Đặc điểm Giá trị Sạc sử dụng 12.6V – 14V Kích cỡ 59 x 20 x 3.4 mm Điện áp xả cạn 9.6 V Điện áp sạc đầy 12.6V Dòng xả liên tục 20A Dòng xả tức thời 40A Trọng lượng 12g
Hình 3.28 Khối pin 3s1p kèm mạch sạc và bảo vệ pin
3.2.8.3 Adapter sạc pin Lithium 3 Cell 12.6V 2A
Để cung cấp dòng điện sạc cho mạch sạc ở trên, chúng ta không thể dùng Adapter thông thường vì chúng khơng có chức năng ngắt khi sạc đầy. Vì vậy nhóm quyết định dùng Adapter sạc pin Lithium 3 Cell.
63
Chức năng: Dùng để sạc pin Lithium 3 Cell 12.6V 2A được dùng để sạc 3 pin 18650 mắc nối tiếp.
Sạc sử dụng cơ chế sạc CC/CV sẽ đảm bảo điện thế sạc ổn định <= 12.6V, khi Cell pin đầy sẽ tự động giảm dịng sạc để đảm bảo hóa chất trong pin ổn định. Khi pin đầy đèn báo sẽ chuyển từ màu đỏ sang màu xanh. Khi trống pin, đèn báo màu xanh.
Sạc có chức năng bảo vệ: bảo vệ ngắn mạch (sau khi quá tải, bộ sạc sẽ tự động dừng hoạt động và sau đó hoạt động bình thường trở lại).
Sạc có chức năng sạc nhanh: giai đoạn đầu tiên, LED sẽ báo màu đỏ, khi sạc đến điện áp định mức, nó sẽ chuyển sang sạc điện áp không đổi ở giai đoạn thứ hai và sau đó dịng điện sẽ giảm dần. Khi sạc đến ngưỡng đầy, đèn LED sẽ chuyển màu sang màu xanh. Tại thời điểm này, pin được sạc đầy tới 90-95% và tiếp tục sạc với dòng điện nhỏ (sạc nhỏ giọt) cho tới khi đầy pin.
Bảng 3.15 Thông số kỹ thuật của Adapter sạc pin Lithium 3 Cell 12.6V
Đặc điểm Giá trị
Điện áp vào 110-240V
Điện áp ra 12.6V
Dòng ra tối đa 2A
Jack sử dụng Jack nguồn DC 5.5x2.5mm
3.2.8.4 Mạch ổn áp 5V 7805
Vì cơng suất của mạch PAM8403 là lớn (6W) nên không thể dùng nguồn nuôi 5V của Arduino vì gây nên sự sụt giảm điện áp. Nhóm quyết định cấp nguồn cho mạch PAM8403 bằng mạch ổn áp 5V. Ngoài ra, mạch ổn áp 5V 7805 còn cung cấp điện áp hoạt động cho Module Relay 4 kênh.
64
Mạch có cấu tạo chính dựa trên IC 7805, là IC ổn áp có điện áp ra 5V. Ngồi ra mạch cịn có thêm các linh kiện như tụ điện và IC chỉnh lưu dành cho trường hợp điện áp vào là dịng xoay chiều. Ngồi ra cịn có thêm tản nhiệt cho IC 7805 cho trường hợp khi IC hoạt động với công suất cao, cần được giải nhiệt và các Domino cho phép người dùng nối dây vào.
Được thiết kế nhỏ gọn, đơn giản, hoạt động ổn định, đáp ứng cơng suất lớn liên tục.
Hình 3.31 Kích thước của mạch ổn áp 5V 7805 Bảng 3.16 Thông số giá trị của mạch ổn áp 5V 7805 Bảng 3.16 Thông số giá trị của mạch ổn áp 5V 7805
Đặc điểm Giá trị
Điện áp vào DC: 12-24 (V) – AC: 12-18(V)
Điện áp ra 5V
Dòng ra tối đa 1.5A
Trở kháng đầu ra 15mΩ
3.2.8.5 Tính tốn cơng suất của cả hệ thống
Hệ thống của nhóm là một hệ thống phức tạp, nhiều Module, mạch ổn áp và các đèn báo, nên việc tính tốn cơng suất là phần quan trọng để chắc chắn rằng nguồn năng lượng từ khối pin 3s1p đủ công suất cho hệ thống hoạt động.
Với cơng thức tính cơng suất:
P=U*I (W) (3.1)
Trong đó: P là công suất (W) U là điện áp (V)
I là cường độ dòng điện (A)
Dựa vào bảng giá trị ở trên, ta thấy các thiết bị trong mạch hoạt động ở cả 2 điện áp là 5V và 12V và có dịng tiêu thụ khác nhau. Ta dùng cơng thức 3.1 để tính cơng suất tiêu thụ của hệ thống.
65 Thiết bị Điện áp (đơn vị: V) Cường độ dịng điện (A) Cơng suất (đơn vị W)
Arduino Mega 2560 5V 0.0005A 0.0025W
Cảm biến đo nhiệt độ không
chạm GY-906 5V 0.002A 0.01W
Module SD card 5V 0.1A 0.5W
Cảm biến đo nhịp tim, SPO2 5V 0.0012A 0.006W
Module Bluetooth HC-05 5V 0.03A 0.15W
Mạch khuếch đại âm thanh
PAM 8403 5V 1.2A 6W
Module Relay 4 kênh 5V 0.2A 1W
Đèn quang báo 12V 0.02A 0.24W
Bơm phun sát khuẩn 12V 0.3A 3.6W
Đèn báo hệ thống hoạt động 12V 0.05A 0.6W
Màn hình LCD 5V 0.0015A 0.0075W
Tổng công suất: 12.116W
Chọn bộ nguồn gồm 3 Pin Cell 18650 2500mAh 3.7 V. Nối tiếp 2 pin ta có điện áp là 11.1 V và dịng điện là 2.5 A. Dựa vào cơng thức 3.1 ta tính được cơng suất tối đa pin cấp được là:
P Pin = 11.1 * 2.5 = 27.75 W
Ta thấy công suất tối đa pin cấu được là 27.75W lớn hơn so với tồn mạch là 12.116W nên có thể sử dụng khối pin 3s1p này để làm nguồn cho toàn bộ hệ thống.
66
3.2.9 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
67
CHƯƠNG 4 : THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 Giới thiệu
Mơ hình bao gồm 3 phần thi cơng: phần cứng, phần mềm và ứng dụng Android - Phần cứng: Bao gồm 1 mạch PCB, module Relay rời và module ổn áp 5V, tiến hành sắp xếp các linh kiện điện tử lên board mạch đã thiết kế, liên kết các khối với vi điều khiển bằng dây điện.
- Phần mềm: Được chia làm 2 phần nhỏ: Xây dựng giải thuật và thiết kế chương trình cho hệ thống. Chương trình được viết dựa vào nguyên lý hoạt động của hệ thống từ khi cấp nguồn cho đến khi hệ thống ngừng hoạt động, áp dụng được giải thuật điều khiển một cách tối ưu nhất
- Ứng dụng Android: Xây dựng ứng dụng để hiển thị các kết quả đo đã nêu trong đề tài
4.2 Thi công hệ thống
4.2.1 Thi công mạch in
Các module, header được tích hợp trên một board đồng, một module relay rời và một module ổn áp 5V.
Mạch bao gồm: header cắm Arduino Mega 2560; 1 header 8 chân để nối với bàn phím ma trận; 2 header 4 chân để nối với cảm biến đo nhiệt độ không chạm MLX90614 và Module Bluetooth HC-05; 1 header 7 chân để nối với cảm biến đo nhịp tim và SPO2 MAX30100; 1 header 6 chân để nối với Module SD card;2 header 3 chân để nối với hai cảm biến nhận diện kích hoạt đo nhịp tim, SPO2 và đo nhiệt độ, rửa tay sát khuẩn; ngồi ra cịn có domino lấy tín hiệu ra khối âm thanh.
Các bước tạo được bản mạch in: in mạch, chuyển mực in lên mạch, rửa mạch, khoang lỗ gắn linh kiện lên mạch. Giấy in phải là loại giấy bóng trơn và chịu nhiệt. Mực in là loại nhiệt laser để chuyển được từ giấy in sang mạch in khi ủi mạch ở nhiệt độ cao. Board đồng là loại board làm bằng vật liệu cách điện và chịu nhiệt.
Tùy vào nhu cầu sử dụng mà tấm board đồng có thể được in 1 mặt hoặc 2 mặt. Các hình dưới thể hiện sơ đồ nối dây, ảnh 3D của mạch in, mạch in ra giấy, mạch in sau khi ủi và sau khi hàn linh kiện
68
• Sơ đồ mạch in
Hình 4.1 Sơ đồ đi dây mạch in
• Sơ đồ 3D
69
• Mạch in trên giấy
Hình 4.3 Mạch in trên giấy
Quy trình làm mạch, lắp ráp và kiểm tra:
- Bước 1: Dùng giấy nhám chà sơ qua mạch in để có độ ma sát, rửa board đồng sạch sẽ bằng nước rửa mạch, sau đó tiến hành ủi mạch in.
- Bước 2: Kiểm tra kết nối giữa các linh kiện với nguồn
- Bước 3: Tiến hành khoan mạch gắn các dây bus và hàn mạch.
- Bước 4: Sau khi việc hàn mạch được hoàn tất, tiến hành gắn linh kiện vào mạch và kiểm tra lại mạch.
- Bước 5: Cấp nguồn cho Arduino, các module và cảm biến hoạt động. - Bước 6: Tiến hành nạp chương trình và kiểm tra hoạt động.
70
Bảng 4.1 Danh sách các dụng cụ cần để thi cơng mạch
STT Tên Số lượng Chú thích
1 Bảng vẽ PCB 1 mặt 1 Xuất file PDF 1 mạch
2 Board đồng 1 Kích thước: 13x12cm
3 Bàn ủi 1
4 Axit rửa mạch 1 Pha đều tỉ lệ 2 chai (H202 và HCl)
5 Bộ khoan tay 1
6 Giấy nhám 1 Có thể thay bằng bùi nhùi thép
7 Que hàn - chì 1
8 Khây rửa mạch 1 Có thể tận dụng thâu nhựa.
9 Bút lông 1 Vẽ lại đường dây khi bị đứt.
Bảng 4.2 Danh sách các linh kiện, module, cảm biến sử dụng trong hệ thống
STT Tên linh kiện Số lượng
1 Arduino Mega 2560 1
2 LCD I2C 20x4 1
3 Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc MLX 90614 1 4 Cảm biến đo nhịp tim và SPO2 MAX30100 1
5 Module Bluetooth HC-05 1
6 Mạch khuếch đại âm thanh PAM 8403 1
7 Loa 3w 2 8 Đèn thông báo 3 9 Đèn nguồn 1 10 Công tắc 2 11 Jack cắm DC đực 2 12 Jack cắm DC cái 2 13 Module ổn áp 7805 5V 1 14 Bàn phím ma trận 4x4 1 15 Đồng hồ báo điện áp 1 16 Nút nhấn giữ 1 17 Domino 2 1 18 Tụ điện 10uF 1
71
• Mặt dưới board mạch đã được rửa, khoang và hàn linh kiện
Hình 4.4 Mặt dưới board mạch
• Mặt trên board mạch đã được hàn
72
• Board mạch sau khi lắp Arduino và hàn các Jumper
73
4.2.2 Đóng gói và thi cơng mơ hình 4.2.2.1 Thi cơng hộp đựng 4.2.2.1 Thi công hộp đựng
Sau khi kiểm tra mạch hoạt động tốt, nhóm tiến hành thi cơng hộp đựng để đóng thành mơ hình. Hệ thống được thiết kế nhỏ gọn, thuận tiện duy chuyển. Phần mạch điện sau khi thi cơng sẽ được đóng gói.
Hộp đựng thiết kế theo dạng hình hộp chữ nhật, có kích thước dài x rộng x cao lần lượt là 19 x 18 x 24.5 (cm). Với chất liệu chính là bìa Formex 5mm và 3mm, kết hợp với vật liệu kết dính là keo 502 và keo nến. Mặt trước của mơ hình là nơi để đo nhịp tim, nồng độ SPO2 và khay để đo nhiệt độ, rửa tay sát khuẩn. Mặt trên của mơ hình là bảng điều khiển trung tâm, là nơi để thao tác thay đổi các giá trị cảnh báo, công tắc bật tắt hệ thống, đèn báo trạng thái hoạt động của hệ thống và đèn nguồn. Ngồi ra cịn có màn hình LCD để hiển thị kết quả đo đạt và trạng thái cảnh báo. Mặt sau là nơi cắm sạc cho cả hệ thống, kèm với đó là cơng tắt cho phép hệ thống sử dụng nguồn ngoài. Mặt bên phải là đồng hồ báo điện áp của hệ thống, và cơng tắt bơm chủ động.
Dưới đây là các hình ảnh của hộp đựng:
74
Hình 4.8 Mặt trái và phải của hệ thống
Bên trong mơ hình là hộp để pin, board mạch chính, các module, cảm biến được kết nối với nhau bằng dây bus. Với màn hình LCD, bàn phím ma trận, đèn thơng báo trạng thái hoạt độg, công tắc nguồn và đèn báo nguồn hệ thống.
75
76
4.2.2.2 Bảng điều khiển trung tâm
Hình 4.11 Mặt trên – bảng điều khiển trung tâm
Bảng điều khiển trung tâm có các chức năng chính: LCD hiển thị lời chào, kết quả sau khi đo của nhịp tim, SPO2, nhiệt độ, các giá trị chỉnh sửa. Loa phát cảnh báo sau khi đo đạt các giá trị. Các đèn quang báo thể hiện rõ các trạng thái của hệ thống khi hoạt động. Ngồi ra cịn có bàn phím để thay đổi giá trị cảnh báo, cơng tắc của tồn hệ thống và đèn báo hiệu hệ thống hoạt động. Volume để thay đổi âm lượng của loa.
77
78
4.2.2.3 Thi công hộp đựng cảm biến đo nhịp tim và SPO2
Hình 4.13 Hộp đựng cảm biến đo nhịp tim và SPO2
Nơi đo nhịp tim và SPO2 được thiết kế sao cho đầu cảm biến tiếp xúc nhất với bộ phận cơ thể được đo, ở đây là ngón tay.
79
4.2.2.4 Thiết kế nơi đo nhiệt độ và rửa tay sát khuẩn
Hình 4.15 Bố trí đặt cảm biến đo nhiệt độ, vịi phun sát khuẩn và bơm
80
Hệ thống được thiết kế sao cho mọi quá trình hoạt động đều tự động, hạn chế các nút nhấn vật lý thao tác. Vì vậy khi rửa tay sát khuẩn và đo nhiệt độ, ta cần cho tay vào đúng vị trí để cảm biến có thể nhận diện được tay và tiến hành đo phun sát khuẩn và đo nhiệt độ. Hình dưới thể hiện cách để đo có kết quả chính xác nhất.
Hình 4.17 Cách dặt tay để có kết quả đo nhiệt độ chính xác nhất
4.3 Lập trình hệ thống
Thiết bị có 4 chức năng chính: đo nhiệt độ, nhịp tim và SPO2 và thông báo kết quả; thay đổi thông số và cảnh báo nếu vượt qua thông số đã cài đặt; phun sát khuẩn và gửi kết quả qua ứng dụng Android qua Bluetooth. Khi nhấn nút nguồn, thiết bị sẽ khởi động, hiển thị giao diện khởi động và phát âm thanh thông báo. Hệ thống có thể được vận hành theo 2 cách sau:
- Cách 1: Khi đưa tay vào hộp đo nhịp tim, SPO2, hệ thống sẽ đo và gửi kết quả ra LCD, đồng thời loa sẽ đọc kết quả và đưa ra cnahr báo theo số liệu đã cài đặt sẵn.
- Cách 2: Thao tác thay đổi giá trị số liệu mặc định từ phím ma trận. Sau đó trở về màn hình chính và thực hiện như cách 1. Lúc này thông báo cảnh báo sẽ dựa theo số liệu mà ta đã thay đổi từ phím ma trận.
Sau khi đo nhịp tim và SPO2, ta đưa tay xuống khay dưới để đo nhiệt độ cơ thể và phun sát khuẩn, cảm biến sẽ nhận diện và phun ra cồn theo thời gian phun đã đặc sẵn tối ưu theo hệ thống.
81
4.3.1 Lưu đồ giải thuật
4.3.1.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính
Hình 4.18 Lưu đồ giải thuật chương trình chính
Giải thích lưu đồ: Q trình bắt đầu với việc khai báo thư viện, các biến sử dụng và khởi tạo các giao tiếp với vi điều khiển. Thiết bị sau khi khởi động sẽ hiển thị lên màn hình giao diện chính. Ta sẽ chọn cách thức hoạt động thơng qua phím nhấn ma trận. Sau đó khi cảm biến đọc được các giá trị thích hợp, hệ thống sẽ tiến hành đo đạt và sau đó in kết quả ra màn hình và âm thanh thơng báo. Sau đó để rửa tay sát khuẩn, thao tác tương tự như khi đo, cảm biến đọc giá trị, vi điều khiển kích hoặc relay để tiến hành bơm dung dịch sát khuẩn. Kết quả đo đạt được sẽ được gửi qua Bluetooth cho ứng dụng Android.
82
4.3.1.2 Lưu đồ chọn hương trình chọn chế độ sử dụng qua phím ma trận ma trận
Hình 4.19 Lưu đồ chọn hương trình chọn chế độ sử dụng qua phím ma trận
Giải thích lưu đồ: Chương trình chọn chế độ sử dụng theo các bước sau: - Sau khi khởi động, hệ thống tiến vào hiển thị giao diện chính
- Nếu có nhấn phím ma trận, hệ thống sẽ vào chương trình xử lý phím ma trận để tiến hành thay đổi các thông số so với mặc định
- Nhận được tín hiệu từ cảm biến, hệ thống sẽ tiến hành đo nhiệt độ, sau đó sẽ tiến hành đo nhịp tim và nồng độ SPO2
- Sau khi đo đạt, hệ thống sẽ gửi dữ liệu đo được cho ứng dụng Android trên điện thoại qua Bluetooth
83
4.3.1.3 Lưu đồ chương trình xử lý phím nhấn ma trận
Hình 4.20 Lưu đồ chương trình xử lý phím nhấn ma trận
Giải thích lưu đồ: Chương trình Chức năng xử lý phím ma trận sẽ có 4 giao diện màn hình chính:
- Khi khởi động hoặc khơng nhấn phím nào cả, hệ thống sẽ hiển thị giao diện