Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển tốc độ động cơ của quạt máy thông qua ứng dụng điện thoại android

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ CỦA QUẠT MÁY
THÔNG QUA ỨNG DỤNG ĐIỆN
THOẠI ANDROID
GVHD: TS. Quách Thanh Hải
SVTH:
Nguyễn Thanh Quang – 16141243
Vũ Thị Phương Anh

– 16141106


Tp. Hồ Chí Minh - 8/2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP.HCM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Tp. HCM, ngày 04 tháng 08 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:

Nguyễn Thanh Quang
Vũ Thị Phương Anh
Kỹ Thuật Điện tử, Truyền Thông

MSSV
16141243
MSSV 16141106
Mã ngành:
141

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ:

Khóa:

2016

Lớp:

1
16141DT2

I.TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ CỦA QUẠT MÁY THÔNG QUA ỨNG DỤNG ĐIỆN
THOẠI ANDROID.
II. NHIỆM VỤ
-

Đọc các tài liệu, đồ án tốt nghiệp, đề tài liên quan

-

Tìm hiểu các linh kiện cơng suất như MOSFET, OPTO

-

Tìm hiểu các chuẩn truyền thơng như UART, I2C

-

Tìm hiểu phần mềm Android Studio, module giao tiếp Bluetooth HC-05

-

Thiết kế ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ quạt máy trên điện thoại

-

Thiết kế và thi công mạch công suất điều khiển điện áp đầu vào của quạt

-

Thiết kế và thi cơng hồn thiện hệ thống điều khiển động cơ quạt

-

Viết chương trình điều khiển cho Ardunio, nạp code và chạy thử nghiệm,
chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống

-

Thực hiện viết sách luận văn báo cáo

-

Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

09/03/2020

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

04/08/2020

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. QUÁCH THANH HẢI
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
i


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM
Khoa Điện - Điện Tử
Bộ Môn Điện Tử Cơng Nghiệp

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 3 năm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Bản lịch trình này được đóng vào cuốn báo cáo)
Họ tên sinh viên: Nguyễn Thanh Quang
MSSV: 16141243
Họ tên sinh viên: Vũ Thị Phương Anh
MSSV: 16141106
Lớp: 16141DT2B
Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển tốc độ động cơ của quạt
máy thông qua ứng dụng điện thoại Android
Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 1

- Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án,

(30/3 – 5/4)

tiến hành chọn đồ án.

Tuần 2
(6/4 –12/4)

- GVHD tiến hành xét duyệt đề tài

Tuần 3

- Viết đề cương chi tiết và lịch trình đồ án tốt

(13/4 – 19/4)

nghiệp

Tuần 4
(20/4 – 26/4)

- Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị thích hợp.
- Tìm hiểu công nghệ Bluetooth, giao tiếp UART

Tuần 5
(27/4 – 3/5)
Tuần 6

Xác nhận GVHD

- Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức

năng các khối
- Kết nối và giao tiếp Arduino Uno với HC – 05

(4/5 – 10/5)

và LCD 16x2

Tuần 7
(11/5 – 17/5)

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho ứng dụng Android
điều khiển quạt qua Bluetooth
- Thiết kế giao diện cho ứng dụng Android bằng
Android Studio

Tuần 8

- Viết chương trình điều khiển cho ứng dụng

(18/5 – 24/5)

Android bằng Android Studio

Tuần 9
(25/5 – 31/5)

- Nghiên cứu, tính tốn và thiết kế sơ đồ mạch
công suất để điều khiển điện áp đầu vào của quạt,
giải thích nguyên lý hoạt động của mạch
- Mô phỏng mạch

ii


Tuần 10
(1/6 – 7/6)

- Kết nối Arduino Uno với mạch công suất
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho hệ thống điều khiển
- Viết chương trình điều khiển hệ thống

Tuần 11
(8/6 – 14/6)

- Thiết kế mơ hình hệ thống
- Vẽ mạch PCB

Tuần 12
(15/6 – 21/6)

- Thi công phần cứng

Tuần 13

- Thử nghiệm toàn bộ hệ thống. Kiểm tra và sữa

(22/6 – 28/6)

chữa các lỗi nếu có.

Tuần 14

(29/6 – 5/7)

- Viết báo cáo và làm slide báo cáo

Tuần 15
(6/7 – 12/7)

- Hoàn thiện và in báo cáo

Tuần 16
(13/7 – 19/7)

- Báo cáo với GVHD

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iii


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng sao
chép từ tài liệu hay cơng trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài
Vũ Thị Phương Anh
Nguyễn Thanh Quang

iv

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc các thầy cô giáo trong Bộ
môn Điện Tử Y Sinh nói riêng và các thầy cơ trong Khoa Điện - Điện tử nói chung
đã giúp đỡ, nhiệt tình chỉ bảo chúng em những kiến thức liên quan tới lĩnh vực
nghiên cứu của đề tài, cũng như những kiến thức sâu rộng và bổ ích mà các thầy cô
đã truyền dạy cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giảng viên hướng dẫn TS Quách
Thanh Hải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp tài liệu cũng như các kiến thức
quan trọng tạo điều kiện thuận lợi nhất có thể cho chúng em trong suốt quá trình
thực hiện đề tài.
Chúng em cũng gửi lời cảm ơn tới ba mẹ và người thân đã đồng hành, chia sẻ
và động viên tinh thần cũng như vật chất trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Chúng em cũng gửi lời cảm ơn tới các bạn ngành CNKT Điện tử - Truyền
thông K16 đã trao đổi và chia sẻ kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu
trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Nguyễn Thanh Quang
Vũ Thị Phương Anh

v


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP........................................................................ i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP........................................... ii
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... iv
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................... v
MỤC LỤC.............................................................................................................. vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH.................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG................................................................................................ x
TÓM TẮT............................................................................................................... xi
Chương 1. TỔNG QUAN........................................................................................ 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................... 1
1.2. MỤC TIÊU.................................................................................................... 2
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU......................................................................... 2
1.4. GIỚI HẠN..................................................................................................... 3
1.5. BỐ CỤC........................................................................................................ 3
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................................ 4
2.1 QUY TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CỦA HỆ THỐNG......................4
2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................... 4
2.2.1 Arduino Uno R3....................................................................................... 4
2.2.2 Module HC - 05........................................................................................ 4
2.2.3 LCD 16x2................................................................................................. 6
2.2.4 Mạch chuyển đổi I2C cho LCD................................................................ 6
2.2.5 Giao tiếp I2C............................................................................................ 6
2.2.6 Giao tiếp UART........................................................................................ 7
2.2.7 IC cách ly quang TLP250......................................................................... 7
2.2.8 IGBT 25N120........................................................................................... 8
2.2.9 Encoder KY - 040..................................................................................... 9
Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ............................................................. 12
3.1 GIỚI THIỆU................................................................................................ 12
3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG............................................... 12
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.................................................................. 12
3.2.2 Lựa chọn, tính tốn và thiết kế mạch...................................................... 13
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch.............................................................. 21
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG................................................................... 22
4.1 GIỚI THIỆU................................................................................................ 22
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG............................................................................ 22

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

vi


4.2.1 Thi công bo mạch................................................................................... 22
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra................................................................................. 24
4.3 ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH................................................... 25
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển.......................................................................... 25
4.3.2 Thi cơng mơ hình.................................................................................... 25
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG........................................................................... 28
4.4.1 Lưu đồ giải thuật.................................................................................... 28
4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển.................................................... 32
4.4.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại, máy tính, ….................................... 36
4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC.......................39
4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng.............................................................. 39
4.5.2 Quy trình thao tác................................................................................... 40
Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ............................................... 43
5.1 ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM............................................................................. 43
5.1.1 Đánh giá khả năng điều khiển của kỹ thuật đề xuất................................ 43
5.1.2 Đánh giá chức năng vận hành của phần mềm đã xây dựng....................47
5.2 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC......................................................... 53
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN......................................... 54
6.1 KẾT LUẬN.................................................................................................. 54
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN.............................................................................. 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 55
PHỤ LỤC............................................................................................................... 56

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Hình ảnh minh họa cho Ardunio UNO R3............................................ 4
Hình 2.2. Hình minh họa cho Module Bluetooth HC-05......................................5
Hình 2.3. LCD 16x2................................................................................................. 6
Hình 2.4. Hình minh họa mạch chuyển đổi I2C cho LCD.................................... 6
Hình 2.5. Sơ đồ kết nối giao tiếp UART................................................................. 7
Hình 2.6. Hình ảnh minh họa cho IC cách quang TLP250..................................7
Hình 2.7. Hình minh họa sơ đồ chân IC cách quang TLP250.............................. 8
Hình 2.8. IGBT 25N120........................................................................................... 8
Hình 2.9. Sơ đồ chân của IGBT 25N120................................................................ 9
Hình 2.10. Hình minh họa cho Encoder 040.......................................................... 9
Hình 2.11. Hình ảnh minh họa của Encoder....................................................... 10
Hình 2.12. Hình minh họa cho cấu tạo của Encoder..........................................10
Hình 2.13. Hình minh họa cho hình dạng của Encoder...................................... 11
Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống....................................................................... 12
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý tổng quát của Arduino Uno R3................................13
Hình 3.3. Sơ đồ kết nối Arduino Uno R3 với Encoder Ky-040 và HC-05.........14
Hình 3.4. Kết nối LCD với mạch chuyển giao tiếp I2C......................................15
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino Uno R3 với LCD............................16
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly dùng TLP250...................................... 17
Hình 3.7. Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất.......................................................... 17
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino Uno R3 với khối cơng suất............19
Hình 3.9. Adapter nguồn 9V – 1A........................................................................ 20
Hình 3.10. Adapter nguồn đơi 12V – 1A.............................................................. 20
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý hệ thống.................................................................... 21
Hình 4.1. Mặt dưới của mạch PCB...................................................................... 22
Hình 4.2. Mặt trên của mạch PCB....................................................................... 23

Hình 4.3. Sơ đồ bố trí linh kiện............................................................................ 23
Hình 4.4. Mặt trên của mạch sau khi lắp ráp và hàn các linh kiện...................25
Hình 4.5. Mặt dưới của mạch sau khi lắp ráp và hàn các linh kiện..................26
Hình 4.6. Lắp đặt mạch và module nguồn lên mặt đế của quạt......................... 26
Hình 4.7. Lắp đặt HC-05, LCD I2C, Encoder Ky 040 lên mặt trên của quạt...27
Hình 4.8. Quạt sau khi lắp đặt xong.................................................................... 27
Hình 4.9. Lưu đồ giải thuật cho Arduino Uno R3............................................... 28
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

viii


Hình 4.10. Lưu đồ chương trình con xử lý và thực dữ liệu nhận được.............29
Hình 4.11. Lưu đồ ứng dụng điện thoại............................................................... 30
Hình 4.12. Lưu đồ kết nối Bluetooth.................................................................... 31
Hình 4.13. Hình minh họa quy trình làm việc của arduino................................32
Hình 4.14. Giao diện lập trình Arduino............................................................... 33
Hình 4.15. Hình minh họa giao diện file trong menu Ardunio........................... 33
Hình 4.16. Giao diện Sketch trong Menu Arduino IDE.....................................34
Hình 4.17. Giao diện Tool trong Menu Arduino IDE.........................................35
Hình 4.18. Hình minh họa cho việc chọn Board Arduino cần sử dụng.............35
Hình 4.19. Hình minh họa Arduino Toolbar....................................................... 36
Hình 4.20. Tạo dự án mới trong Android Studio................................................ 36
Hình 4.21. Hộp thoại chọn thiết bị lập trình....................................................... 37
Hình 4.22. Cấu hình cho dự án Android Studio.................................................. 37
Hình 4.23. Phần mềm build các biến cho dự án ban đầu...................................38
Hình 4.24. Giao diện lập trình của phần mềm Android Studio.........................38
Hình 4.25. Chạy mơ phỏng ứng dụng đã viết...................................................... 39
Hình 4.26. Lưu đồ quy trình thao tác.................................................................. 40
Hình 4.27. Lưu đồ quy trình con điều khiển từ xa.............................................. 41

Hình 4.28. Lưu đồ quy trình con điều khiển bằng tay........................................ 42
Hình 5.1. Dạng sóng điện áp ngõ ra tại cấp số 25............................................... 43
Hình 5.2. Dạng sóng điện áp ngõ ra tại cấp số 50............................................... 44
Hình 5.3. Dạng sóng điện áp ngõ ra tại cấp số 75............................................... 44
Hình 5.4. Dạng sóng dịng điện ngõ ra tại cấp số 25 với R để đo dịng là 100Ω 44
Hình 5.5. Dạng sóng dịng điện ngõ ra tại cấp số 50 với R để đo dịng là 100Ω 45
Hình 5.6. Dạng sóng dịng điện ngõ ra tại cấp số 75 với R để đo dòng là 100Ω 45

Hình 5.7. Dạng sóng xung kích cho IGBT tại cấp số 25..................................... 45
Hình 5.8. Dạng sóng xung kích cho IGBT tại cấp số 50..................................... 46
Hình 5.9. Dạng sóng xung kích cho IGBT tại cấp số 75..................................... 46
Hình 5.10. Chỉ số THD tại cấp số 75.................................................................... 46
Hình 5.11. Chỉ số THD tại cấp số 100.................................................................. 47
Hình 5.12. Biểu tượng của ứng dụng điều khiển................................................. 47
Hình 5.13. Giao diện kết nối Bluetooth................................................................ 47
Hình 5.14 Giao diện cài đặt Bluetooth mặc định của điện thoại........................48
Hình 5.15 Giao diện chờ cập nhật dữ liệu của ứng dụng................................... 49
Hình 5.16 Giao diện điều khiển quạt từ xa.......................................................... 49
Hình 5.17. Điều khiển từ xa quạt vận hành ở mức tốc độ 50.............................50
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ix


Hình 5.18. Điều khiển từ xa quạt vận hành ở mức tốc độ 80.............................50
Hình 5.19. Ban đầu quạt tắt đứng yên................................................................. 51
Hình 5.20. Quạt đang vận hành với mức tốc độ 50............................................. 52
Hình 5.21. Quạt đang vận hành với mức tốc độ 25............................................. 52
Hình 5.22. Quạt đang vận hành với mức tốc độ 80............................................. 52

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

x


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Kết quả sau khi đo thông số quạt........................................................ 18
Bảng 3.2: Dòng tiêu thụ và điện áp hoạt động của các module.......................... 20
Bảng 4.1. Danh sách các linh kiện........................................................................ 24
Bảng 5.1 Đánh giá tổng méo hài điện áp ngõ ra của bộ điều khiển...................43

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

x


TÓM TẮT
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và cơng nghệ thì các thiết
bị, hệ thống thông minh cũng dần được tạo ra. Các hệ thống điều khiển thông minh
được sử dụng rộng rãi trong đời sống, trong đó nổi bật và được ứng dụng nhiều có
thể nói đến hệ thống thơng minh điều khiển thiết bị điện trong nhà và nếu nói đến
các thiết bị điện trong hộ gia đình thì khơng thể khơng nhắc đến quạt máy.
Hiện nay xu hướng điều khiển số với các module chuyên dụng như module
LED, module Wifi, Bluetooth, các board điều khiển như Arduino, Raspberry, …
đang phát triển một cách mạnh mẽ. Nhờ đó mà việc điều khiển hệ thống trở lên
thuận tiện và dễ dàng hơn rất nhiều.
Nội dung của đề tài là áp dụng những kiến thức điện tử cũng như kiến thức về
vi điều khiển đã được học để thiết kế một hệ thống điều khiển tốc độ động cơ quạt máy.
Hệ thống gồm một mạch công suất điều khiển tốc độ động cơ với bộ điều khiều khiển
trung tâm là Arduino Uno R3. Không chỉ thay đổi tốc độ và trạng thái động cơ bằng nút

nhấn và nút xoay trên mạch cơng suất mà cịn có thể điều khiển thơng qua ứng dụng
Android trên điện thoại thông minh được giao tiếp với vi điều khiển thông

qua module Bluetooth HC-05. Số liệu được hiển thị trên LCD 16X2 và trên giao
diện của ứng dụng một cách trực quan, dễ nhìn giúp người sử dụng dễ dàng thấy
được trạng thái và tốc độ hiện tại của quạt máy. Tốc độ của động cơ bao gồm rất
nhiều cấp số khác nhau khiến người sử dụng có thể thay đổi để phù hợp với yêu cầu
của bản thân nhất.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

xi


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và cơng nghệ thì các thiết
bị, hệ thống thơng minh cũng dần được tạo ra. Các hệ thống điều khiển thông minh
được sử dụng rộng rãi trong đời sống, chẳng hạn như hệ thống thông minh điều
khiển thiết bị điện trong nhà [1]. Các thiết bị điện trong hộ gia đình thì có lẽ chúng
ta khơng thể khơng nhắc đến quạt máy.
Nguyên tắc hoạt động của đa số các quạt máy hiện nay là khi có dịng điện chạy
trong dây dẫn quấn trên lõi sắt từ (hay còn gọi là phe silic) được làm bằng tole silic
mỏng ghép nhiều miếng lại với nhau tạo ra một lực tác động lên Rotor [2]. Do vị trí các
cuộn dây (dây chạy và dây đề) đặt lệch nhau và tác dụng làm lệch pha của tụ điện sẽ
tạo ra trong lòng Stator các lực hút khơng cùng phương với nhau. Vì hai lực hút lệch
nhau về thời gian và phương nên sẽ tạo trong lòng stator một từ trường quay làm cho
Rotor quay được. Để thay đổi tốc độ của quạt người thay đổi điện kháng mắc nối tiếp

với cuộn chạy nhằm thay đổi đổi dòng qua Stator. Cuộn kháng này thường được quấn
trên Stator với các quạt cây và quấn trên hộp số với quạt trần. Như vậy, để tạo ra một
động cơ quạt máy có ba chế độ quạt thì ta cần tới bốn cuộn dây bao gồm một cuộn
chạy, hai cuộn số và một cuộn. Với cách thực hiện thay đổi tốc độ như trên thì sẽ làm
tăng chi phí sản xuất quạt do tăng lượng dây đồng, khối lượng lõi thép và tổn hao năng
lượng trên cuộn kháng. Để giảm giá thành, những năm trước một kỹ thuật được đề xuất
là sử dụng các khóa cơng suất TRIAC thay đổi điện áp đặt lên cuộn chạy do đó thay đổi
dòng điện stator và thay đổi tốc độ. Kỹ thuật này cho phép khơng sử dụng cuộn kháng
do đó giảm lượng dây đồng và khối lượng quạt. Tuy nhiên dòng điện trong stator có
hình dạng khơng sine nên dịng điện do quat gây ra có các sóng hài bậc cao ảnh hưởng
đến chất lượng điện năng. Bên cạnh đó do dịng điện khơng sine nên moment quạt
khơng đều dẫn đến mau hư các bạc đạn.
Nhận thấy nhược điểm khi sử dụng nguyên lý điều khiển tốc độ quạt máy như
trên, cùng với xu hướng điều khiển số với các module chuyên dụng như module LED,
module Wifi, Bluetooth, các board điều khiển như Arduino, Raspberry, nhóm làm đề tài
kiến nghị thực hiện việc thiết kế và thi công một hệ thống áp dụng VXL Arduino và
module Bluetooth HC-05 để điều khiển tốc độ của quạt máy bằng phương pháp

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
điều khiển điện áp đầu vào của động cơ quạt với đặc điểm không sử dụng cuộn số,
không sử dụng linh kiện công suất gây ra méo hài dịng điện lớn như SCR hay
TRIAC, có khả năng điều khiển số cấp rất lớn. Đó là nội dung chính của đề tài
“Thiết kế và thi cơng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ của quạt máy thông qua
ứng dụng điện thoại Android”.
1.2. MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển tốc độ động cơ của quạt máy thông
qua ứng dụng điện thoại Android để giải quyết được các vấn đề đã đặt ra bằng
phương pháp tăng/giảm điện áp ngõ vào xoay chiều của quạt máy (phát triển dựa
trên mạch giảm áp một chiều [3]) làm thay đổi tốc độ động cơ của quạt máy.
Phương pháp này giúp hệ thống không sử dụng linh kiện công suất gây ra méo hài
dòng điện lớn như SCR hay TRIAC (không ảnh hưởng đến lưới điện), không sử
dụng cuộn số của quạt (giảm giá thành), điều khiển được số cấp rất lớn (đáp ứng
yêu cầu của người sử dụng tốt hơn). Ngoài ra, vi điều khiển Arduino Uno R3 được
dùng để điều khiển điện áp ngõ vào xoay chiều của quạt thông qua mạch công suất
(mạch giảm áp AC/AC dùng IGBT25N120 và TLP250) và điều khiển các ngoại vi
khác như màn hình LCD 16x2 để hiển thị trạng thái của quạt, module Encoder KY040 dùng để điều khiển quạt bằng tay và module HC-05 dùng để kết nối giữa ứng
dụng điện thoại để điều khiển quạt với hệ thống thơng qua Bluetooth (có thể tích
hợp vào hệ thống nhà thông minh trong tương lai).
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi công hệ
thống điều khiển tốc độ động cơ của quạt máy thông qua ứng dụng điện thoại Android,
nhóm chúng em đã tập trung giải quyết và hồn thành được những nội dung sau:
•

NỘI DUNG 1: Kết nối Arduino Uno với Module Bluetooh HC-05 và màn hình LCD

•

NỘI DUNG 2: Nghiên cứu xây dựng mạch cơng suất để điều khiển điện áp
đầu vào của quạt thông qua Arduino Uno

•

NỘI DUNG 3: Kết nối Arduino Uno với mạch cơng suất

•

NỘI DUNG 4: Nghiên cứu xây dựng một ứng dụng Android giao tiếp với hệ
thống thơng qua Bluetooth.

•

NỘI DUNG 5: Thiết kế mơ hình hệ thống.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
•

NỘI DUNG 6: Nghiên cứu lập trình để điều khiển mạch công suất, hiển thị
cấp số hiện tại của quạt

•

NỘI DUNG 7: Thi cơng phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.

•

NỘI DUNG 8: Viết báo cáo thực hiện.

•

NỘI DUNG 9: Bảo vệ luận văn.

1.4. GIỚI HẠN
Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:
•

Động cơ cơng suất 30 đến 60W tương ứng với các quạt cây thơng dụng trên
thị trường hiện nay.

•

Ứng dụng điện thoại chạy trên hệ điều hành Android.

•

Giao tiếp điện thoại với hệ thống qua bluetooth trong phạm vi 10m với địa
hình thơng thống.

1.5. BỐ CỤC
• Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi
dung nghiên cứu, các giới hạn thơng số và bố cục đồ án.
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương này trình bày cơ sở lý thuyết của các module sử dụng trong quá trình
thực hiện đồ án.
• Chương 3: Thiết Kế và Tính Tóan
Chương này trình bày q trình thiết kế và tính tốn phần cứng và các app liên
quan đến đồ án.
• Chương 4: Thi cơng hệ thống
Chương này trình bày q trình thi cơng và hồn thiện hệ thống của tồn bộ đề tài.

• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này trình bày kết quả của đồ án, đưa ra nhận xét và đánh giá kết quả
cuối cùng của đồ án.
• Chương 6: Kết luận và Hướng phát triển
Chương này trình bày ưu điểm và nhược điểm của đồ án, sau đó đưa ra hướng
phát triển của đồ án
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 QUY TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CỦA HỆ THỐNG
Ban đầu Arduino tạo tín hiệu điều khiển để mạch cơng suất có điện áp ngõ ra
bằng 0 (quạt tắt) và chờ có tác động điều khiển của người dùng thơng qua ứng dụng
điện thoại hoặc điều khiển trực tiếp trên quạt bằng núm xoay. Khi có tác động của
người dùng thì quạt sẽ bật hoặc tắt và có thể điều chỉnh tốc độ quạt khi quạt đang
bật. Arduino nhận được tín hiệu điều khiển thay đổi tốc độ thì sẽ tạo tín hiệu cho
mạch cơng suất nâng hoặc giảm điện áp ngõ ra. Điện áp ngõ ra càng lớn thì quạt
quay càng nhanh và ngược lại.
2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.1 Arduino Uno R3
Arduino UNO R3 là board mạch đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và có giá thành rẻ
để giúp giảm chi phí cho sản phẩm [4]. Board mạch trang bị vi điều khiển Atmega 328
gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích
với nhiều board mở rộng khác nhau và có hình dạng như trong hình 2.1.

Để phù hợp với đề tài đã chọn thì Ardunio Uno R3 là sự lựa chọn hợp lí, cấu
hình phù hợp với yêu cầu và giới hạn của đề tài. Ardunio Nano có nhược điểm là dễ
cháy khi bị đoạn mạch do nó khơng có khả năng tự ngắt nguồn như ở Ardunio Uno.
Ardunio Mega có giá thành cao so với 2 loại Ardunio cịn lại và có nhiều chân
khơng cần thiết so với yêu cầu của đề tài.

Hình 2.1. Hình ảnh minh họa cho Ardunio UNO R3
2.2.2 Module HC - 05
Bluetooth là chuẩn truyền thông không dây để trao đổi dữ liệu ở khoảng cách
ngắn. Chuẩn truyền thông này sử dụng sóng radio bước sóng ngắn (UHF radio) trong
dải tần số dùng trong công nghiệp, khoa học và y tế (2.4 tới 2.485 GHz). Khoảng

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
truyền của module này là khoảng 10m. Module Bluetooth thơng dụng gồm có
Module Bluetooth HC-05 có thể hoạt động được ở 2 chế độ MASTER hoặc SLAVE
và Module Bluetooth HC-06 chỉ hoạt động ở chế độ SLAVE.
•

Chế độ SLAVE: Thiết lập kết nối từ Smartphone, Laptop, USB, Bluetooth để dị
tìm Module sau đó ghép đơivới mã PIN là 1234. Sau khi ghép đôi thành công,
sẽ có một cổng Serial từ xa hoạt động ở Baudrate 9600.

•

Chế độ MASTER: Module sẽ tự động dị tìm thiết bị Bluetooth khác và tiến hành

ghép đôi chủ động mà khơng cần thiết lập gì từ máy tính hoặc Smartphone.
Do lí do trên nên trong đề tài này, Module Bluetooth HC-05là lựa chọn tốt nhất

để truyền nhận tín hiệu.
Thơng số kỹ thuật của Module Bluetooth HC-05
•

Giao thức Bluetooth: Bluetooth 2.0

•

Tần số: 2.4 GHz ISM band

•

Tốc độ:
-

Khơng đồng bộ: 2.1Mbps (Max)/160kbps

-

Đồng bộ: 1Mbps/1Mbps

•

Bảo mật: Xác thực và mã hóa

•

Giao tiếp: UART

•

Nguồn hoạt động: +3.3 VDC 30mA (Hỗ trợ IC 5.0V)

•

Nhiệt độ làm việc: -20~ +75Độ C

•

Kích thước: 28mm x 15mm x 2.35mm

•

Mã ghép đơi: 1234

•

Tên thiết bị: HC-05

Hình 2.2. Hình minh họa cho Module Bluetooth HC-05
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sơ đồ chân HC-05 gồm có
•

KEY: Chân này để chọn chế độ hoạt động ATMode hoặc DataMode.

•

VCC: Chân này có thể cấp nguồn từ 3.6V đến 6V.

•

GND: Nối với chân nguồn GND.

•

TXD, RXD: đây là hai chân UART để giao tiếp module hoạt động ở mức logic 3.3V

•

STATE: Nếu chỉ cần thả nổi thì khơng cần quan tâm đến chân này.

2.2.3 LCD 16x2
LCD 16x2 là loại màn hình hiển thị được tất cả các kí tự trong bảng mã ASCII
và 8 kí tự đặc biệt do người dùng tạo ra, với khả năng hiển thị 2 dịng với 16 ký tự
mỗi dịng [5].

Hình 2.3. LCD 16x2
2.2.4 Mạch chuyển đổi I2C cho LCD

Hình 2.4. Hình minh họa mạch chuyển đổi I2C cho LCD

LCD thường có nhiều chân nên khó khăn trong q trình kết nối. Thay vì sử
dụng tối thiểu sáu chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5
và D4) thì với module chuyển đổi chỉ cần sử dụng hai chân (SCL, SDA) để kết nối.
2.2.5 Giao tiếp I2C
I2C là tên viết tắt của cụm từ tiếng anh “Inter-Integrated Circuit”. Nó là một
giao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors để truyền dữ liệu
giữa một bộ xử lý trung tâm với nhiều IC trên cùng một board mạch chỉ sử dụng hai
đường truyền tín hiệu [4].

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Do tính đơn giản của nó nên loại giao thức này được sử dụng rộng rãi cho giao
tiếp giữa vi điều khiển và mảng cảm biến, các thiết bị hiển thị, thiết bị IoT,
EEPROMs, v.v …
Đây là một loại giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ. Nó có nghĩa là các bit dữ
liệu được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn được thiết lập bởi
một tín hiệu đồng hồ tham chiếu.
2.2.6 Giao tiếp UART
Các tên đầy đủ UART là “Universal Asynchronous Receiver / Transmitter”
[4]. Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp. Trong UART, giao tiếp
giữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo hai cách là giao tiếp dữ liệu nối tiếp và
giao tiếp dữ liệu song song.

Hình 2.5. Sơ đồ kết nối giao tiếp UART.
2.2.7 IC cách ly quang TLP250
TLP250 là phần tử chuyên dùng để lái MOSFET và IGBT. TLP250 được sử

dụng phổ biến do là loại IC cách ly thông qua quang học (giảm nhiễu giữa các phần
tử công suất với vi điều khiển), có thể đóng cắt được với tần số dưới 25kHz, dãy
điện áp đầu vào để kích dẫn cho MOSFET, IGBT rộng, lái MOSFET và IGBT theo
kiểu đẩy kéo.

Hình 2.6. Hình ảnh minh họa cho IC cách quang TLP250
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.7. Hình minh họa sơ đồ chân IC cách quang TLP250
Khi có dịng điện phân cực thuận cho diode phát quang thì transitor dẫn từ
chân 8 đến chân 6,7 và ngưng dẫn từ chân 6,7 đến chân 5. Ngược lại, khi khơng có
dịng điện phân cực thuận thì transitor dẫn từ chân 6,7 đến chân 5 và ngưng dẫn từ
chân 8 đến chân 6,7.
2.2.8 IGBT 25N120
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là transistor công suất hiện đại, chế
tạo trên cơng nghệ VLSI, cho nên kích thước gọn nhẹ. Nó có khả năng chịu được
điện áp và dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện.
Yêu cầu của đề tài với nguồn vào là 220V hiệu dụng nên điện áp đỉnh là 310V,
và mạch sẽ có các điện áp cảm ứng vì dùng tải cảm nên cần chịu được điện áp
VDS>(310+VL) V, điện áp cần chịu được lớn - khoảng 1200V nên dùng MOSFET,
BJT là không thể đáp ứng được. Cùng với đó dịng tải là 0.13A, dịng khởi động
khoảng 2A. Vì thế cần chọn cơng tắc bán dẫn có dòng chịu được lớn hơn 2A để
mạch hoạt động ổn định. Ngồi ra, cơng tắc bán dẫn phải đáp ứng được tần số đóng
cắt của mạch cơng suất là 16kHz. Từ đó, IGBT 25N120 là lựa chọn phù hợp nhất để
thực hiện đề thỏa mãn những yêu cầu trên.

Hình 2.8. IGBT 25N120
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.9. Sơ đồ chân của IGBT 25N120
2.2.9 Encoder KY - 040
Mạch Volume xoay Rotary Encoder 360 độ khơng giới hạn số vịng quay,
encoder đưa ra 2 xung vuông 90 độ gọi là 2 phase A và B, xung từ encoder đưa ra
có thể dùng để nhận biết chiều quay, tốc độ quay, vị trí, module cung cấp 2 ngõ ra
cho 2 phase và 1 ngõ ra dạng nút nhấn.
Encoder module KY-040 trông giống 1 module biến trở nhưng có ngõ ra
dạng xung số. Bằng việc xoay núm vặn, ngõ ra xung của 2 kênh sẽ thay đổi với 1 độ
lệch pha xác định (90 độ) giúp phân biệt được chiều xoay.
Đếm số lượng xung ngõ ra sẽ cho biết vị trí góc xoay, vị trí này là khơng giới
hạn. Đồng thời module cũng cung cấp 1 nút nhấn có thể được lập trình để trở thành
1 nút reset giá trị đếm. Từ đó có thể thấy module này rất nhỏ gọn và phù hợp với
việc điều khiển cho quạt

Hình 2.10. Hình minh họa cho Encoder 040
Thơng số kỹ thuật của Encoder 040:
•

Điện áp sử dụng: 3-5 VDC

•

Độ phân giải: 20 xung/vịng

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sơ đồ chân của Encoder 040:
•

+: Chân cấp nguồn 3-5 VDC

•

GND: Chân cấp nguồn âm 0 VDC

•

CLK: Pha A

•

DT: Pha B

•

SW: Button

Giới thiệu chung về Encoder
Bộ mã hóa số vịng quay encoder là một thiết bị cơ điện có khả năng làm biến
đổi chuyển động tuyến tính (chuyển động thẳng) hoặc chuyển động trịn thành tín
hiệu số hoặc xung. Khi có sự thay đổi vị trí trục quay, các bộ mã hố được sử dụng
để kiểm tra góc lệch của trục đang làm việc. Các xung đầu ra của bộ mã hoá được
nhận và kiểm soát bởi bộ phận cảm biến, để xác định đúng vị trí máy và tốc độ di
chuyển. Nhờ có encoder, các động cơ điện được điều khiển vị trí chính xác theo tín
hiệu điều khiển.

Hình 2.11. Hình ảnh minh họa của
Encoder Cấu tạo Encoder gồm:
•

Một bộ thu phát quang (LED phát – LED thu).

•

Một hệ thống lỗ (rãnh) được bố trí trên một đĩa trịn hoặc một thanh thẳng
theo một quy tắc nào đó

Hình 2.12. Hình minh họa cho cấu tạo của Encoder
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nguyên lý hoạt động của Encoder
Gồm một bộ thu phát hồng ngoại và một đĩa cho chia lỗ được đặt giữa hệ

thống thu phát này. Đĩa được gắn trên trục của động cơ hoặc trục chuyển động. Quá
trình đĩa chuyển động làm cho phần photo sensor thay đổi trạng thái và tạo ra một
chuỗi các xung vuông trên đầu ra. Đây là thông số kĩ thuật quan trọng của một
encoder. Tuỳ theo số lỗ trên đĩa mà số xung tạo ra trong một vòng quay của đĩa khác
nhau. Số lượng xung càng lớn nghĩa là số lỗ càng nhiều trên một vòng tròn 360 độ.
Nghĩa là có thể điều khiển càng chính xác hơn. Dĩ nhiên bộ encoder càng đắt tiền.
Có thể thấy có nhiều loại encoder dùng từ trường hoặc trên đĩa có nhiều vòng lỗ
nhưng ở đây sẽ giới thiệu loại phổ dụng và đơn giản nhất là sử dụng ánh sáng như
trên. Trong thực tế có thể thấy các bộ encoder trên các động cơ DC chứ không chỉ là
các thành phần độc lập. Việc lựa chọn và sử dụng hai loại encoder này đều có những
ưu và nhược điểm riêng. Hình dạng encoder:

Hình 2.13. Hình minh họa cho hình dạng của Encoder
Encoder thường có 6 dây (hoặc 4 dây tùy loại) bao gồm 2 dây nguồn, 2 dây tín
hiệu A, B và dây pha Z. Hai dây tín hiệu A và B cho phép xác định số vòng quay
của động cơ, vận tốc và chiều quay của động cơ. Để lập trình xử lý tín hiệu encoder,
có thể nối 2 dây tín hiệu A và B vào 2 chân timer hoặc ngắt ngoài của vi điều khiển,
thiết lập vi điều khiển ở chế độ counter, vi điều khiển sẽ đếm xung từ vi điều khiển.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11