Tổng quan về hệ thống cơ điện tử 1.1 Giới thiệu về chức năng nhiệm vụ của hệ thống 1.1 Khái niệm Cơ Điện Tử và hệ Cơ Điện Tử Cơ điện tử là một hệ thống cơ cấu máy có thiết bị điều khiển đã được lập trình và có khả năng hoạt động một cách linh hoạt. Ứng dụng trong sinh hoạt, trong công nghiệp, trong lĩnh vực nghiên cứu như máy lạnh, tủ lạnh, máy giặt, modul sản xuất linh hoạt, tự động hóa quá trình sản xuất hoặc cá thiết bị hỗ trợ nghiên cứu như các thiết bị đo trong các hệ thống kiểm tra. Khái niệm cơ điện tử được mở ra từ định nghĩa ban đầu của công ty Yasakawa Electric, theo sau đó là những định nghĩa khác nhau của các nhà khoa học khác trên toàn thế giới. Tất cả những định nghĩa và phát biểu đó đều xác đắng và giàu thông tin, tuy nhiên nếu đứng riêng lẻ lại không định nghĩa được đầy đủ thuật ngữ Cơ Điện Tử.
Hệ thống Cơ Điện Tử là một lĩnh vực đa ngành của khoa học kĩ thuật, hình thành từ các ngành mũi nhọn như Cơ khí, Điện – Điện tử, Tin học. Tuy nhiên, trên thực thế hệ thống Cơ Điện Tử không có một định nghĩa rõ ràng. Nó được tách biệt hoàn toàn ở cá phần riêng biệt nhưng được kết hợp trong quá trình thực hiện. Các phần tử cơ bản cấu thành nên hệ thống Cơ Điện Tử: Hệ thống thông tin Hệ thống điện Hệ thống cơ khí Hệ thống máy tính Cảm biến Cơ cấu chấp hành / cơ cấu tác động Giao tiếp thời gian thực (HMI/GUI) Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống Cơ Điện Tử Giải pháp cơ điện tử trong thiết kế kĩ thuật liên quan đến việc cung cấp một cấu trúc trong đó có sự tích hợp thành một hệ thống thống nhất của các công nghệ khác nhau được thiết lập và đánh giá.
Sơ đồ khối về toàn bộ hệ thống (một 1 sản phẩm cơ điện tử) trên cơ sở các khối hoặc các modun thành phần được thể hiện như trên hình 1.2 Cấu trúc theo modul hệ Cơ Điện Tử 1.2 Hệ thống Cơ Điện Tử được sử dụng hiện nay Hệ Cơ Điện Tử được phân loại đa dạng và được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống: - Trong y học: Các thiết bị máy cắt lớp, các máy chụp X-quang, các thiết bị mổ nội soi,… - Trong công nghiệp: Hệ thống FMS, robot công nghiệp, hệ thống phân loại, kho hàng tự động, … - Trong văn phòng: Hệ thống mạng công tác, có sử dụng máy tính, các thiết bị văn phòng (máy in, máy fax,…) - Trong sinh hoạt gia đình: Các sản phẩm tiêu dùng (máy giặt, điện thoại, tivi,…) hệ thống giám sát bảo vệ ngôi nhà, … 1.3 Đề tài hệ thống đo và cảnh báo khí gas Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí là hệ thống có chức năng phát hiện sự hiện diện của một loại khí trong một khu vực nhất định nào đó, hệ thống này thường là một phần của hệ thống an toàn của nhà máy hoặc khu vực dễ chịu ảnh hưởng của những loại khí độc hại. Hệ thống này gồm 2 phần chính, phần thứ nhất là đầu rò khí có tác dụng phát hiện khí bị rò rỉ. Phần thứ 2 là thiết bị cảnh báo, có chuông cảnh báo, đèn cảnh báo, màn hình hiển thị nồng độ khí. Sau khi đầu rò phát hiện khí, nó sẽ truyền tín hiệu cho bộ phận cảnh báo để đưa ra cảnh báo và ngắt nguồn khí, chạy các hệ thống ngăn ngừa cháy nổ.
Phát hiện rò rỉ khí là quá trình xác định rò rỉ khí có khả năng gây nguy hiểm hay không. Việc tiếp xúc với khí độc cũng có thể xảy ra trong các hoạt động như sợ, khử trùng, đổ nhiên liệu, vận hành bãi chôn lấp,… Các cảm biến thông thường bao gồm cảm biến khí cháy, thiết bị dò quang phổ, cảm biến bán dẫn,… Những loại cảm biến này được sử dụng cho nhiều ứng dụng và có thể tìm thấy trong các nhà máy, xí nghiệp hay như kiểm tra chất lượng và nhà ở. Sau khi tiến hành lắp đặt thì tất cả đầu rò khí ohair được hiệu chỉnh lần đầu và định kì hiệu chỉnh theo chu kì để cho hệ thống được hoạt động ổn định và ít xảy ra sai sót nhất có thể. Trong thực tế, hệ thống này đã được ứng dụng rộng rãi trong các hộ gia đình sử dụng gas hay như trong khách sạn, nhà hàng và những khu công nghiệp như là biện pháp an toàn bắt buộc.3 Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí Acetylene C2H2 ngắt van tự động 1.2 Mục tiêu hoàn thành của đề tài - Thiết kế mô hình và đo cảnh báo khí gas sử dụng kit Arduino UNO với những chức năng cơ bản của hệ thống.
- Thiết kế giao diện người dùng GUI phù hợp có thể kết nối với máy tính - Kết suất bản vẽ sơ đồ điện hệ thống CHƯƠNG 2. Các thành phần cơ bản của hệ thống cơ điện 2.1 Các phần tử đầu vào Trong đề tài này, phần tử đầu vào của hệ thống nhóm chọn và sử dụng là cảm biến khí gas MQ-2 do mức độ phổ biến và dễ tiếp cận của nó. Cảm biến MQ-2 là cảm biến khí gas thông dụng trong các dòng cảm biến MQ. Cảm biến MQ-2 thuộc dòng cảm biến bán dẫn, nó sử dụng một mẩu chất bán dẫn oxit kim loại (MOS) làm thành phần nhạy để xác định sự thay đổi của khí.
Sự có mặt của các chất khí khác ngoài không khí sẽ làm thay đổi điện trở của chất bán dẫn, từ đó làm thay đổi điện áp, và từ đây ta có thể xác định được sự thay đổi của khí. Cảm biến MQ-2 hoạt động dưới điện áp 5V và công suất trung bình khoảng 800mW. Nó có thể phát hiện các loại khí như LPG, khói, Alcohol, Propane, Hydrogen, Methane và Cacbon monoxide từ 200 cho đến 10000ppm. Một vài thông số kĩ thuật liên quan được thể hiện trong bảng 1.
Các thông số chính cảm biến MQ2 Kí hiệu Tên thông số Thông số Ghi chú VC Điện áp mạch 5V±0.1 AC hoặc DC VH Điện áp làm nóng 5V±0.1 AC hoặc DC RL Điện trở tải Có thể điều chỉnh 10Kohm ±5% RH Điện trở làm nóng 33Kohm±5% Nhiệt độ phòng PH Công suất làm ≤800mW nóng TO Nhiệt độ hoạt động -20 ℃ - 50 ℃ TS Nhiệt độ bảo quản -20 ℃ - 70 ℃ RH Độ ẩm hoạt động ≤95% O2 Nồng độ oxy 21% (Điều kiện tiêu Tối thiểu là 2% chuẩn) Nồng độ Oxy có thể ảnh hưởng đến độ nhạy. RS Điện trở cảm biến 3Kohm-30Kohm Nồng độ phát hiện: (1000 ppm iso-butane) 200-5000ppm LPG α Hệ số góc ≤0.6 và Propane Điều kiện Nhiệt độ: 20±2 ℃ , điện áp 5V±0.1 300-5000ppm tiêu chuẩn Butane Độ ẩm: 65% ± 5% 5000-20000ppm Thời gian Trên 24 giờ Methane chuẩn bị 300-5000ppm H2 100-2000ppm Alcohol Hình 2.4 Thông số kích thước module MQ – 2 Hình 2.5 Sơ đồ điện module MQ – 2 2.2 Các phần tử đầu ra Trình bày về các thông tin cơ bản của mỗi phần tử đầu ra: - Chức năng, nguyên lý hoạt động - Thông số kỹ thuật: điện áp hoạt động, dạng tín hiệu điều khiển, ký hiệu phần tử. Các phần tử đầu ra là thành phần thực hiện các kết quả sau khi bộ điều khiển xử lý xong các tín hiệu của phần tử đầu vào. Trong đề tài này thì các phần tử đầu ra chính là các cơ cấu chấp hành cụ thể chính là động cơ bước và còi báo động.1 Động cơ bước 28BYJ-48 5V Động cơ bước 5VDC là động cơ bước 4 pha, 5 dây điều khiển.
4 trong 5 dây này được kết nối với 4 cuộn dây trong động cơ và 1 dây là dây nguồn chung cho cả 4 cuộn dây. Mỗi bước của động cơ quét 1 góc 5.625 độ, vậy để quay 1 vòng động cơ phải thực hiện 64 bước. Rated voltage ： 5VDC Number of Phase ： 4 Speed Variation Ratio ： 1/64 Stride Angle ： 5.625° /64 Frequency : 100Hz DC resistance ： 50Ω±7%(25℃) Hình 2.6 Thông số kích thước động cơ bước 28BỴ - 48 5V Động cơ bước hoạt động kèm theo với IC ULN2003 để có thể điều khiển bước góc xoay. Như chúng ta thấy có bốn cuộn dây trong động cơ và một đầu của tất cả các cuộn dây được gắn với + 5V (Đỏ) và các đầu còn lại (Cam, Hồng, Vàng và Xanh) được đưa ra ngoài như dây.
Dây Đỏ luôn được cung cấp nguồn + 5V không đổi và + 5V này sẽ đi qua (cung cấp năng lượng) cho cuộn dây chỉ khi đầu kia của cuộn dây được nối đất. Động cơ bước chỉ có thể quay nếu các cuộn dây được cấp điện (nối đất) theo một trình tự hợp lý. Chuỗi logic này có thể được lập trình bằng vi điều khiển hoặc bằng cách thiết kế mạch kỹ thuật số. Trình tự mà mỗi cuộn dây sẽ được kích hoạt được hiển thị trong bảng dưới đây.
Ở đây “1” đại diện cho cuộn dây được giữ ở + 5V, vì cả hai đầu của cuộn dây đều ở + 5V (màu đỏ và các đầu khác), cuộn dây sẽ không được cung cấp năng lượng. Tương tự “0” đại diện cho cuộn dây được giữ dưới đất, bây giờ một đầu sẽ là + 5V và đầu kia được nối đất để cuộn dây sẽ được cung cấp năng lượng.7 Sơ đồ dây động cơ Bảng 2 Tín hiệu góc quay động cơ Trình tự xoay theo hướng kim đồng hồ Màu cuộn dây Bước Bước Bước Bước Bước Bước Bước Bước 1 2 3 4 5 6 7 8 Cam 0 0 1 1 1 1 1 0 Vàng 1 0 0 0 1 1 1 1 Hồng 1 1 1 0 0 0 1 1 Xanh dương 1 1 1 1 1 0 0 0 Đỏ 1 1 1 1 1 1 1 1 2.2 Còi báo động SFM – 27 12V Còi Báo Động SFM-27 12V là loại còi thường được dùng trong báo cháy, báo sự cố dân dụng và công nghiệp. Loại còi này tạo ra âm thanh liên tục với cường độ >90dB Thông số kỹ thuâ •t: - Mã sản phẩm: LOA09 - Điện áp hoạt động: 3- 24V - Dòng điện tiêu thụ: 100mA - Khối lượng: 8g Hình 2.3 Bộ điều khiển Hình 2.9 Kit Arduino UNO Thông số kỹ thuật của Arduino UNO R3 Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 là tiêu chuẩn, các biến thể gần như có thông số tương đương. Arduino Uno được xây dựng với phần nhân là vi điều khiển ATmega328P, sử dụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz.
Với vi điều khiển này, tổng cộng có 14 pin (ngõ) ra / vào được đánh số từ 0 tới 13 (trong đó có 6 pin PWM, được đánh dấu ~ trước mã số của pin).
