20171 EE5200 1 report

Quạt điện thông minh
MỤC LỤC

MỤC LỤC..............................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH VẼ..........................................................................................2
I. MÔ TẢ................................................................................................................3
II.YÊU CẦU KĨ THUẬT.......................................................................................4
III.

GIẢI PHÁP..................................................................................................6

3.1. Vấn đề, mục tiêu cần giải quyết...................................................................6
3.2. Những hạn chế của các giải pháp hiện có....................................................6
3.3. Giải pháp kỹ thuật của quạt thông minh.......................................................7
3.3.1. Thay đổi hệ thống quét của quạt............................................................7
3.3.2. Lắp đặt module cảm biến phát hiện người.............................................8
3.3.3. Bổ sung trung tâm điều khiển thông minh.............................................8
IV.

THIẾT KẾ..................................................................................................10

4.1. Nguyên lí hoạt động của toàn bộ hệ thống.................................................10
4.2. Phần mềm chương trình của quạt thông minh............................................11
4.3. Thông số kĩ thuật sản phẩm quạt thông minh.............................................17
4.4. Một số hình ảnh quá trình thực hiện sản phẩm...........................................18
V. KẾT LUẬN.......................................................................................................20
5.1. Ưu điểm và hạn chế của sản phẩm.............................................................20
5.2. Hướng phát triển.........................................................................................20

Trang 1/20

Quạt điện thông minh
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1: Sơ đồ khối chế tạo quạt điện thông minh......................................................5
Hình 2: Bổ sung động cơ bước cho quạt....................................................................7
Hình 3: Cảm biến phát hiện người được gắn ở tâm lồng quạt...................................8
Hình 4: Vi điều khiển Atmega8 được sử dụng làm trung tâm điều khiển của
quạt điện thông minh..................................................................................................9
Hình 5: Mạch in của trung tâm điều khiển quạt điện thông minh............................11
Hình 6: Sản phẩm hoàn chỉnh..................................................................................18
Hình 7: Lắp mô tơ, mạch điều khiển trung tâm và cảm biến vào quạt....................19
Hình 8: Lập trình, thử nghiệm và điều chỉnh...........................................................19


Quạt điện thông minh
I. MÔ TẢ
Hiện tại các loại quạt điện dân dụng trên thị trường trong các chế độ hoạt
động thường chỉ quay đi quay lại trong phạm vi 900 – 1200 trong không gian trước
quạt. Trong tình huống chỉ có 1 hoặc 2 người trước quạt thì quạt sẽ thổi những
không gian thừa mà ở đó không có người. Hiệu quả làm mát, làm thoáng khí giảm
xuống, năng lượng vô ích nhiều.
Từ đó em nghĩ đến việc thiết kế và lắp ráp một chiếc quạt điện có chức năng
tự tìm không gian có người, từ đó có các chương trình trình quạt hiệu quả ở vùng
không gian có người, không quạt vô ích ở những không gian không có người.


II. YÊU CẦU KĨ THUẬT
Các quạt điện thông thường khi hoạt động đã quạt thừa nhiều vùng không
gian không có người, đồng thời việc điều chỉnh hướng quạt đúng đến vị trí có
người chưa tiện dụng, thông minh phải trực tiếp chỉnh bằng tay. Từ đó em đã

nghiên cứu và lắp ráp được quạt điện thông minh – có khả năng tự tìm vị trí người
để thực hiện các chương trình quạt thông minh, hiệu quả, tiết kiệm.
Quạt điện thông minh được lắp ráp từ cơ sở là quạt điện dân dụng thông
thường và thay đổi, bổ sung thêm các chức năng thông minh gồm có:
- Thay đổi hệ thống điều khiển xoay trục của quạt từ sử dụng túp năng thành
sử dụng đổi hướng quạt bằng mô tơ bước để chủ động được góc xoay của quạt.
- Bổ sung module cảm biến phát hiện chuyển động PIR để phát hiện được
vùng có người trước quạt.
- Bổ sung vi điều khiển để ghi nhận không gian có người, điều khiển mô tơ
bước để thực hiện các chương trình quạt thông minh và hiệu quả.
- Ngoài ra quạt còn được trang bị thêm module hạ áp, đổi nguồn AC – DC
để nuôi các module, các nút bấm và led hiển thị, các relay để điều khiển công suất
của động cơ quạt.
Khi hoạt động, quạt thông minh sẽ rà soát không gian trước quạt, xác định và
đánh dấu những vùng có người, từ đó thực hiện các chương trình quạt như:
Quạt giới hạn biên: Biên độ quay của trục quạt sẽ được giới hạn từ vị trí có
người đầu tiên đến vị trí có người cuối cùng trong phạm vi quay của quạt. Không
quét toàn bộ góc quét khả dụng của quạt.
Quạt điểm: Quạt sẽ dừng tại những vị trí có người trong 5 – 15 giây, quét
nhanh và tắt động cơ quạt khi di chuyển qua vị trí không có người.


- Quạt trọng điểm: Quạt sẽ quay rất chậm tại các vị trí có người,

QUẠT THÔNG MINH

quay nhanh khi di chuyển qua vị trí không có người.

Hình 1: Sơ đồ khối chế tạo quạt điện thông minh

III. GIẢI PHÁP
3.1.Vấn đề, mục tiêu cần giải quyết.
Các loại quạt điện dân dụng chưa giải quyết vấn đề quạt mát hiệu quả và tiết
kiệm, quạt thừa nhiều vào vùng không gian không có người nhiều.
Từ đó em đặt ra mục tiêu: Thiết kế, chế tạo được một loại quạt điện thông
minh có tính năng phát hiện vùng không gian có người để thực hiện các chương
trình quạt thông minh cụ thể như sau:
 Chế độ Quạt giới hạn biên: Biên độ quay của trục quạt sẽ được giới hạn từ
vị trí có người đầu tiên đến vị trí có người cuối cùng trong phạm vi quay
của quạt. Không quét toàn bộ góc quét khả dụng của quạt.
 Chế độ Quạt điểm: Quạt sẽ dừng tại những vị trí có người trong 5 – 15
giây, quét nhanh và tắt động cơ quạt khi di chuyển qua vị trí không có
người.
 Chế độ Quạt trọng điểm: Quạt sẽ quay rất chậm tại các vị trí có người,
quay nhanh khi di chuyển qua vị trí không có người.
 Chế độ Quạt bình thường: Quạt sẽ hoạt động như các quạt điện thông
thường, tuy nhiên góc mở của quạt lên đến 1800
3.2.Những hạn chế của các giải pháp hiện có.
Trên thị trường đã có một số loại quạt có một số chức năng như: Hẹn giờ,
điều khiển từ xa, gió thoảng, làm mát, phun hơn nước. Tuy nhiên chưa có loại quạt
nào trên thị trường thông minh có khả năng phát hiện ra vị trí người ngồi để thực
hiện các chương trình quạt thông minh.


3.3.Giải pháp kỹ thuật của quạt thông minh.
3.3.1. Thay đổi hệ thống quét của quạt
Theo như Hình 2: em đã thay thế hệ thống chuyển động quét ngang của quạt
từ sử dụng túp năng (lấy chuyển động của động cơ chính của quạt để quét) sang hệ
thống sử dụng động cơ bước và truyền động đến quạt bằng puly và dây đai răng.

Việc thay đổi này sẽ làm quạt hoàn toàn chủ động trong hướng quạt gió và có
thể chính xác đến 0,50.

Hình 2: Bổ sung động cơ bước cho quạt.
Nhiệm vụ của động cơ bước là nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển, từ đó
điều khiển quạt quét hoặc định vị các đến các góc tương ứng.
Trong sản phẩm thử nghiệm này em chọn động cơ bước loại Nema 17 A4988
sử dụng điện áp 12 VDC, góc quét nhỏ nhất 0,50 mô men xoắn là 1,6 Nm.


3.3.2. Lắp đặt module cảm biến phát hiện người
Để có thể giúp quạt phát hiện được không gian có người em bổ sung cho quạt
một module cảm biến chuyển động HC-SR501 sử dụng điện áp 4,5 – 12 VDC với
góc quét 1000 và khoảng cách phát hiện từ 2 – 4,5 m.
Để phù hợp với ứng dụng phát hiện người thông minh của quạt, em đã sử
dụng vỏ nhựa PVC để cách li cảm biến với môi trường và giới hạn góc quét của
cảm biến còn 100. Phối hợp cảm biến chuyển động góc nhỏ và chuyển động quét
của quạt thì cảm biến trở thành cảm biến phát hiện người ở các vị trí cố định trong
không gian.
Module cảm biến phát hiện người được gắn vào tâm của lồng quạt, khi quạt
quét đến vùng có người, cảm biến sẽ phát hiện và gửi tín hiệu về vi điều khiển để
thu thập số liệu và thực hiện các chương trình quạt thông minh.

Hình 3: Cảm biến phát hiện người được gắn ở tâm lồng quạt.
3.3.3. Bổ sung trung tâm điều khiển thông minh
Trung tâm điều khiển thông minh với bộ vi xử lí Amega 8 đóng vai trò là não
bộ của hệ thống. Atmega 8 là vi điều khiển 8 bit với 32 k byte với 3 Port IO được
và được thiết kế hoạt động với xung nhịp 8 MHz (Hình 4).
Bộ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến phát hiện
người, phân tích dữ liệu và xác định các vùng có người, từ đó điều khiển mô tơ

bước thực hiện các chương trình quét thông minh. Ngoài ra trung tâm điều khiển


còn nhận lệnh từ phím bấm và điều khiển từ xa để thực hiện các chương trình theo
yêu cầu từ người dùng, đồng thời cũng điều khiển các hiển thị trạng thái qua các
Led hiển thị.

Hình 4: Vi điều khiển Atmega8 được sử dụng làm trung tâm điều khiển của
quạt điện thông minh


IV. THIẾT KẾ
4.1. Nguyên lí hoạt động của toàn bộ hệ thống
 Bước 1: Sau khi khởi động ổn định, trung tâm điều khiển sẽ điều khiển
quạt quét một lượt toàn bộ không gian khả dụng của quạt, phát hiện và đánh dấu
những vị trí có người vào cơ sở dữ liệu.
 Bước 2: Sau khi đã có dữ liệu về những vị trí có người, trung tâm sẽ thực
hiện một trong các chương trình quạt và quét như sau:
+ Nếu mode của chương trình đang ở chế độ “Giới hạn biên” thì trung tâm
sẽ điều khiển mô tơ bước chỉ quét từ vị trí góc nhỏ nhất phát hiện người đến vị trí
góc lớn nhất phát hiện người.
+ Nếu mode của chương trình đang ở chế độ “Từng điểm” thì trung tâm sẽ
điều khiển mô tơ bước dừng lại ở các vị trí có người, thực hiện quạt trong 10 –
20 giây rồi điều khiển relay ngắt động cơ quạt và dịch chuyển nhanh đến vị trí có
người khác và lặp lại.
+ Nếu mode của chương trình đang ở chế độ “Trọng điểm” thì trung tâm sẽ
điều khiển mô tơ bước quay chậm khi qua các vị trí có người và dịch chuyển
nhanh qua các vị trí không có người và lặp lại.
+ Nếu mode của chương trình đang ở chế độ “Bình thường” thì trung tâm sẽ
điều khiển mô tơ quay đều trong phạm vi hoạt động của quạt, tốc độ quét có thể

điều chỉnh nhanh chậm.
 Bước 3: Sau thời gian thực hiện 1 trong các chương trình ở
bước 2 từ 2 phút đến 10 phút (do cấu hình) thì sẽ thoát ra và trở lại
bước 1.


Hình 5: Mạch in của trung tâm điều khiển quạt điện thông minh.
4.2. Phần mềm chương trình của quạt thông minh
Chương trình phần mềm của quạt được nạp trong vi điều khiển được viết trên
ngôn ngữ C với nội dung như sau:
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#define F_CPU 8000000UL
#include <util/delay.h> #inclde "QuatGioProcess.h"
#define sbi(sfr,bit) sfr |= _BV(bit)
#define cbi(sfr,bit) sfr &= ~(_BV(bit))
#define DATA0_0 bit_is_clear(PINC, PC0)
#define DATA0_1 bit_is_set(PINC, PC0)
#define DATA1_0 bit_is_clear(PINC, PC1)
#define DATA1_1 bit_is_set(PINC, PC1)
#define stepPin PC3
//Define Step pin
#define dirPin PC4
//Define Direction pin PC4
#define Enable PC5
//Define Enable pin PC5
#define time_step1 40000
#define time_step2 20000
#define time_step3 10000
#define RELAY_ON sbi(PORTB,PB0)

#define RELAY_OFF cbi(PORTB,PB0)
#define time_start 5000

PC3

char buffer[50];
int angle_min=0,angle_max=0,angle_base=0; int delta=0;
int count=0; int state=0; int button=0;
//ngat


ISR(INT0_vect){
_delay_ms(100);
if(button==0)
{_delay_ms(100);
button=1;
PORTB= (PORTB&0x01)|0x70;}
else
if(button==1)
{_delay_ms(100);
button=2;
PORTB= (PORTB&0x01)|0xB0; }
else
if(button==2)
{_delay_ms(100);
button=3;
PORTB= (PORTB&0x01)|0xD0; }
else
if(button==3)
{_delay_ms(100);

button=4;
PORTB= (PORTB&0x01)|0xE0; }
else if(button==4)
{_delay_ms(100); button=0; PORTB |= 0xF0; }
_delay_ms(1000);
}
//quet cam bien
void sensor()
{
int y;
PORTC |= (1<// Bat dau quet trai -> phai for(y=0; y{
PORTC |=(1<_delay_us(time_step3); PORTC &=~(1<_delay_us(time_step3);
_delay_ms(1);
}
//_delay_ms(10);
_delay_ms(500);

PORTC &= ~(1<// Bat dau quet trai -> phai for(y=0; y<330; y++)
{
PORTC |=(1<_delay_us(time_step1); PORTC &=~(1<_delay_us(time_step1); if(DATA0_0)
{
cbi(PORTC,PC1);
}

else if(DATA0_1)
{
sbi(PORTC,PC1);
if(count==0) {angle_min = y; count=1;} else if(count==1) {angle_max =
y;}
}
_delay_ms(1);
}
// Ket thuc qua trinh quet
_delay_ms(1000);
}
// tra ve goc
void basic()
{


angle_max = angle_max - 20; angle_min = angle_min + 20;
int y;
PORTC |= (1<// Bat dau quet trai -> phai for(y=0; y<330; y++)
{
PORTC |=(1<_delay_us(time_step3); PORTC &=~(1<_delay_us(time_step3);
_delay_ms(1);
}
//_delay_ms(10);
_delay_ms(1000);
}
// tra ve goc

void process_1()
{
int y;
delta = angle_max - angle_min;
if(state==0) //quay den vi tri MIN
{
PORTC &= ~(1<{
PORTC |=(1<_delay_us(time_step2); PORTC &=~(1<_delay_us(time_step2);
_delay_ms(1);
}
state=1;
}
else if(state==1)
//quay di quay lai giua MIN va MAX
{
// quay thuan
PORTC &= ~(1<{
PORTC |=(1<_delay_us(time_step2); PORTC &=~(1<_delay_us(time_step2);
_delay_ms(1);
}
_delay_ms(500);
// quay nghich
PORTC |= (1<{

PORTC |=(1<_delay_us(time_step2); PORTC &=~(1<_delay_us(time_step2);
_delay_ms(1);
}
_delay_ms(500);
}
_delay_ms(1);


}
int main(void)
{
DDRC|=(1<
PORTC|

=(1<DDRC |= (1<DDRB|= 0xF0; //PB4 PB5 PB6 PB7 la led DDRB|= (1<RELAY_OFF; PORTB|= 0xF0;
DDRD |=0x00;
PORTD |= (1<MCUCR|=(1<sei();
_delay_ms(time_start); while (1)
{
//process_1(); if(button==0)
{
sensor();

basic();
for(int j=0; j<10; j++)
{
sleep();
}
}
else if(button==1)
{
sensor();
basic();
for(int j=0; j<10; j++)
{
process_1();
}
}
else if(button==2)
{
sensor();
basic();
for(int j=0; j<10; j++)
{
process_2();
}
}
else if(button==3)
{
sensor();
basic();
for(int j=0; j<10; j++)
{

process_3();
}
}


else if(button==4)
{
sensor();
basic();
for(int j=0; j<10; j++)
{
process_4();
}
}
}
}


4.3. Thông số kĩ thuật sản phẩm quạt thông minh
Điện áp sử
dụng:
Công suất:
Tốc độ gió:
Phạm vi quạt:
Độ phân giải
góc quét:
Khoảng cách
cảm biến:
Các chương trình quạt:

Tốc độ xử lí:
Chu kì phát hiện
người:

220 VAC.
60 W.
3 tốc độ.
1800
50.
≤5m
- Giới hạn biên.
- Từng điểm.
- Trọng điểm.
- Bình thường.
8 MHz.
2 phút.


4.4.Một số hình ảnh quá trình thực hiện sản phẩm

Dây đai răng và
động cơ bước
Cảm biến
chuyển động
Bộ điều khiển

Hình 6: Sản phẩm hoàn chỉnh


Hình 7: Lắp mô tơ, mạch điều khiển trung tâm và cảm biến vào quạt.

Hình 8: Lập trình, thử nghiệm và điều chỉnh.


V. KẾT LUẬN
5.1. Ưu điểm và hạn chế của sản phẩm
Sản phẩm Quạt điện thông minh của em đã thiết kế, lắp ráp và thử nghiệm có những ưu
điểm và hạn chế sau
 Ưu điểm:
- Tính năng hoàn toàn mới: Phát hiện và thực hiện các chương trình quạt
thông minh, tăng hiệu suất sử dụng quạt và hiệu suất sử dụng năng lượng.
- Tăng tính tiện ích: Quạt tự tìm người để quạt, không cần điều chỉnh thủ
công hoặc điều khiển từ xa như các quạt thông thường.
 Hạn chế:
- Phải lưu ý khi sử dụng quạt điện thông minh: Không được để quạt hướng
vào các nguồn nhiệt mạnh như vỏ tủ lạnh, các loại bếp, cửa ra vào có ánh sáng
xuyên vào trực tiếp. Bởi vì đây là những nguồn phát nhiệt có kích thước tương tự
cơ thể người nên cảm biến có thể nhận nhầm người.
5.2. Hướng phát triển
- Phát triển kiểu dáng công nghiệp cho quạt.
- Nghiên cứu thuật toán loại trừ các nguồn phát hiện giả như tủ lạnh, bếp,
ngoài trời…