3.4.1. Arduino Uno R3
Arduino Uno R3 được sử dụng vi điều khiển ATmega328, tương thích với hầu hết các loại Arduino Shield trên thị trường, có thể gắn thêm các module mở rộng để thực hiện thêm các chức năng như điều khiển motor, kết nối wifi hay các chức năng khác.
Aruino Uno R3 được sử dụng phổ biến trong việc tự thiết kế ra các mạch điện tử như điều khiển led, gửi dữ liệu lên lcd, điều khiển motor,... hay được gắn thêm các Shield để kết nối nhiều module cảm biến khác để thực hiện thêm nhiều chức năng mở rộng như gửi dữ liệu qua wifi.
Ngoài ra, trên thị trường còn có nhiều biến thể của Arduino Uno để thực hiện thêm các tính năng chuyên dụng, ví dụ như mCore, Orion trên mBot được chuyên dụng với việc dễ dàng phân biệt các loại module nào có thể sử dụng cắm vào trên các cổng để dễ dàng sử dụng.
Sử dụng ngôn ngữ lập trình C,C++ hoặc Arudino, một ngôn ngữ bắt nguồn từ C,C++ trên phần mềm riêng cho lập trình Arduino IDE.
27 Arduino Uno R3 được cấp nguồn 5V qua cáp usb hoặc cấp nguồn ngoài thông qua Adaptor chuyển đổi , với điện áp khuyên dùng là khoảng 6-9V. Có thể cấp nguồn từ máy tính qua cổng usb về.
Hình 3.6: Mô hình mạch arduino
Các chân 5V, 3.3V là chân dùng để cấp nguồn đầu ra cho các thiết bị chứ không phải chân cấp nguồn vào.
Vin(Voltage Input): Dùng để cấp nguồn ngoài cho Arduino Uno, nối dương cực vào chân nà và cực âm vào chân GND.
GND(Ground): Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Uno. Khi sử dụng
các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì phải nối các chân này.
IOREF: Điện áp hoạt động của Arduino, có mức điện áp là 5V. Không được sử dụng để lấy nguồn từ chân này.
RESET: Việc nhấn nút RESET trên mạch arduino tương tự như khi nối chân RESET với GND qua điện trở 10KΩ.
*Cấu trúc vi điều khiển Arduino uno R3
Digital I/O pins: là những chân có giá trị nhị phân: HIGH (1) hoặc LOW
(0). Có các chân từ D0 đến D13. Một số chân có thể xuất xung PWM là ~D3, ~ D5, ~ D6, ~ D9, ~ D10, ~ D11.
TX and RX LED’s:báo có luồng dữ liệutruyền (Transmit – TX)vànhận
28
AREF (Analog Reference) pin: là chân cấp điện áp tham chiếu từ bên
ngoài cho Arduino.
USB: cho phép kết nối với máy tính, thường dùng nạp mã code từ máy tính sang board mạch Arduino.
GND: là chân ground, có hiệu điện thế 0V.
Vin: là nguồn đầu vào của board mạch Arduino.
Analog Pins: là các chân xử lý tín hiệu Analog khi kết nối với các thiết bị
khác. Có các chân được đánh số từ A0 đến A5.
29
3.4.2. Cảm biến lưu lượng nước YF-S401
Cảm biến lưu lượng nước YF-S401 cấu tạo gồm thân van nhựa, cụm cánh quạt dòng nước và cảm biến Hall. Nó được lắp đặt ở đầu vào của máy nước để phát hiện tốc độ dòng chảy. Rôto từ tính quay và tốc độ quay thay đổi theo tốc độ dòng chảy và cảm biến Hall tạo ra một xung tương ứng. Tín hiệu được đưa trở lại bộ điều khiển và bộ điều khiển xác định cường độ của dòng nước và thực hiện điều khiển các cơ cấu chấp hành, hiện thị.
Hình 3.7. Cảm biến lưu lượng nước YF-S401
Thông Số Kỹ Thuật YF-S401:
• Điện áp hoạt động: 5-18VDC • Dòng điện: 15mA • Nhiệt độ làm việc: ≤80°C • Áp lực: 0.8 Mpa • Khoảng độ ẩm hoạt động: 35%~90%RH • Kích thước ống: Φ6 • Kích thước: 35x35x27mm • Trọng lượng: 30g
30
3.4.3. Máy bơm nước 12v Sinleader 60W
Máy bơm mini không phân biệt cực âm hay dương của nguồn điện cấp. Máy có khả năng bơm nước trực tiếp mà không cần nước mồi vì dùng công nghệ bơm áp lực. Máy có thể đặt bất kỳ hướng nào hoặc nơi đâu mà bạn thấy thuận tiện.
Hình 3.7. Máy bơm nước 12V Sinleader 6w
Thông số kỹ thuật:
Điện áp sử dụng: 12V
Lưu lượng bơm: 5 LÍT/PHÚT Áp lực nước: 100 PSI (6,5 BAR) Đầu vào bên trái: 8mm.
Đầu áp lực ra bên phải: 18mm. Công suất bơm: 48 W
31
3.4.4. Màn hình LCD 20x4
LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của Vi Điều Khiển. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác. Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống.
Hình 3.8 Màn hình LCD 20x4
Thông số kỹ thuật:
• Điện áp hoạt động là 5 V.
• Kích thước: 98 x 60 x 13.5 mm
• Chữ trắng, nền xanh dương/chữ đen nền xanh lá
• Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
• Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện.
• Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn.
• Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
• Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật, xem thêm HD44780 datasheet để biết thêm chi tiết.
32
3.4.5 Nguồn xung
Nguồn xung là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung.
Ưu điểm nguồn xung: Giá thành rẻ, gọn, nhẹ dễ tích hợp cho những
thiết bị nhỏ gọn, hiệu suất cao,
Nhược điểm: Chế tạo đòi hỏi kỹ thuật cao, thiết kế phức tạp, việc
sửa chữa cũng khó khăn cho những người mới học , ngoài ra tuổi thọ của nó thường không cao.
Hình 3.10 cấu tạo cơ bản của nguồn xung
Hình 3.9. Nguồn xung
Thông số kỹ thuật:
• Điện áp đầu vào: 110V/220V AC (có thể chuyển qua lại 110V và 220V)
33
• Cường độ dòng điện: 5A ->30A
• Công suất tối đa: 60W->360W
3.4.6. MODULE Relay 2 Kênh 12VDC H/L
MODULE Relay 2 Kênh 12VDC H/L sử dụng nguồn 12VDC để nuôi mạch, tín hiệu kích có thể tùy chọn kích mức cao (High - 12VDC) hoặc mức thấp (Low - 0VDC) qua Jumper trên mỗi relay. Thích hợp cho các thiết bị sử dụng mức tín hiệu 12VDC như Vi điều khiển,....
Hình 3.11 MODULE Relay 2 Kênh 12VDC H/L
34
Thông số kỹ thuật:
• Tải tối đa: AC 250V / 10A, DC 30V / 10A
• Dòng kích hoạt: 5mA
• Điện áp làm việc: 12V
• Kích thước module relay: 50 x 26 x 18.5mm (L x W x H)
• Bốn lỗ bu lông gắn, đường kính 3.1mm
3.4.7. Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất không khí 40KPa sử dụng chip lấy mẫu AD có độ chính xác cao, sử dụng cảm biến áp suất không khí 0-40KPa, có thể kết nối vòi 2,5mm, có thể phát hiện mực nước và áp suất không khí khác, điện áp 3,3V-5V, kích thước nhỏ gọn, sử dụng cầu kháng 5k ở trên cảm biến, giá trị áp suất cụ thể cần phải được tính toán.
Hình 3.13. Modun cảm biến áp suất
Thông số kỹ thuật :
• Ngõ ra : digital
• Điện áp hoạt động : 3.3V~5V
• Phạm vi áp suất: 0 - 40KPa
35
3.4.8. Bơm khí nén
Bơm khí nén khí mini bơm oxy 3V - 6V motor chổi than 370 áp suất 400 - 650mmhg.
Hình 3.14. Máy bơm khí nén mini
Nguyên Lý Hoạt Động Của Máy Bơm Hơi Mini Mitsumi:
- Máy bơm không khí mini sử dụng động cơ DC làm động cơ chính. Động cơ lấy không khí từ xung quanh ở áp suất bình thường và tạo ra không khí có áp suất cao. Không khí áp suất cao này lại được sử dụng trong nhiều ứng dụng.
- Máy bơm không khí mini có thể được vận hành hoặc điều khiển bằng cách sử dụng bộ điều khiển vi mô như Arduino, Raspberry Pi, v.v.
Thông số kỹ thuật:
• Điện áp định mức: DC 5V
• Dòng không tải: 0.3A
• Dải điện áp: 3V - 6V
• Dải áp suất: 400-650mmhg
• Chân không tối đa: > -350mmhg
36
3.4.9. Mô Đun Công Tắc Điều Khiển PWM
Module điều chỉnh kiểm soát bảng điện MOSFET công suất cao 15A 400W dùng công tắc điện tử DC 5V-36V
Hình 3.15:Module công tắc điều khiển PWM
Điểm nổi bật của mô-đun:
1. Công suất hoạt động song song MOS kép, điện trở trong thấp hơn, dòng điện lớn hơn, công suất mạnh, ở nhiệt độ phòng 15A, 400W, đáp ứng việc sử dụng hầu hết các thiết bị;
2. Điện áp rộng, hỗ trợ PWM;
3. Dễ dàng để đạt được điều khiển thiết bị công suất cao. Thông số sản phẩm và ứng dụng:
1: Điện áp phù hợp: DC 5V - 36V;
2: Nguồn tín hiệu kích hoạt: kỹ thuật số mức cao và thấp (DC3.3V - 20V), bạn có thể truy cập cổng IO của vi điều khiển, giao diện PLC, nguồn điện DC, bạn có thể kết nối tín hiệu PWM, tần số tín hiệu 0--20KHZ hỗ trợ hoàn hảo .
3: Công suất đầu ra: DC DC 5V - 36V, dòng điện liên tục ở nhiệt độ phòng 15A, công suất 400W! Trong điều kiện tản nhiệt phụ, dòng điện tối đa có thể đạt tới 30A.
37 4: Ứng dụng: Đầu ra có thể điều khiển các thiết bị công suất cao, động cơ, bóng đèn, đèn LED, động cơ DC, bơm vi mô, van điện từ, bạn có thể nhập PWM, điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của đèn.
5: Thời gian sử dụng: chuyển đổi không giới hạn; Nhiệt độ hoạt động: -40- 85 °; Kích thước: 3.4 * 1.7 * 1.2cm
3.5. Chế tạo các hệ thống điều khiển khí nén, thủy lực
Hệ thống thủy lực ở đây bao gồm máy Bơm Đơn SHINLEADER với điện áp đầu vào 12V với lưu lượng bơm tối đa là 5l/phút, áp lực nước tối đa là 6.5BAR
Hệ thống được thông qua cảm biến lưu lượng nước chuyền vào arduino từ đó arduino sẽ tính toán được lưu lượng nước cần thiết để bổ xung vào, từ những tín hiệu đầu ra của arduino sẽ chuyền vào mạch module công tắc điều khiển PWM từ module sẽ điều khiển tốc độ chuyền vào của máy bơm tăng hay giảm lưu lượng nước.
Mạch mấu chốt ở đây là module công tắc điều khiển PWM có thể điều chỉnh được phần tốc độ của máy bơm để lưu lượng nước đi qua ống đủ để truyền vào băng ép lạnh
38
3.6. Lắp ráp mô hình
Sau quá trình nghiên cứu phát triển sản phẩm thiết bị băng ép lạnh hỗ trợ giảm đau phù nề sau mổ, quá trình thiết kế mạch điện và mạch thủy lực chúng tôi rút ra được mô hình
Hình 3.17: Mô hình mạch điện hoàn chỉnh
Mô hình được thiết kế dựa trên sản phẩm thực của hãng GameReady, quá trình chế tạo chúng tôi dựa trên sản phẩm đã cải tiến và chế tạo thành công sản hỗ trợ giảm đau chống phù nề sau mổ
3.7 Lập quy trình vận hành
39
Quy trình vận hành của hệ thống:
Arduino chịu trách nhiệm điều khiển toàn bộ hệ thống, từ nguồn điện đi vào cấp nguồn cho hệ thống. Sau khi lượng nước được bơm vào bể chứa đạt đến mức đủ. Cảm biến lưu lượng nước sẽ hoạt động , trong quá trình hoạt động cảm biến sẽ gửi tín hiệu liên tục về bo mạch chủ. Sau khi nhận được tín hiệu từ cảm biến truyền về bo mạch chủ gửi tín hiệu điều khiển sang module AWM, khi nhận được tín hiệu từ bo mạch chủ module AWM truyền tín hiệu điều khiển tốc độ sang máy bơm để cấp nước sang băng ép lạnh.
Cùng thời gian đó bo mạch chủ đồng thời nhận được tín hiệu báo về từ cảm biến áp suất báo về bo mạch. Sau khi nhận được tín hiệu báo về từ cảm biến bo mạch chủ có trách nhiệm truyền tín hiệu sang cho cho module Relay 2 kênh, khi nhận được nguồn từ Relay bơm khí nén hoạt động khí từ bơm khí nén được truyền trực tiếp sang băng ép lạnh đầu đấu nối giữa bơm khí nén và băng ép sẽ là cảm biến áp suất.
Tất cả các tín hiệu điều khiển và tín hiệu nhận về đều sẽ được bo mạch chủ truyền thông tin đến màn hình LCD.
40
CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM, KIỂM TRA, ĐÁNH
GIÁ MÔ HÌNH
4.1.Thử nghiệm băng ép lạnh
Sau lần thử nghiệm đầu tiên băng ép lạnh hoạt động khá là tốt lượng nước được bơm vào đúng như tính toán, nhưng đã có vấn đề ở lần đầu tiên là ống nối giữa băng ép và ống nối bị hở làm cho khí bị thoát ra ngoài làm cho máy hoạt động sai.
Lần thử nghiệm thứ hai chúng tôi đã khắc phục được lỗi được phát hiện sau lần thử nghiệm đầu tiên và nhận thấy phần cứng đã được hoàn thiện hoàn chỉnh.
Sau khi nạp code vào bo mạch chủ thì không phát hiện lỗi mới xuất hiện. Kết quả thử nghiệm cho chúng tôi biết:
• Sai số ở cảm biến lưu lượng nước nhỏ hơn so với thiết kế 0.2L/phút
• Cảm biến áp suất đo lệch so với tính toán 0.05Mpa
• Hệ thống Relay bị trễ nhỏ
4.2.Kiểm tra băng ép lạnh
Băng ép lạnh hoạt động khá là ổn định sau quá trình sử dụng.Vật liệu làm băng linh hoạt giữ miếng trị liệu tại chỗ và khuôn xung quanh cơ thể cho phù hợp thoải mái.
Băng ép lạnh sau nhiều lần sử dụng không có hiện tượng bị hở hay hao mòn nhiều. Trạng thái hoạt động làm mát xung quanh vùng bao quanh và không có hiện tượng bị rò rỉ.
4.3.Đánh giá mô hình băng ép lạnh
Mô hình băng ép lạnh là sự kết hợp của nén và lạnh đã được chứng minh lâm sàng là hiệu quả hơn so với liệu pháp băng một mình. Lạnh làm giảm đau và giảm sưng bằng cách hạn chế lưu lượng máu đến khu vực, và nén cũng làm giảm sưng và cho phép cảm lạnh điều trị thâm nhập sâu hơn và kéo dài hơn.
41 Mô hình băng ép lạnh là một mô hình tiện dụng có tính tiện lợi và tính di động cao có thể di chuyển đến nhiều địa điểm cụ thể một cách nhanh nhất.
Các đơn vị trị liệu lạnh làm giảm đau bằng cách làm tê các đầu dây thần kinh trong cơ thể bạn. Điều này làm chậm giao tiếp giữa cơ thể và não của bạn, dẫn đến ít đau hơn. Sử dụng máy trị liệu lạnh có thể giúp bạn ít phụ thuộc vào thuốc hơn khi bạn hồi phục sau phẫu thuật hoặc chấn thương.
42
KẾT LUẬN
• Ưu điểm:
- Mạch thiết kế nhỏ gọn, hoạt động ổn định theo yêu cầu đề ra, giá thành khá rẻ, có thể trang bị vào các bệnh viện để tăng khả năng điều trị của bệnh viện.
-Có tính tiện lợi cao do trọng lượng khá nhẹ có thể di chuyển tùy ý có thể sử dụng tiện lợi tại nhà.
-Mô hình đợn giản dễ dàng thiết kế chế tạo phần cứng có thể phổ biến rộng rãi ra nhiều nơi.
-Sử dụng thiết bị băng ép lạnh hỗ trợ giảm đau, bạn có thể giảm tiêu thụ opioid, giảm đau và sưng, tăng phạm vi chuyển động sau phẫu thuật và tăng sự hài lòng của bạn với quá trình phục hồi.
• Nhược điểm:
-Do máy hoạt động có sử dụng máy bơm với áp lực nên sẽ tạo ra nhiều tiếng ồn gây không thoải mái cho người sử dụng máy.
-Do thiết bị cảm biến không có sẵn nên phải đi mua nên độ chính xác không được cao gây ra sai số nhỏ không cần thiết.
-Hệ thống Relay không được nhạy nên sẽ bị delay thời gian nhỏ tầm 2s.
• Hướng phát triển:
Đề tài có nhiều hướng phát triển rộng để điều trị các bệnh liên quan và hỗ trợ giảm đau. Chúng ta có thể phát triển hệ thống để có thể tích hợp với máy khám và điều trị ở trong các bệnh viện để tiện lợi hơn cho quá trình thăm khám và chữa bệnh của các bác sĩ.