Đặc điểm Giá trị
IC so sánh LM393
Điện áp hoạt động 3.3V tới 6V (DC)
Dòng điện tiêu thụ 23mA tại 3.3V hoặc 43mA tại 5V
Góc hoạt động 35º
Khoảng cách phát hiện 2 tới 30 cm
Mức Logic gõ ra Mức thấp (0V) khi có vật cản, mức cao (5V) khi khơng có vật cản
Kích thước 3.2 x 1.4 (cm)
3.2.4 Khối nút nhấn
3.2.4.1 Bàn phím ma trận
Có chức năng thay đổi các thơng số đặt của hệ thống, ở đây là nhiệt độ cảnh báo, nhịp tim và nồng độ SpO2. Khi thay đổi thông số này, hệ thống sẽ ghi nhận và tiến hành đo đạc bình thường, khi thơng số q khả năng cho phép, thì sẽ có thay đổi thích hợp ở khối âm thanh
Hình 3.10 Bàn phím ma trận 4x4
Bàn phím ma trận 4x4 làm bằng nhựa cứng, giá thành rẻ, độ hồn thiện ổn, thích hợp trong đời sống con người trong các dự án như: mã PIN để mở khóa, hệ thống Access Control, hệ thống khóa bảo mật hay các dự án cần thay đổi giá trị bằng bàn phím.
50
Bảng 3.6 Thơng số kỹ thuật của bàn phím ma trận 4x4
Đặc điểm Giá trị
Điện áp hoạt động 3V – 5V (DC)
Kích thước bàn phím 65 x 64 x 9 (mm) (dài x rộng x cao)
Trọng lượng 21g
Chất lượng bàn phím Nhựa cứng Nhiệt độ hoạt động 0 ºC - 70ºC
Số phím 16
Số ngõ ra 8
Hình 3.11 Sơ đồ nối dây của bàn phím ma trận 4x4
Kết nối giữa bàn phím ma trận với khối điều khiển trung tâm:
- Chân R1 R2 R3 R4 C1 C2 C3 C4 lần lượt kết nối với chân D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 của Arduino.
3.2.5 Khối động cơ và quang báo 3.2.5.1 Khối quang báo 3.2.5.1 Khối quang báo
Có chức năng thơng báo trạng thái hoạt động của hệ thống cho người dùng, gồm 3 đèn báo có 3 màu: đỏ, vàng, xanh.
Trạng thái hoạt động của mỗi đèn như sau:
- Đèn đỏ: thông báo cho người dùng rằng hệ thống đã sẵn sàng hoạt động, chờ người dùng tới thao tác,
51
- Đèn vàng: cho biết hệ thống đang trong tiến trình hoạt động, khi đèn vàng sáng, hệ thống đang tiến hành đo nhịp tim, SPO2 hay đang chờ để rửa tay sát khuẩn.
- Đèn xanh: cho biết người dùng đã hoàn tất quá trình đo nhịp tim, SPO2, đo nhiệt độ và rửa tay sát khuẩn. Người dùng có thể tiếp tục duy chuyển vào trong.
Hình 3.12 Đèn báo Bảng 3.7 Giá trị của đèn báo Bảng 3.7 Giá trị của đèn báo
Đặc điểm Giá trị
Series đèn và thương hiệu PBT - AD16-22D/S22
Điện áp làm việc 12VDC
Dòng điện tiêu thụ 15mA
Chiều dài 50mm
Đường kính 22mm
3.2.5.2 Bơm
Hình 3.13 Bơm
52
Bảng 3.8 Thông số của bơm
Đặc điểm Giá trị
Model 365 bơm màng micro DC
Điện áp làm việc 12VDC
Dịng điện khơng tải 0.23A Lưu lượng tối đa 2-3l/phút
Áp suất tối đa 1-2.5kg
Lực nâng tối đa 1-2.5m
Số giờ làm việc 2-3 năm
Lực hút tối đa 2m
Đường kính đầu vào 8mm Chiều dài động cơ 32mm Đường kính động cơ 28mm
Chiều dài bơm 36mm
Tổng chiều dài 69mm
Đường kính bơm 40mm x 35mm
Trọng lượng 111g
Bơm được hút nước từ một bình chứa, hoặc chai chứa dung dịch sát khuẩn, ở đây nhóm quyết định chọn dung dịch sát khuẩn là cồn 70 độ. Sau đó được bơm qua dây dẫn là ống nhựa mềm trong suốt và được bơm dưới đầu phun sương.
53
Hình 3.15 Ống nhựa mềm
Hình 3.16 Đầu phun sương kết hợp với dây dẫn
3.2.5.3 Sơ đồ khối của khối động cơ và quang báo
54
3.2.6 Khối âm thanh
3.2.6.1 Module Micro SD card TF SPI
Sơ đồ chân:
Hình 3.18 Sơ đồ chân của Module Micro SD card TF SPI
55
Kết nối giữa Module Micro SD card TF SPI với khối điều khiển trung tâm
và khối nguồn:
- Chân VCC và GND của Module lần lượt kết nối với chân 5V và GND của khối nguồn.
- Chân MISO (Master In Slave Out) kết nối với chân D50 của Arduino - Chân MOSI (Master Out Slave In) kết nối với chân D51 của Arduino - Chân SCK (Serial Clock) kết nối với chân D52 của Arduino
- Chân CS (Chip Select) kết nối với chân D53 của Arduino
Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật của Module Micro SD card TF SPI
Đặc điểm Giá trị
Điện áp hoạt động 5V VDC Dòng điện tiêu thụ
Chuẩn giao tiếp SPI
Định dạng thẻ nhớ hỗ trợ FAT 16, FAT 32
Kích thước 18.5 x 17.5 (mm)
3.2.6.2 Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403
Hình 3.20 Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403
Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403 6W Hifi 2.0 (có chỉnh volume) có tích hợp bộ lọc nhiễu cho tín hiệu tốt hơn, để mạch đủ cơng xuất 3W cho mỗi kênh thì nguồn đầu vào cần phải là 5V – 1.2A, có thể kết nối trực tiếp với loa 4Ω / 8Ω.
56
Mạch sử dụng IC PAM8403 được thiết kế Class-D được tích hợp bộ lọc L-C, module được thiết kế nhỏ gọn giúp thiết kế những ứng dụng nhỏ gọn và có thể mang đi.
Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403 6W Hifi 2.0 (có chỉnh volume) với tổng cơng suất 6W cho 2 ngõ ra và có thể sử dụng với nguồn 5VDC thích hợp cho các ứng dụng khuếch đại âm thanh cần sự nhỏ gọn và sử dụng điện áp thấp (5V).
Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại PAM8403
Bảng 3.10 Thông số kỹ thuật mạch khuếch đại âm thanh PAM 8403
Đặc điểm Giá trị
Điện áp hoạt động 2.5 tới 5V (DC)
Hiệu suất 90%
Chuẩn khuếch đại Class D mang lại âm thanh chất lượng cao và hiệu suất tốt Dòng điện hoạt động Lên đến 1.2A
Công suất tối đa 6W
3.2.6.3 Loa
Loa có chức năng để phát âm thanh cảnh báo và đọc các giá trị đo được ra cho người dùng
57
Hình 3.22 Loa
Bảng 3.11 Thơng số kỹ thuật của loa
Đặc điểm Giá trị
Công suất loa 3W (mỗi loa)
Trở kháng 4 Ω
Tần số phản hồi 170 kHz
Độ nhạy 100 db/W
3.2.6.4 Sơ đồ nguyên lý khối âm thanh
Vì lí do trên, để cho chất lượng âm thanh đầu ra được tốt nhất, sơ đồ nguyên lý ở dưới thể hiện rõ kết nối giữa mạch khuếch đại âm thanh, loa. Được nối với chân tín hiệu ngõ ra âm thanh D6 từ Arduino.
Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý khối âm thanh
3.2.7 Khối giao tiếp
3.2.7.1 Module Bluetooth HC 05
Module Bluetooth thu phát HC-05 dùng để thiết lập kết nối Serial giữa 2 thiết bị bằng sóng bluetooth. Điểm đặc biệt của module bluetooth HC-05 là module có thể hoạt động được ở 2 chế độ: MASTER hoặc SLAVE. Trong khi đó, bluetooth module HC-06 chỉ hoạt động ở chế độ SLAVE.
58
+ Ở chê độ SLAVE: bạn cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb bluetooth để dị tìm module sau đó pair với mã PIN là 1234. Sau khi pair thành cơng, bạn đã có 1 cổng serial từ xa hoạt động ở baud rate 9600.
+ Ở chế độ MASTER: module sẽ tự động dị tìm thiết bị bluetooth khác (1 module bluetooth HC-06, usb bluetooth, bluetooth của laptop…) và tiến hành pair chủ động mà khơng cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone.
Module Bluetooth thu phát HC-05 được thiết kế nhỏ gọn ra chân tín hiệu giao tiếp cơ bản và nút bấm để vào chế độ AT COMMAND, mạch được thiết kế để có thể cấp nguồn và giao tiếp qua 3.3VDC hoặc 5VDC, thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau: Robot Bluetooth, điều khiển thiết bị qua Bluetooth, ….
Hình 3.24 Module bluetooth HC-05
Bảng 3.12 Thông số kỹ thuật Module bluetooth HC-05
Đặc điểm Giá trị
Điện áp hoạt động 3.3 – 5V (DC)
Điện áp chân giao tiếp TTL tương thích 3.3V và 5V (DC) Bluetooth Protocol Bluetooth specification v2.0 + EDR
Tần số 2.4 GHz ISM band
Tốc độ đồng bộ 1 Mbps/1 Mbps
Dòng điện khi hoạt động Khi pairing: 30mA, hoạt động bình thường ở 8mA Kích thước 15.2 x 35.7 x 5.6 (mm) (rộng x dài x cao)
Kết nối giữa module Bluetooth HC-05 với khối điều khiển trung tâm
- Chân TX của module được nối với chân RX của Arduino là chân D0 - Chân RX của module được nối với chân TX của Arduino là chân D1
- Chân VCC và GND của cảm biến lần lượt kết nối với chân 5V và GND của khối nguồn.
59
3.2.8 Khối nguồn
Khối nguồn đảm bảo nhiệm vụ quan trọng, đó là cấp nguồn cho cả hệ thống. Đặc biệt hơn, nhóm hướng tới sản phẩm có tính di động cao, nên pin được dùng trong hệ thống. Điều đó làm cho khối nguồn có phần tính tốn phức tạp hơn các khối cịn lại.
3.2.8.1 Pin 18650
Hình 3.25 Pin 18650
Pin 18650 là pin rất đa dạng và có thể tìm thấy ở nhiều nơi. Được ứng dụng trong các khối pin công suất cao như: pin laptop, pin máy khoang, pin xe đạp điện, pin sạc dự phịng, … Kích cỡ nhỏ gọn nhưng dung lượng khá, vì vậy nên tính ứng dụng của loại pin này rất đa dạng. Có thể dùng để thiết kế các khối pin để cung cấp năng lượng cho các hệ thống cá nhân để hệ thống có sự tiện dụng khi vận chuyển.
Bảng 3.13 Thông số kỹ thuật của Pin 18650
Đặc điểm Giá trị
Điện áp hoạt động 3.7 – 4.2 VDC
Dòng điện tối đa 20A
Dung lượng 2500 maH
Nhiệt độ hoạt động tối ưu 10-40ºC Dòng điện sạc tối ưu 500mA – 1A
60
3.2.8.2 Khối pin 3s1p
Tính tiện dụng và tùy biến của pin 18650 (cell pin) rất đa dạng, trong phần này sẽ trình bày rõ hơn về việc ghép nối các cell pin. Việc ghép nối các cell pin để gia tăng dung lượng pin của khối pin. Ở đây chúng ta ghép pin theo phương pháp nối tiếp và song song.
Ta cần hiểu khái niệm pin 3s1p là gì. Ở đây 3s là 3 cell pin nối tiếp nhau. Còn 1p là 3s nối song song với nhau. Vì ở đây chỉ có 1p nên chỉ có 3s được nối. Với trường hợp là khối pin 3s2p, ta có 3 cell nối tiếp nhau được nối song song với 3 cell khác nối tiếp nhau. Đối với trường hợp là khối pin 3s1p, ta có tổng cộng 3 viên cell pin 18650 được dùng.
Ưu điểm của khối pin: ta có thể mở rộng dung lượng của pin 18650 một cách chủ động, phụ thuộc vào dung lượng chúng ta cần để có số lượng cell pin phù hợp.
Nhược điểm: giá thành của pin 18650 khá cao, rơi vào 30.000 – 40.000đ/cell. Vì vậy để có thể đóng 1 khối pin gồm 3 cell thì giá thành khá cao, hơn nữa diện tích và khối lượng của khối pin là đáng kể. Vì vậy cần thiết kế hệ thống sao cho phù hợp nhất.
Hình 3.26 Khối Pin 3S1P
Vì khối pin trên được lắp ráp trên từng cell, nên để sạc, sử dụng và bảo vệ pin ta cần thêm mạch bảo vệ.
61
Hình 3.27 Mạch sạc và bảo vệ pin 3S 20A
Mạch bảo vệ sạc xả Pin Lithium Li-ion 18650 3S 20A 12.6V với dòng bảo vệ lên 20A nên có thể sử dụng cho 3 cell hoặc 6 cell pin 18650 hoặc 26650, dùng ghép các loại pin sạc 12V, dùng sạc các loại pin cho máy khoan, máy bắt vít, máy bơm, pin ghép 12V, pin thiết bị điện tử 12V, các loại pin sạc 12V.
Số cell sử dụng: 3 cell Li-ion hoặc 3 cặp (6 cell) cell Li-ion mắc nối tiếp, thậm chí nhiều hơn nữa (9, 12 cell, …) tùy vào nhu cầu và diện tích vỏ pin mà có thể lắp nhiều cell song song hơn để có cơng suất cũng như dịng tải pin lớn hơn.
Các khuyến nghị cần thiết:
- Đây là mạch sạc và bảo vệ pack pin Li-ion, đa năng, hồn tồn khơng phải mạch pin máy khoan hay của riêng bất kỳ thiết bị nào. Mạch này có thể sử dụng cho nhiều thiết bị dùng pin sạc khác nhau.
- Nếu đóng 3S-1P (3 cell nối tiếp) thì nên chọn cell có dịng xả từ 15C - 20C khi lắp pin máy khoan, bắt vít, máy cưa tải lớn (dịng xả cao).
- Nếu đóng 3S-2P (3 cặp cell nối tiếp - 6 cell) thì nên chọn cell có dịng xả từ 10C - 15C khi lắp pin máy khoan, bắt vít, máy cưa tải lớn (dịng xả cao). - Tuy nhiên nếu chỉ dùng cho máy bắt vít hoặc khoan có cơng suất nhỏ thì có
thể chọn cell có dịng xả 5C - 10C thay thế.
- Các cell (cặp cell) phải đều volt với nhau trước khi lắp vào mạch. - Hàn theo thứ tự từ 0V (B-) 4.2V 8.4V 12.6V (B+).
- Các chân - và + là ngỏ ra Tải và Sạc. Không sử dụng đồng thời ngõ này 2 chức năng cùng lúc. Nghĩa là sạc thì khơng mở máy và nếu mở máy thì rút sạc khỏi mạch pin.
62
Bảng 3.14 Thông số kỹ thuật của mạch sạc pin 3S
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 thơng 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 ni 5V của Arduino vì gây nên sự sụt giảm điện áp. Nhóm quyết định cấp nguồn cho mạch PAM8403 bằng mạch ổn áp 5V. Ngồi ra, mạch ổn áp 5V 7805 cịn 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)