45
Hộp Pin 2 Cỡ 18650 Có Cơng Tắc + 2 pin 18650: Nguồn điện cấp cho động cơ xe
và bộ mạch chính của xe
Thơng số kỹ thuật:
Kiểu pin: 18650.
Điện áp trung bình 3.7V, sạc đầy 4.2V.
Dung lượng: 2500mAh.
Dịng xả: 5A
Kích thước: 18x65mm và Trọng lượng: 46g.
4. 3. 2 Phần hệ thống đèn khử trùng.
Hệ thống đèn tia UV khử khuẩn sẽ sử dụng nguồn điện riêng biệt với xe vì để hạn chế rủi ro hư hỏng linh kiện điện tử trên xe robot vì nguồn điện lớn hơn (điện của hệ thống đèn là 220VAC, linh kiện điện tử của xe là 5VDC – 9VDC). Vậy nên chúng em sử dụng bình điện ắc quy để cấp điện cho hệ thống đèn khử khuẩn, tuy nhiên vì điện bình chỉ có 12VDC nên chúng em sẽ sử dụng thêm bộ chuyển đổi nguồn Inverter để chuyển dòng 12VDC thành 220VAC. Relay 12VDC hỗ trợ đóng ngắt nguồn điện theo q trình vận hành của robot
46
Bóng đèn tia UV: là bộ phận chính của hệ thống đèn, dùng để khử khuẩn khơng khí
cho căn phịng.
Cơng suất đèn: 4W
Kích thước: 15cm
Nguồn điện: 220VAC
Xuất xứ: Trung Quốc
Bình điện ắc quy: Là nguồn điện cung cấp cho đèn để đèn hoạt động.
Thông số kỹ thuật:
Cung cấp nguồn cho các thiết bị động cơ DC cùng điện áp,
Phù hợp với các dự án mơ hình điều khiển nhỏ: xe robot, Robot địa hình…
Điện áp định mức: 12VDC
Công suất: 2.6AH
Trọng lượng: 750g.
Màu sắc: màu đen.
Kích thước: 7 x 4,7 x 10,5 (cm)
Hình 4.13: Bóng đèn tia UV.
47
Bộ chuyển đổi nguồn Inverter: dùng để chuyển đổi nguồn điện từ 12VDC thành
nguồn điện 220VAC, cấp điện cho bóng đèn. Thơng số kỹ thuật:
• Input: 12VDC • Output: 220VAC
• Cơng suất: 60W (sử dụng cho sạc điện thoại, đèn compac, đèn huỳnh quang ballats điện tử, router, modem, laptop,…)
Mạch 2 Relay Opto Chọn Mức Kích High/Low 12VDC: Mạch 2 Relay Opto
chọn mức kích High/Low 12VDC được sử dụng để bật, tắt thiết bị AC/DC qua Relay, mạch có thể tùy chọn kích bằng mức cao hoặc thấp (High/Low) qua Jumper
Thông số kỹ thuật sản phẩm:
Điện áp sử dụng: 12VDC
Dòng tiêu thụ: khoảng 200mA /1Relay
Tín hiệu kích: Tùy chọn mức cao High 12VDC theo loại Relay hoặc thấp Low (0VDC) qua Jumper.
Tiếp điểm đóng ngắt Relay trên mạch: Max 250VAC- 10A hoặc 30VDC-10A (Để an tồn nên dùng cho tải có cơng suất <100W).
Kích thước: 52 (L) * 41(W) * 19 (H) mm.
Hình 4.15: Bộ chuyển đổi Inverter.
48 4. 4 Bảng giá thành vật liệu. STT Vật liệu Chất liệu Số lượng
Đơn giá Thành tiền
1 Arduino Uno R3 kèm cáp 1 130.000 130.000
2 Mạch điều khiển động cơ DC L298N
1 35.000 35.000
3 Cảm biến siêu âm SRF04 1 64.000 64.000
4 Khung xe robot Mica 1 40.000 40.000
5 Động Cơ RC Servo MG90S 1 59.000 59.000
6 Động Cơ DC Giảm Tốc V1 Dual Shaft Plastic Geared TT Motor
2 15.000 30.000
7 Bánh Xe TT Motor Plastic Wheel 65mm
Nhựa 4 10.000 40.000
8 Vỏ nhựa Arduino Nhựa 1 15.000 15.000
9 Pin sạc 18650 3.7V 2500 mAh 5A
2 65.000 130.000
10 Hộp pin có cơng tắc Nhựa 1 16.000 16.000
11 Gá cảm biến siêu âm Mica 1 15.000 15.000
49
13 Mạch hiển thị dung lượng pin 1 25.000 25.000
14 Đèn khử trùng tia cực tím 2 150.000 300.000
15 Bình ắc quy 12VDC 1 216.000 216.000
16 Relay 12VDC 1 38.000 38.000
Tổng cộng 1.340.000
50
Chương 5: THI CƠNG THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH
5. 1 Thi cơng lắp ráp cơ khí.
Chuẩn bị dụng cụ để làm khung của robot:
Hình 5.1: Dụng cụ làm khung robot
51
Hình 5.3: Cố định để khoang lỗ trụ chính xác.
52
Hình 5.5: Cố định gá đỡ, lắp ráp động cơ V1 và bánh xe đa hướng
53
5. 2 Thi công, lắp ráp phần điện, điện tử.
5. 2. 1 Lắp đặt vị trí linh kiện.
Tầng 1 của robot chứ các linh kiện như:
Ắc quy
Mạch IC L298N
Mạch Arduino UNO R3
RC Servo MG90S
Cảm biến siêu âm HC-SR04
Nút nhấn khởi động
2 Động cơ V1
54 Tầng 2 của robot gồm có: Bóng đèn tia cực tím Relay Mức Kích High/Low 12VDC Inverter Hình 5.8: Tầng 2 của robot
5. 2. 2 Danh sách nối dây các linh kiện
Module điều khiển động cơ L298N
In1 Pin 9 Arduino Uno R3
In2 Pin 8 Arduino Uno R3
In3 Pin 7 Arduino Uno R3
In4 Pin 6 Arduino Uno R3
enA Pin 3 Arduino Uno R3
enB Pin 5 Arduino Uno R3
+12V V in Arduino Uno R3
GND GND Arduino Uno R3
+5V Vcc Rc Servo
55 Out2
Out3 Motor phải
Out4
Ultrasonic Sensor (cảm biến siêu âm)
Vcc Pin +5V Arduino Uno R3
Trigger Pin A1 Arduino Uno R3
Echo Pin A0 Arduino Uno R3
GND GND Arduino Uno R3
RC Servo
Vcc (dây màu đỏ) +5V
GND (dây màu nâu) GND
Trig (dây màu cam) Pin A2 Arduino Uno R3
Nguồn (ắc quy 12V) Chân (+) Inverter (+) +12V Module L298N Chân (-) Inverter (-) GND Module L298N Relay 12V 2 kênh DC+ V in Arduino Uno R3 DC- GND Arduino Uno R3
In1 Pin 10 Arduino Uno R3
NO1 (+) đèn UV
COM (-) đèn UV
56
5. 3 Mô phỏng, chạy thử.
5. 3. 1 Mạch mơ phỏng.
Hình 5.10: Mạch mơ phỏng cuả mơ hình.
Trong mạch mơ phỏng có thêm các phần hỗ trợ sau:
57
Hình 5.11: Nút nhấn giả lập khoảng cách
Màn hình hiển thị kết quả Virtual Terminal.
58
5. 3. 2 Lập trình mơ phỏng Arduino Uno R3.
Trong phần lập trình có các chức năng gồm:
Hệ thống Servo và vùng giả lập khoảng cách bằng nút nhấn cho cảm biến siêu âm.
Tiến hành các action như chạy thẳng, lùi, rẽ trái phải.
Chạy 10 giây và dừng 30 giây (có thể tuỳ chỉnh tuỳ theo mục đích và nhu cầu sử dụng)
Robot dừng hoạt động sau 3 phút
Đèn led tín hiệu ON.
Đèn tia UV sẽ tắt sau khi robot dừng hoạt động sau 3 phút cùng với robot.
Màn hình hiển thị kết quả Virtual Terminal.
(Phần code lập trình được trình bày tại phần phụ lục)
5. 3. 3 Chuẩn bị phần mềm
Sau khi đã có file Proteus và code của Arduino ta tiến hành tại file hex để nạp vào Proteus.
Trong giao diện của phần mềm này bạn click chọn File >Preferences.
Khi hộp thoại Preferences xuất hiện, bạn hãy đánh dấu check vào ơ compilation và sau đó chọn OK.
59
Hình 5.13: Chuẩn bị để biên dịch chương trình.
Sau đó nhấn vào nút để biên dịch chương trình. Sau khi phần mềm biên dịch xong chúng ta được một file .hex được lưu ở đường dẫn như hình dưới:
Hình 5.14: File .hex đã được tạo.
Nạp file .hex và mô phỏng.
Sao chép file .hex ra một thư mục nào đó sau đó mở Proteus lên và double clickvào Aruino Uno. Hộp thoại Edit Component xuất hiện. Tại khung Program File tìm đến mục chứa file .hex lúc nãy bạn lưu ở trên chọn Open, sau đó ấn OK.
60
Hình 5.15: Nạp file .hex cho Arduino
Nạp file .hex cho cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04
Hình 5.16: Nạp file .hex cho cảm biến siêu âm.
5. 4 Bắt đầu mô phỏng, thử nghiệm.
Ta nhấn nút góc phía dưới bên trái phần mềm Proteus để tiến hành chạy chương trình. Và sau đây là các kết quả thu được:
61
5. 4. 1 Đèn báo tín hiệu ON và đèn tia UV
Sau khi chạy chương trình thì đèn báo tín hiệu ON và đèn UV sẽ sáng và mở xuyên suốt quá trình robot vận hành cho đến khi robot ngắt sau 3 phút.
Hình 5.17: Đèn báo tín hiệu và đèn UV sáng
Trong mạch mơ phỏng nhóm em dùng đèn 12V và relay 5V để ví dụ cho đèn tia UV, trong mơ hình thực tế đèn tia UV và relay là 220V.
5. 4. 2 Động cơ Servo và hệ thống cảm biến siêu âm
Động cơ Servo hoạt động hỗ trợ quét cho cảm biến siêu âm hoạt động
Hình 5.18: Động cơ Servo hoạt động.
Giả lập khoảng cách cho cảm biến siêu âm bằng các nút nhấn. Cảm biến siêu âm đọc tín hiệu liên tục để gửi về Arduino để xử lý và xuất kết quả qua Virtual Terminal.
62
Trường hợp 1:
Hình 5.19: Giả lập khoảng cách 14cm
Trong trường hợp khoảng cách 14cm thì sẽ là quá gần nên robot đa phần sẽ đi lùi hoặc rẽ sang một hướng khơng có vật cản.
Trường hợp 2:
63
Trong trường hợp khoảng cách 50cm thì là khoảng cách được chấp nhận và hệ thống siêu âm tiếp tục quét vật cản cho đến khi tìm được hướng đi thích hợp như rẽ trái hoặc phải.
Trường hợp 3:
Hình 5.21: Giả lập khoảng cách 65cm
Trường hợp khoảng cách 65cm là khoảng cách xa hơn so với cài đặt trong lập trình nên robot sẽ tiếp tục tiến tới phía trước.
Và nếu trường hợp nhấn cả 2 nút giả lập như hình 5.13 thì vẫn sẽ chạy thẳng vì giả lập lần này khoảng cách là 62cm, xa hơn 50cm trong phần lập trình.
64
Hình 5.22: Giả lập cách trường hợp khoảng cách xa hơn 50cm
5. 4. 3 Động cơ.
Dựa vào thông tin được gửi từ hệ thống cảm biến siêu âm đến mạch Arduino để tính tốn và đưa ra kết quả phù hợp để mạch IC L298N điều khiển động cơ.
Hình 5.23: Động cơ hoạt động theo thông tin nhận được.
Trong phần mô phỏng, nếu robot đi thẳng thì động cơ sẽ quay theo chiều kim đồng hồ và nếu đi lùi thì sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ.
65 Robot sẽ vận hành 10 giây và dừng 30 giây
Sau 3 phút vận hành mơ phỏng thì hệ thống Servo và cảm biến siêu âm sẽ dừng quét vật cản, động cơ và đèn tín hiệu lẫn đèn tia UV sẽ ngưng hoạt động. (trong thực tế thời gian robot hoạt động để khử trùng một căn phịng có thể lên đến 1 – 2 giờ đồng hồ tuỳ vào diện tích phịng)
66
5. 5 Tiến hành chạy thử mơ hình
5. 5. 1 Chuẩn bị phần mềm cho mơ hình.
Sau khi mơ phỏng thành cơng, sau đó ta tiến hành nạp code cho mơ hình. Đầu tiên phải kết nối mạch Arduino với máy tính qua cáp,
Hình 5.25: Kết nối máy tính với Arduino qua cáp.
Mở cửa sổ Device Manager lên để tìm cổng COM. Mở mục Ports (COM & LPT), bạn sẽ thấy cổng COM Arduino Uno R3 đang kết nối.
Tiếp theo ta chọn board mạch Arduino thích hợp
67
Tiếp theo vào menuTools->Serial Port chọn cổng Arduino đang kết nối với máy tính.
Hình 5.27: Chọn cổng Arduino đang kết nối với máy tính.
Sau đó chọn để upload code vào Arduino.
Hình 5.28: Tiến hành upload code.
68
5. 5. 2 Tiến hành chạy thử.
Bật công tắc INVERTER (nguồn của đèn)
Hình 5.30: Bật cơng tắc Inverter
Bật công tắc xe
69
Trạng thái xe khi ON: đèn UV, Arduino, mạch cầu L298N sáng đèn.
Hình 5.32: Trạng thái ON của robot
Xe tiến về phía trước
Xe gặp vật cản phía trước, servo + cảm biến quét bên trái
Servo + cảm biển quét bên phải
Hình 5.33: Servo và cảm biến bắt đầu quét vật cản
70
Xe dừng 5 giây sau khi đi được 1 giây
Sau khi dừng 5 giây, xe tiếp tục đi 1 giây
Phát hiện vật cản, xe rẽ sang hướng khác
Sau 3 phút làm việc, xe đổi trạng thái ON -> OFF (động cơ tắt, đèn UV và đèn led tắt).
Hình 5.34: Robot dừng sau 3 phút làm việc
Khi sử dụng robot khử trùng tia cực tím trong một phịng học thì thời gian hoạt động của robot sẽ tuỳ thuộc vào diện tích của căn phịng
71
5. 5. 3 Thời gian khử trùng.
Một phương pháp để đánh giá hiệu quả UV trong các ứng dụng khử trùng nước là để tính tốn liều tia cực tím. EPA Hoa Kỳ xuất bản hướng dẫn liều lượng tia cực tím cho các ứng dụng xử lý nước. Liều UV khơng thể đo trực tiếp nhưng có thể được suy ra dựa trên các yếu tố đầu vào được biết đến hoặc ước tính q trình:
Tốc độ dòng chảy (thời gian tiếp xúc)
Truyền qua (ánh sáng đạt mục tiêu)
Độ đục
Trong các ứng dụng khử trùng khơng khí và bề mặt hiệu quả cực tím được ước tính bằng cách tính tốn liều tia cực tím sẽ được chuyển giao cho người dân của vi sinh vật. Liều UV được tính như sau:
Liều UV μWs / cm² = cường độ tia cực tím μW / cm² x Thời gian mở (giây)
Mỗi loại vi sinh vật sẽ cần một liều lượng UVC khác nhau để có thể bị bất hoạt hoặc tiêu diệt. Thông thường, để tiêu diệt bào tử nấm mốc sẽ cần nhiều năng lượng UVC hơn so với vi khuẩn và vi rút.
Trong chiếu xạ UVC, người ta sử dụng hàm Logarit để xác định tỷ lệ giảm vi sinh vật. Với Log1, Log2, Log3 tương ứng với giảm 90%, 99%, 99.9%. Bảng 5-1 dưới đây, ví dụ về một số vi sinh vật phổ biến và liều lượng UVC cần thiết để tiêu diệt Log3 vi sinh vật.
Giả sử ta cần khử khuẩn ở 2 vị trí, với mức cường độ ở Điểm A đo được 130µW/cm² và Điểm B đo được 10µW/cm², cột thời gian cũng sẽ cho bạn biết bạn cần bật đèn UVC khử khuẩn trong bao lâu.
72 Vi sinh vật
Liều lượng UVC (µJ/cm²)
Thời gian chiếu xạ (Phút) Điểm A 130µW/cm² Điểm B 10µW/cm² Aspergillius niger
(Nấm gây “mốc đen” ở rau quả)
396.000 50 600 Escherichia coli (Trực khuẩn lị) 9.000 1.1 15 Influenza (Vi rút cúm) 10.200 1.3 17 Pseudomonasaeruginosa (Trực khuẩn mủ xanh) 16.500 2.1 27
Bảng 5-1: Bảng liều lượng và thời gian chiếu xạ
Từ bảng 5-1 trên có thể thấy, để tiêu diệt bào tử nấm mốc cần liều lượng UVC cao hơn nhiều lần so với vi khuẩn và vi rút. Đồng thời, cường độ UVC càng cao thì thời gian chiếu xạ càng được rút ngắn lại. Do đó, xác định được cường độ UVC và vi sinh vật mục tiêu tại vị trí cần khử khuẩn là điểm cốt lõi về kỹ thuật chiếu xạ tia cực tím.
73
Chương 6: ĐÁNH GIÁ, SO SÁNH KẾT QUẢ
6. 1 Về mặt tích cực.
6. 1. 1 Về mặt lý thuyết.
Hiểu được công nghệ khử trùng bằng tia cực tím hiện nay, tìm hiểu được các hệ thống robot tự hành.
Hiểu được các cơ sở lý thuyết của các thiết bị sử dụng trong mơ hình, tính tốn và lựa chọn được các thiết bị bảo vệ và vận hành phù hợp với robot tự hành cùng với hệ thống khử trùng bằng tia cực tím
6. 1. 2 Về phần cứng
Tự thiết kế được khung robot phù hợp với mơ hình, lựa chọn đúng linh kiện và hiểu được nguyên lý hoạt động của từng hệ thống.
Robot có các chế độ vận hành phù hợp cho việc sử dụng trong các nơi cần khử trùng như phòng học, bệnh viện…
Hiểu được khả năng khử trùng của tia cực tím, điều mà đang rất được quan tâm hiện nay.
6. 1. 3 Về chương trình và điều khiển
Nắm được cách lập trình Arduino IDE và chỉnh sửa code khi gặp sự cố, chương trình ổn định, sai số hầu như thấp và có thể xử lý.
Thiết kế mô phỏng trên phần mềm Proteus để thí nghiệm trực quan, giả lập các khoảng cách để mạch tính tốn và đưa ra kết quả.
74
6. 2 Mặt hạn chế
Do tình hình dịch Covid-19 và kinh nghiệm cịn khá hạn chế cho nên khơng thể tránh khỏi những sai sót trong q trình thi cơng và thiết kế.
Khơng thể mua được đầy đủ linh kiện, điển hình như khung robot được làm từ ván gỗ, đèn tia cực tím chỉ mua được loại có cơng suất thấp và chỉ mua được loại relay 2