Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát tự động

GVHD: TS. Hồng Sơn

SVTH: Lê Huy Hợi

LỜI NĨI ĐẦU
Thế kỉ XXI-Thời đại của khoa học công nghệ, những phát triển vượt bậc của
khoa học công nghệ. Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu giải phóng sức lao động
của con người là một tất yếu. Các thiết bị công nghệ điều khiển tự động hóa áp dụng
vào thực tế cuộc sống sinh hoạt và sản xuất của con người ngày phổ biến. Chính vì
thế mà em đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa
bát tự động”.
Mục tiêu nghiên cứu chính trong đề tài này là thiết kế hệ thống điều khiển
cho máy rửa bát tự động.Đề tài tập trung vào nghiên cứu hệ thống điều khiển cho
máy rửa bát, để thực hiện được đề tài, em sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp
lí thuyết kết hợp với thực nghiệm khoa học.
Đề tài của em chia làm 2 phần chính sau:
Phần 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Phần 2: Nội dung khóa luận
Chương 1: Khái quát chung về máy rửa bát
Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát
Chương 3: Lắp ráp vận hành thử nghiệm
Trong suốt thời gian làm đề tài được sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong
bộ môn Kỹ thuật điện và Tự động hóa và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình, chi tiết
của thầy giáo TS.Hoàng Sơn đã giúp em hoàn thành bản khóa luận này. Mặc dù đã
rất cố gắng nhưng kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên khóa luận của em
khơng thể tránh những thiếu sót, em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô, để
em hồn thiện tốt khóa luận tốt nghiệp này.

Hà nội, ngày 05 tháng 05 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Lê Huy Hợi


GVHD: TS. Hoàng Sơn

SVTH: Lê Huy Hợi

NHẬN XÉT
(Của giảng viên hướng dẫn)
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................

..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Chữ ký, họ tên)


GVHD: TS. Hoàng Sơn

SVTH: Lê Huy Hợi

NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)

..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................

..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
(Chữ ký, họ tên)


GVHD: TS. Hoàng Sơn

SVTH: Lê Huy Hợi

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH
PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..........................................1
1.Tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan tới đề tài khóa luận.............................1
2.Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan tới đề tài khóa luận .............................2
3.Mục tiêu nghiên cứu của đề tài và nhiệm vụ ...........................................................2
4.Nội dung nghiên cứu ................................................................................................2
5.Đối tượng nghiên cứu...............................................................................................2
6.Phương pháp nghiên cứu..........................................................................................2
PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN ......................................................................3
Chương 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MÁY RỬA BÁT ......................................3
1.1. Khái quát về hệ thống điều khiển của máy rửa bát ..............................................3
1.1.1. Khái niệm chung về điều khiển.........................................................................3

1.1.2. Các thành phần của hệ thống điều khiển...........................................................3
1.2. Khái quát máy rửa bát đề tài chế tạo ....................................................................5
1.2.1. Yêu cầu của bài toán lắp đặt các chi tiết ...........................................................5
1.2.2.Giới thiệu sơ lược về sản phẩm của đề tài .........................................................5
Chương 2:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY RỬA BÁT .......8
2.1. Yêu cầu nhiệm vụ của bài toán ............................................................................8
2.1.1. Yêu cầu..............................................................................................................8
2.1.2. Nhiệm vụ ...........................................................................................................8
2.2. Hệ thống van nạp cho máy rửa bát.......................................................................8
2.2.1. Tính tốn chọn ống dẫn nước ............................................................................8
2.2.2. Tính tốn chọn van điện từ................................................................................9
2.2.3. Tính tốn chọn cảm biến lưu lượng nước .......................................................10
2.2.4. Chọn công tắc phao nước ................................................................................12
2.3. Tính tốn chọn bộ phận đun nhiệt cho máy rửa bát ...........................................12
2.4. Tính tốn chọn bơm. ..........................................................................................13
2.5. Nghiên cứu thống sấy khô bát đĩa. .....................................................................15
2.6. Thiết kế hệ thống điều khiển. .............................................................................15


GVHD: TS. Hoàng Sơn

SVTH: Lê Huy Hợi

2.6.1. Giới thiệu về board Arduino Uno ...................................................................16
2.6.2 Phần mềm lập trình ..........................................................................................21
2.6.3. Giải thuật .........................................................................................................29
Chương 3:LẮP RÁP, VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM ...........................................36
3.1. Lắp ráp các bộ phận của hệ thống điều khiển ....................................................36
3.2. Lắp đặt hệ thống điện .........................................................................................38
3.3. Chạy thử nghiệm sản phẩm ................................................................................42

3.4. Kết quả vận hành thử nghiệm ............................................................................45
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Các thông số của bơm...............................................................................13
Bảng 2.2. Các thông số của Arduino Uno.................................................................16


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ..................................................................3
Hình 1.2: Sơ đồ khối của hệ thống máy rửa bát..........................................................4
Hình 1.3: Mơ hình tổng quan của hệ thống máy rửa bát ............................................5
Hình 2.1: Hình ảnh dây tio dẫn nước vào ...................................................................8
Hình 2.2: Sơ đồ cấu tạo và hình ảnh của van điện từ..................................................9
Hình 2.3: Hình ảnh thực tế cấu tạo của cảm biến lưu lượng nước ...........................10
Hình 2.4: Hình ảnh thực tế cơng tắc phao nước........................................................12
Hình 2.5: Hình ảnh mâm nhiệt thực tế ......................................................................13
Hình 2.6: Hình ảnh thực tế của bơm .........................................................................14
Hình 2.7: Hình ảnh thực tế của đèn halogen .............................................................15
Hình 2.8: Board mạch Arduino Uno .........................................................................17
Hình 2.9:Chip Atmega328 ........................................................................................18
Hình 2.10: Các chân vào ra của Arduino Uno ..........................................................20
Hình 2.11: Giao diện lập trình của phần mềm Arduino IDE ....................................21
Hình 2.12: Menu file trên phần mềm IDE ................................................................22
Hình 2.13: Cách chọn board trên màn hình IDE.......................................................23
Hình 2.14: Cách chọn cổng COM trên màn hình IDE ..............................................23
Hình 2.15: Kết nối Arduino với máy tính .................................................................25

Hình 2.16: Tìm kiếm Device Manager bằng cửa sổ Run..........................................25
Hình 2.17: Giao diện Device Manager .....................................................................26
Hình 2.18: Kiểm tra cổng kết nối Arduino ...............................................................26
Hình 2.19: Vị trí của phần mềm Arduino .................................................................27
Hình 2.20: Chọn loại mạch Aruino trên phần mềm ..................................................27
Hình 2.21: Chọn cổng làm việc cho Arduino ...........................................................28
Hình 2.22: Cách xác nhận cổng làm việc trên phần mềm.........................................28
Hình 2.23: Chọn cách nạp Chip ................................................................................28
Hình 2.24: Sơ đồ thuật tốn của hệ thống .................................................................29
Hình 3.1: Bản thiết kế lắp ráp bộ phận điều khiển ....................................................36
Hình 3.2: Lắp đặt bơm ..............................................................................................37
Hình 3.3: Lắp đặt van nước .......................................................................................37


Hình 3.4: Lắp đặt hệ thống đun .................................................................................38
Hình 3.5: Cảm biến lưu lượng và cảm biến nhiệt độ ................................................38
Hình 3.6: Lắp đặt vi xử lí ..........................................................................................39
Hình 3.7: Lắp đặt module relay 8 kênh .....................................................................39
Hình 3.8: Cầu đấu phân chia nguồn ..........................................................................40
Hình 3.9: Lắp ráp module relay với động cơ ............................................................40
Hình 3.10: Mạch điều khiển sau khi lắp ráp .............................................................41
Hình 3.11: Kết nối khối nguồn ..................................................................................41
Hình 3.12: Các bộ phận điều khiển sau khi lắp ráp ..................................................42
Hình 3.13: Bát đĩa bẩn ..............................................................................................42
Hình 3.13: Xếp bát đĩa vào máy................................................................................43
Hình 3.14: Hệ thống sẵn sàng chuẩn bị khởi động ...................................................43
Hình 3.15: Các nút điều khiển .................................................................................44
Hình 3.16: Bát đĩa sau khi rửa xong .......................................................................44

PHẦN I:TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan tới đề tài khóa luận
Các báo cáo đầu tiên của một thiết bị máy rửa bát cơ khí là một bằng sáng
chế trong năm 1850 do Joel Houghton người Mỹ sáng chế. Ban đầu loại máy rửa
bát này là loại chạy bằng sức cơ học (thiết bị cầm tay được hỗ trợ tốt) chưa sử
dụng điện năng. Thiết bị được làm bằng gỗ và được làm quay bằng tay trong khi
nước phun lên món ăn. Thiết bị máy rửa bát này đã bị đánh giá là chậm và khơng
có tính ứng dụng cao, thậm chí tiêu tốn sức lao động hơn cả việc rửa bằng tay.
Tuy nhiên, nó lại là nền tảng ban đầu để các nhà phát minh sau dựa vào đó để
sáng chế ra một loại mẫu máy rửa bát hoàn hảo. Đến năm 1865 LA Alexander
cũng cho ra mắt sản phẩm tương tự như Joel Houghton, mặc dù khơng có gì đổi
mới so với bản ban đầu nhưng lực tác động của nó đã nhẹ hơn cho con người khi
vận hành nó. Năm 1983 tại hội chợ Thế Giới máy rửa bát hand-powered do
Josephine Cochrane sáng chế máy rửa bát không sử dụng lực quay như thông
thường, mà sử dụng áp lực dòng nước để rửa sạch, sản phẩm của của bà được
đánh giá khá cao nhưng sản phẩm này chưa phải là giải pháp tối ưu và chưa thực
sự được nhân rộng trên thực tế. Còn ở Anh, William Howard phát minh ra một
máy rửa bát nhỏ dùng cho gia đình vào năm 1924 đó là máy hiện đại đầu tiên kết
hợp hầu hết các yếu tố thiết kế có tính năng trong các mơ hình của ngày hơm
nay. Máy rửa bát bao gồm một cửa trước để tải, một dây rack để giữ các đồ sành
sứ bẩn và phun ln phiên.Yếu tố làm khơ bằng điện thậm chí cịn thêm vào thiết
kế củng trong năm 1940, đó là chiếc máy hiện đại đầu tiên dùng trong gia
đình.Đến năm 1960 nhiều đặc tính được thêm vào máy rửa bát và nó được bỏ
gọn dưới gầm bếp như một cái tủ. Càng ngày máy rửa bát càng hiện đại, nhiều
tiện ích, kiểu dáng đẹp, tiết kiệm nước, tiết kiệm điện và đặc biệt nó đã được tiêu
chuẩn hóa về kích thước bên ngồi theo kích thước của các ngăn tủ của nhà bếp.
Theo số liệu thống kê tính đến năm 2012, 75% các gia đình ở Mỹ và Đức đều sử
dụng máy rửa bát thay cho công việc rửa bát bằng tay hàng ngày.

1

2. Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan tới đề tài khóa luận
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu phát triển máy rửa bát chưa thực sự phổ biến.
Như ở trường Đại học Sư Phạm kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã có một số đề
tài nghiên cứu về máy rửa bát nhưng đề tài này mới chỉ dừng lại ở việc chế tạo thử
nghiệm mà chưa đưa ra cơ sở lí thuyết cho việc tính tốn, thiết kế và chế tạo. Hay
sản phẩm của anh Nguyễn Văn Ngọc ở Thái Bình đã chế tạo thành cơng máy rửa
bát nhưng sản phẩm của anh bán ra thị trường lại khá cao so với thu nhập trung bình
của người dân Việt Nam.
3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài và nhiệm vụ
Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát tự động.
4. Nội dung nghiên cứu
-

Tính tốn chọn các cơ cấu phù hợp với yêu cầu của bài toán đặt ra.

-

Sắp xếp lắp đặt các cơ cấu của hệ thống điều khiển.

-

Thiết kế, lập trình hệ thống điều khiển.

5. Đối tượng nghiên cứu
Đề tài tập trung vào nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát
tự động.
6. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp phân tích tổng lí thuyết kết hợp với thực nghiệm khoa học.

2


PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN
Chương 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MÁY RỬA BÁT
1.1.Khái quát về hệ thống điều khiển của máy rửa bát
1.1.1.Khái niệm chungvề điều khiển
“Điều khiển là gì” một câu hỏi khá phổ biến với những người mới làm về lý
thuyết điều khiển. Điều khiển là quá trình thu thập thơng tin, xử lí thơng tin và tác
động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước. Điều
khiển tự động là q trình điều khiển khơng cần sự tác động của con người.
“Tại sao cần phải điều khiển” để trả lời câu hỏi này tùy thuộc vào từng
trường hợp cụ thể, tuy nhiên lí do chính ở đây là do con người không thỏa mãn với
đáp ứng của hệ thống hay muốn hệ thống hoạt động tăng độ chính xác, tăng năng
suất, tăng hiệu quả kinh tế. Ví dụ trong lĩnh vực dân dụng, chúng ta cần điều chỉnh
nhiệt độ và độ ẩm cho các căn hộ và các cao ốc tạo ra sự tiện nghi trong cuộc sống.
Trong vận tải cần điều khiển các xe hay máy bay từ nơi này đến nơi khác một cách
an tồn và chính xác. Trong cơng nghiệp, các q trình sản xuất bao gồm vơ số mục
tiêu sản xuất địi hỏi về sự an tồn, độ chính xác và hiệu quả kinh tế.
Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển (HTĐK) càng có vai trị
quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh
hiện đại. Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một
vài loại hệ thống điều khiển, dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ
thuật không gian và hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, các hệ thống giao thơng,
hệ thống năng lượng, robot,…vv ngay cả các vấn đề như kiểm toán và hệ thống
kinh tế xã hội cũng áp dụng từ lý thuyết điều khiển tự động. Khái niệm điều khiển
thật sự là một khái niệm rất rộng.
1.1.2.Các thành phần của hệ thống điều khiển

Hình 1.1:Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
3


Trong đó:
-

O: là đối tượng điều khiển

-

C: là bộ điều khiển, hiệu chỉnh

-

M: là cơ cấu đo lường

Các loại tín hiệu có trong hệ thống bao gồm:
-

u: là tín hiệu chủ đạo

-

y: là tín hiệu ra

-

f: các tác động từ ban đầu

-

z: tín hiệu phản hồi

-

e: là sai lệch điều khiển
Để thực hiện quá trình điều khiển như định nghĩa ở trên, một hệ thống điều

khiển bắt buộc gồm 3 thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều
khiển và đối tượng điều khiển.Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thơng tin, bộ
điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin ra quyết định điều khiển, đối tượng
điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển. Hệ thống điều khiển trong thực
tế rất đa dạng, sơ đồ khối ở hình 1.1 là cấu hình của hệ thống điều khiển thường gặp
nhất.Trong khóa luận “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy rửa bát
tự động”, dựa vào sơ đồ khối tổng quát ở trên ta thiết lập sơ đồ khối tổng quát của
máy rửa bát.

Hình 1.2:Sơ đồ khối của hệ thống máy rửa bát

4


Nhìn vào sơ đồ trên ta thấy đối tượng điều khiển chính là chiếc máy rửa bát,
thiết bị đo lường là các sensor cảm biến nhiệt độ, cảm biến dòng chảy nước, phao
nước. Bộ điều khiển là chíp vi xử lí Arduino Uno, cơ cấu chấp hành là bơm, thanh
gia nhiệt, van điện từ, đèn halogen, cịi chíp.
1.2 .Khái qt máy rửa bát đề tài chế tạo
1.2.1. Yêu cầu của bài toán lắp đặt các chi tiết
Các bộ phận phải được sắp xếp theo một trật tự nhất định, phù hợp với thơng

-

số tính tốn thiết kế cơ khí.
-

Chíp điều khiển phải được đặt ở vị trí đảm bảo khơng bị nước vào.

-

Vị trí đặt van nước vào phải phù hợp để áp lực đẩy nước vào được đảm bảo.

-

Vị trí đặt van nước xả phải nằm ở dưới khay chứa nước để khi xả nước bẩn

ra hết.
1.2.2. Giới thiệu sơ lược về sản phẩm của đề tài
a. Sơ đồ khối của hệ thống
Hệ thống hoạt động dựa theo các chu trình: Chu trình 1 dẫn nước vào máy,
chu trình 2 đun nước và bơm phun, chu trình 3 bơm xả, sau khi kết thúc tồn bộ các
chu trình thì chuyển sang chu trình sấy.

Thân máy
Lỗ thốt
hơi

Nước vào

Giá để bát

đĩa

Nước xả

Cánh tay
phun

Đèn halogen
Van điệntừ

Hệ thống
bơm

Khay chứa
nước
Cửa
Hệ thống
điều khiển
Hình 1.3: Mơ hình tổng quan của hệ thống máy rửa bát
5


b. Các giai đoạn khi hoạt động của hệ thống
Chu trình 1: Dẫn nước vào máy
Ở chu trình này nước được dẫn trực tiếp vào khay chứa nước thông qua van
nạp, khi van mở áp lực nước đẩy nước vào bên trong khay chứa. Chu trình này có
cảm biến dịng nước để phát hiện có nước chảy vào khay chứa hay khơng và có van
điện từ đóng mở dịng chảy của nước.
Chu trình 2: Đun nước và bơm phun
Ta sử dụng mâm nhiệt để đun nước đồng thời sử dụng bơm để phun vào bát

đĩa, bên cạnh đó dùng cảm biến nhiệt độ để giới hạn nhiệt độ đun tránh tình trạng
q nóng ngồi ra cịn để tiết kiệm năng lượng điện.
Chu trình 3: Bơm xả
Sử dụng van điện từ đóng mở dịng chảy của nước đồng thời dùng bơm xả để
tiết kiệm thời gian.
Chu trình sấy:
Sử dụng đèn halogen để sấy, giúp quá trình sấy diễn ra nhanh và hiệu quả hơn.
 Nguyên lí hoạt động
- Nhấn nút Start -> Khởi động hệ thống -> Van điện từ 1 mở ra nước chảy vào khay
chứa
+ Nếu nút Start được ấn mà khơng có nước chảy vào thì cảm biến lưu lượng nước
sẽ báo về vi xử lí cịi chíp báo động sẽ kêu.
+ Nếu có nước chảy vào thì hệ thống hoạt động bình thường.
- Khi nước chảy vào khay chứa đầy phao nước sẽ báo về vi xử lí -> ngắt van điện từ
1 đồng thời khởi động chu trình 2: chu trình bơm phun -> Hệ thống bật bơm trong
khoảng thời gian định sẵn đồng thời bật mâm nhiệt đun nước.
+ Nếu như nhiệt độ đun mà quá 650C cảm biến nhiệt độ sẽ đọc giá trị đó và đưa về
vi xử lí kích mở rơ le ngừng đun nước.
+ Nếu nhiệt độ dưới 650C cảm biến nhiệt độ sẽ đọc giá trị đó và đưa về vi xử lí
đóng rơ le đun nước.
Chu trình 2 hoạt động trong 1 khoảng thời gian định sẵn sau đó dừng chuyển sang
Chu trình 3: Chu trình bơm xả: -> van điện từ 2 bật bơm 2 bật xả trong một khoảng
thời gian định sẵn sau đó dừng, -> quay về chu trình 1 tồn bộ 3 chu trình kia lặp đi

6


lặp lại 4 lần thì kết thúc -> chuyển sang chu trình sấy đèn halogen được bật lên
trong 10 phút, sau đó kết thúc tồn bộ các chu trình của hệ thống.

7


Chương 2:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY RỬA
BÁT
2.1. Yêu cầu nhiệm vụ của bài toán
2.1.1. Yêu cầu
-

Hệ thống phải chạy ổn định, không bị nhiễu trong thời gian vận hành.

-

Đáp ứng được bài toán rửa bát đặt ra.

-

Dễ dàng sửa chữa nâng cấp hệ thống điều khiển của hệ thống.

2.1.2. Nhiệm vụ
-

Sắp xếp lắp đặt các cơ cấu của hệ thống điều khiển.

-

Tính tốn chọn các cơ cấu phù hợp với yêu cầu của bài toán đặt ra.

-

Thiết kế, lập trình hệ thống điều khiển.

2.2. Hệ thống van nạp cho máy rửa bát
Hệ thống van nạp bao gồm dây dẫn nước, cảm biến lưu lượng, van điện từ.
2.2.1.Tính toán chọn ống dẫn nước
Với yêu cầu của đề tài ta chọn dây dẫn nước là ống tio màu trắng dẻo bởi dây
được làm bằng chất liệu nhựa nguyên sinh nên đảm bảo về độ sạch, cũng như khả
năng đàn hồi cao có thể uốn dẻo trong nhiều mơi trường khác nhau.

Hình 2.1: Hình ảnh dây tio dẫn nước vào
8


Do ở trong hộ gia đình các vịi nước thường sử dụng vòi 14mm nên ta chọn
ống tio chiều dài 2m đường kính 14mm.
Tiết diện ngang của ống:
=

= 3.14.72 = 154 (mm2) = 1,54.10

(m2) (2.1)

Vận tốc nước chảy trong ống:
v = 2 ℎ =√2. 9,81.2 = 6,3(m/s) (2.2)
Lưu lượng chảy qua ống:
Q = S.v = 1,54.10 .6,3 = 7,9.10 (m3/s) = 58,21(l/p) (2.3)
Từ các thơng số tính tốn trên ta lựa chọn van điện từ và cảm biến lưu lượng
12mm.
2.2.2.Tính toán chọn van điện từ
Yêu cầu của bài toán đặt ra ở đây là chọn van điện từ thường đóng khi chưa

có tín hiệu cơng suất nhỏ, độ bền cao, hoạt động ổn định. Nên ta chọn van điện từ
có các thơng số sau: nguồn 12VDC; van thường đóng; đường kính đầu ống 12mm.
a) Cấu tạo:

a) Sơ đồ cấu tạo

b) Hình ảnh thực thế

Hình 2.2:Van điện từ
Trong đó:
(1)

Thân van bằng nhựa hoặc inox, đồng…

(2)

Mơi chất khí (khí nén,gas,..) hay chất lỏng (nước dầu).

(3)

Ống rỗng (lưu chất chưa qua).

(4)

Vỏ ngoài cuộn hút (để bảo vệ cuộn điện).

(5)

Cuộn từ (cuộn dây từ).

(6)

Dây điện được kết nối với nguồn điện bên ngoài.

9


(7) Trục van làm kín bình thường lị xo ở vị trí số 8 sẽ tác động ép kín, làm cho van ở
trạng thái đóng
(8)

Lị xo

(9)

Khe hở để lưu chất đi qua

b) Ngun lí hoạt động:
Có một cuộn điện, trong đó có một lõi sắt và một lị xo nén vào lõi sắt, trong khi
đó, lõi sắt lại tì lên đầu 1 gioăng bằng cao su.Bình thường nếu khơng có điện thì lị xo
ép vào lõi sắt,van sẽ ở trạng thái đóng. Nếu chúng ta tiếp điện, tức là cho dòng điện
chạy qua, cuộn dây sinh từ trường sẽ tác động làm hút lõi sắt ra, từ trường này có lực
đủ mạnh để thắng được lò xo, lúc này van mở ra.
2.2.3.Tính tốn chọn cảm biến lưu lượng nước
Chức năng của cảm biến lưu lượng để đo lưu lượng nước chảy qua, từ đó
xuất tín hiệu báo về viđiều khiển để điều khiển thiết bị các cơ cấu chấp hành. Từ
chức năng đó ta chọn cảm biến lưu lượng có các thơng số như sau: nguồn sử dụng
(5-24VDC); dịng tiêu thụ <10mA; áp lực chịu được 1.75Mpa; nhiệt độ hoạt động
120oC; độ ấm 35-90 RH.
- Cơng thức tính lưu lượng:

Q = f/7,5(2.4)

Trong đó: Q là lưu lượng [L/phút]; f là tần số [Hz].
a) Cấu tạo của cảm biến lưu lượng nước

Hình 2.3: Hình ảnh thực tế cấu tạo của cảm biến lưu lượng nước
Bên ngoài cảm biến lưu lượng được làm bằng nhựa dẻo có khả năng chịu lực tốt
Bên trong có cánh quạt nước và cảm biến Hall.
10


11


b) Nguyên lí hoạt động
Khi nước chảy qua van chuyển động của nước làm cho cánh quạt quay, dẫn
đến sự thay đổi trạng thái đầu ra của cảm biến Hull đầu ra tínhiệu xung.Cảm biến
Hall hoạt động dựa trên nguyên tắc hiệu ứng Hall.Hiệu ứng Hall liên hệ giữa điện
thế giữa hai đầu dây dẫn với từ trường. Nguyên lí hoạt động của Hall khi động cơ
quay đĩa nam châm gắn với trục động cơ quay theo dẫn đến từ trường biến thiên,
cảm biến Hall Effect cảm nhận được tín hiệu biến thiên này và tạo tín hiệu đầu ra.
2.2.4.Chọn công tắc phao nước
Khi áp lực nước chảy vào bồn chứa cần có một cơng tắc phao nước báo tín
hiệu đóng cắt van điện từ, ngăn khơng cho nước chảy quá bồn chứa nước. Căn cứ
vào điều kiện thực tế cũng như việc tính tốn em đã lựa chọn cơng tắc phao như
hình 2.4 bên dưới.

Hình 2.4: Hình ảnh thực tế cơng tắc phao nước
2.3. Tính tốn chọn bộ phận đun nhiệt cho máy rửa bát
Lượng nước trong khay chứa nước là 4l nhiệt độ nước ban đầu là 25-27oC.

Hiệu suất đun của mâm nhiệt là 90%, máy rửa bát cần đun lên nhiệt độ 65-70 oC,
thời gian đun là 5 phút do vậy ta cần tính tốn các thơng số thích hợp để lựa chọn
cơng suất.
- Nhiệt lượng cần cung cấp để đun 4l nước trên từ 25 oC lên 65 oC là:
Qi = c.m.(t2 – t1) = 4200.4.(65-25) = 672000 (J) (2.5)
Trong đó:
m: là khối lượng nước 4l = 4kg.
c: là nhiệt dung riêng của nước = 4 200J/kg.K.
t2: là nhiệt độ cần đun.
t1: là nhiệt lượng ban đầu.
- Nhiệt lượng mà ấm đã tỏa ra là:
12


H= Qi/Qtp=> Qtp =Qi/H=

= 746667 (J) (2.6)

- Công suất:
Qtp = A = Pt => P =

=

.

= 2488,890 (W) (2.7)

Vậy ta chọn mâm nhiệt có ghi 220V–2500W.

Hình 2.5: Hình ảnh mâm nhiệt thực tế

2.4. Tính tốn chọn bơm
Việc nghiên cứu loại bơm và lựa chọn công suất bơm là yếu tố hết sức quan
trọng, nó đảm bảo cung cấp cho hệ thống máy rửa bát đủ lưu lượng, đủ áp suất và
tiết kiệm chi phí trong q trình vận hành.
Từ các u cầu, tính tốn trên lựa chọn sơ bộ bơm có các thơng số cơ bản ở
bảng 2.1:
Bảng 2.1. Các thông số của bơm
Điện áp vào

220 - 240V

Công suất tiêu thu điện năng

20W 0,2A

Lưu lượng bơm

20 – 25L/min

Áp lực bơm

0.1bar

Đường ống bơm

21

Giới hạn nhiệt độ

80-100oC

13


Hình 2.6: Hình ảnh thực tế của bơm
Với bơm chọn như trên ta tiến hành tính tốn kiểm tra xem có đủ áp suất làm
việc cho hệ thống hay khơng.
-

Đường ống dài 40cm = 0.4m.

-

Về lưu lượng: 25l/min = 0.42l/s như đã chọn.

-

Về kích thước đường ống: chọn ống21mm.

-

Về cột áp: H = H1+H2+H3(2.8)
H1: Là tổng của cột áp cao nhất (tức là áp lực nước theo độ cao từ vị trí đặt

bơm đến nơi xa nhất của hệ thống) và bằng 25cm.
H2: Là cột áp để phun nước tại đầu ra và bằng 50cm.
H3: Tổn thất áp tại co cút tê trên đường ống (tổn thất cục bộ) và ma sát đường
ống.
H3 = Ha + Hb = A.L.Q2 + 10%.Ha(2.9)
Hb = 10%. Ha là tổn thất qua tê, co trên toàn hệ thống.

Q: lưu lượng nước qua ống (l/s).
L: chiều dài của đoạn ống (m).
Với A là sức cản ma sát từ ống (mỗi ống lại có sức cản khác nhau). A lấy theo
tiêu chuẩn việt nam 4513-1988 => đường ống bơm 21 => A = 0,00003395
Vậy Ha = 0,00003395.0,4.(0.42)2 = 2,4.10-6(cm).
=>H3 = 2,64.10-6
Vậy cột áp H = 75(cm) = 0,75(m).

14


Theo công thức đổi mét cột nước:
1mH2O = 0,1bar. Theo ta tính tốn ở trên cột áp cao 0,75m ta lựa chọn bơm
có áp lực bơm là 0,1bar là hồn toàn đủ đáp ứng yêu cầu bơm cho hệ thống. Do
điều kiện làm việc của hệ thống máy rửa bát nên ta chọn bơm đẩy và bơm xả giống
nhau.
2.5. Nghiên cứu thống sấy khô bát đĩa.
Với yêu cầu của bài tốn đặt ra là nghiên cứu tìm hệ thống sấy thích hợp cho
máy rửa bát nên em đã lựa chọn đèn halogen để sấy.

Hình 2.7: Hình ảnh thực tế của đèn halogen
Bên trong bóng đèn là sợi dây Vonfram, bên ngoài được bọc một lớp thủy
tinh ở hai đầu được gắn sứ cách điện.Bóng được hút chân khơng và được điền đầy
vào khoảng khơng đó là khí halogen, chỉ cần ta cấp điện vào là bóng hoạt động.
2.6. Thiết kế hệ thống điều khiển.
Để điều khiển hệ thống hoạt động ta có các phương án đề ra như sau:
-

Phương án điều khiển bằng PLC.

-

Phương án điều khiển bằng vi điều khiển.
Cả hai phương án trên đều có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau, tuy

nhiên trong đề tài này với quy mô ứng dụng, các bộ phận cơ cấu chấp hành hoạt
động với cơng suất thấp nên do đó em đã lựa chọn phương án điều khiển bằng vi
điều khiển. Dựa trên các tính năng sử dụng em chọn board Arduino Uno.

15


2.6.1. Giới thiệu về board Arduino Uno
a) Tổng quan
Arduino là một board mạch vi xử lí được dùng để tương tác với các thiết bị
phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của
Arduino là môi trường ứng dụng phát triển cực kì dễ dàng, với một ngơn ngữ lập
trình có thể học một cách nhanh chóng.Ưu điểm khác của Arduino chính là mức giá
thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm.
Arduino Uno sử dụng chip Atmega328, có 14 chân digital I/O, 6 chân đầu
vào (input) analog, thạch anh dao động 16MHz. Một số thông số kỹ thuật được
trình bày ở bảng 2.2:
Bảng 2.2.Các thơng số của Arduino Uno
Vi điều khiển

ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động

5V DC (chỉ được cấp qua cổngUSB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30 mA

Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng
bởi bootloader

SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328)

16


b) Phần cứng của Arduino Uno

(1) Cổng nguồn ngoài.

(6) ICSP của IC Atmega 16U2.

(2) Cổng USB.

(7) Chân xuất tín hiệu ra.

(3) ICSP Atmega 16U2.

(8) Chân cấp nguồn cho cảm biến.

(4) IC Atmega 328.

(9) Chân lấy tín hiệu analog.

(5) Nút Reset.

(10) Chân ICSP của Atmega 328.

Hình 2.8: Board mạch Arduino Uno
 Cổng nguồn ngoài
Cổng nguồn ngoài nhằm sử dụng nguồn điện bên ngồi như pin, bình acquy
hay các adapter cho bo Arduino hoạt động. Điện áp nguồn cấp vào cổng này là
nguồn DC có hiệu điện thế từ 6V đến 20V, tuy nhiên hiệu điện thế tốt nhất mà nhà
sản xuất khuyên dùng là từ 7 đến 12V.
 Cổng USB
Cổng USB trên board Arduino Uno dùng để kết nối với cáp USB.
 ICSP Atmega 16U2
ICSP là chữ viết tắt của In-Circuit Serial Programming. Đây là các chân giao
tiếp SPI của chip Atmega 16U2. Các chân này thường ít được sử trong các dự án về
Arduino.
17