Thiết kế và thi công hộp điều khiển giường y tế bằng nút nhấn và ứng dụng chạy trên hệ điều hành Android thông qua Wifi. Ngoài ra hệ thống còn có chức năng thông báo cấp cứu cho bác sỹ. Khi nhấn nút thì hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo để y tá trực hoặc bác sĩ có thể nghe và kịp thời cấp cứu.
Trang 1TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Chuyên ngành: Điện tử Công Nghiệp – Y Sinh Mã ngành: 41
Khóa: 2014
I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT GIƯỜNG Y TẾ
II NHIỆM VỤ
1 Các số liệu ban đầu:
- Sử dụng module ESP32 và các linh kiện cần thiết liên quan đến đề tài
2 Nội dung thực hiện:
- NỘI DUNG 1: Tìm hiểu cách thức hoạt động của giường y tế truyền thống và giường y tế tự động
- NỘI DUNG 2: Thiết kế, thi công mạch điều khiển sử dụng ESP32S và các thiết
bị ngoại vi
- NỘI DUNG 3: Viết chương trình cho mạch điều khiển
- NỘI DUNG 4: Lắp đặt thiết bị và các module ngoại vi
- NỘI DUNG 5: Chạy thử nghiệm hệ thống
- NỘI DUNG 6: Thiết kế, lập trình và điều khiển thiết bị qua điện thoạt
Trang 2- NỘI DUNG 7: Cân chỉnh hệ thống
- NỘI DUNG 8: Viết sách luận văn
- NỘI DUNG 9: Báo cáo đề tài tốt nghiệp
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: / /2019
Trang 3TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
- Lựa chọn linh kiện chính cho các khối
Tuần 5 - Thiết kế sơ đồ nguyên lý và giải thích
hoạt động của mạch
Trang 4- Tiến hành thi công mạch
- Kiểm tra mạch thi công
Tuần 8
(19/11 -
25/11)
- Kiểm tra mạch thi công
- Viết chương trình và thử nghiệm kiểm tra hoạt động của mạch điều khiển
Tuần 9
(26/11 -
02/12)
- Kết nối các module lại với nhau
- Viết chương trình điều khiển
Tuần 10
(03/12 -
09/12)
- Viết chương trình điều khiển
- Thiết kế app trên điện thoại
- Chạy thử nghiệm, kiểm tra lỗi và tối ưu
- Chỉnh sửa hệ thống chạy tối ưu
- Viết báo cáo Tuần 13
(24/12 -
31/12)
- Hoàn thiện báo cáo và gửi cho GVHD
để xem xét và góp ý
Trang 5Tuần 14
(01/01 -
06/01)
- Hoàn thiện báo cáo lần cuối trước khi in
và tiến hành nộp cuốn báo cáo cho GVHD
Trang 6LỜI CAM ĐOAN
Chúng tôi cam đoan đề tài đồ án tốt nghiệp do chính chúng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Ths Nguyễn Thanh Nghĩa, có tham khảo một số tài liệu liên quan và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó, nội dung - kết quả trong đề tài đồ án tốt nghiệp hoàn toàn trung thực
Nếu có bất kỳ sự gian lận nào, chúng tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về nội dung
đề tài của mình
Người thực hiện đề tài
Trang 7Lời tiếp theo, chúng em xin được phép gửi đến thầy Nguyễn Thanh Nghĩa lòng biết
ơn và lời cảm ơn chân thành sâu sắc nhất, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất trong suốt thời gian hoàn thành Đồ Án Tốt Nghiệp
Cuối cùng, nhóm em cũng xin cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người cũng đã
hỗ trợ, quan tâm, giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành Đồ Án Tốt nghiệp Mặc dù đã cố gắng hoàn thành mục tiêu đề tài đặt ra nhưng
do kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, mong quý Thầy/Cô thông cảm, mong nhận được những ý kiến chân thật và nhóm sẽ luôn học hỏi và khắc phục để có được kết quả tốt nhất
Nhóm em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Trang 8
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - II LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - IV LỜI CAM ĐOAN - VII LỜI CẢM ƠN - VIII MỤC LỤC - IX DANH MỤC HÌNH - XI DANH MỤC BẢNG - XIII
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN - 1
1.1 Đặt vấn đề - 1
1.2 Mục tiêu - 1
1.3 Nội dung nghiên cứu - 2
1.4 Giới hạn - 2
1.5 Bố cục - 2
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT - 4
2.1 Cấu tạo giường y tế - 4
2.1.1 Cấu tạo và cách hoạt động của giường y tế - 4
2.1.2 Cấu tạo giường y tế tự động - 5
2.2 Tổng quan về Wifi - 6
2.3 Tổng quan về hệ điều hành android - 6
2.4 Giới thiệu phần cứng - 7
2.4.1 Xi lanh điện - 7
2.4.2 Relay SRD12VDC - 10
2.4.2 Module cầu H - 11
2.4.3 Module relay - 14
2.4.4 Kit ESP32 - 14
2.4.5 Module thu phát sóng RF 315MHz - 16
2.4.6 Module giảm áp LM2596 - 18
2.4.7 Chuông điện - 19
CHƯƠNG 3.TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ - 21
3.1 Giới thiệu - 21
3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống - 21
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống - 21
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch. - 22
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch - 28
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG - 30
4.1 Giới thiệu - 30
4.2 Thi công hộp điều khiển - 30
4.2.1 Mạch in PCB - 30
4.2.2 Thi công bo mạch - 33
4.2.3 Lắp ráp và kiểm tra - 33
4.3 Thi công hệ thống - 35
4.3.1 Hệ thống phần điện - 35
4.3.2 Mô hình hệ thống phần cơ khí - 36
Trang 94.4 Lập trình hệ thống - 38
4.4.1 Lưu đồ chương trình điều khiển - 38
4.4.2 Lưu đồ chương trình con - 40
4.4.3 Lưu đồ giải thuật trên APP - 41
4.5 Giới thiệu và phần mềm lập trình - 42
4.5.1 Giới thiệu về Arduino IDE - 42
4.5.2 Giới thiệu App Inventor - 46
4.5.3 Tiến hành thiết kế giao diện - 50
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ - 52
5.1 Kết quả đạt được - 52
5.2 Kết quả thử nghiệm hệ thống - 52
5.2.1 Quá trình điều khiển trên remote RF - 52
5.2.2 Quá trình điều khiển trên bàn phím dây - 53
5.2.3 Quá trình điều khiển trên APP điện thoạt - 54
5.3 Kết quả hình ảnh mô hình - 55
5.4 Nhận xét và đánh giá - 58
5.4.1 Ưu điểm - 59
5.4.2 Nhược điểm - 59
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN - 60
6.1 Kết luận - 60
6.2 Hướng phát triển - 60
PHỤ LỤC - 62
Trang 10DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Giường y tế truyền thống 4
Hình 2.2 Giường y tế tự động 5
Hình 2.3 Xy lanh điện lx100 7
Hình 2.4 Xy lanh điện model lx600 9
Hình 2.5 Cấu tạo relay SRD12VDC 10
Hình 2.6 Cấu tạo mạch cầu H 11
Hình 2.7 Động cơ quay thuận 12
Hình 2.8 Động cơ quay nghịch 12
Hình 2.9 Mạch cầu H sử dụng relay 13
Hình 2.10 Module mạch cầu H tích hợp module sóng RF 13
Hình 2.11 Module relay 14
Hình 2.12 Module ESP32 15
Hình 2.13 Sơ đồ chân của ESP32S 15
Hình 2.14 Module thu sóng RF 315Mhz 17
Hình 2.15 Module phát sóng RF 315MHz 17
Hình 2.16 Module giảm áp 18
Hình 2.17 Chuông điện 19
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 21
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển ngoại vi 23
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lí bàn phím 24
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lí mạch thu sóng RF 25
Hình 3.5 Module phát sóng RF 315MHz 25
Hình 3.6 Module giảm áp DC LM2596 3A 26
Hình 3.7 Nguồn xung 27
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch 29
Hình 4.1 Mạch in 2 lớp trên proteus 30
Hình 4.2 Sơ đồ mạch in lớp dưới 31
Hình 4.3 Sơ đồ mạch in lớp trên 31
Hình 4.4 Sơ đồ bố trí linh kiện 3D 32
Hình 4.5 Bo mạch sau khi in và rửa 33
Hình 4.6 Hộp điều khiển khi lắp tất cả các module 34
Hình 4.7.Tổng quan mô hình hộp điều khiển 35
Hình 4.8.Tổng quan sản phẩm giường y tế 36
Hình 4.9 Động cơ DC2 nâng hạ Panen tựa lưng 37
Hình 4.10 Động cơ DC1 nâng hạ chiều cao 37
Hình 4.11 Động cơ DC3 nâng hạ Panen chân 38
Hình 4.12 Lưu đồ chương trình điều khiển 39
Hình 4.13 Lưu đồ chương trình điều khiển 40
Trang 11Hình 4.14 Lưu đồ chương trình con 41
Hình 4.15 Lưu đồ điều khiển trên App 42
Hình 4.16 Các bước cài phần mềm Arduino IDE trên website 43
Hình 4.17 Các bước cài đặt IDE khi hoàn tất tải về máy 43
Hình 4.18 Giao diện lập trình arduino 44
Hình 4 19 Giao diện Examples menu 44
Hình 4.20 Giao diện Sketch Menu Arduino IDE 45
Hình 4.21 Board Arduino sử dụng 45
Hình 4.22 Giao diện phần mềm Inventor 46
Hình 4.23 Giao diện thiết kế 47
Hình 4.24 Chọn chế độ làm việc 47
Hình 4.25.Code Blocks 48
Hình 4.26 Vùng làm việc 48
Hình 4.27 Danh sách lệnh 49
Hình 4.28 Kéo thả các khối lệnh 50
Hình 4.29 Kéo thả Web1 50
Hình 4.30 Khối lệnh điều khiển động cơ ĐC1 51
Hình 4.31 Giao diện sau khi thiết kế 51
Hình 5.4 Vị trí đặt nguồn và hộp điều khiển hệ thống 57
Trang 12DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Thông số xy lanh điện lx100 8
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật xy lanh model lx600 9
Bảng 4.1.Danh sách các linh kiện 32
Bảng 5.1 Kết quả chạy trên remote RF 52
Bảng 5.2 Kết quả chạy trên remote có dây 53
Trang 13Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Thế giới đang trong làn sóng của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 Công nghệ
về điều khiển thông minh và điều khiển tự động cũng phát triển theo, chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong công nghiệp và đời sống Đặc biệt,trong lĩnh vực y
tế, khoa học kỹ thuật đã giúp phát triển vượt bậc, để phục vụ con người tốt nhất Nhận thấy đa số các giường y tế truyền thống ở các bệnh viện hiện nay khi muốn thay đổi các tư thế đều phải điều chỉnh thủ công gây mất thời gian và bất tiện cho bệnh nhân cũng như cho các Bác sỹ chăm sóc Chính vì những chiếc giường có chức năng điều chỉnh tự động hiện nay ngoài thị trường thì giá lại rất cao, khoảng trên 10 triệu đồng mới có 1 chiếc giường điều chỉnh tự động Nắm bắt được điều này, nhóm
em quyết định nghiên cứu và thiết kế một module để cải tiến chiếc giường y tế truyền thống thành chiếc giường tự động thông minh hơn giúp người bệnh thoải mái trong thời gian điều trị, với chi phí rẻ hơn Qua đó người thân bệnh nhân yên tâm hơn còn phòng trực quản lý được bệnh nhân tốt hơn
Qua tóm tắt trên, chúng em quyết định làm đề tài “Thiết kế và thi công hệ
thống điều khiển và giám sát giường y tế” Hệ thống này sử dụng vi điều khiển
trung tâm là module WiFi ESP32 Node MCU Ứng dụng cơ điện vào trong lĩnh vực
y tế, thay sức người bằng sức máy Tăng hiệu năng làm việc đối với nhân viên chăm sóc bệnh nhân Bệnh nhận củng chủ động hơn trong việc thay đổi tư thế để máu được lưu thông tốt hơn trong thời gian phục hồi và điều trị [1-4]
1.2 Mục tiêu
Thiết kế và thi công hộp điều khiển giường y tế bằng nút nhấn và ứng dụng chạy trên hệ điều hành Android thông qua Wifi Ngoài ra hệ thống còn có chức năng thông báo cấp cứu cho bác sỹ Khi nhấn nút thì hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo để y tá trực hoặc bác sĩ có thể nghe và kịp thời cấp cứu
Trang 141.3 Nội dung nghiên cứu
- NỘI DUNG 1: Tìm hiểu cách thức hoạt động của giường y tế truyền thống và giường y tế tự động
- NỘI DUNG 2: Thiết kế, thi công mạch điều khiển sử dụng ESP32S và các thiết
bị ngoại vi
- NỘI DUNG 3: Viết chương trình cho mạch điều khiển
- NỘI DUNG 4: Lắp đặt thiết bị và các module ngoại vi
- NỘI DUNG 5: Chạy thử nghiệm hệ thống
- NỘI DUNG 6: Thiết kế, lập trình và điều khiển thiết bị qua điện thoạt
- NỘI DUNG 7: Cân chỉnh hệ thống
- NỘI DUNG 8: Viết sách luận văn
- NỘI DUNG 9: Báo cáo đề tài tốt nghiệp
1.4 Giới hạn
- Mạch điều khiển sử dụng module wifi ESP32
- 3 Xi lanh điện sử dụng 3 động cơ DC 24V:
• Hành trình 250mm, tốc độ 7mm/s, lực đẩy 8000N
• Hành trình 200mm, tốc độ 5mm/s, lực đẩy 6000N
• Hành trình 50mm, tốc độ 5mm/s, lực đẩy 6000N
- Mạch điều khiển xi lanh sử dụng 3 module cầu H
- Hộp điều khiển giường có kích thước 170x130x55 ( chiều dài x chiều rộng x chiều cao)
- Ứng dụng điều khiển chỉ sử dụng được trên hệ điều hành android
Trang 15Chương này giới thiệu các linh kiện cần thiết để sử dụng trong đề tài, giới thiệu chức năng, thông số kỹ thuật của linh kiện và khái quát các lí thuyết cơ bản liên quan đến
đề tài, tạo cơ sở để thực hiện đề tài
• Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Chương này trình bày, giải thích sơ đồ khối của hệ thống, quy trình hoạt động của và tính toán các thông số cần thiết của hệ thống Tiếp theo là trình bày nội dung tiến hành thi công hệ thống, viết chương trình cho ứng dụng điều khiển trên điện thoại
• Chương 4: Thi công hệ thống
Là một chương quan trọng trong bài báo cáo, ta tiến hành thiết kế mạch in PCB, sau đó thi công mạch và lắp đặt các linh kiện vào board Ngoài ra, viết chương trình hệ thống bằng Arduino IDE và thiết kế trang điều khiển – giám sát trên Website
• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này trình bày kết quả đạt được, nhận xét, đánh giá hệ thống và cách hoạt động của hệ thống Trình bày giao diện của ứng dụng và cách hoạt động của ứng dụng
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Trong chương cuối này ta trình bày những kết luận rút ra được sau quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, kết luận về khả năng hoạt động của thiết bị trong thực
tế Qua đó đưa ra những kiến nghị và đề xuất hướng phát triển của đề tài
Trang 16Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Cấu tạo giường y tế
2.1.1 Cấu tạo và cách hoạt động của giường y tế
- Tóm lại giường y tế truyền thống có nhiều hạn chế, không thuận để thay đổi
tư thế cho bệnh nhân Bệnh nhân không tự mình để thay đổi tư thế nằm được
mà phải cần đến sự hỗ trợ của người thân hoặc nhân viên chắm sóc
Trang 172.1.2 Cấu tạo giường y tế tự động
Hình 2.2 Giường y tế tự động
- Giường y tế tự động cấu tạo gần giống với giường y tế truyền thống, khác biệt
là phần điều khiển độ cao phần đầu, chân và độ cao của giường bằng động cơ
xy lanh điện
- Khắc biệt lớn nhất của giường y tế tự động là khả năng thay đổi tư thế rất thuận lợi, nhưng bệnh nhân khả năng hoạt động hạn chế vẫn tự mình thay đổi tư thế được
- Phần lớn dùng giường sản xuất trong nước loại 2 tay quay với 5 chức năng, hoặc loại 3 tay quay 6 chức năng, nhưng chủ yếu vẫn là điều chỉnh nâng, hạ, trong khi những bệnh nhân nặng điều trị dài ngày rất cần được thay đổi nhiều tư thế mới nhanh hồi phục
- Giường y tế tự động gồm có 3 phần được nâng bởi động cơ gồm đầu, chân và
độ cao của giường 3 phần này được gắn với trục khuỷu và trục này được gắn với động cơ
- Thông số kỹ thuật:
Trang 18• Chiều dài : 2100cm
• Chiều rộng: 1025cm
• Chiều cao: 0 ~ 620cm
• Góc nâng của đầu: 80°
• Góc nâng của chân: 40°
2.2 Tổng quan về Wifi
Wifi là từ viết tắt của Wireless Fidelity, nó là một hệ thống hoạt động dựa trên sóng vô tuyến không dây, hay còn được gọi là mạng IEEE 802.11 Wifi cho phép truy cập mạng internet ở một khoảng cách xác định mà không cần kết nối vật lý Có 6 chuẩn Wifi thông dụng hiện nay đó là a, b, g, n, ac, … Trong đó chuẩn ac được sử dụng rộng rãi nhất trên điện thoại, máy tính và những thiết bị thông minh khác Sóng Wifi có đặc điểm là thu phát ở tần số từ 2.4GHz đến 5GHz cao hơn so với sóng
vô tuyến truyền hình, sóng điện thoại và radio nên khá an toàn trong vấn đề bảo mật thông tin khi truyền nhận dữ liệu
2.3 Tổng quan về hệ điều hành android
Android là một hệ điều hành dựa trên nền tảng Linux được thiết kế dành cho các thiết bị di động có màn hình cảm ứng như điện thoại thông minh và máy tính bảng Ban đầu, Android được phát triển bởi Android Inc với sự hỗ trợ tài chính từ Google và sau này được chính Google mua lại vào năm 2005
Android có mã nguồn mở và Google phát hành mã nguồn theo giấy phép Apache Chính mã nguồn mở cùng với một giấy phép không có nhiều ràng buộc đã cho phép các nhà phát triển thiết bị, mạng di động và các lập trình viên nhiệt huyết được điều chỉnh và phân phối Android một cách tự do Ngoài ra, Android còn có một cộng đồng lập trình viên đông đảo chuyên viết các ứng dụng để mở rộng chức năng của thiết bị, bằng một loại ngôn ngữ lập trình Java có sửa đổi Tháng 10 năm 2012, có khoảng 700.000 ứng dụng trên Android, và số lượt tải ứng dụng từ Google Play, cửa hàng ứng dụng chính của Android, ước tính khoảng 25 tỷ lượt
Những yếu tố này đã giúp Android trở thành nền tảng điện thoại thông minh phổ biến nhất trên thế giới Android chiếm 87.7% thị phần điện thoại thông minh trên toàn thế
Trang 19giới vào thời điểm quý 2 năm 2017, với tổng cộng 2 tỷ thiết bị đã được kích hoạt và 1.3 triệu lượt kích hoạt mỗi ngày Chính vì sự phổ biến của Android nên nhóm chúng
em mới chọn hệ điều hành này để viết ứng dụng điều khiển cho thiết bị giường y tế
2.4 Giới thiệu phần cứng
2.4.1 Xi lanh điện
a Tổng quan
Xi lanh điện là loại xi lanh có cơ cấu dẫn động tuyến tính Cấu tạo xi lanh điện được
sử dụng để chuyển đổi năng lượng điện thành mô-men xoắn Một động cơ điện sẽ được kết nối với máy móc sẽ làm quay vít dẫn Khi vít dẫn xoay, đai ốc di chuyển dọc theo trục vít dẫn, hướng đi của đai ốc tùy thuộc vào chiều quay của vít dẫn
b Thông số của xy lanh điện
Hình 2.3 Xy lanh điện lx100
+ Thông số kỹ thuật của xi lanh điện model lx100:
- Xy lanh điện sử dụng động cơ DC có công suất ~70W, có thể cấp điện áp 12VDC hoặc 24VDC
- Đề tài sử dụng 1 xy lanh có hành trình 250mm
- Tốc độ 7mm/s khi chịu tải 8000N, 14mm/s khi chịu tải 4000N…
- Chiều dài tối thiểu của xy lanh 425mm
- Chiều dài tối đa của xy lanh 675mm
Trang 20- Công tắc hành trình tích hợp trong thân xy lanh, khi hết hành trình thì tự động ngắt điện
- Nhiệt độ hoạt động trong khoảng -25 ~ 65 °C
- Tần số hoạt động trong khoảng 10% ~ 20%
Khoảng cách tối thiểu
+ Thông số kỹ thuật xy lanh model lx600:
- Xy lanh điện sử dụng động cơ DC có công suất ~55W, có thể cấp điện áp 12VDC hoặc 24VDC
- Đề tài sử dụng 2 xy lanh loại lx600 có hành trình là 50mm và 200mm
Trang 21- Tốc độ 7mm/s khi chịu tải 8000N, 14mm/s khi chịu tải 4000N…
- Chiều dài tối thiểu của xy lanh 2 và 3 lần lượt là: 225mm và 375mm
- Chiều dài tối đa của xy lanh 2 và 3 lần lượt là: 275mm và 575mm
- Công tắc hành trình tích hợp trong xy lanh, khi hết hành trình tự động ngắt điện
- Nhiệt độ hoạt động trong khoảng -25 ~ 65 °C
- Tần số hoạt động trong khoảng 10% ~ 20%
Trang 22Lực đẩy tương ứng lúc không tải(N) 6000 3000 2000 1000 800 600 200
Hình 2.5 Cấu tạo relay SRD12VDC
Trang 23b Thông số kỹ thuật
- Điện áp điều khiển: 12V
- Dòng điện tối đa của tải: 10A
- Thời gian tác động: 10mS
- Nhiệt độ hoạt động: -45°C ~ 75°C
Chân 1 và chân 2 được nối vào cuộn dây, khi có điện vào dây tạo ra từ trường sẽ hút tiếp điểm từ vị trí 4 xuống vị trí 5, các chân 3,4,5 được ký hiệu là COM, NO và NC:
- COM là chân chung, nơi cấp nguồn đưa ra ngoài
- NC là chân thường đóng, luôn kết nối với chân COM khi cuộn dây chưa có từ trường
- NO là chân thường hở, sẽ kết nối với chân COM khi cuộn dây có từ trường
2.4.2 Module cầu H
a Tổng quan
Mạch cầu H là mạch dùng để điều khiển chiều quay và tốc độ của động cơ DC Trong thực tế có rất nhiều kiểu mạch cầu H khác nhau tùy vào mục đích chúng lựa chọn linh kiện có dòng điện , áp điếu khiển lớn hay nhỏ , tần số xung PWM… và chúng sẽ quyết định đến khả năng điều khiển động cơ của mạch cầu H
Mạch cầu H cấu tạo chính gồm bốn công tắc điều khiển động cơ mắc như hình:
Trang 24Ở điều kiện bình thường 4 khóa đều mở, động cơ không hoạt động,để động cơ quay thuận S1 và S4 đóng mạch, S2 và S3 hở mạch, chiều dòng điện đi từ cực dương “+” sang cực “-” của động cơ :
Hình 2.7 Động cơ quay thuận
Để động cơ quay nghịch S1 và S4 hở mạch, S2 và S3 đóng mạch, chiều dòng điện đi
từ cực âm “-” sang cực dương “+” của động cơ
Trang 25công suất tiêu thụ của động cơ Chính vì vậy trên thị trường có đa dạng các mạch cầu
b Thông số kỹ thuật mạch cầu H
Hình 2.10 Module mạch cầu H tích hợp module sóng RF
• Điện áp cung cấp : 24VDC
• Dòng tiêu thụ: 0.5A
• Công suất chịu tải: 10A/250VAC; 10A/30VDC
• Tần số điều khiển: 315MHz
Trang 26- Dòng: 50mA (standby 10mA)
- Ngõ ra relay: 250 VAC 10A or 30 VDC 10A
2.4.4 Kit ESP32
a Tổng quan
Kit thu phát wifi Nodemcu ESP32 Wifi BLE với module ESP32-WROOM-32 Dual core, tích hợp Wifi Soc và dual mode Bluetooth ESP32 Arduino core đi kèm với thư viện kết nối Wifi hỗ trợ TCP,UDP và các ứng dụng HTTP, mDNS, SSDP, DNS Servers Board hỗ trợ tự động upload chương trình qua MicroUSB thông qua giao tiếp UART CP2102 Ngoài ra còn có thể thực hiện cập nhật OTA, sử dụng Filesystem dùng bộ nhớ Flash hay thẻ SD, điều khiển servos, ngoại vi SPI, I2C
Trang 27Hình 2.12 Module ESP32
b Thông số kỹ thuật ESP32S
Hình 2.13 Sơ đồ chân của ESP32S
• CPU: Xtensa Dual-Core 32-bit LX6 microprocessor, operating at 160 or 240 MHz and performing at up to 600 DMIPS
Trang 28- 12-bit SAR ADC up to 16 channels
- Băm xung tất cả các chân
- Ultra low power analog pre-amplifier
Trang 30Thông só kỹ thuật:
• Điện áp đầu vào từ: 4V – 35V
• Điện áp đầu ra: 1V - 30V
• Dòng ra tối đa: 3A
• Kích thước mạch: 53mmx26mm
• Điều chỉnh điện áp đầu ra bằng biến trở
Trang 32Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1 Giới thiệu
Với yêu cầu thực tế của bệnh nhân, giường y tế phải thuận tiện phục vụ nhu cầu của bệnh nhân Với phương châm tạo sự thuận tiện thoải mái cho bệnh nhân trong điều trị và phục hồi Nên nhóm thiết kế để điều khiển được bằng nhiều cách khác nhau như điều khiển bằng nút nhấn và điều khiển bằng song RF và điều khiển bằng APP trên điện thoại với giao diện trực quan, tiện lợi cho người sử dụng Các nội dung thiết kế bao gồm:
- Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
- Thiết kế mạch nguyên lí cho từng khối
- Vẽ sơ đồ nguyên lí toàn mạch
3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Từ các yêu cầu của đề tài, ta có sơ đồ khối hệ thống như sau:
KHỐI XỬ LÍ DỮ LIỆU TRUNG TÂM
KHỐI GIAO TIẾP
Trang 33- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ các khối còn lại
- Khối xử lí trung tâm điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống
- Khối xử lí giao tiếp người dùng có nhiệm vụ đẩy giữ liệu vào khối xử lý trung tâm để điều khiển hệ thống
- Khối điều khiển thiết bị ngoại vi Khối có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối xử lý
để điều khiển ngõ ra relay đóng mở khóa các thiết bị ngoại vi gồm: động cơ, chuông báo
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch
a Thiết kế khối điều khiển ngoại vi
Khối có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lí dữ liệu trung tâm để điều khiển ngõ ra relay đảo chiều đẩy và đóng mở khóa các thiết bị: 3 xy lanh điện
và chuông báo động
Các khóa của mạch cầu H thường được chế tạo bằng relay, BJT ( Bipolar Juntion Transitor) hay MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor Field-Effect) Do yêu cầu của mạch chỉ cần điều khiển đảo chiều và không cần điều khiển tốc độ nên chúng ta sử dụng mạch cầu H bằng relay Mạch này có ưu điểm là tránh được hiện tượng trùng dẫn dẫn ở hai nửa mạch cầu H gây ngắn mạch
- Các linh kiện và thiết bị của khối:
• Relay SRD-12VDC-SL-C: Relay nằm ở vị trí trung gian giữa mạch điều khiển
và thiết bị cần điều khiển, giúp đảo chiều quay của động cơ và đóng mở chuông báo động
• J3Y: là transitor loại NPN, vì dòng điện từ ESP32 không đủ để kích dẫn cuộn dây trong relay J3Y sẽ nằm ở vị trí trung gian kéo điện áp âm của relay xuống GND khi được kích Khi đó relay sẽ đóng từ nguồn điện 24VDC
• Diode M7F: đấu ngược từ vị trí của cuộn dây relay để bảo vệ mạch Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây của relay tạo ra một từ trường, khi ngắt điện ở cuộn dây,
từ trường bị mất đột ngột tạo ra một điện áp cao phóng qua cuộn dây relay sẽ phá hỏng các bóng bán dẫn và IC Diode bảo vệ sẽ dẫn dòng điện của điện áp
Trang 34cao cảm ứng này phóng qua cuộn dây và qua diode àm cho từ trường bị triệt tiêu một cách nhanh chóng Điều này ngăn cản điện áp trở nên đủ cao để có thể phá hỏng các linh kiện mạch điện
-Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển ngoại vi:
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển ngoại vi
Trong đó:
• E1, E2, E3, E4, E5, E6 là tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển để chọn chiều quay của 3 xy lanh
• Bell là tín hiệu điều khiển từ nút nhấn khẩn cấp từ bàn phím
• Các chân COM của relay nối với 3 xy lanh
Tính toàn giá trị trở R 14 , R 19 , R 15 , R 17 , R 16 , R 18:
Theo thông số trên datasheet của transistor j3y thì để transistor này dẫn bão hòa thì chỉ cần Ib=50mA
Trang 351 14
BE
E V V
R = −
(3.1) Trong đó VE1 là điện áp tại chân E của transistor, VBE là điện áp rơi trên hai cực BE của transistor
2.13.3
14
Chọn R14 = 47 Ω
Tương tự như các điện trở còn lại, các giá trị R19, R15, R17, R16, R18 đều bằng 47 Ω
b Thiết kế khối giao tiếp người dùng
Khối này có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển của người dùng gồm bàn phím và module RF
Trang 36Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lí mạch thu sóng RF
+ Module phát sóng RF 315MHz sử dụng IC mã hóa SCT2260
Hình 3.5 Module phát sóng RF 315MHz
c Thiết kế khối nguồn
• Nguồn nuôi động cơ
Đề tài sử dụng 3 động cơ, một động cơ 70W, 2 động cơ 55W với nguồn cấp là 24VDC Dòng cấp cho các động cơ được tính theo công thức:
Trang 37Tổng dòng phải cung cấp để nuôi động cơ là : 2.9 + 4.6 = 7.5 (A)
• Nguồn nuôi module ESP32
ESP32 sử dụng áp 5V, dòng 80mA được lấy từ mạch giảm áp DC LM2596 3A
Hình 3.6 Module giảm áp DC LM2596 3A
- Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V
- Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V
- Dòng đáp ứng tối đa là 3A
Trang 38Linh kiện cho khối nguồn: Nguồn xung là một bộ nguồn có tác dụng chuyển từ dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều nhờ vào cơ chế dao động xung tạo mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung Chúng ta biết rằng nguồn vô tuyến cổ điển sử dụng biến áp sắt từ để làm nhiệm vụ hạ áp rồi sau đó dùng chỉnh lưu kết hợp với ic nguồn tuyến tính tạo ra các cấp điện áp một chiều mong muốn như 3.3V, 5V, 6V, 9V, 12V,24V…
Hình 3.7 Nguồn xung
Cấu tạo nguồn xung gồm:
- Biến áp xung: Cũng cấu tạo gồm các cuộn dây quán trên một lõi từ giống như biến áp thông thường chỉ có điều biến áp này sử dụng lõi ferit còn biến áp thường
sử dụng lỗi thép kỹ thuật điện Với cùng một kích thước thì biến áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần Ngoài ra biến áp xung hoạt động tốt ở dải tần cao còn biến áp thường chỉ hoạt động ở dải tần thấp
- Cầu chì: Bảo vệ mạch nguồn bị ngắn mạch
Trang 39- Cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp, diode chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều tích trữ trên tụ lọc sơ cấp để cung cấp năng lượng cho cuộn sơ cấp của máy biến áp xung
- Sò công suất/: Đây là một linh kiện bán dẫn dùng như một công tắc chuyển mạch, đó có thể là transistor, mosfet, IC tích hợp, IGBT có nhiệm vụ đóng cắt điện từ chân (+) của tụ lọc sơ cấp vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung rồi cho xuống mass
- Tụ lọc nguồn thứ cấp: Dùng để tích trữ năng lượng điện từ cuộn thứ cấp của biến áp xung để cấp cho tải tiêu thụ Chúng ta biết rằng khi cuộn sơ cấp của biến
áp được đóng cắt điện liên tục bằng sò công suất thì xuất hiện từ trường biến thiên dẫn đến cuộn thứ cấp của biến áp cũng xuất hiện một điện áp ra Điện áp này được chỉnh lưu qua một vài diode rồi đưa ra tụ lọc thứ cấp để san phẳng điện áp
- IC quang và IC TL431: Có nhiệm vụ tạo ra một điện áp cố định để khống chế điện áp ra bên thứ cấp ổn định theo mong muốn Chúng sẽ làm nhiệm vụ khống chế dao dộng đóng cắt điện vào cuộn sơ cấp của biến áp xung sao cho điện áp
ra bên thứ cấp đạt yêu cầu
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch
Sau khi đã thiết kế xong sơ đồ nguyên lý cho từng khối, sau khi ghép các khối lại với nhau chúng ta có sơ đồ nguyên lý toàn mạch như hình sau:
Trang 40Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch
Giải thích nguyên lí toàn mạch
+ Khi mạch khởi động, các chân tín hiệu E1,E2,E3,E4,E5,E6 đều ở mức thấp
+ Các chân điều khiển từng động cơ theo cặp tín hiệu là E1 và E2, E3 và E4, E5 và E6 + Khi chân E1 lên mức cao, transistor Q1 dẫn làm cho relay 1 đóng, làm động cơ 1 quay thuận
+ Khi chân E2 lên mức cao, E1 về mức thấp làm cho Q1 không dẫn , Q2 dẫn làm relay
1 mở và relay 2 đóng, làm động cơ 1 quay nghịch Tương tự với các chân điều khiển còn lại
+ Chân điều khiển STOP được kích khi nhận tín hiệu mức cao, chân điều khiển BELL được kích khi nhận tín hiệu mức cao