robot phun dung dịch khử khuẩn

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn Quý Thầy Cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đặc biệt là Quý Thầy Cô khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao và Khoa Điện Điện Tử đã truyền đạt nhiều kiến.

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn Quý Thầy Cô Trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật đặc biệt là Quý Thầy Cô khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao và KhoaĐiện - Điện Tử đã truyền đạt nhiều kiến thức bổ ích và tạo điều kiện tốt nhất cho chúng

em trong quá trình học tập, rèn luyện tại trường

Nhóm cũng xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn PGS TSNguyễn Thanh Hải trong suốt thời gian qua đã tận tình góp ý, chỉ bảo để chúng em cóthể hoàn thành đề tài một cách hoàn chỉnh nhất, đặc biệt là trong thời điểm dịch Covid-

19 Được sự hướng dẫn của thầy, nhóm em đã học hỏi thêm nhiều kinh nghiệm quýbáu từ kiến thức chuyên môn tới các kỹ năng cần thiết khác để phục vụ cho quá trìnhphát triển bản thân trong tương lại

Đồng thời, nhóm em xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè đãluôn quan tâm, giúp đỡ, động viên và là nguồn động lực tinh thần lớn, luôn tạo mọiđiều kiện để chúng em có thể thực hiện và hoàn thành Đồ án Tốt nghiệp

Một lần nữa chúng em xin chân thành cám ơn!

Người thực hiện đề tài

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm thực hiện Đồ Án Tốt Nghiệp cam đoan không sao chép nội dung và kếtquả của các công trình nghiên cứu khác Các nội dung tham khảo đã được trích dẫn đầyđủ

Người thực hiện đề tài

TÓM TẮT

Hiện nay, thế giới đang chứng kiến sự tàn phá nặng nề của COVID-19 về cảkinh tế lẫn sức khỏe, thậm chí là cả tính mạng con người, do sức lây lan tăng nhanhđến chóng mặt Chúng ta đã đặt ra nhiều giải pháp, từ việc hạn chế tiếp xúc đến cách ly

xã hội, cho phép học sinh, sinh viên được nghỉ học, và rất nhiều giải pháp khác Vìmục đích muốn góp phần giúp đỡ khó khăn của các y bác sĩ trong việc khử khuẩn,nhóm đã lựa chọn thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình robot khử khuẩn trong không

gian y tế” nhằm một phần nào đó giảm thiểu sự lây lan virus cho các cán bộ nhân viên

y tế trong công tác khử khuẩn tại các môi trường y tế hay những khu cách ly, nơi côngcộng

Mô hình robot khử khuẩn mà nhóm thực hiện sử dụng vi xử lý trung tâm là kitAdruno Nano ATmega 328P, kết hợp với module bluetooth HC06, module L298N, máybơm Mini, chiết áp, Pin Lithium và các động cơ DC Đồng thời thiết kế cánh tay phunkhử khuẩn gắn các béc phun sương và có thể quay được các góc từ 0-180 độ theo trụcX-Y, giúp tăng độ bao phủ thuốc trên bề mặt lên đến hơn 80% và tiết kiệm được lượngthuốc phun, thời gian khử khuẩn Kết hợp thêm đồng hồ đo điện áp gắn sau thân robot

để hiển thị dung lượng pin còn lại trong quá trình hoạt động Giao diện ứng dụng điềukhiển robot trên điện thoại thông minh qua Mit inventor mang lại tốc độ phản hồinhanh và ổn định

Kết quả sau khi thực hiện nhóm đã nghiên cứu và thi công mô hình robot khử

khuẩn đáp ứng được các mục tiêu đưa ra ban đầu của đề tài Hệ thống hoạt động ổnđịnh thông qua ứng dụng trên điện thoại Mô hình có đầy đủ các chức năng cơ bản củamột robot khử khuẩn và dễ dàng điều khiển trên giao diện của ứng dụng mang tên

“Robot Khử Khuẩn” Giao diện điều khiển trên ứng dụng điện thoại trực quan, ổn định

và dễ dàng sử dụng

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

HTTP HyperText Transfer Protocol

WIFI Wireless Fidelity

UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Chương 1 TỔNG QUAN1.1 Giới thiệu

Hiện nay, thế giới đang chứng kiến sự tàn phá nặng nề của COVID-19 về cảkinh tế lẫn sức khỏe, thậm chí là cả tính mạng con người, do sức lây lan tăng nhanhđến chóng mặt Nhận thấy trước tình hình khó khăn của các y bác sĩ không chỉ riêng cảnước và cũng như toàn thế giới trước chủng virus vô cùng nguy hiểm mang tênCOVID-19 Chúng ta đã đặt ra nhiều giải pháp, từ việc hạn chế tiếp xúc đến cách ly xãhội một trong số những giải pháp thiết yếu được đặt ra là vấn đề khử trùng tại các nơicông cộng, nơi tập trung nhiều người như trường học, các khu dân cư, sân bay đặc biệt

là ở bệnh viện

Hầu hết môi trường bệnh viện có nhiều nguồn virus tiềm ẩn bao gồm các bề mặttiếp xúc, thiết bị, dụng cụ Nhiều phương pháp diệt khuẩn, khử trùng được đưa vào sửdụng sử dụng điển hình là dùng Ethanol 70 độ hoặc Isopropyl Alcohol 70 độ phun trực

tiếp trên bề mặt như trong đề tài “Robot khử khuẩn phòng cách ly” thuộc sản phẩm

trung tâm công nghệ của bệnh viện Quân Dân Y miền đông, sử dụng Isopropyl từ

70-80 độ để phun khử khuẩn trực tiếp bề mặt đồng thời thiết kế vi điều khiển trung tâmArdruino Nano, module SIM800C điều khiển cánh tay robot gắn các vòi phun sươngphun thuốc diệt khuẩn, kết hợp với các module điều khiển động cơ giúp xe linh động dichuyển [1] Ngoài ra còn có phương pháp diệt khuẩn bằng tia cực tím UVC như trong

đề tài của nhóm Hứa Gia Thuận, Ngô Quang Trạng đã thiết kế thành công “Mô hình robot khử khuẩn bề mặt bằng tia cực tím UVC” giúp phá hủy DNA trong vi khuẩn và

RNA trong virus, ngăn cản sự sinh sản và lây lan của chúng, đồng thời đề tài đã sửdụng ESP32S có tích hợp wifi để người dung dễ dàng sử dụng khi áp dụng vào thực tế

và mô hình robot này đã đang được thử nghiệm ở bệnh viện quận Thủ Đức [2] Thêmmột mô hình khử khuẩn được thử nghiệm thành công của nhóm nghiên cứu thuộc viện

khoa học công nghệ trường đại học Phenikaa “Robot phun khử khuẩn tự hành Phenikaa-X” trong đề tài này đã kết hợp hai phương pháp khử khuẩn bằng tia cực tím

UVC và hoá chất khử khuẩn của học viện Phenikaa đang được sử dụng ở khu cách lytập trung ở Bắc Giang [3] Việc áp dụng công nghệ cao trong công tác phòng chốngdịch đã giúp giảm tải lượng công việc cho đội ngũ bác sĩ và nhân viên y tế, cũng nhưhạn chế tối đa sự lây nhiễm của virus Nhưng bên cạnh đó giá thành của một robot máyphun thuốc khử khuẩn khá cao, thao tác cần qua nhiều quy trình phức tạp

Nhận thấy những khó khăn trên, nhóm chúng em đã lên ý tưởng “thiết kế mô hình robot phun khử khuẩn trong không gian y tế” trong đồ án tốt nghiệp lần này,

nhằm giúp đỡ một phần nào đó trong công tác phòng chống dịch bệnh Robot sử dụng

vi điều khiển trung tâm là kit Adruno Nano AT mega328P, module điều khiển động cơL298N, module bluetooth HC06, module giảm áp LM2598, và các động cơ DC Vì đểnâng cao tính thực tế, nhóm đã thiết kế 2 phương án điều khiển là tự động và thủ côngtrên ứng dụng điện thoại thông minh giúp cho người dùng dễ dàng sử dụng, thuận tiệnhơn trong việc điều khiển

- Chỉ giao tiếp thông qua giao thức Bluetooth, giới hạn trong phạm vi 20m

- Phạm vi diệt khuẩn xung quanh 2m

1.4 Nội dung nghiên cứu

Đề tài được thực hiện gồm có những nội dung chính sau:

- Nội dung 1: Đọc các tài liệu tham khảo, tóm tắt các hướng đề tài.

- Nội dung 2: Tìm hiểu cách thức hoạt động của các loại board.

- Nội dung 3: Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý toàn mạch.

- Nội dung 4: Tính toán, thiết kế mô hình sử dụng board arduino, module và

động cơ có sẵn trên thị trường

- Nội dung 5: Thiết kế giao diện điều khiển app trên điện thoại.

- Nội dung 6: Thiết kế mô hình và chạy thử sản phẩm.

- Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện.

- Nội dung 8: Bảo vệ luận văn.

1.5 Bố cục

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tình hình nghiên cứu, đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nộidung nghiên cứu, các giới hạn đề tài và bố cục đồ án

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày lý thuyết cơ sở làm tiền đề để thực hiện đồ án, sử dụng các đề tài đã đượcnghiên cứu làm cơ sở để tham khảo

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Từ những cơ sở lý thuyết có được đưa ra sơ đồ khối, tính toán và thiết kế các khối cótrong hệ thống, thiết kế các lưu đồ giải thuật

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày quá trình thi công phần cứng hệ thống và xây dựng phần mềm điều khiển

Chương 5: Kết quả - nhận xét – đánh giá

Đưa ra kết quả, hình ảnh mô hình và nêu ý kiến đánh giá mô hình

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đưa ra kết luận đề tài sau thời gian thực hiện và hướng phát triển của đề tài

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Giới thiệu mô hình robot khử khuẩn

Hiện nay xe phun khử khuẩn mang tính công nghệ cao chưa được áp dụng vàphổ biến rộng rãi Hầu hết những công việc khử khuẩn, phun thuốc được thực hiệnbằng sức lao động của con người là chính nhưng hiệu suất công việc chưa cao Do đó,việc chế tạo sản phẩm robot phun khử khuẩn mang tính thiết thực để vận dụng vàothực tế với hiệu quả cao, đồng thời giảm sức lao động và tác nhân gây hại cho conngười từ hóa chất là một điều cần thiết trong thời đại công nghệ 4.0 hiện nay Vì vậynhóm chúng em đã khảo sát một số sản phẩm mang tính công nghệ mới được áp dungtrên thị trường để đúc kết và lựa chọn các phương án phù hợp cho đồ án của chúng em

2.1.1 Mô hình robot khử khuẩn phòng cách ly

Nhận thấy sự xuất hiện và lây lan mạnh mẽ của covid 19, công tác khử khuẩncàng được chú trọng nghiêm ngặt hơn đặc biệt là ở các khu cách ly điều trị ở bệnhviện Với mục tiêu trên, các nhóm nghiên cứu đã thiết kế ra mô hình robot khử khuẩnphòng cách ly chuyên làm công việc khử trùng, diệt khuẩn ở các khu có nguy cơ lâynhiễm cao nhầm đảm bảo an toàn cho các nhân viên y tế

Mô hình sử dụng vi điều khiển trung tâm Arduino Nano và module SIM800C.điều khiển cánh tay robot gắn các vòi phun sương phun thuốc diệt khuẩn Sử dụng cảmbiến E18-D80N để phát hiện vật cản kết hợp với mạch cầu VNH2SP30 điều khiểnđộng cơ quay thuận nghịch giúp xe linh động di chuyển Tất cả các hoạt động của robotđều được điều khiển từ xa qua Flysky hoặc điều khiển trên giao diện web của máy tính.Trong đó, ưu điểm của mô hình này ngoài khả năng chính là phun khử khuẩn còn đượckết hợp thêm các chức năng lau sàn nhà, vận chuyển thuốc và tự động khử khuẩn mìnhbằng dung dịch isopropyl 70%, hydrogen trước khi ra khỏi phòng cách ly Tuy nhiên,nhược điểm của robot là khả năng phản hồi chưa tốt, cấu tạo khung bằng thép nên cótrọng lượng lớn, ngoại hình khá cồng kềnh khó di chuyển ở khu vực nhỏ hẹp [1]

2.1.2 Mô hình robot khử khuẩn bề mặt bằng tia cực tím

Công việc khử khuẩn dù được bảo hộ kỹ lưỡng nhưng vẫn có nguy cơ lây nhiễmrất cao Đề tài này nhằm mục đích thiết kế và thi công được mô hình robot diệt khuẩn

bề mặt bằng tia cực tím UVC, đưa ra nhiều giải pháp pháp triển giúp thuận lợi hơntrong việc làm giảm sự lây lan của virus

Mô hình robot sử dụng kit EPS32S tích hợp sẵn module wifi làm khối xử lýtrung tâm có chức năng truyền và nhận dữ liệu từ cảm biến HCSR04, cảm biến hồngngoại để tránh vật cản Robot sử dụng động cơ giảm tốc GA25 với tốc độ di chuyển10cm/s và trang bị thêm 3 bóng đèn diệt khuẩn UVC giúp tăng khả năng diệt khuẩn lênđến 99% Trong đó ưu điểm của mô hình robot này là có thể hoạt động ở 2 chế độ baogồm: chế độ thủ công điều khiển qua app Blynk trên điện thoại và chế độ tự động được

di chuyển theo quỹ đạo zizac giúp né tránh những chướng ngại vật mà robot phát hiệntrên đường đi Tuy nhiên, mô hình vẫn còn một số khuyết điểm như ứng dụng phản hồichậm, thao tác di chuyển chưa chính xác Đồng thời việc khử khuẩn bằng tia cực tímUVC phải đảm bảo không có người xung quanh để tránh những tác hại do loại tia nàygây ra cho da và mắt [2]

2.1.3 Mô hình robot khử khuẩn Phenikaa-X

Việc khử khuẩn ở các bề mặt tiếp xúc hiện nay hầu hết đều sử dụng chất khửtrùng như cồn isopropyl 70%, clo hoạt tính nồng độ 0.1%, hoặc bằng tia tử ngoại, tiabức xạ Đề tài này nhằm mục đích thiết kế và thi công được mô hình robot tự hành khửkhuẩn vừa bằng tia cực tím UVC vừa kết hợp dung dịch diệt khuẩn

Mô hình robot sử dụng vi điều khiển kit ESP32 làm khối điều khiển trung tâm

Sử dụng công nghệ dò line 2 đầu MLSE có độ ổn định cao để robot di chuyển tự động.Điều khiển từ xa bằng sóng RF ở khoảng cách 100m khi không có vật cản và trungbình 20m khi có vật cản bằng phần mềm được cài đặt trên điện thoại hoặc máy tínhbảng Trong đó ưu điểm chính là sử dụng đèn cực tím UVC 270W bố trí 360 độ kếtđộng vòi phun hóa chất giúp dễ dàng tiêu diệt virus ở các khoảng cách khác nhau.Ngoài ra còn sử dụng máy quét laser để phát hiện người xâm nhập vào khu vực làmviệc của robot và sẽ tắt đèn UVC cũng như vòi phun hóa chất ngay lập tức, điều này đểđảm bảo an toàn trong quá trình diệt khuẩn Tuy nhiên, nhược điểm của robot là chỉ dichuyển được trên tuyến đường cố định có đặt sẵn đường line, trường hợp khi có nhiềurobot khác nhau thì việc sử dụng đường line sẽ trở nên phức tạp hơn Hơn nữa, sau mộtthời gian sử dụng chất lương đường line sẽ bị bong tróc, hỏng hóc và cần phải thay thế[3]

2.2 Lựa chọn nền tảng phát triển robot khử khuẩn

2.2.1 Ưu điểm

- Robot có thể vận hành điều khiển từ xa thông qua điện thoại, máy tính bảng

- Hạn chế sử dụng sức lao động.

- Tránh tiếp xúc với các bề mặt, các nguồn có nguy cơ lây nhiễm

- Sử dụng tia UV, phun thuốc khử khuẩn diệt virus lên đến 99%, giảm được việctiếp xúc trực tiếp hóa chất

vi điều khiển, các cảm biến, module và động cơ tạo nên robot với khả năng di chuyển

Module L298N là một module có chứa IC L298 đã được tích hợp sẵn mạch cầu

H thường được sử dụng để điều khiển tốc độ và hướng của động cơ như xe điều khiển,

xe tự hành, điều khiển tốc độ quạt hút, hộp số giảm tốc, động cơ bước, động cơservo… Ngoài ra module cũng có thể dùng để kiểm soát độ sáng của các dự án chiếusáng như mảng led công suất cao Cụ thể là dùng module này để điều khiển tốc độ

động cơ giảm tốc GA25 khi bánh xe robot di chuyển Module này rất lý tưởng cho cácứng dụng để chế tạo robot Dựa trên cơ sở đó, nhóm lựa chọn sử dụng module L298N

để thực hiện việc điều khiển tốc độ di chuyển chậm của robot

Module L298N có chức năng điều khiển tốc độ và hướng của động cơ DC, sửdụng nguồn cung cấp từ 5 – 35V, dòng cung cấp 0 – 36mA Module có khả năng điềukhiển tối đa 2 động cơ DC Module này cũng được sử dụng trong đề tài [2] và [7] đểđiều khiển động cơ DC

2.3.2 Vi điều khiển

Hiện nay vi điều khiển được lựa chọn trong rất nhiều đề tài để sử dụng làm bộ

xử lý trung tâm Sau khi tham khảo qua đề tài [1] và [5], cả hai đều sử dụng boardArduino Nano ATmega 328P để làm bộ xử lý trung tâm Cụ thể ở đề tài [1] tác giảdùng board Arduino để nhận tín hiệu từ module sim và cảm biến và thực hiện việc điềukhiển di chuyển robot, còn trong đề tài [5] tác giả dùng board Arduino để điều khiểncác cơ cấu xới đất, gieo hạt và di chuyển robot Với các yêu cầu của mô hình, thực hiệnviệc điều khiển, giao tiếp với các module và động cơ, vì vậy nhóm đã lựa chọn dùngArduino Nano ATmega 328P làm vi điều khiển chính

Arduino Nano là một boad mạch vi điều khiển sử dụng chip xử lý Atmega 328p,hoạt động ở điện áp 5V và có tổng cộng 36 chân Về bộ nhớ Arduino Nano tích hợpsẵn 32KB dung lượng bộ nhớ Flash, 2KB bộ nhớ SRAM và 1KB bộ nhớ EEPROM

Ưu điểm chính của boad là giá thành rẻ, kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng, đi kèmvới nhiều ứng dụng và chiếm ít không gian hơn so với các bo mạch arduino khác.Mạch được sử dụng rộng rãi trong các đề tài nghiên cứu của sinh viên, các dự án thực

tế ảo, lập trình robot, hệ thống nhúng, tự động hóa và điện tử [8]

2.3.3 Module bluetooth HC-06

Module bluetooth HC 06 được thiết kế để thiết lập truyền thông dữ liệu khôngdây tầm ngắn giữa hai vi điều khiển hoặc hệ thống HC-06 là lựa chọn tốt nhất khi cầnliên lạc không dây khoảng cách ngắn và cũng được sử dụng trong đề tài Mô-đun nàyđược sử dụng cho truyền bluetooth không dây dưới 100 mét Với thiết kế nhỏ gọn, tiệnlợi, giao tiếp với vi điều khiển chỉ bằng 2 chân (Tx và Rx), module bluetooth HC06 sẽgiúp bạn thực hiện các dự án truyền dẫn và điều khiển từ xa một cách dễ dàng Khi kếtnối với máy tính, HC-06 được sử dụng như 1 cổng COM ảo, việc truyền nhận vớiCOM ảo sẽ giống như truyền nhận dữ liệu trực tiếp với UART Module HC06 hoạt

động ở điện áp từ 3.3 – 5V, dòng điện tiêu thụ 20 – 30mA Module giao tiếp theo chuẩnUART, có tốc độ baud trong khoảng 1200 – 115200bpd, tốc độ mặc đa 9600bpd [4].

2.3.4 Module hiển thị điện áp và mức pin acquy

Module hiển thị dung lượng pin acquy có ưu điểm giúp bảo vệ phân cực ngược

và sử dụng cho nhiều loại pin khác nhau: polymer lithium, pin axit chì, pin xe điện, pinnickel-hydrogen và nhiều mục đích đo điện áp khác Thường được dùng trong thiết kếrobot để hiển thị thông số pin và dung lượng còn lại của pin chẳng hạn như đề tài [ 1]

và [2] Khoảng điện áp có thể đo được của module là 10-60V

2.3.5 Động cơ servo SG90.

Động cơ Servo SG90 là loại thường được sử dụng nhiều nhất trong các thiết kếrobot hoặc điều hướng xe Động cơ SG90 hoạt động ở điện áp từ 4.8 -7.2V có lựckéo mạnh từ 9 - 11kg/cm với các khớp và bánh răng được làm hoàn toàn bằng kimloại nên có độ bền cao Động cơ được tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ bêntrong theo cơ chế phát xung, quay góc nên rất dễ dàng sử dụng, có thể ghép nối cácservo với nhau qua các giá đỡ tạo thành cánh tay robot [5]

2.3.6 Module hạ áp LM2596

Module hạ áp LM2596 là một module được sử dụng để giảm điện áp đầu vào và

ổn định đầu ra từ nguồn điện lớn hơn xuống điện áp nhỏ Điện áp đầu vào trong dải từ4,5V - 40V, điện áp đầu ra điều chỉnh được trong khoảng từ 1,5V - 37V Dòng điện ápđầu ra đạt 3A hiệu suất cao nhờ cơ chế băm xong ở tần số lên tới 150KHz Trong quátrình hoạt động LM2596 luôn được đặt trong các chế độ bảo vệ quá nhiệt vào quá dòng[6]

2.3.7 Pin Lithium

Pin Lithium là hệ thống pin dự phòng cho bộ điều khiển và các hệ thống tín hiệukhác và có thể dùng trực tiếp làm nguồn cho toàn hệ thống Hiện tại, acquy được ứngdụng khá rộng rãi trong hệ thống lưu điện UPS, hệ thống thông tin liên lạc, hệ thốngđóng ngắt, các thiết bị cầm tay, hệ thống dự phòng dữ liệu máy tính, robot, xe điềukhiển, ví dụ như đề tài [2] và [3] Do tính tiện dụng nên lựa chọn acquy làm nguồn cho

hệ thống robot là rất phù hợp

2.3.8 Máy bơm áp suất mini

Máy bơm tăng áp suất mini 12V với kích thước nhỏ gọn và không tiêu tốn quánhiều điện năng tiêu thụ rất được ưa chuộng sử dụng Và là dòng máy công suất nhỏ,dùng nguồn điện 12V, chủ yếu được ứng dụng để đáp ứng các nhu cầu cơ bản như bơmoxi cho cá, bơm các loại hồ cá nhỏ, xịt khuẩn Như trong mẫu mô hình robot khửkhuẩn phòng cách ly [5] cũng sử dụng bơm mini làm cơ cấu phun xịt khuẩn [8]

2.3.9 Béc phun sương

Béc phun sương là loại béc khi tưới sẽ tạo ra các hạt nước nhỏ mịn, phân tánđều trong không khí để tạo độ ẩm cho khu vực Béc phun sương có bán kính phuntrung bình từ 0.5m – 1.5m Mục đích của việc sử dụng béc phun sương là tạo độ ẩmcho khu vực cần tưới trong khoảng thời gian dài nên lưu lượng thấp sẽ giúp tiết kiệmnước hơn

Khi kết hợp với bơm áp suất sẽ cho ra hệ thống bơm phun sương với độ bao phủ

bề mặt rất tốt, như trong đề tài [8] Mục đích của việc sử dụng béc phun sương là tạo

độ ẩm cho khu vực cần phun trong khoảng thời gian dài nên lưu lượng thấp sẽ giúp tiếtkiệm thuốc hơn

2.3.10 Động cơ giảm tốc V1

Động cơ DC giảm tốc V1 5V 60rpm có cấu tạo bằng kim loại cho độ bền và độ

ổn định cao, được sử dụng trong các mô hình robot, xe, thuyền, hộp giảm tốc của động

cơ có nhiều tỉ số truyền giúp dễ dàng lựa chọn giữa lực kéo và tốc độ (lực kéo càng lớnthì tốc độ càng chậm và ngược lại) Động cơ sử dụng nguyên liệu chất lượng cao (lõidây đồng nguyên chất, lá thép 407, vòng tiếp xúc niken, nam châm từ tính mạnh) chosức mạnh và độ bền vượt trội hơn các loại giá rẻ trên thị trường hiện nay (sử dụng lõidây nhôm, nam châm từ tính yếu) [2]

2.4 Mit App Inventor

Cho đến thời điểm hiện tại thì đã có rất nhiều nền tảng lập trình phần mềm chosmartphone với ngôn ngữ kéo thả được ra đời Sau khi tham khảo đề tài [2], [4] cả haiđều sử dụng app điều khiển Blynk để điều khiển và giám sát Về mặt ưu điểm ứngdụng Blynk cung cấp API & giao diện người dùng cho các thiết bị và phần cứng được

hỗ trợ Các giao diện đều được thiết kế sẵn dễ sử dụng, thao tác kéo thả trực tiếp trêngiao diện dễ dàng Về nhược điểm thì ứng dụng còn nhiều giới hạn và hạn chế khi sử

dụng gói miễn phí, tốc độ phản hồi chậm Với ý muốn tự thiết kế một giao diện riêng

và độ phản hồi nhanh khi thao tác trên màn hình điện thoại, nên nhóm chọn MitInventor để xây dựng app trên điện thoại thông minh để điều khiển và giám sát

MIT App Inventor là một ứng dụng web nguồn mở ban đầu được cung cấp bởiGoogle và hiện tại được duy trì bởi Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) Mit AppInventor là một nền tảng phát triển trực tuyến chạy bởi trình duyệt trên máy tính chophép nhà lập trình tạo ra các ứng dụng phần mềm cho hệ điều hành Android Sau khitạo xong giao diện web ta có thể đưa ứng dụng vào điện thoại bằng cách xuất các filecài APK hoặc tải phần mềm MIT AI2 để mô phỏng trực tiếp Nhờ vậy, có thể nhanhchóng chuyển xem trực tiếp kéo thả các giao diện trong thời gian thực [9]

Sơ đồ mô tả hoạt động của Mit Inventor được thể hiện như hình 2.1

Hình 2.1 Mô tả hoạt động của Mit Inventor

2.5 Adruino IDE

Bản thân arduino là một một nền tảng mã nguồn mở bao gồm phần cứng vàphần mềm Phần cứng bao gồm các board mạch được thiết kế với các cảm biến, linhkiện (hiện nay đã có đến hơn 300000 bo mạch khác nhau được thương mại) Còn phần

mềm của arduino giúp ta có thể sử dụng các cảm biến, linh kiện ấy của arduino một cáclinh hoạt tùy thuộc vào mục đích sử dụng Để lập trình cho các board mạch Arduinochỉ cần download và cài đặt phần mềm soạn thảo code là Arduino IDE.

Arduino IDE được viết bằng ngôn ngữ lập trình Java là ứng dụng đa nền tảng.Ngôn ngữ code cho các chương trình của arduino là bằng C hoặc C++ Bản thânarduino ide đã được tích hợp một thư viện phầm mềm thường gọi là "wiring", từ cácchương trình "wiring" gốc sẽ giúp thực hiện thao tác code dễ dàng hơn Thường được

sử dụng rất rộng rãi trong các dự án tự động, robot, xe tự hành để lập trình cho vi điềukhiển [6]

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ3.1 Giới thiệu

Trong chương này, nhóm sẽ tiến hành tính toán và thiết kế mô hình robot khửkhuẩn với 2 chế độ: chế độ khử khuẩn tự động và chế độ khử khuẩn thủ công, điềukhiển bằng app cài đặt trên điện thoại Bên cạnh đó, thiết kế các vị trí, mô hình sao chophù hợp Quá trình tính toán và thiết kế gồm có 2 phần: thiết kế sơ đồ khối hệ thống vàtính toán thiết kế mạch, phần mềm

3.2 Tính toán và thiết kế phần cứng

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Để thuận tiện cho việc thiết kế cũng như điều khiển, giao tiếp Nhóm đã chọnphương pháp thiết kế từng khối rồi kết nối chúng lại với nhau thành một hệ thống hoànchỉnh điều này giúp tiết kiệm thời gian nghiên cứu và đảm bảo hệ thống có thể đáp ứngđược những yêu cầu đã đề ra Nhóm đã thiết kế sơ đồ khối của hệ thống bao gồm 5khối: khối giao tiếp, khối xử lý trung tâm, khối di chuyển, khối khử khuẩn, khối nguồn

Sơ đồ khối của hệ thống được mô tả như trong hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm là đầu não cho toàn hệ thống, khối có nhiệm vụ thu nhận

và xử lý các thông tin từ khối giao tiếp và truyền tín hiệu điều khiển tới khối di chuyển,khối phun khử khuẩn Khối giao tiếp có chức năng tiếp nhận và kết nối thông tin từ

ứng dụng điện thoại thông qua giao thức bluetooth, sau đó trao đổi dữ liệu thu được vớikhối xử lý trung tâm.

Khối di chuyển nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lí trung tâm để điều khiểncác động cơ phục vụ mục đích di chuyển theo lệnh lập trình sẵn Khối khử khuẩn nhậntín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm, điều khiển máy bơm hoạt động và điềukhiển servo quay Khối nguồn có chức năng cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động

3.2.2 Tính toán và thiết kế sơ đồ mạch

a Thiết kế khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm là bộ phận quan trọng nhất của toàn hệ thống, có chứcnăng thu thập, xử lý các tín hiệu, để thiết lập và điều khiển các khối còn lại Toàn bộhoạt động của hệ thống được thông qua khối xử lý trung tâm này Để xử lý một khốilượng tác vụ lớn, đầu tiên phải vừa nhanh vừa mạnh vừa mang kích thước nhỏ gọnnhất

Đối với yêu cầu như trên, thị trường có rất nhiều module khác nhau nhưArduino Uno, Adruno esp32, Adruno Mega Nhóm chọn board Arduino NANOATmega 328p làm khối xử lý trung tâm vì có kích thước nhỏ gọn hơn, thông dụng trênthị trường, độ ổn định tốt, giá thành hợp lý và đáp ứng đủ được yêu cầu của hệ thống

Sơ đồ kết nối của Arduino Nano với các ngoại vi được thể hiện trong hình 3.2:

Hình 3.2 Sơ đồ kết nối khối xử lý trung tâm

- Các chân từ A1 đến A4: giao tiếp module L298N của khối di chuyển, thiết lập

chân điều khiển động cơ

- Chân D10, D11: giao tiếp với chân tín hiệu servo của khối khử khuẩn.

- Chân D2, D3: giao tiếp với module bluetooth HC06 của khối giao tiếp, nhận tín

hiệu từ smartphone điều khiển adruno

- Chân A0: giao tiếp với khối khử khuẩn.

- Chân 5V và chân GND được lấy từ nguồn ra của module L298N của khối di

chuyển

b Thiết kế khối di chuyển

Khối di chuyển cũng rất quan trọng trong đề tài,với nhiệm vụ nhận tín hiệu từkhối xử lí trung tâm, điều khiển các động cơ di chuyển theo lệnh được cài đặt sẵn kếthợp với khối phun khử khuẩn để phun khử khuẩn xung quanh Cơ cấu bánh xe dichuyển cũng cần có độ chính xác, vì vậy nhóm lựa chọn bộ điều khiển động cơ làmodule L298N Module L298N rất thông dụng trong việc điều khiển các loại động cơ

DC, step motor Khi kết hợp bánh xích, module L298N và động cơ DC ta được cơ cấu

di chuyển của robot

Vì robot chủ yếu di chuyển trong phòng hoặc hành lang hay các ngõ ngách nênviệc lựa chọn động cơ không cần phải nhanh và nhưng phải đủ mạnh để chịu tải đượctoàn bộ trọng lượng của xe Qua khảo sát thực tế và dựa vào tốc độ phun khử khuẩn đểlựa chọn động cơ phù hợp Nếu thiết bị có tốc độ quá nhanh thì lượng thuốc phun ra sẽkhông đều ở các khu vực, còn nếu di chuyển quá chậm thì sẽ dẫn đến tình trạng hao phílượng thuốc Suy ra phương pháp lựa chọn động cơ thông dụng nhất là loại động cơgiảm tốc V1 DC 5V DC 60 RPM như hình 3.3:

Hình 3.3 Động cơ JGA25 12V 60RPM

Sau khi lựa chọn động cơ và module điều khiển, ta được bản thiết kế các châncủa động cơ kết hợp với module L298N Mô tả kết nối module L298N với khối xử lýtrung tâm

Hình 3.4 Sơ đồ kết nối module L298N với khối xử lý trung tâm

- 4 chân INPUT (CN3): IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân A1,

A2, A3, A4 của arduino Nano

- Chân số 2 và số 3 của HD2: được nối với nguồn điện acquy 12V.

- Chân số 1 của HD2: là nguồn được tạo ra từ L298N dùng để cấp nguồn cho

Arduino Nano và module HC06

c Thiết kế khối giao tiếp

Với mục tiêu thu phát tín hiệu từ điện thoại thông minh một cách ổn định , nhỏgọn và dễ dàng nhất thì sự ưu tiên lựa chọn sẽ là module HC 06, có ngoại hình giốngnhư các thế hệ khác nhưng HC 06 lại có giá thành mềm hơn so vớ0i HC 07 và ổn địnhhơn so với HC 05 Kết nối của khối giao tiếp với khối xử lí trung tâm như hình 3.5

Hình 3.5 Sơ đồ kết nối khối giao tiếp với khối xử lý trung tâm

- Chân VCC được cấp nguồn 5V từ ngõ ra của L298N, GND là nguồn âm chung

của mạch

- Các chân TX, RX có vai trò truyền và nhận dữ liệu giao tiếp từ điện thoại thông

minh với vi điều khiển theo chuẩn bluetooth sau đó vi điều khiển xử lý và banlệnh thực thi các khối khác

d Thiết kế khối phun khử khuẩn

Mục đích cơ bản của robot khử khuẩn là phải tiêu diệt được vi khuẩn mang lạimôi trường sạch sẽ virus, cho nên nhóm lựa chọn phương pháp thông thường hay được

áp dụng trong các khu cách ly dó là phun thuốc diệt khuẩn Vì sự tiện dụng, đơn giảncũng như giá thành rẻ hơn so với các phương pháp khác Nhóm thiết kế cơ cấu cánhtay phun, sử dụng 2 động cơ servo MG996R như hình 3.6 được gắn vào các giá đỡ vàbắt vít tạo nên cơ cấu quay 2 bậc canh tay với độ chắc chắc và thẩm mĩ cao Với điện

áp hoạt động của MG996R từ 4,8 đến 7,5V và dòng điện từ 500mA đến 1500mA

Hình 3.6 Thiết kế 2 động cơ servo

Muốn bật tắt bơm sử dụng ngõ ra của vi điều khiển arduino ta cần 1 module bậttắt nguồn cho động cơ

Hình 3.7 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bơm.

Mô tả chân kết nối của mạch điều khiển động cơ bơm như sau:

- Chân 12V và GND được lấy từ nguồn acqui

- Cực S của mosfet nối với GND của nguồn

- Cực G nối với chân A0 của vi điều khiển thông qua điện trở R3=1KΩ

- Cực D của mosfet nối với nguồn 12V của nguồn thông qua diode 1N4007 tránhngược dòng, nối song song với tụ C để lọc nhiễu

- Điện trở 10KΩ kéo xuống GND tránh việc ngắn mạch, ảnh hưởng tới vi điềukhiển

- 2 chân Pump1,2 nối với động cơ bơm áp suất

Sau khi tính toán thiết kế, ta kết nối giữa khối phun khử khuẩn và khối điều khiển đượcthể hiện trên hình 3.8

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối phun khử khuẩn và khối điều khiển.

Các chân kết nối của khối phun khử khuẩn và khối điều khiển:

- Chân A0 dùng để điểu khiển bật tắt bơm thuốc khử khuẩn

- Chân D10,D11 là chân tín hiệu điều khiển 2 động cơ servo , 2 servo được cấp

nguồn 5V từ mạch giảm áp DC thông qua trở để tránh ngược dòng, hay quadòng, bảo vệ động cơ

- Chân SV1 điều khiển khớp di chuyển vòi phun lên cao hay xuống thấp theo trục

Khối nguồn có chức năng cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống, đảm bảo cho

hệ thống có thể hoạt động Để thiết kế khối nguồn, nhóm tiến hành tổng hợp và liệt kêcác thông số giá trị dòng điện và điện áp của các thành phần của hệ thống trong bảng3.1

Bảng 3.1 Thông số, giá trị các linh kiện sử dụng

lượng

Điện áp Dòng điện

2 Module hiển thị mức pin 1 12VDC 5mA

Tính toán nguồn điện:

Thiết kế nối song song module nên nguồn điện áp cần thiết tối thiểu là 12V DC

để cấp cho bơm áp suất Sau đó qua mạch giảm áp cấp nguồn 5V cho các modul khác.Ngoài ra l298N còn cung cấp nguồn ra là 5V/1A ta tận dụng để cấp nguồn cho arduino

và module HC06

Để duy trì nguồn cho 2 động cơ này, nhóm sử dụng module giảm áp là LM2596xoay các biến trở để được nguồn điện 5V/3A cấp cho 2 động cơ servo MG996: x 2 =

3000 mA = 3A

Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn được mô tả như hình 3.9:

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn.

2 chân HD1 và HD2 được nối 2 chân IN+ và IN- lấy từ nguồn 12V/5A DC củapin acqui đi qua module LM2956 giống như bộ chuyển đổi Buck, chuyển đổi điện ápcao xuống điện áp thấp, ta được nguồn 5V/3A cấp cho 2 servo là VCC_SERVO VÀGND

Tính toán thời gian sử dụng pin acquy:

Dựa theo bảng 3.1 ta có:

- = 40mA, là dòng tiêu thụ của board Arduino Nano

- 3mA, là dòng tiêu thụ của module hạ áp

- 5mA, là dòng tiêu thụ của module hiển thị phần trăm pin

- , là dòng tiêu thụ của module điều khiển động cơ

- , là dòng tiêu thụ của bơm áp suất

- , là dòng tiêu thụ của động cơ

- = 5mA là dòng tiêu thụ của module Bluetooth

- , là dòng tiêu thụ của servo

- Mức điện áp 5V dùng cho Arduino, servo, module bluetooth HC06

- Mức điện áp 12V dùng cho bơm, động cơ, module hiển thị pin, lm2596, l298N

(3.8)Trong đó:

- t là thời gian sử dụng điện từ pin (giờ)

- A là dung lượng của pin (mA)

- V là điện áp của pin (V)

- P là công suất tải (mW)

- η là hệ số sử dụng pin (thông thường η = 0.7)

Ta có công suất tải:

sử dụng pin sẽ được lâu hơn

f Nguyên lí hoạt động của toàn mạch

Sử dụng acqui 12V để cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống Nguồn 12V ở ngõ ra đivào module giảm áp LM2596 để cho ra mức điện áp 5V/3A sử dụng cho servo và 12Vqua module L298N cho ra nguồn 5V/1A cấp cho module bluetooth HC06 và chip điều

khiển Arduino nano Ta có mức điện áp 12V cung cấp cho bơm áp suất Sơ đồ nguyên

lí hoạt động toàn hệ thống được thể hiện dưới hình 3.10

Hình 3.10 khối nguồn của toàn hệ thống

Sau khi cấp nguồn, các module sẽ sang đèn báo tín hiệu hoạt động Lúc này ta

sử dụng điện thoại thông minh thao tác kế nối với module bluetooth HC06 để đưa racác lệnh điều khiển adruno nano Lúc này tùy vào trường hợp sẽ sử dụng các chế độ tựđộng hay thủ công sao cho phù hợp

Nếu chọn chế độ thủ công thì sau khi kết nối mặc định giao diện điều khiển sẽ làđiều khiển thủ công, người sử dụng sẽ thao tác trực tiếp các nút bấm trên màn hình đểđiều khiển robot Nếu chọn các chế độ tự động thì Robot sẽ tự động di chuyển theo cácchương trình đã được lập trình trên Adruno Nano

Chip vi điều khiển Adruno Nano sẽ đảm nhận chức năng đầu não, điều khiểnservo, bơm, l298N Module L298N điều khiển động cơ di chuyển theo các chươngtrình được lập trình sẵn từ Arduino Nano Bơm áp suất sau khi qua mạch điều khiểnđộng cơ sẽ được adruno điều khiển đóng hay mở kết hợp với chiết áp điều khiển tốc độbơm sao cho phù hợp Sơ đồ kết nối chi tiết các module được mô tả trong hình 3.11

Hình 3.11 Sơ đồ kết nối của toàn hệ thống

g Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống

3.3 Thiết kế phần mềm

a Lưu đồ giải thuật chương trình chính

Hình 3.13 Lưu đồ chương trình chính

Khi cấp nguồn, chương trình tiến hành khởi tạo các port, giao tiếp với các động

cơ và module, tạo giá trị ban đầu cho các biến Vòng lắp được thực hiện liên tục Đầutiên, kiểm tra hệ thống kết nối với module bluetooth Sau đó kiểm tra tác động điềukhiển, mặc định chế độ ban đầu sau khi kết nối sẽ là chế độ thủ công Nếu có tác độngvào “ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ” thì gọi chương trình di chuyển đã thiết lập và sau đóquay lại chờ điều khiển Nếu có tác động vào “ĐIỀU KHIỂN SERVO” thì chạychương trình quay servo theo các góc và sau đó quay lại chờ điều khiển Mặc định chế

độ ban đầu sau khi kết nối sẽ là chế độ thủ công Nếu có tác động điều khiển vào “CHẾ

ĐỘ HÀNH LANG” thì chạy chương trình con “HANHLANG” và sau đó quay lại chờđiều khiển Hoặc tác động vào “CHẾ ĐỘ TRONG PHÒNG” thì chạy chương trình con

“GOCVUONG” và sau đó quay lại chờ điều khiển Nếu không tác động thì chươngtrình sẽ kết thúc

b Lưu đồ thuật toán di chuyển

Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán di chuyển

Chương trình bắt đầu khi nhận được dữ liệu điều khiển từ module bluetooth, sau

đó kiểm tra có được gán giá trị tiến, rẽ trái, dừng, rẽ phải, lùi tương ứng với c = = (A,

B, C, D, S, X) hay không Nếu được gán các giá trị thì sẽ xử lý cho xe di chuyển,ngược lại không được gán thì chương trình quay sẽ kết thúc

c Lưu đồ thuật toán điều khiển servo

Tương tự như phương pháp di chuyển, sau khi nhận được dữ liệu điều khiển từmodule bluetooth sẽ kiểm tra các nút nhấn xem có nhấn hay không Nếu có sẽ gọi các