f. Thiết kế khối nguồn
Để thiết kế được khối nguồn, nhóm tiến hành liệt kê các bảng tính tốn dịng điện và các cấp điện áp sử dụng trong mạch được trình bày trong bảng 3.1
Bảng 3.1. Dịng và áp của các linh kiện được sử dụng trong hệ thống.
STT Tên linh kiện Điện áp (V) Dòng tiêu thụ (mA) Số lượng 1 ESP8266 NodeMCU 5 <170 1 2 LCD 5 120 1
3 Module I2C kết nối LCD
5 160 1
4 Module sim 800A 5 2000 1
5 LED 1.2 15 21
6 Buzzer 5 20 1
7 IC 74HC595 2 – 6 6 (khi cấp nguồn 5V) 3
Itổng= 170mA + 120mA + 160mA + 2A + (15mA x 21) + 20mA + (6mA x 3) + (4mA x 3) = 2,815A = ~2.8A
Tính tốn cơng suất tồn mạch và lựa chọn nguồn an tồn. Cơng thức tính cơng suất 1 chiều như sau: P = U × I (W) (3.3) Trong đó :
P: cơng suất cần tính tốn (W) U: hiệu điện thế (V)
I: cường độ dòng điện (A)
Cơng suất tồn mạch theo cơng thức 3.3, tính tốn như sau :
ƩP = U × I = (170 + 120 + 160)×10−3 ×5 + 2×5 + 15 x10−3 ×1,2 + 20×5×10−3 + (4+6) × 10−3 ×5= 12, 418 (W).
Dựa trên cơng suất tổng đã tính tốn được ta có thể thiết kế khối nguồn hoặc lựa chọn nguồn cung cấp cho phù hợp. Công suất nguồn phải lớn hơn 12, 418 (W) và dòng điện tổng của nguồn lớn hơn 2.8A. Để đảm bảo an tồn khi sử dụng có thể sử dụng Adapter 12 W (5V – 3A) cung cấp nguồn cho toàn mạch.
Ghi chú: Các adapter có sẵn trên thị trường đa số đều khơng cung cấp được đầy đủ dịng điện như cơng bố. Việc chọn adapter có dịng điện cung cấp tối đa cao hơn tính tốn là cần thiết.
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch
Dựa vào những tính tốn và thiết kế trên, nhóm vẽ được sơ đồ nguyên lý toàn mạch được như hình 3.7.
Nguyên lý hoạt động:
Khi cấp nguồn cho các khối hoạt động, vi điều khiển sẽ nhận được dữ liệu từ Firebase do App Android (hoặc Web - server) gửi lên, sẽ lập tức gửi tín hiệu đến các chân led và buzzer. Dữ liệu nhận từ Firebase được đem đi so sánh với thời gian thực, nếu chúng bằng nhau thì ESP8266 đưa tín hiệu chân led và buzzer lên mức HIGH. Lúc này, tùy vào bộ truyền động của công tắc hành trình tác động lên tiếp điểm, sẽ tạo hoặc ngắt kết nối giữa các chân NC và C. Tiếp đó, modulse ESP8266 sẽ kích hoạt modulse sim để gửi tin nhắn trong trường hợp cần thiết. Đối với app Android và web, khi nhận được thao tác điều khiển, sẽ gửi dữ liệu lên Firebase và truyền xuống cho vi điều khiển thông qua kết nối wifi mặc định.
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
3.2.4 Tính tốn và thiết kế mơ hình
a. Thiết kế hộp nhựa phân chia thuốc
Mơ hình hộp thuốc được thiết kế bắt đầu từ việc lựa chọn hộp nhựa chứa thuốc. Với ý tưởng hộp thuốc có thể chứa đến 7 ngày thuốc/tuần và tối đa uống thuốc 3 lần/ngày là sáng, trưa, chiều. Mỗi buổi chia thành 7 hộp nhỏ tương ứng 7 ngày trong tuần nên hộp thuốc có tổng cộng là 3 hộp đựng thuốc với 21 hộp nhỏ. Thơng qua q trình tìm kiếm, nhóm đã chọn được hộp đựng thuốc của hệ thống Daiso Japan đáp ứng được yêu cầu đặt ra của nhóm được thể hiện ở hình 3.8 với kích thước tổng là 18.7x4.1x3cm và kích thước của từng hộp thuốc là 2.5x3.5x2.5cm.
Hình 3.8. Hộp đựng thuốc b. Thiết kế vỏ ngoài hộp thuốc b. Thiết kế vỏ ngoài hộp thuốc
Qua những số liệu của hộp thuốc và xem xét, tính tốn, cách bố trí linh kiện bên trong hộp, nhóm lựa chọn kích thước vỏ ngồi là 330 x 258 x 120mm. Vỏ ngồi hộp thuốc có dạng bậc thang chia thành 3 tầng để dễ phân biệt các
buổi cũng như thuận tiện cho việc đóng mở nắp hộp đựng thuốc, khơng gây vướng bởi các led và hộp phân chia thuốc bên cạnh nhau.
Phía trên các khay có gắn buzzer và màn hình LCD.
Hộp thuốc phân thành 3 khay để chứa từng hộp đựng thuốc ứng 3 buổi và giữa các tầng được ngăn cách với nhau qua một thanh led, trên thanh led này có gắn các led tương ứng với mỗi hộp.
Không gian bên trong để chứa mạch điện và mặt sau của hộp có thiết kế lỗ để có thể nối dây ra cắm nguồn điện.
Dựa vào các yêu cầu trên, nhóm tiến hành thiết kế mơ hình bằng phần mềm SolidWorks như hình 3.9, ta thấy được các mặt của hộp thuốc như (a) là mặt bên trái, (b) mặt bên phải, (c) là mặt trước và (d) là mặt sau của mơ hình.
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.9. Mơ hình hộp thuốc
Cấu tạo của hộp thuốc gồm các phần được trình bày như hình 3.10 gồm có màn hình LCD và buzzer (1) được đặt ở vị trị cao nhất của hộp thuốc giúp người sử dụng có thể dễ quan sát và âm thanh phát ra vang hơn. Các dãy led được nhóm gắn lên các thanh với các màu khác nhau (4) giúp dễ dàng phân biệt theo các buổi sáng, trưa và chiều. Không chỉ thế, các đèn led cảnh báo tại chỗ được nhóm sử dụng là led màu đỏ - màu “cảnh báo nguy hiểm” giúp tăng sự chú ý và được gắn tương ứng với mỗi vị trí của từng ngăn để người sử dụng có thể xác định vị trí của ngăn đựng thuốc cần uống. Hộp thuốc gồm có 3 hộp đựng thuốc (3), mỗi hộp đựng thuốc được chia ra 7 hộp nhỏ ứng với 7 ngày trong tuần và sau mỗi hộp nhỏ có chừa khoảng trống để gắn thêm các cơng tắc hành trình (2), có chức năng kiểm tra trạng thái đóng, mở nắp của từng hộp. Từ đó có thể đưa ra các tín hiệu cảnh báo tại chỗ cho người bệnh. Trong thời gian kiểm tra hẹn giờ, nếu người bệnh quên uống thuốc hoặc mở nhầm hộp sẽ đưa ra tín hiệu cảnh báo như bật chng báo thêm lần nữa và trường hợp người uống quên uống thuốc thì hệ thống sẽ gửi tin nhắn cảnh báo cho người thân.
Hình 3.10. Cấu tạo của hộp thuốc
c. Thiết kế bộ phận kiểm tra phát hiện đóng mở hộp thuốc
Mỗi khay có kích thước 250 x 61mm với độ dày là 4mm chứa hộp đựng thuốc 7 ngày và khoảng trống còn lại để chứa bộ phận kiểm tra phát hiện đóng mở hộp thuốc dùng cơng tắc hành trình. Khi có tác động từ nắp hộp thuốc vào cơng tắc hành trình làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bên trong cơng tắc hành trình. Nếu khơng có tác động sẽ trở về vị trí ban đầu.
3.2.5 Thiết kế app android
Yêu cầu đặt ra là thiết kế giao diện trực quan, dễ sử dụng và có mật khẩu đăng nhập và gồm ba màn hình:
Màn hình đầu tiên để hiển thị thông tin đề tài tốt nghiệp và nhập mật khẩu đăng nhập để được vào phần cài đặt thời gian.
Màn hình thứ hai để cài đặt thời gian hẹn giờ uống thuốc theo ý người dùng. Màn hình cuối cùng để đổi mật khẩu đăng nhập khi vào app.
3.2.6 Thiết kế web
Yêu cầu đặt ra của trang web nhóm thiết kế trong đề tài này gồm:
Trang giới thiệu hiển thị các thông tin về đề tài tốt nghiệp, tên giảng viên hướng dẫn, tên nhóm sinh viên thực hiện và nút đăng nhập.
Trang web quản lý hộp thuốc bao gồm các nút SET, ON, OFF và khung để điền thời gian cài đặt như giờ và phút.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 23
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 GIỚI THIỆU
Chương này trình bày q trình thi cơng PCB, tiến hành lắp ráp đến kiểm tra mạch, thiết kế App và Web, lập trình cho tồn bộ hệ thống và viết hướng dẫn sử dụng thiết bị. Bên cạnh đó, trình bày hình vẽ được chụp từ mơ hình thực tế của hệ thống sau q trình thi cơng.
4.2 THI CƠNG HỆ THỐNG 4.2.1 Thi cơng board mạch 4.2.1 Thi công board mạch
a. Mạch điều khiển trung tâm
Sơ đồ mạch in của board điều khiển trung tâm được đi dây với kích thước từ T40 đến T50 tùy thuộc vào đường đi với các lỗ cắm được nhóm tăng kích thước chân cắm lên thành C-90-50. Để có thể dễ hình dung mạch, nhóm tạo sơ đồ mơ phỏng 3D cách bố trí linh kiện mạch điều khiển trung tâm như hình 4.1.
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển b. Mạch kiểm tra b. Mạch kiểm tra
Vì khả năng vẽ PCB và sắp xếp linh kiện còn hạn chế nên nhóm đã tách phần mạch kiểm tra thành một mạch riêng mà vẫn đẩm bảo kết nối được với mạch điều khiển trung tâm bằng các dây nối để đảm bảo đúng sơ đồ nguyên lý toàn mạch.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 24 Sơ đồ mạch in cho board kiểm tra chứa cổng kết nối với board mạch chính, sử dụng hàng rào đực để tạo các chân kết nối với các cơng tắc hành trình. Các đường dây đều được đi với tỉ lệ dây là T50. Sơ đồ mô phỏng 3D bố trí linh kiện mạch kiểm tra như hình 4.2.
Hình 4.2. Sơ đồ bố trí linh kiện mạch kiểm tra
Nhóm tiến hành các bước thi công board mạch:
Bước 1: Dùng giấy nhám hoặc bùi nhùi làm nhám mặt board đồng để mực dễ dính vào board đồng.
Bước 2: In mạch vào giấy in chuyên dụng
Bước 3: Cắt board đồng vừa với mạch in áp vào mặt có mực in của giấy
Bước 4: Để bàn ủi ở chế độ nóng nhất rồi ủi lên mặt sau của tờ giấy in cho đến khi mực in thấm ra mặt sau của giấy thì dừng. (Lưu ý: tránh trường hợp ủi quá lâu sẽ làm hỏng mạch).
Bước 5: Sau khi ủi mạch để cho mạch nguội từ 2-3 phút rồi bóc lớp giấy in ra một cách nhẹ nhàng để tránh bị đứt các đường mạch. Nếu đường mạch bị đứt, dùng bút vẽ mạch để vẽ lại những đường này.
Bước 6: Ngâm mạch với thuốc rửa (axit) cho đến khi lớp đồng còn lại bị mất hết.
Bước 7: Sau khi rửa sạch lớp mực, ta được board mạch hoàn chỉnh.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 25 Bước 9: Dùng VOM đo xem đường mạch có thơng nhau hay khơng, nếu có lỗi thì hàn lại cho thơng mạch. Danh sách các linh kiện sử dụng được liệt kê trong bảng 4.1 cụ thể như sau:
Bảng 4.1. Dòng và áp của các linh kiện được sử dụng trong hệ thống.
STT Tên linh kiện Giá trị Số lượng
Chú thích
1 Module nguồn 5V - 3A 1 Adapter
2 ESP8266 NodeMCU 3.3V 1 Wifi
3 LCD 5V 1 16x2
4 Module I2C 5V 1
5 Jack DC 5V 1 Jack nguồn
6 Led 2.4V 21 7 Buzzer 5V 1 8 Điện trở 330Ω 24 9 Điện trở thanh 10kΩ 3 10 IC 74HC595 2V - 6V 3 11 IC 74HC165 2V - 6V 3 12 Module sim 5V - 2A 1
13 Transistor C1815 1 Khuếch đại
âm thanh cho buzzer. 14 Hàng rào đực đơn 15 Domino 2 1 16 Domino 4 1 17 Cơng tắc hành trình 21
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 26
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
Sau khi hoàn thành phần mạch in nhóm tiến hành khoan lỗ và lắp linh kiện để hàn. Các mũi khoan cần dùng: mũi 0.8 ly dùng để khoan trở và IC, mũi 1 ly dùng để khoan lỗ Jump, mũi 3 ly dùng để khoan lỗ bắt ốc. Khi nhóm thu được mạch hoàn thiện gồm mạch kiểm tra (hình 4.3a) và mạch điều khiển (hình 4.3b) và tiến hành kiểm tra chân nguồn, chân điều khiển xem mạch có bị đứt hay chập mạch hay không bằng đồng hồ VOM. Chú ý quan sát kĩ các đường mạch có bị sát vào nhau hay khơng, nếu có thì dùng mũi khoan cỡ 0.8 ly tách nhẹ đường mạch bị sát vào nhau. Kiểm tra nếu có bị đứt dây thì ta dùng dây điện nối lại.
(a) (b)
Hình 4.3. Mạch sau khi hồn thiện
4.3 ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển
Đối với mạch điện của hộp thuốc thông minh được đặt ở không gian bên trong hộp thuốc, nằm trên mặt đáy để thuận tiện cho việc đi dây và tăng tính thẩm mĩ của hộp thuốc như hình 4.4 gồm mặt đáy được đánh số thứ tự là 1, phần trên được đánh số thứ tự 2 và 3 lần lượt là mạch điều khiển trung tâm và mạch kiểm tra .
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 27
Hình 4.4. Mạch điều khiển trên thực tế
4.3.2 Thi cơng mơ hình
Phương án ban đầu nhóm dự tính thi cơng cho mơ hình hộp thuốc là làm từ bìa cứng hoặc in 3D nhưng cả hai đều có những khuyết điểm khác nhau. Bìa cứng có ưu điểm là mỏng, nhẹ, dễ cắt ghép tuy nhiên khi có lực tác động lớn vào thì dễ bị biến dạng, độ bền khơng ổn định. In 3D có ưu điểm là mơ hình khi in ra có trọng lượng nhẹ, giá thành rẻ nhưng gặp khó khăn khi kết nối các phần trong mơ hình với nhau. Do đó, nhóm lựa chọn phương pháp thi cơng mơ hình bằng mica có độ dày 4mm để đảm bảo sự chắc chắn cũng như dễ lắp ráp. Chi tiết các vật liệu cần sử dụng được liệt kê trong bảng 4.2.
Bảng 4.2. Danh sách các vật liệu chuẩn bị để thi công.
STT Tên Số lượng Chú thích
1 Ốc, tang 60 M3
2 Ke góc 16 In 3D
3 Nhựa in 3D 1 cuộn
4 Mica Độ dày 4mm
Để lắp ráp mơ hình cần chuẩn bị thêm một số dụng cụ như bộ khoan tay, bộ lục giác, kéo, keo dán, dao rọc giấy. Sau đó tiến hành lắp ráp mơ hình theo trình tự sau:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 28 Bước 1: Xuất file bản vẽ các phần đã thiết kế dưới dạng *.dxf để phù hợp với máy gia công mica.
Bước 2: Thay đổi dáng của bộ phận truyền động của cơng tắc hành trình. Do các cơng tắc hành trình có bộ phận tiếp xúc là một thanh thép mỏng và dài nên khi muốn tác động thì nắp hộp phải được mở với góc > 1350 nên nhóm quyết định thay đổi dáng của thanh thép đó như hình 4.5 dưới đây:
Hình 4.5. Thay đổi dáng của bộ truyền động của cơng tắc hành trình
Sau khi thay đổi dáng của bộ phận tiếp xúc thì góc khi mở nắp hộp để tiếp xúc được tiếp điểm là > 900 từ đó giúp cho việc kiểm tra trạng thái của cơng tắc hành trình được diễn ra nhanh hơn, đáp ứng yêu cầu của hệ thống.
Bước 3: Gắn các cơng tắc hành trình sau mỗi hộp và gắn dây điện cho từng cơng tắc như hình 4.6.
Hình 4.6. Gắn cơng tắc hành trình sau hộp
Bước 4: Gắn hộp đựng thuốc vào khay
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH 29 Thi cơng tương tự cho hai khay đựng thuốc còn lại
4.3.3 Mơ hình hồn thiện
Sau khi hoàn thành các bước thi cơng ở phần trên, nhóm thu được sản phẩm hồn thiện như hình 4.7.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH 30
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 4.4.1 Lưu đồ giải thuật
Hình 4.8. Lưu đồ hoạt động của hộp thuốc
Giải thích lưu đồ hoạt động của tồn hệ thống (hình 4.8):
Khi cấp nguồn cho mạch, vi điều khiển ESP8266 ESP-12E NODEMCU hoạt động và khởi tạo thư viện, các biến, cấu hình cho các chân sử dụng, thiết lập kết nối đến wifi chỉ định và database firebase.
Tiếp theo kiểm tra kết nối Wifi, nếu có kết nối thì sẽ đọc giá trị thời gian thực và đọc dữ liệu trên database Firebase.
Sau khi nhận giá trị từ Firebase, ESP8266 tiến hành xử lý giá trị nhận được. Việc kiểm tra hẹn giờ bắt đầu khi ESP8266 xử lý xong các giá trị nhận được