Thiết kế và thi công robot điều khiển từ xa diệt khuẩn bằng tia uvc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA DIỆT KHUẨN BẰNG TIA UVC GVHD: THS VÕ ĐỨC DŨNG SVTH: HUỲNH TRUNG KIÊN TRẦN VŨ THÙY TRANG SKL011117 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2023 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 KỸ THUẬT Y SINH ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA DIỆT KHUẨN BẰNG TIA UVC GVHD: Th.S Võ Đức Dũng SVTH 1: Huỳnh Trung Kiên MSSV 1: 19129024 SVTH 2: Trần Vũ Thuỳ Trang MSSV 2: 19129055 Tp Hồ Chí Minh - 07/2023 TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC o0o -Tp HCM, ngày 03 tháng 07 năm 2023 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Hệ đào tạo: Khóa: Huỳnh Trung Kiên Trần Vũ Thùy Trang Kỹ thuật Y Sinh Đại học quy 2019 MSSV: MSSV: Mã ngành: Mã hệ: Lớp: 19129024 19129055 7520212D 19129A I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA DIỆT KHUẨN BẰNG TIA UVC II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu:  Tài liệu lập trình Arduino IDE  Tài liệu lập trình ESP32- CAM  Tài liệu Web Sockets  Tài liệu tia UVC  Tài liệu đánh giá tia UVC Nội dung thực hiện:  Tìm hiểu tổng quan diệt khuẩn tia cực tím (UVC) khơng khí  Tìm hiểu tiêu chuẩn kỹ thuật cần thiết để thiết kế chế tạo robot diệt khuẩn tia UV  Nghiên cứu thành phần robot, hệ thống di chuyển, hệ thống tạo tia UVC, hệ thống cung cấp điện, hệ thống điều khiển  Thiết kế chế tạo robot diệt khuẩn tia UV  Tìm hiểu thiết kế phận, lắp ráp, kiểm tra hiệu chỉnh, đến kiểm tra đánh giá hiệu hoạt động robot  Thử nghiệm hiệu robot đánh giá so sánh hiệu robot với phương pháp khác diệt khuẩn truyền thống III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/02/2023 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2023 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Võ Đức Dũng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH LỜI CAM ĐOAN Chúng xin cam đoan đề tài: “Thiết kế thi công robot điều khiển từ xa diệt khuẩn tia UVC” công sức thành tự thực khơng có chép, gian lận q trình thực đề tài Người thực đề tài Huỳnh Trung Kiên Trần Vũ Thùy Trang LỜI CẢM ƠN Để thực đề tài nhóm trải qua khoảng thời vô gian nan, may mắn nhóm ln đồng hành q thầy bạn bè gia đình giúp đỡ tiếp động lực cho nhóm thêm tinh thần để hồn thiện đề tài Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tri ân sâu sắc đến thầy Võ Đức Dũng – Phó trưởng mơn điện tử y sinh, người đồng hành tạo nhiều điều kiện để nhóm có hồn thành đề tài cách tốt Em xin cảm ơn đến quý thầy có khoa Điện - Điện Tử truyền đạt kiến thức suốt quãng đường đại học để chúng em có kiến thức nên tảng vận dụng thực đề tài Em xin gửi lời cảm ơn đến bạn lớp y sinh K19 anh chị hỗ trợ giúp đỡ chia sẻ kiến thức để nhóm vượt qua khó khăn thực đề tài Cuối em xin gửi lời đến gia đinh người thân tạo cho em thêm động lực để cố gắng hoàn thành tốt đề tài MỤC LỤC TRANG BÌA i TRANG BÌA PHỤ ii NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii LỊCH TRÌNH iv LỜI CAM ĐOAN .v LỜI CẢM ƠN vi MỤC LỤC vii DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH ẢNH ix TÓM TẮT x CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GIỚI HẠN 1.5 BỐ CỤC CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP KHỬ KHUẨN BẰNG UVC VÀ MƠ HÌNH ROBOT KHỬ KHUẨN BẰNG UVC 2.1.1 Phương pháp khử khuẩn UVC 2.1.2 Mơ hình robot khử khuẩn tia UVC 2.2 PHƯƠNG PHÁP GIAO TIẾP 2.2.1 Giao tiếp UART 2.2.2 Giao tiếp I2C 2.3 PHƯƠNG PHÁP DÒ LINE 2.4 PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN VẬT CẢN BẰNG LASER 2.5 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG 2.6 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 10 2.7 PHẦN MỀM THIẾT KẾ MƠ HÌNH 10 2.8 PHẦN MỀM THIẾT KẾ MẠCH 11 2.9 KỸ THUẬT WEBSOCKET 11 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 13 3.1 GIỚI THIỆU 13 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 13 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 13 3.2.2 Tính tốn thiết kế mạch 14 3.2.2.1 Khối xử lý trung tâm 14 3.2.2.2 Khối Camera 18 3.2.2.3 Thiết kế khối động di chuyển 19 3.2.2.4.Thiết kế khối diệt khuẩn 27 3.2.2.5 Thiết kế khối cảm biến 31 3.2.2.6 Thiết kế khối hiển thị 38 3.2.2.7 Thiết kế khối nguồn 39 3.2.3 Thiết kế mơ hình 3D 43 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 46 4.1 GIỚI THIỆU 46 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 46 4.2.1 Thi công bo mạch 46 4.2.2 Lắp ráp kiểm tra 47 4.3 THI CÔNG MƠ HÌNH 49 4.3.1 Thi công khối động di chuyển 49 4.3.2 Thi công khối nguồn 50 4.3.3 Thi công khối điều khiển 51 4.3.4 Thi công khối cảm biến 52 4.3.5 Thi công khối hiển thị khối camera 53 4.3.6 Thi công khối khử khuẩn : 53 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 54 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 54 4.4.1.1 Lưu đồ điều khiển động di chuyển 54 4.4.1.2 Lưu đồ chính: 60 4.4.2 Web điều khiển: 61 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 62 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 65 5.1 Kết thực mơ hình 65 5.2 Kết đánh giá chức robot 65 5.2.1 Thực nghiệm khả di chuyển khơng có vật cản 65 5.2.2 Thực nghiệm khả di chuyển có vật cản 71 5.2.3.Thực nghiệm phạm vi điều khiển 74 5.2.4 Thực nghiệm mức độ đáp ứng đèn UVC 75 5.3 Dự toán đề tài 76 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 79 6.1 KẾT LUẬN 79 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Bảng mơ tả đặc tính cảm biến hồng ngoại Bảng 3.1 Bảng so sánh lựa chọn vi xử lý 14 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Arduino mega 2560 16 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật Module ESP32-CAM 17 Bảng 3.4 Bảng kết nối chân Module ESP32-CAM Arduino Mega 2560 18 Bảng 3.5.Thông số kỹ thuật 19 Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật động Cơ Giảm Tốc GA25-370 60rpm 12VDC 23 Bảng 3.7 Bảng liều lượng tia UV cần thiết để tiêu diệt 99% số lượng vi khuẩn có mẫu xử lý 23 Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật Module L298N 25 Bảng 3.9.Nguyên lý hoạt động Module L298N 26 Bảng 3.10 Bảng kết nối L298N với vi xử lý 26 Bảng 3.11 Thơng số kỹ thuật bóng đèn UVC Philips TUV T8 0m6 18W 27 Bảng 3.12 Thông số kỹ thuật tăng phô T8 Philips EB-CiTLD 28 Bảng 3.13 Bảng thông số kỹ thuật mạch Inveter 29 Bảng 3.14 Thông số kỹ thuật Module Relay 5V 30 Bảng 3.15 Kết nối chân relay 5V với khối xử lý trung tâm 30 Bảng 3.16 Thơng số kỹ thuật module dị line TCRT5000 32 Bảng 3.17.Bảng kết nối chân Module dò line TCRT5000 với khối xử lý trung tâm 32 Bảng 3.18.Thông số kỹ thuật module cảm biến CJ VL53L0X 36 Bảng 3.19.Bảng kết nối module cảm biến lazer CJ VL53L0X với khối xử lí trung tâm 36 Bảng 3.20.Bảng kết nối chân LCD 16x2 với khối xử lí trung tâm 38 Bảng 3.21 Các linh kiện sử dụng hệ thống 39 Bảng 3.22.Thông số kỹ thuật Mạch giảm áp Buck DC-DC LM2596 3A 41 Bảng 5.1 Bảng so sánh kết lệch di chuyển theo đường thẳng chế độ thủ công 67 Bảng 5.2 Tỉ lệ bám line robot chế độ di chuyển tự động theo line 69 Bảng 5.3 Bảng kết lệch chế độ di chuyển tự động theo hình ziczac 71 Bảng 5.4.Bảng thống kê khoảng cách xa điều khiển 74 Bảng 5.5.Bảng thời gian đèn sáng thực tế 75 Bảng 5.6 Bảng kết độ bao phủ đèn 76 Bảng 5.7 Bảng dự toán đề tài 77 CHƯƠNG KẾT QUẢ- NHẬN XÉT- ĐÁNH GIÁ 7cm Nhận xét: Từ Bảng 5.1 cho thấy robot bị lệch từ điểm bắt đầu (A) đến (E) trung bình đoạn bảng trên, nguyên nhân do:  Thông số bánh sai lệch  Sàn hành lang không phẳng, đường gạch lớn làm bánh xe đa hướng bị lệch khỏi đường thẳng trùng vào đường gạch  Sai số động trọng tâm robot đặt chưa xác dẫn đến trọng lực lên bánh không  Nhìn chung robot chạy đường thẳng 5.2.1.2 Khả bám line robot chế độ di chuyển tự động theo line Thực nghiệm khả bám line robot với đường line cong có kích thước Hình 5.4 Khơng gian thí nghiệm mặt phẳng lót gạch, robot đặt vị trí bắt đầu (A) hình kết thúc vị trí D Hình 5.4 Sơ đồ robot di chuyển chế độ dị line khơng có vật cản Robot di chuyển theo đường thẳng từ điểm A đến điểm B sau rẽ trái đến C gặp đường line che hết cảm biến dị line quay đầu lại từ C đến B sau rẽ trái đến A dừng hẳn Đây thuật toán di chuyển tự động theo line với tốc độ trung BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 68 CHƯƠNG KẾT QUẢ- NHẬN XÉT- ĐÁNH GIÁ bình 10cm/s, thực khử khuẩn lần để đảm bảo mức độ khuẩn tốt nhất, xong, đèn khử khuẩn tắt thông báo “Đã diệt khuẩn xong” hiển thị lên Websever Hình 5.5 Robot di chuyển chế độ dị line khơng có vật cản Sau hồn thành đoạn đường di chuyển, thực so sánh đánh giá kết di chuyển sau: Bảng 5.2 Tỉ lệ bám line robot chế độ di chuyển tự động theo line Số lần Lần Lần Lần Lần Lần Từ A đến C Bám line Bám line Bám line Bám line Bám line Từ C đến D Bám line Bám line Bám line Bám line Bám line Từ D đến C Bám line Bám line Bám line Bám line Bám line Từ C đến A Bám line Bám line Bám line Bám line Bám line Khoảng cách Nhận xét  Khi chế độ dị line khơng có vật cản robot di chuyển mượt mà, bám line tốt, tỉ lệ bám line 100%  Có thể rẽ góc 90o 5.2.1.3 Khả di chuyển khơng có vật cản chế độ di chuyển tự động hình ziczac Thực nghiệm khả di chuyển theo hình ziczac robot chung cư EHome 2- quận Khơng gian thí nghiệm phẳng lót gạch, kích thước phịng Hình 5.6 Robot đặt vị trí bắt đầu (A) hình kết thúc vị trí F BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 69 CHƯƠNG KẾT QUẢ- NHẬN XÉT- ĐÁNH GIÁ Hình 5.6 Sơ đồ robot di chuyển chế độ ziczac khơng có vật cản Robot bắt đầu di chuyển đồng thời bật đèn UVC từ điểm A thẳng đến điểm B nhận thấy có vật cản (tường) phía trước với khoảng cách 30cm liền rẽ phải góc 90 độ tiếp đoạn thẳng 30cm đến C sau rẽ phải 90 độ thẳng đến D thấy vật cản phía trước cách 30cm rẽ trái 90 độ đoạn thẳng 30cm sau rẽ trái sau lặp lại lúc điểm A cuối phịng (điểm F) robot nhận thấy có vật cản phía trước (tường) liền xoay chỗ góc 90 độ ngược lại phía bên tường (điểm G) sau xoay trái góc 90 độ tiếp tục gặp vật cản phía trước