻ.
Hệ thống điều khiển quạt hoạt động dựa trên việc đo nhiệt độ xung quanh, điều chỉnh tốc độ quạt nhanh hay chậm hoặc ngắt quạt tùy thuộc vào giá trị nhiệt độ đo được và các thông số cài đặt.
IC nhiệt LM35 cho phép vi điều khiển nhận tín hiệu analog thông qua module ADC, từ đó xử lý và tính toán chính xác giá trị nhiệt độ.
+ Chức năng thông báo cho người dùng biết khi trẻ khóc hoặc đã ngủ đậy, sử dụng module sim-900A
+ Chức năng thiết lập thời gian ru, mốc nhiệt độ cần bật quạt, bật hoặc tắt âm thanh nút nhấn, hiển thị nhiệt độ
Hình 4.2 Bảng điều khiển hệ thống
4.2.1 PIC 16F887A và các tính năng cơ bản
Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887 và hình dạng thực tế:
Đƣợc chế tạo bằng công nghệ CMOS
Tần số hoạt động tối đa 20Mhz
PIC 16F887 có 5 port xuất nhập
Có 14 kênh chuyển đổi ADC
Có 2 bộ định thời 8 bit(Timer 0 và Timer 2)
Một bộ định thời 16 bit ( Timer 1)
Hai bộ CCP (capture/compare/PWM)
Hình 4.3 Sơ đồ chân PIC 16F887
Hình 4.4 Hình dạng thực tế PIC 16F877
Hai bộ so sánh tương tự (compartor)
Một bộ định thời giám sát
Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển
Một cổng giao tiếp nối tiếp
Có chế độ tiết kiệm năng lƣợng
Hình 4.6 Các thông số cơ bản của dòng PIC 16F88X
Hình 4.7 Sơ đồ khối PIC 16F887
Vi điều khiển PIC 16F887A được trang bị bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) 10 bit với 14 kênh, cho phép xử lý và chuyển đổi tín hiệu analog một cách hiệu quả Mạch ADC này rất hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu chuyển đổi tín hiệu để phục vụ cho các thiết bị điện tử.
Hình 4.9 Khối ADC module trên PIC 16F887 Hình 4.8 Các chân có chức năng ADC
Có 51 ứng dụng giao tiếp với tín hiệu tương tự có thể nhận từ các cảm biến như cảm biến nhiệt độ LM35, cảm biến áp suất, cảm biến độ ẩm và cảm biến khoảng cách.
Thanh ghi điều khiển hoạt động chuyển đổi của ADC [3]
ADON: Bit cho phép bộ ADC hoạt động
GO/DONE: bit chỉ trạng thái chuyển đổi
CHS: dùng để chọn kênh cần chuyển đổi
ADCS: bit lựa chọn tần số chuyển đổi
Đọc nhiệt độ từ cảm biến nhiệt LM35
+ Độ phân giải của ADC đƣợc tính theo công thức:
(4.1) + Trong đó N là số bit của ADC (10 bit)
Cảm biến LM35 có hệ số chuyển đổi nhiệt độ sang điện áp là 10mV, với dải nhiệt độ đo từ -55°C đến 150°C Để đảm bảo hiển thị chính xác nhiệt độ, độ phân giải của ADC cần phải tương thích với độ phân giải của cảm biến LM35, cụ thể là stepsize mv/°C.
+ Công thức tính độ phân giải của ADC:
Hình 4.10 Thanh ghi điều khiển chuyển đổi
+ Do đó, nhiệt độ thực tế PIC đo đƣợc: t 0 thực tế =
4.2.3 Khối CCP-chức năng điều chế xung PWM
PWM có hai đặc tính cơ bản quan trọng: tần số, được tạo ra bởi timer 2, và độ rộng xung, do thanh ghi CCPRxL và các bit CCPxCON điều khiển Sơ đồ tạo xung PWM là sự kết hợp giữa khối CCPx và timer 2.
Thanh ghi đếm TMR2 của timer 2 sẽ đếm đến giá trị được xác định bởi thanh ghi CCPRxL:CCPxCON của khối CCPx Khi giá trị của TMR2 đạt đến giá trị PR2, trạng thái logic của chân CCPx sẽ bị đảo, hoàn thành một chu kỳ tạo xung PWM.
Để tạo xung PWM, giá trị CCPRxL:CCPxCON cần phải nhỏ hơn hoặc bằng giá trị thanh ghi PR2 Để điều chỉnh độ rộng xung, chỉ cần thay đổi giá trị thanh ghi CCPRxL:CCPxCON trong quá trình lập trình.
+ Công thức tính chu kỳ PWM :
Chu kỳ PWM = [(PR2)+1]*4*Tosc*(TMR2 Prescale) (4.3) + Công thức tính độ rộng xung PWM :
Wpwm=( CCPRxL :CCPxCON)*Tosc* TMR2 Prescale (4.4) Tosc=1/Fosc
Hình 4.11 Sơ đồ tạo xung PWM
Timer là một khối hoạt động độc lập với CPU, giúp giảm thời gian xử lý và tăng tốc độ hoạt động của vi điều khiển Ứng dụng chính của timer là định thời trong khoảng thời gian ngắn và đếm số lượng xung từ bên ngoài, phục vụ cho các ứng dụng như đếm sản phẩm và đọc số xung encoder Vi điều khiển PIC16F887 được tích hợp 3 timer: Timer 0 (8 bit), Timer 1 (16 bit) và Timer 2 (8 bit).
Nguyên tắc hoạt động của Timer:
Nguyên tắc hoạt động của Timer là tăng giá trị của thanh ghi đếm khi nhận xung lock đã qua bộ chia Khi thanh ghi đếm đạt giá trị tối đa, nếu tiếp tục nhận xung lock, Timer sẽ xảy ra sự kiện tràn (overflow), dẫn đến việc có thể kích hoạt ngắt.
Hình 4.12 Khối Timer trong PIC 16F887
Những đặc tính của Timer 0:
- Thanh ghi 8 bit timer/couter (TMR0)
- Bộ chia prescaler 8 bit (dùng chung với watchdog timer)
- Hoạt động với xung lock bên trong hoặc bên ngoài
- Hoạt động với việc lựa chọn cạnh của xung lock bên ngoài
Thanh ghi khởi tạo Timer 0:
Hình 4.13 Sơ đồ khối Timer 0
Hình 4.14 Thanh ghi khởi tạo Timer 0
- T0CS: bit lựa chọn chế độ hoạt động của timer 0
- T0SE: bit chọn cạnh tác động khi timer hoạt động với chế độ đếm couter
- PSA: dùng để lựa chon bộ chia prescaler thuộc về timer 0 hay của watchdog timer
- PS: chọn tỉ lệ bộ chia:
Công thức định thời Timer 0:
Do đó để thay đổi thời gian định thời T ta có thể thay đổi một trong các thông số sau:
+ TMR0‟: giá trị ban đầu của thanh ghi TMR0‟ cho timer 0 bắt đầu đếm
+ Prescaler: tỉ lệ bộ chia của Timer 0
+ Fosc: tần số hoạt động của vi điều khiển
Timer 0 cũng có thể xảy ra ngắt, ngắt timer 0 xảy ta khi timer 0 tràn (tức là thanh ghi TMR0%5 rồi sau đó trở về giá trị ban đầu)
Tỉ lệ bộ chia Timer 0
T0IE: bit cho phép xảy ra ngắt timer 0
GIE : bit cho phép ngắt toàn cục
4.2.5 Khối truyền nhận dữ liệu nối tiếp UART Module
UART stands for Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, which is commonly an integrated circuit used for serial data transmission between computers or microcontrollers and peripheral devices.
PIC16F887 có hỗ trợ 1 kênh giao tiếp UART
Hình 4.15 Sơ đồ ngắt Timer 0
Hình 4.16 Truyền nhận UART giữa VĐK và module SIM
Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART :
Baund rate (tốc độ baund): Khoảng thời gian dành cho 1 bit đƣợc truyền Phải đƣợc cài đặt giống nhau ở gửi và nhận
Frame (khung truyền): Khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần truyền
Start bit: là bit đầu tiên đƣợc truyền trong 1 Frame Báo hiệu cho thiết bị nhận có một gói dữ liệu sắp đc truyền đến Bit bắt buộc
Data: dữ liệu cần truyền Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau đó đến bit MSB
Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không
Stop bit là một hoặc nhiều bit dùng để thông báo cho thiết bị rằng quá trình gửi bit đã hoàn tất Thiết bị nhận sẽ kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, và bit này là bắt buộc.
Khung truyền dữ liệu (Frame):
1 bit Parity (có thể có hoặc không)
LSB: bit thứ 0 sẽ được truyền đi trước
Hình 4.17 Khung truyền dữ liệu UART
4.2.6 Tập lệnh AT điều khiển module SIM-900A
Tập lệnh AT là bộ lệnh dùng để điều khiển, giám sát và cài đặt module SIM, được gửi đến module qua các thiết bị điều khiển như máy tính hoặc vi điều khiển, thông qua giao thức truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ UART Qua đó, người dùng nhận được tín hiệu phản hồi từ module và thực hiện các chức năng cần thiết.
Các tập lệnh AT cơ bản:
• Lệnh AT: lệnh này dùng để kiểm tra trạng thái hoạt động cua module SIM
• Lệnh ATD: thực hiện một cuộc gọi đến số điện thoại nhất định
• Lệnh ATH: để ngắt/dừng cuộc gọi đang thực hiện
• Lệnh AT + CMGS: thực hiện chức năng nhắn tin
Các bước để gửi một tin nhắn từ module SIM:
• AT + CMGS = “số điện thoại”
Các bước để gọi một cuộc điện thoại và dừng cuộc gọi:
Các module SIM hỗ trợ một lượng lớn tập lệnh AT, không chỉ cho các chức năng cơ bản như gọi điện và nhắn tin, mà còn bao gồm các lệnh AT về GPS, chủ yếu được sử dụng trong định vị thiết bị Để tìm hiểu chi tiết hơn về tập lệnh AT và module SIM 900-A, bạn có thể tham khảo tài liệu trong mục "mục tham khảo" [7].
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Thiết kế mạch điều khiển, điều khiển các thiết bị và giám sát cho nôi thông minh
Mạch cần hoạt động ổn định và có thiết kế nhỏ gọn
Xử lý tốt các tín hiệu cảm biến thu nhận đƣợc qua đó điều khiển các thiết bị điện hiệu quả
4.3.2 Sơ đồ khối hệ thống
+ Hệ thống sử dụng vi điều khiển PIC 16F887 để điều khiển
+ Sử dụng nguồn nuôi 5V cho mạch điều khiển và 24V khối công suất
+ Bộ phận cách ly giữa hệ thống điều khiển và hệ thống điện công suất
Hình 4.18 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hệ thống nút nhấn cho phép người sử dụng giao tiếp và điều khiển trực tiếp các thiết bị điện theo cách thủ công, đồng thời hỗ trợ hai chế độ hoạt động tự động.
Chế độ hoạt động Auto của nôi bao gồm hai chế độ chính: chế độ ru ngủ và chế độ chơi với trẻ Khi kích hoạt chế độ ru ngủ, nôi sẽ tự động hoạt động dưới sự giám sát của các cảm biến, ghi lại mọi hành động của trẻ và xử lý tín hiệu để thực hiện các chức năng phù hợp, chỉ dừng lại khi có sự can thiệp từ người sử dụng Ngược lại, trong chế độ chơi với trẻ, các thiết bị sẽ được bật hoàn toàn để thu hút sự chú ý của trẻ, cho phép người dùng chọn bật toàn bộ hoặc chỉ một số thiết bị cần thiết.
Nut nhấn “Set” để thiết lập các thông số về nhiệt độ, thời gian ru ngủ, âm thanh phím nhấn tùy theo người sử dụng
Hình 4.19 Sơ đồ nút nhấn
Cảm biến chuyển động PIR
Cảm biến PIR (Passive Infra-Red) hoạt động bằng cách phát hiện chuyển động thông qua việc đo lường sự thay đổi trong bức xạ hồng ngoại từ các đối tượng Khi có chuyển động, cảm biến PIR sẽ gửi ra một xung cao, xung này được vi điều khiển nhận diện để thực hiện các chức năng cần thiết.
Phạm vi phát hiện: góc 360 độ hình nón, độ xa tối đa 6m
Điện áp hoạt động: DC 3.8V - 5V
Hình 4.20 Sơ đồ hệ thống cảm biến
CB chuyển động CB âm thanh
Hình 4.21 Cảm biến chuyển động
Ngõ ra dạng tín hiệu số, khi có vật chuyển động chân OUT đƣợc kéo lên “1”
Mức tiêu thụ dòng: ≤ 50 uA
Thời gian báo: 30 giây có thể tùy chỉnh bằng biến trở
Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở
Cảm biến chuyển động được lắp đặt trong nôi để theo dõi hành động của trẻ Khi nôi hoạt động và dừng lại sau một thời gian, cảm biến sẽ tự động kích hoạt nếu trẻ chưa ngủ hoặc đã thức dậy Các dao động từ trẻ sẽ được cảm biến nhận diện và gửi tín hiệu đến hệ thống điều khiển nôi, giúp nôi tiếp tục hoạt động cho đến khi có sự can thiệp từ người sử dụng.
Kết nối CB chuyển động với vi điều khiển PIC 16F887 :
Cảm biến nhiệt độ LM35 là một thiết bị cảm biến tương tự được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực Với độ chính xác cao và sai số nhỏ, cùng với kích thước nhỏ gọn và giá thành hợp lý, LM35 trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều dự án.
Hình 4.22 Kết nối cảm biến chuyển động với VĐK
Cảm biến tương tự (analog sensor) mang lại nhiều ưu điểm, trong đó nổi bật là khả năng dễ dàng đọc giá trị thông qua mô-đun ADC của vi điều khiển.
Điện áp đầu vào từ 4V đến 20V
Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C
LM35 không cần phải canh chỉnh nhiệt độ khi sử dụng
Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng - 55°C tới 150°C
LM35 có hiệu năng cao, công suất tiêu thụ là 60uA
Kết nối LM35 với vi điều khiển PIC 16F887 :
Hình 4.23 CB nhiệt độ LM35
Hình 4.24 Kết nối LM35 với PIC 16F887
Sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35, hệ thống có khả năng đo nhiệt độ môi trường và điều khiển quạt làm mát cho trẻ em Quạt sẽ hoạt động khi nhiệt độ vượt quá mức cho phép và tự động ngắt khi nhiệt độ giảm xuống an toàn.
Quạt hoạt động với ba cấp độ: chậm, trung bình và nhanh, tự động điều chỉnh theo nhiệt độ môi trường Khi nhiệt độ tăng hoặc giảm, hệ thống sẽ gửi tín hiệu để quạt hoạt động ở cấp độ phù hợp, đảm bảo hiệu quả làm mát tối ưu.
Các cấp độ của quạt có thể đƣợc điều chỉnh bằng tay thông qua nút nhấn
“FAN” trên bảng điều khiển
Cảm biến âm thanh hoạt động dựa trên microphone và opamp để phát hiện âm thanh Khi cường độ âm thanh vượt qua ngưỡng xác định, có thể điều chỉnh bằng biến trở, ngõ ra sẽ giảm xuống mức thấp và đồng thời có đèn LED báo hiệu.
• Phát hiện âm thanh, tiếng động xung quanh
• Có thể điều chỉnh độ nhạy cảm biến
• Kích thước PCB: 3,2 cm * 1.7 cm
• VCC: Chân cung cấp điện áp hoạt động từ 3.3V - 5V
Cảm biến âm thanh chuyển đổi dữ liệu thành dạng số (0 và 1) để phát hiện xem trẻ có đang khóc hay không Khi phát hiện tiếng khóc, hệ thống sẽ gửi tín hiệu để kích hoạt đồ chơi, phát nhạc, và đung đưa nôi nhằm dỗ dành trẻ.
Hệ thống không chỉ kích hoạt các thiết bị mà còn được trang bị module SIM 900-A, hoạt động khi nhận tín hiệu từ cảm biến âm thanh Tín hiệu này sẽ được xử lý để giảm thiểu nhiễu trước khi thực hiện các chức năng đã được cài đặt.
Kết nối cảm biến âm thanh với vi điều khiển PIC 16F887 :
4.3.2.3 Khối hiển thị led 7 thanh
Hình 4.27 Sơ đồ hiển thị led 7 thanh
Mốc nhiệt độ để mở quạt
ON/OFF âm nút nhấn
Hình 4.26 Kết nối CB âm thanh với VĐK
Khối hiển thị LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ đo được từ môi trường xung quanh, giúp người sử dụng dễ dàng theo dõi và thực hiện các điều chỉnh cần thiết.
Hiển thị các thiết lập hệ thống:
Mức nhiệt độ cần thiết để bật hoặc tắt quạt, đồng thời thay đổi đƣợc đƣợc giá trị đặt này tùy ý theo nhu cầu người sử dụng
Âm thanh nhấn nút (có thể bật hoặc tắt chế độ này tương ứng với thiết lập „1‟ hoặc „0‟)
4.3.3 Các module đƣợc sử dụng
4.3.3.1 Module điều khiển động cơ L298
Sử dụng module L298 điều khiển 2 động cơ DC (motor chính đƣa nôi và quạt)
Sử dụng xung PWM từ PIC 16F887 cấp vào 2 chân ENA và ENB điều khiển tốc độ động cơ
Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A
Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V
Hình 4.28 Module điều khiển động cơ L298
Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA
Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)
Kết nối L298 và vi điều khiển PIC 16F887:
Module SIM-900A được thiết kế để gửi tin nhắn hoặc gọi điện thông báo cho người dùng khi trẻ em khóc, nhờ vào tín hiệu phân tích từ cảm biến âm thanh tích hợp trong nôi Điều này đặc biệt hữu ích trong trường hợp trẻ đang ngủ bị giật mình thức dậy hoặc khi không có người thân ở gần bên.
Hình 4.29 Kết nối L298 với VĐK
Module SIM 900-A nổi bật với kích thước nhỏ gọn, giúp việc thi công và lắp đặt trở nên thuận tiện hơn Sản phẩm dễ sử dụng và có tính ứng dụng cao, mặc dù độ ổn định và độ bền chỉ ở mức trung bình.
+ Nguồn cấp 4.5 - 5V, có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mmA trở lên
+ Nên dùng nguồn 2A để đảm bảo hiệu suất hoạt động của SIM
+ Tích hợp khe Micro Sim
+ Tích hợp led báo trạng thái
+ Dòng khi ở chế độ chờ: 10mA
+ Dòng khi ở trạng thái hoạt động: 100mA đến 2A
Chức năng chính của một số chân:
+ Chân GND: chân mass, cấp 0V
+ Chân VCC: cấp nguồn dương 5V để nuôi module hoạt động
+ Chân TXD: chân truyền dữ liệu UART TX
+ Chân RDX: chân nhận dữ liệu UART RX
+ Chân Reset: reset lại module
Kết nối Module SIM-900A với vi điều khiển PIC 16F887:
Module SIM-900A kết nối với vi điều khiển qua giao thức UART, cho phép truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ Việc điều khiển module này được thực hiện thông qua các lệnh AT.
Hình 4.32 Module phát nhạc MP3 Hình 4.31 Kết nối SIM-900A với VĐK
THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Mạch nguyên lý bao gồm các khối điều khiển chính như khối nguồn, khối công suất, khối tín hiệu vào, khối hiển thị, khối thông báo và khối kết nối ngoại vi.
Hình 4.34 Mạch nguyên lý hệ thống
+ Khối sử dụng hai IC ngồn ổn áp chuyên dụng LM2696-12V, LM2596-5V để tạo ra hai nguồn mới với điện áp ra ổn định 12V và 5V từ nguồn xung 24V-5A
+ Nguồn 12V cấp cho động cơ DC đồ chơi hoạt động
+ Nguồn 5V dùng làm nguồn nuôi cho hệ thống điều khiển
+ Động cơ chính và quạt hoạt động với điện áp lớn nhất là 24V
Để đạt hiệu quả hoạt động tối ưu cho mạch kết nối với IC nguồn LM-2596, cần tuân thủ hướng dẫn của nhà sản xuất Bạn có thể tham khảo hướng dẫn sử dụng trong tài liệu [6] “mục tham khảo”.
Tính toán điện trở Res1, Res2 cho LED báo nguồn:
Mạch sử dụng led đơn loại thường, dòng điện định mức 10÷20 mA
Áp dụng định luật Ohm cho mạch kín:
Hình 4.35 Khối nguồn cung cấp cho hệ thống
Phím nhấn đƣợc kết nối với PORTB của vi điều khiển
Sử dụng điện trở treo bên trong VĐK, mức tín hiệu tác động là mức „0‟
Các cảm biến đƣợc kết nối với PORTA nhƣ sau:
• Cảm biến nhiệt độ LM35 với chân RA3
• Cảm biến chuyển động với chân RA0
• Cảm biến âm thanh kết nối với chân RA1
Bên cạnh đó, tín hiệu từ công tắc hành trình được sử dụng để điều khiển động cơ chính, và tín hiệu đầu vào này được kết nối với chân RE0 của vi điều khiển PIC 16F887A.
Hình 4.36 Khối tín hiệu điều khiển
4.4.1.3 Khối điều công suất điều khiển các động cơ DC
+ Hai chân cấp xung PWM trên L298 1EN, 2EN đƣợc kết nối PORTC PIC16F887:
• 1EN kết nối với chân RC2 (CCP1): điều khiển động cơ chính
• 2EN kết nối với chân RC1 (CCP2): điều khiển quạt
+ Không dùng chức năng đảo chiều động cơ nên các các chân chức năng 1A1 và 2A1, 1A2 và 2A2 đƣợc nối chung với nhau:
• 1A1, 2A1 nối với chân RC0 (VĐK) và đƣợc kéo lên mức logic 1
• 2A1, 2A2 nối với chân RC3 và đƣợc kéo xuống mức logic 0
+ Chân ngõ ra OUT1, OUT1, OUT3, OUT4 đƣợc kết nối trực tiếp với hai động cơ
DC (động cơ chính và quạt), điều khiển tốc độ hoạt động của động cơ
Động cơ đồ chơi sử dụng transistor công suất TIP41C để điều khiển, tuy nhiên không hỗ trợ chức năng đảo chiều và điều khiển tốc độ Chân B (Base) của TIP41C được kết nối với chân RA5 (PORTA) của vi điều khiển.
4.4.1.4 Khối hiển thị LED 7 thanh
+ Khối có chức năng hiển thị thông báo nhiệt độ và các thông số thiết lập cần thiết cho nôi hoạt động
+ Sư dụng phương pháp quét led 7 thanh cho việc hiển thị
4.4.1.5 Khối thông báo dùng LED đơn và loa
Khối thông báo sử dụng đèn LED đơn để hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống, giúp người dùng nhận biết các thiết bị điện đang hoạt động Điều này hỗ trợ quản lý và giám sát hệ thống một cách dễ dàng, đồng thời cho phép thực hiện các điều chỉnh cần thiết khi cần.
Hệ thống còn tích hợp chế độ kích hoạt âm thanh khi nhấn phím, giúp người dùng nhận biết liệu phím đã được nhấn thành công hay chưa Điều này không chỉ cho phép người dùng theo dõi trạng thái của các phím mà còn dễ dàng phát hiện khi có phím bị hỏng.
Khối sử dung IC mở rộng PORT 74HC595 để điều khiển các led đơn và loa
Hình 4.38 Khối hiển thị LED 7 thanh
4.4.2.6 Khối kết nối ngoại vi
Hình 4.39 Khối thông báo dùng LED đơn, loa
Hình 4.40 Khối kết nối ngoại vi
• Cấp nguồn +5V cho chân VDD, 0V với chân GND
• Hai chân truyền nhận dữ liệu UART TX, RX đƣợc kết nối với chân RC6 (RX) và RC7 (TX) của vi điều khiển PIC 16F887A
+ Module MP3 đƣợc điều khiển thông qua transistor công suất TIP41C và đƣợc điều khiển thông qua chân RC5 (PORTC) của vi điều khiển
Sử dụng phần mềm proteus để mô phỏng hoạt động của hệ thống điều khiển a b c d e f g 2 1 1 2
RA0 RA1 RA2 RA3 RA4 RA5 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 q8 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 q8 q1
RA2/AN2/VREF-/CVREF/C2IN+
RC4/SDI/SDA 23 RC5/SDO 24
RC3/SCK/SCL 18 RC2/P1A/CCP1 17 RC1/T1OSI/CCP2 16 RC0/T1OSO/T1CKI 15
RC7/RX/DT 26 RC6/TX/CK 25
RE2/AN7 10 RE1/AN6 9 RE0/AN5 8
RD4 27 RB3/AN9/PGM/C12IN2-
Hình 4.41 Mô phỏng hệ thống điều khiển
4.4.3 Lưu đồ giải thuật hệ thống
Hình 4.42 Lưu đồ giải thuật hệ thống
PHẦN MỀM LẬP TRÌNH VÀ BIÊN DỊCH
4.5.1 Phần mềm lập trình, biên dịch cho vi điều khiển
Giới thiệt phần mềm MICRO C
Micro C là phần mềm lập trình và biên dịch chuyên dụng cho các dòng PIC, nổi bật với giao diện đơn giản và dễ sử dụng Phần mềm cung cấp nhiều thư viện hỗ trợ phong phú, giúp người dùng tối ưu hóa mã nguồn một cách hiệu quả.
Giao diện viết chương trình
Hình 4.43 Giao diện viết chương trình
4.5.2 KIT nạp cho dòng vi điều khiểnPIC
Nạp đƣợc hầu hết các loại vi điều khiển họ PIC và dsPIC có Flash (nạp trực tiếp mức điện áp 5V và nguồn ngoài với các chip 3.3V)
Hỗ trợ Debug với MPLAB
Tự động dò tìm mạch nạp và chíp
Kiểm tra lỗi sau khi nạp, hỗ trợ khóa chíp
Hình 4.45 Giao diện nạp chương trình
