❖ Vật liệu hấp thụ năng lượng mặt trời:
• Ống dẫn hơi: Ống đồng (ống dùng trong máy lạnh) • Ống hấp thụ: Ống chân khơng
Nguyên lý hoạt động:
Đầu tiên nước sẽ đi vào các ống chân khơng. Sau đó, khi có ánh nắng mặt trời lên, các chất liệu hấp thụ nhiệt bên mặt ngoài ống thủy tinh sẽ làm ống thủy tinh nóng lên truyền nhiệt độ cho nước bên trong ống.
Theo nguyên lý đối lưu nhiệt, nước nóng hơn có xu hướng di chuyển lên trên bồn chứa và nước lạnh di chuyển xuống dưới ống chân khơng để được làm nóng. • Máng parabol: Vật liệu sử dụng là tơn lá
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 24
➢ Khối tiệt trùng:
Nhóm lựa chọn nồi áp suất có kích thước đường kính 22cm, cao 27cm, dung tích 6 lít. Vật liệu là nhơm.
Hình 3.5: Khối tiệt trùng bao gồm nồi áp suất, ống dẫn hơi và đồng hồ áp suất,
hộp mạch đo.
d) Mơ hình 3D hồn thiện:
Hình 3.6: Mơ hình hồn thiện được vẽ mô phỏng trên phần mềm Solidworks
Chú thích:
1: Nồi áp suất (dụng cụ tiệt trùng) 5: Bình chứa nước
2: Hộp mạch điện 6: Máng parabol
3: Đồng hồ áp suất 7: Ống năng lượng
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 25
3.2.3 Khối nguồn cung cấp
● Khối nguồn cung cấp có chức năng cung cấp nguồn cho các khối như khối cảm biến, khối vi điều khiển, khối cảnh báo, khối hiển thị.
● Sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời có mức điện áp là 6V và công suất hoạt động là 3W và mạch hạ áp DC có ngõ ra là 5V, dòng 2A, dùng thêm pin sạc dự phòng [33].
Hình 3.7: Pin mặt trời 6V - 3W
● Nhóm sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời 6V vì để tránh tình trạng nắng yếu mức điện áp ra của tấm pin khơng đủ. Ngồi ra, sử dụng pin sạc dự phòng là để tránh khi điện áp ra tấm pin khơng đủ thì có thể sử dụng nguồn từ pin sạc dự phịng có thể cung cấp cho mạch hoạt động không bị gián đoạn trong lúc bị mất nguồn điện đột ngột
➢ Lý do chọn sử dụng pin năng lượng mặt trời:
Để đáp ứng yêu cầu hệ thống hoạt động độc lập và không phụ thuộc vào nguồn điện lưới, đồng thời hệ thống phải có tính di động, linh hoạt trong nhu cầu sử dụng địi hỏi hệ thống phải có nguồn điện cung cấp đầy đủ và liên tục. Pin năng lượng mặt trời đã thỏa mãn những điều kiện, vì vậy nhóm em chọn pin năng lượng mặt trời làm nguồn duy trì cho hệ thống hoạt động.
➢ Lý do chọn nguồn gồm 2 cell pin 18650 mắc song song:
Nhóm dùng 2 cell pin 18650 mắc nối tiếp, ở điều kiện pin đầy cho ra điện áp 8.4V đủ cho hệ thống hoạt động. Trong quá trình hoạt động kéo dài liên tục, điện áp mỗi pin có thể giảm xuống 3.7V thì tổng điện áp còn lại là 7.4V [34]. Với điện áp như vậy vẫn đủ cho hệ thống hoạt động ổn định, cung cấp cho các module cảm biến, mắc nối tiếp, dù điện áp mỗi pin giảm nhưng vẫn đủ điện áp cho hệ thống hoạt động liên tục.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 26
➢ Nguyên lý hoạt động khối nguồn:
Pin năng lượng mặt trời tạo ra điện áp từ 6V – 8.5V tùy thuộc vào điều kiện ánh nắng trong ngày. Nguồn điện này sẽ qua mạch hạ áp giảm xuống điện áp 5V đáp ứng đủ cho mạch sạc với điện áp vào là 5V. Pin sẽ được sạc khi điện áp pin giảm còn 3.7V và sạc đầy pin khi điện áp đủ 4.2V. Nguồn cung cấp cho hệ thống gồm 2 cell pin 18650 mắc song song có điện áp 5V khi pin sạc đầy [33].
Bảng 3.2: Số liệu của pin mặt trời
Thông số Giá trị Đơn vị
Công suất 3 W
Điện áp trung bình 6 V (DC)
Dịng điện tối đa 0.58 mA
Tuổi thọ 30 - 50 năm
Hình 3.8: Sơ đồ kết nối khối nguồn cung cấp
Tính tốn thời gian sử dụng pin: Mạch hoạt động với các linh kiện
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 27
Bảng 3.3: Liệt kê mức dòng điện của các linh kiện
Linh kiện Số lượng Điện áp (V) Dòng điện (mA) Ghi chú
PIC16F887 1 5 25 Led 2 5 10 Buzzer 1 5 20 LCD 20x4 1 5 10 Max6675 1 5 50 Tổng dòng 120
Điệp áp cung cấp cho hoạt động của mạch là: 5V Tính tổng dịng tiêu thụ: 140 mA = 0.12 A.
Tính lượng điện năng tiêu thụ: P = U.I = 5 x 0.12 = 0.6 W.
Khả năng dự trữ điện của 1 cell pin 18650 là 1600 mAh cũng chính là khả năng trữ điện của 2 cell pin 18650 mắc song song. Điện áp 2 cell pin 18650: 5V. Dung lượng sử dụng của 2 cell pin mắc song song: 5 x 1.6 = 8 Wh.
Thời gian sử dụng 2 cell pin: 8 / 0.6 =13h.
3.2.4 Khối cảm biến
• Khối có chức năng đo nhiệt độ bên trong của khối tiệt trùng gửi dữ liệu đến khối vi điều khiển trung tâm xử lý.
• Để chọn được cảm biến phù hợp với yêu cầu đồ án nhóm đã đưa ra các yêu cầu cụ thể: nhiệt độ đo được trong dải nhiệt độ từ 1- 200 độ C, có chiều dài > 20 cm, chất liệu khơng gỉ, có ren bắt vít, vỏ dây điện bền (kim loại).
• Trong số các loại cảm biến có trên thị trường thì cảm biến nhiệt độ Thermocouple RTD K là cảm biến nhóm thấy phù hợp.
Thơng số kỹ thuật:
• Thermocouple RTD K Type Dải đo: 0 ~ 400 ⁰C. • Ren bắt vít: 6mm,8mm,10mm.
• Độ dài: 25cm.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 28
Sơ đồ kết nối cảm biến:
Hình 3.9: Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt độ
• Cảm biến được nối vào 2 điện cực T+, T- của module chuyển đổi Max6675 • Module Max6675 được thiết kế với chuẩn giao tiếp SPI bao gồm các chân SO,
SCK, CS nối với các chân RC0/15, RC1/16, RC2/17 port C của Pic. • Các tụ C1, C2, C3 (1nF) được dùng để lọc nhiễu tín hiệu.
3.2.5 Khối vi điều khiển
Khối vi điều khiển nhóm lựa chọn sử dụng PIC 16F887 để thực hiện điều khiển các khối. Ngồi PIC ra cịn có rất nhiều các vi điều khiển, bộ xử lý khác như Arduino, Arm, Raspberry.. đều là các linh kiện dễ dàng sử dụng và lập trình. Nhưng vì PIC đã được học trong chương trình giảng dạy, có thể mơ phỏng qua phần mềm proteus, được tin tưởng sử dụng với nhiều đồ án và phù hợp với đồ án nên nhóm quyết định chọn PIC.
• Khối vi điều khiển có chức năng: nhận dữ liệu từ khối cảm biến, xử lý dữ liệu sau đó chuyển dữ đến các khối.
• Khối gửi kết quả nhiệt độ đo được đến khối hiển thị.
• Khối nhận biết thời gian sử dụng và nhiệt độ đúng yêu cầu sau đó gửi thơng tin đến khối cảnh báo.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 29
Sơ đồ kết nối của khối vi điều khiển
Hình 3.10: Sơ đồ kết nối của khối vi điều khiển
Bảng 3.4: Các chân kết nối của vi điều khiển
STT Tên chân Kết nối Chức năng
1 RE3 (Chân số 1) Mạch reset Reset lại vi điều khiển.
2 RB1, RB2 (Chân số 34, 35) Các nút nhấn Nút nhấn tăng, giảm phút cài đặt và hiển thị. 3 RA6,RA7 (Chân số14,13) Thạch anh
Tạo xung ngoại cho vi điều khiển
4 RC0, RC1, RC2 (Chân số 15,16,17)
Module chuyển đổi tín hiệu
Khuếch đại tín hiệu sau khi đo được từ cảm biến. 5 RC5 (Chân số 24) Kết nối ic
74HC14 và led
Truyền tín hiệu để led cảnh báo và loa hoạt động 6 RE0, RE1, RE2, Port D Kết nối với LCD
20X4
Truyền dữ liệu hiển thị giữa lcd và vi điều khiển
3.2.6 Khối hiển thị
Khối hiển thị các chỉ số nhiệt độ, thông tin từ khối vi điều khiển gửi đến. Sử dụng LCD 20x4 để hiển thị.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 30
Sơ đồ kết nối:
Hình 3.11: Sơ đồ mơ phỏng khối hiển thị trên phần mềm proteus
• Chân VDD là chân cấp điện áp lấy từ khối nguồn, với mức điện áp là 5V • Chân VSS là chân nối đất
• Chân VEE là điều chỉnh độ sáng (độ tương phản) cho màn hình
• Các chân D0 - D7 được kết nối vào chân Port D (D0 - D7) của PIC 16F887
3.2.7 Khối cảnh báo
Khối có chức năng nhận dữ liệu từ khối vi điều khiển trung tâm khi đến chỉ số được yêu cầu thì cảnh báo cho người sử dụng bằng loa và đèn led.
• Yêu cầu của khối: cảnh báo phát ra tiếng còi ngân, cùng với led chớp sáng tắt để có thể nhìn thấy cảnh báo từ xa.
• Linh kiện nhóm lựa chọn loa là buzzer 5VDC và led thường 5mm là những linh kiện rẻ tiền và dễ dàng mua được.
Hình 3.12: Buzzer (Cịi báo)
Buzzer là một thiết bị tạo ra tiếng cịi hoặc tiếng bíp. Loại buzzer này địi hỏi phải có các bộ dao động (hoặc vi điều khiển) để điều khiển nó. Chúng được sử dụng ở những vị trí cần phát ra âm thanh nhưng khơng quan tâm đến việc tái tạo âm thanh trung thực,
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 31
như lị vi sóng, báo cháy và đồ chơi điện tử. Chúng rẻ và kêu to mà không cần sử dụng nhiều năng lượng. Chúng cũng rất mỏng, vì vậy có thể được sử dụng trong các vật phẳng như thiệp chúc mừng.
Thơng số kỹ thuật:
• Nguồn: 3.5V - 5.5V
• Dịng điện tiêu thụ: <25mA
• Tần số cộng hưởng: 2300 Hz ± 500 Hz • Biên độ âm thanh: >80 dB
• Nhiệt độ hoạt động:-20 °C đến +70 °C • Kích thước: Đường kính 12mm, cao 9.7mm
Sơ đồ kết nối với khối cảnh báo:
Khối kết nối với vi điều khiển ở chân kí hiệu là C5 trong portC của PIC, bao gồm:
Hình 3.13: Sơ đồ kết nối với khối cảnh báo
Sử dụng led đơn có điện áp 2.4 V
Theo định luật Kirchhoff 2 ta được: I2. R6 + Uled – URC5= 0. Vì nguồn từ chân RC5 là 5V, led đơn 2 V nên I2. R6 = 2.6V
Dịng điện qua led chính là dòng I2 qua trở R6 do led và trở mắc nối tiếp. Do đó ta chọn dịng cho led I2=10 mA vậy ta suy ra điện trở cần tìm là 𝑅 =𝑈
𝐼 = 2.6
0.01= 260Ω.
Công xuất tiêu thụ trên điện trở là: P = U.I = 2.6* 0.01 = 0.03 W vì vậy ta phải dùng điện trở có cơng xuất P > 0.03 W và R= 300 Ω.
IC 74HC14 dùng để chuyển trạng thái khi điện áp vượt ngưỡng điện áp cho phép. Bản chất bên trong IC 74HC14 có 6 con opamp được mắc sẵn theo kiểu Schmitt trigger với mục đích ổn định tín hiệu đầu vào. Người dùng chỉ việc cấp tín hiệu đầu vào và đầu ra có được tín hiệu đảo loại được tạp nhiễu rất tốt.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 32
3.2.8 Khối tiệt trùng
Khối tiệt trùng là khối có chức năng nhận hơi nóng từ khối năng lượng khi đó nhiệt độ và áp suất đạt bên trong sẽ sinh ra tăng dần lên đến một mức nhất định, khối có chức năng tiệt trùng các dụng cụ y tế.
- Thiết kế khối:
Hình 3.14: Dụng cụ tiệt trùng – nồi áp suất cơ
Lựa chọn nồi áp suất: Sử dụng nồi áp suất có bán sẵn trên thị trường có thể dễ dàng lựa chọn, đảm bảo an toàn về chất liệu của nồi áp suất, khả năng chịu được áp suất tốt hơn so với tự thiết kế, đồng thời trên nồi có các van xả an tồn.
Các thơng số của nồi áp suất:
• Chất liệu: Hợp kim nhơm • Dung tích: 6 lít.
• Màu sắc: Trắng. • Kích thước: 22cm.
Tính năng:
• Chất liệu hợp kim nhơm quốc tế 3003.
• Vỏ nồi được xử lý oxy hóa cứng có độ bền cao, chống trầy xước, không bị biến đổi khi tiếp xúc nhiệt độ cao trong thời gian dài, đồng thời thân thiện với môi trường và không gây ảnh hưởng đến sức khỏe người dùng.
• Nắp nồi đóng mở dễ dàng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 33
3.3 SƠ ĐỒ THIẾT KẾ TOÀN MẠCH
Sau khi thiết kế trên phần mềm Proteus sơ đồ các khối: khối điều khiển, khối cảnh báo, khối nút nhấn, khối cảm biến, khối hiển thị. Đây là hình ảnh thiết kế tồn bộ mạch của phần mạch điện hệ thống.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 34
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 GIỚI THIỆU
Sau khi tính tốn thiết kế và mơ phỏng hoạt động của thiết bị, nhóm quyết định tiến hành thi cơng thiết bị. Đầu tiên nhóm thi cơng phần mạch điện của thiết bị và sau đó thi cơng lắp ráp phần mơ hình hệ thống.
• Thiết kế phần mạch điện nhóm lựa chọn các linh kiện phù hợp như phần thiết kế. Yêu cầu thi công là mạch chạy ổn định, thẩm mỹ, đạt yêu cầu đặt ra.
• Thiết kế phần mơ hình hệ thống, u cầu đặt ra là kích thước, hình dáng giống với phần thiết kế để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định như thiết kế và dự đốn. • Phần mềm: Nhóm lựa chọn phần mềm CCS và Pickit2 sử dụng viết code và nạp
code cho vi điều khiển.
4.2 THI CÔNG BOARD MẠCH
Trước khi tiến hành thi công, cần thiết kế board mạch, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch qua phần mềm mô phỏng Proteus. Mạch được thiết kế trên phần mềm Proteus 8.6, mạch thiết kế là mạch một lớp, thủ công.
a) Các bước trước khi thi cơng mạch:
• Bước 1: Thiết kế, vẽ mạch nguyên lý, đi dây cho mạch hợp lý và kích thước mạch phù hợp, nhỏ gọn.
• Bước 2: Chuyển sang phần PCB layout để tiến hành đi dây cho board mạch.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 35
• Bước 3: Bật hình ảnh 3D trong phần mềm, xem hình ảnh mơ phỏng, các thứ tự linh kiện được sắp xếp hợp lý, thẩm mỹ. Hình ảnh 3D giúp chúng ta xem các linh kiện bị chồng lên nhau vì một số linh kiện có kích thước thực tế và mơ phỏng khác nhau.
• Bước 4: Xuất phần mạch PCB sang giấy A4 để in và ủi mạch lên miếng đồng.
Hình 4.2: Ảnh mơ phỏng 3D trên phần
mềm proteus
Hình 4.3: Ảnh mặt sau sau khi xuất ra trên
giấy A4
b) Các bước thi cơng board mạch
• Bước 1: Rửa board đồng sạch sẽ bằng nước rửa mạch sau khi ủi mạch, tiến hành khoan lỗ.
• Bước 2: Dùng đồng hồ chỉnh kiểm tra ngắn mạch xem ngõ vào 5V thông với các cảm biến và module chưa. Kiểm tra GND có nối nhau chưa.
• Bước 3: Tiến hành khoan lỗ và tiếp tục kiểm tra.
• Bước 4: Hàn tất cả các linh kiện bao gồm vi điều khiển PIC, LCD, led, buzzer, module cảm biến nhiệt độ, dây nối nút nhấn, ngõ domino điện áp vào.
• Bước 5: Kiểm tra các linh kiện đã được hàn, kết nối như trên PCB và 3D của mạch trên phần mềm mô phỏng. Đo kiểm tra từng chân của các thiết bị đã • kết nối hết chưa
• Bước 6: Cuối cùng nạp chương trình và chạy thử mạch. Các linh kiện được sử dụng trong mạch:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 36
Bảng 4.1: Liệt kê các linh kiện
STT Tên linh kiện Số
lượng Giá tiền Ghi chú
1 PIC16F887 1 44.000 đồng Module mạch sạc 2 LCD 20x4 1 75.000 đồng 3 Module Max6675 1 70.000 đồng 4 Cảm biến nhiệt độ cặp cực loại K 1 5 Nút nhấn 3 2.400 đồng Nút nhấn nhả 6 Buzzer (loa) 1 3.000 đồng
7 Led (nguồn, cảnh báo) 2 600 đồng
8 Điện trở 300 Ω 3 500 đồng 9 Điện trở 4k7 Ω 2 500 đồng 10 Điện trở 10KΩ 1 500 đồng 11 Domino 2 1 2.500 đồng 12 Công tắc 1 2.500 đồng Công tắc bật – tắt 13 Pin Mặt Trời 1 150.000 đồng 14 Pin sạc dự phòng 2 70.000 đồng 2 Pin 15 Mạch sạc pin 1 15.000 đồng Module mạch sạc
c) Lắp linh kiện và hoàn thiện:
Hình ảnh mặt trước của mạch bao gồm các linh kiện được hàn trực tiếp lên miếng đồng như vi điều khiển, lcd, led, trở, tụ, buzzer, module cảm biến…các linh kiện