Tải bản đầy đủ (.docx) (65 trang)

robot phun dung dịch khử khuẩn

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.51 MB, 65 trang )

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 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. TS
Nguyễn Thanh Hải trong suốt thời gian qua đã tận tình góp ý, chỉ bảo để chúng em có
thể hồn thành đề tài một cách hoàn chỉnh nhất, đặc biệt là trong thời điểm dịch Covid19. Được sự hướng dẫn của thầy, nhóm em đã học hỏi thêm nhiều kinh nghiệm quý
báu từ kiến thức chuyên môn tới các kỹ năng cần thiết khác để phục vụ cho quá trình
phát triển bản thân trong tương lại.
Đồng thời, nhóm em xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè đã
ln quan tâm, giúp đỡ, động viên và là nguồn động lực tinh thần lớn, luôn tạo mọi
điều kiện để chúng em có thể thực hiện và hồn thành Đồ án Tốt nghiệp.
Một lần nữa chúng em xin chân thành cám ơn!
Người thực hiện đề tài

1


LỜI CAM ĐOAN
Nhóm thực hiện Đồ Án Tốt Nghiệp cam đoan không sao chép nội dung và kết
quả của các cơng trình nghiên cứu khác. Các nội dung tham khảo đã được trích dẫn đầy
đủ.

Người thực hiện đề tài

2


TÓM TẮT
Hiện nay, thế giới đang chứng kiến sự tàn phá nặng nề của COVID-19 về cả


kinh tế lẫn sức khỏe, thậm chí là cả tính mạng con người, do sức lây lan tăng nhanh
đến 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. Vì
mục 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 mơ 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 cơng
cộng.
Mơ hình robot khử khuẩn mà nhóm thực hiện sử dụng vi xử lý trung tâm là kit
Adruno Nano ATmega 328P, kết hợp với module bluetooth HC06, module L298N, máy
bơm Mini, chiết áp, Pin Lithium và các động cơ DC. Đồng thời thiết kế cánh tay phun
khử khuẩn gắn các béc phun sương và có thể quay được các góc từ 0-180 độ theo trục
X-Y, giúp tăng độ bao phủ thuốc trên bề mặt lên đến hơn 80% và tiết kiệm được lượng
thuốc 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 điều
khiển robot trên điện thoại thông minh qua Mit inventor mang lại tốc độ phản hồi
nhanh và ổn định.
Kết quả sau khi thực hiện nhóm đã nghiên cứu và thi cơng mơ hình robot khử
khuẩn đáp ứng được các mục tiêu đưa ra ban đầu của đề tài. Hệ thống hoạt động ổn
định thơng qua ứng dụng trên điện thoại. Mơ hình có đầy đủ các chức năng cơ bản của
một 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.

3


MỤC LỤC

4



DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DC
HTTP
WIFI
IOT
UART
GND
LCD
RPM

Direct Current
HyperText Transfer Protocol
Wireless Fidelity
Internet Of Things
Universal Asynchronous Receiver-Transmitter
Ground
Liquid Crystal Display
Revolutions Per Minute

5


DANH MỤC BẢNG BIỂU

6


DANH MỤC HÌNH ẢNH


7


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu
Hiện nay, thế giới đang chứng kiến sự tàn phá nặng nề của COVID-19 về cả
kinh tế lẫn sức khỏe, thậm chí là cả tính mạng con người, do sức lây lan tăng nhanh
đến chóng mặt. Nhận thấy trước tình hình khó khăn của các y bác sĩ không chỉ riêng cả
nước và cũng như tồn thế giới trước chủng virus vơ cùng nguy hiểm mang tên
COVID-19. Chúng ta đã đặt ra nhiều giải pháp, từ việc hạn chế tiếp xúc đến cách ly xã
hội một trong số những giải pháp thiết yếu được đặt ra là vấn đề khử trùng tại các nơi
công cộng, nơi tập trung nhiều người như trường học, các khu dân cư, sân bay đặc biệt
là ở bệnh viện.
Hầu hết mơi trường bệnh viện có nhiều nguồn virus tiềm ẩn bao gồm các bề mặt
tiếp xúc, thiết bị, dụng cụ. Nhiều phương pháp diệt khuẩn, khử trùng được đưa vào sử
dụng 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 7080 độ để phun khử khuẩn trực tiếp bề mặt đồng thời thiết kế vi điều khiển trung tâm
Ardruino Nano, module SIM800C điều khiển cánh tay robot gắn các vòi phun sương
phun thuốc diệt khuẩn, kết hợp với các module điều khiển động cơ giúp xe linh động di
chuyển [1]. Ngoài ra cịn có phương pháp diệt khuẩn bằng tia cực tím UVC như trong
đề tài của nhóm Hứa Gia Thuận, Ngơ Quang Trạng đã thiết kế thành cơng “Mơ 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 sử
dụng ESP32S có tích hợp wifi để người dung dễ dàng sử dụng khi áp dụng vào thực tế
và mơ hình robot này đã đang được thử nghiệm ở bệnh viện quận Thủ Đức [2]. Thêm
một mô hình khử khuẩn được thử nghiệm thành cơng 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 hố chất khử khuẩn của học viện Phenikaa đang được sử dụng ở khu cách ly
tập trung ở Bắc Giang [3]. Việc áp dụng công nghệ cao trong cơng tác phịng chống
dịch đã giúp giảm tải lượng công việc cho đội ngũ bác sĩ và nhân viên y tế, cũng như
hạn chế tối đa sự lây nhiễm của virus. Nhưng bên cạnh đó giá thành của một robot máy
phun thuốc khử khuẩn khá cao, thao tác cần qua nhiều quy trình phức tạp.

8


Nhận thấy những khó khăn trên, nhóm chúng em đã lên ý tưởng “thiết kế mơ
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 cơng tác phòng chống dịch bệnh. Robot sử dụng
vi điều khiển trung tâm là kit Adruno Nano AT mega328P, module điều khiển động cơ
L298N, module bluetooth HC06, module giảm áp LM2598, và các động cơ DC. Vì để
nâng cao tính thực tế, nhóm đã thiết kế 2 phương án điều khiển là tự động và thủ công
trên ứng dụng điện thoại thông minh giúp cho người dùng dễ dàng sử dụng, thuận tiện
hơn trong việc điều khiển.
1.2. Mục tiêu đề tài
Thiết kế mơ hình robot phun khử khuẩn bề mặt trong khơng gian y tế có thể điều
khiển thơng qua ứng dụng trên điện thoại thơng minh. Robot có thể hoạt động ổn định
và thể điều khiển được góc phun, đảm bảo lượng thuốc phun ra bao phủ được toàn bộ
bề mặt tiếp xúc.
1.3. Giới hạn đề tài
-

Mơ hình robot thử nghiệm có kích thước (DxRxC): 62 x 45 x 50 cm và chỉ di
chuyển được với điều kiện địa hình bằng phẳng, ít gồ ghề, khơng có vật cản.
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 tồn mạch.

-

Nội dung 4: Tính tốn, thiết kế mơ 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 mơ hình và chạy thử sản phẩm.

-

Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện.


-

Nội dung 8: Bảo vệ luận văn.

9


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, nội
dung 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 được
nghiên cứu làm cơ sở để tham khảo.
Chương 3: Tính tốn và thiết kế
Từ những cơ sở lý thuyết có được đưa ra sơ đồ khối, tính tốn và thiết kế các khối có
trong hệ thống, thiết kế các lưu đồ giải thuật.
Chương 4: Thi cơng hệ thống
Trình bày q trình thi cơng 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 mơ hình và nêu ý kiến đánh giá mơ 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.

10


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu mơ hình robot khử khuẩn

Hiện nay xe phun khử khuẩn mang tính công nghệ cao chưa được áp dụng và
phổ biến rộng rãi. Hầu hết những công việc khử khuẩn, phun thuốc được thực hiện
bằng sức lao động của con người là chính nhưng hiệu suất cơng việc chưa cao. Do đó,
việc chế tạo sản phẩm robot phun khử khuẩn mang tính thiết thực để vận dụng vào
thực tế với hiệu quả cao, đồng thời giảm sức lao động và tác nhân gây hại cho con
người từ hóa chất là một điều cần thiết trong thời đại công nghệ 4.0 hiện nay. Vì vậy
nhóm chúng em đã khảo sát một số sản phẩm mang tính cơng nghệ mới được áp dung
trên thị trường để đúc kết và lựa chọn các phương án phù hợp cho đồ án của chúng em.
2.1.1. Mơ hình robot khử khuẩn phòng cách ly
Nhận thấy sự xuất hiện và lây lan mạnh mẽ của covid 19, công tác khử khuẩn
càng được chú trọng nghiêm ngặt hơn đặc biệt là ở các khu cách ly điều trị ở bệnh
viện. Với mục tiêu trên, các nhóm nghiên cứu đã thiết kế ra mơ hình robot khử khuẩn
phịng cách ly chun làm công việc khử trùng, diệt khuẩn ở các khu có nguy cơ lây
nhiễm cao nhầm đảm bảo an tồn cho các nhân viên y tế.
Mơ 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 cảm
biến E18-D80N để phát hiện vật cản kết hợp với mạch cầu VNH2SP30 điều khiển
động cơ quay thuận nghịch giúp xe linh động di chuyển. Tất cả các hoạt động của robot
đều được điều khiển từ xa qua Flysky hoặc điều khiển trên giao diện web của máy tính.
Trong đó, ưu điểm của mơ hình này ngồi khả năng chính là phun khử khuẩn cịn được
kết hợp thêm các chức năng lau sàn nhà, vận chuyển thuốc và tự động khử khuẩn mình
bằng 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 có
trọng lượng lớn, ngoại hình khá cồng kềnh khó di chuyển ở khu vực nhỏ hẹp [1].
2.1.2. Mơ hình robot khử khuẩn bề mặt bằng tia cực tím
Cơng việc khử khuẩn dù được bảo hộ kỹ lưỡng nhưng vẫn có nguy cơ lây nhiễm
rất cao. Đề tài này nhằm mục đích thiết kế và thi cơng được mơ hình robot diệt khuẩn
bề mặt bằng tia cực tím UVC, đưa ra nhiều giải pháp pháp triển giúp thuận lợi hơn
trong việc làm giảm sự lây lan của virus.


11


Mơ hình robot sử dụng kit EPS32S tích hợp sẵn module wifi làm khối xử lý
trung tâm có chức năng truyền và nhận dữ liệu từ cảm biến HCSR04, cảm biến hồng
ngoại để tránh vật cản. Robot sử dụng động cơ giảm tốc GA25 với tốc độ di chuyển
10cm/s và trang bị thêm 3 bóng đèn diệt khuẩn UVC giúp tăng khả năng diệt khuẩn lên
đến 99%. Trong đó ưu điểm của mơ hình robot này là có thể hoạt động ở 2 chế độ bao
gồm: 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 hiện
trên đường đi. Tuy nhiên, mơ hình vẫn cịn một số khuyết điểm như ứng dụng phản hồi
chậm, thao tác di chuyển chưa chính xác. Đồng thời việc khử khuẩn bằng tia cực tím
UVC phải đảm bảo khơng có người xung quanh để tránh những tác hại do loại tia này
gây ra cho da và mắt [2].
2.1.3. Mơ hình robot khử khuẩn Phenikaa-X
Việc khử khuẩn ở các bề mặt tiếp xúc hiện nay hầu hết đều sử dụng chất khử
trùng như cồn isopropyl 70%, clo hoạt tính nồng độ 0.1%, hoặc bằng tia tử ngoại, tia
bức xạ. Đề tài này nhằm mục đích thiết kế và thi cơng được mơ hình robot tự hành khử
khuẩn vừa bằng tia cực tím UVC vừa kết hợp dung dịch diệt khuẩn.
Mơ hình robot sử dụng vi điều khiển kit ESP32 làm khối điều khiển trung tâm.
Sử dụng cơng nghệ dị 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 khơng có vật cản và trung
bình 20m khi có vật cản bằng phần mềm được cài đặt trên điện thoại hoặc máy tính
bảng. Trong đó ưu điểm chính là sử dụng đèn cực tím UVC 270W bố trí 360 độ kết
động vịi 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 làm
việc của robot và sẽ tắt đèn UVC cũng như vịi phun hóa chất ngay lập tức, điều này để
đảm bảo an toàn trong quá trình diệt khuẩn. Tuy nhiên, nhược điểm của robot là chỉ di
chuyển được trên tuyến đường cố định có đặt sẵn đường line, trường hợp khi có nhiều
robot khác nhau thì việc sử dụng đường line sẽ trở nên phức tạp hơn. Hơn nữa, sau một

thời 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 thơng qua điện thoại, máy tính bảng.
12


-

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 việc
tiếp xúc trực tiếp hóa chất.

2.2.2. Nhược điểm
-

Hầu hết các loại robot đều gặp khó khăn trong di chuyển việc di chuyển ở các
địa hình gồ ghề như các sườn dốc, đường đá dăm, bậc cửa thấp.
Việc khử khuẩn chưa tối ưu ở các khu vực có khơng gian nhỏ hẹp, nhiều vật
cản.
Việc điều khiển và tinh chỉnh vẫn cần sự trợ giúp của con người.

2.2.3. Nền tảng phát triển
Robot thường được thiết kế, chế tạo bằng các vật liệu kim loại, nhựa, và hợp
kim khác có độ bền rất cao. Đặc điểm quan trọng nhất của một robot khử khuẩn đó là
khả năng tiêu diệt vi khuẩn trên bề mặt của vật thể. Với sự kết hợp khác nhau của các

vi điều khiển, các cảm biến, module và động cơ tạo nên robot với khả năng di chuyển
và khử khuẩn.
Kết hợp với những ưu và nhược điểm trên của các loại robot, nhóm đưa ra nền tảng
phát triển cho robot:
-

Di chuyển bằng bánh xích: phân bố lực đều ở bánh trước và sau mang lại độ ổn
định cao trong di chuyển, di chuyển tốt hơn ở một số môi trường gồ ghề.
Phương thức xịt khuẩn bằng bơm áp suất: mang lại hiệu suất cao hơn, phạm vi
diệt khuẩn rộng hơn và thời gian rút ngắn hơn.
Tạo ứng dụng điều khiển qua MIT invnentor mang lại sự ổn định và khả năng
phản hồi tốt nhất.

2.3. Giới thiệu phần cứng
2.3.1. Module động cơ L298N
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 cơ
servo… Ngoài ra module cũng có thể dùng để kiểm sốt độ sáng của các dự án chiếu
sáng như mảng led công suất cao. Cụ thể là dùng module này để điều khiển tốc độ

13


động cơ giảm tốc GA25 khi bánh xe robot di chuyển. Module này rất lý tưởng cho các
ứng 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, sử
dụng nguồn cung cấp từ 5 – 35V, dòng cung cấp 0 – 36mA. Module có khả năng điều
khiển tối đa 2 động cơ DC. Module này cũng được sử dụng trong đề tài [2] và [7] để

điều 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 board
Arduino Nano ATmega 328P để làm bộ xử lý trung tâm. Cụ thể ở đề tài [1] tác giả
dùng board Arduino để nhận tín hiệu từ module sim và cảm biến và thực hiện việc điều
khiển di chuyển robot, còn trong đề tài [5] tác giả dùng board Arduino để điều khiển
các cơ cấu xới đất, gieo hạt và di chuyển robot. Với các u cầu của mơ hình, thực hiện
việc điều khiển, giao tiếp với các module và động cơ, vì vậy nhóm đã lựa chọn dùng
Arduino 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 hợp
sẵn 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 kèm
với nhiều ứng dụng và chiếm ít khơng 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 không
dây tầm ngắn giữa hai vi điều khiển hoặc hệ thống. HC-06 là lựa chọn tốt nhất khi cần
liên lạc không dây khoảng cách ngắn và cũng được sử dụng trong đề tài. Mô-đun này
được sử dụng cho truyền bluetooth không dây dưới 100 mét. Với thiết kế nhỏ gọn, tiện
lợi, giao tiếp với vi điều khiển chỉ bằng 2 chân (Tx và Rx), module bluetooth HC06 sẽ
giúp bạn thực hiện các dự án truyền dẫn và điều khiển từ xa một cách dễ dàng. Khi kết
nối với máy tính, HC-06 được sử dụng như 1 cổng COM ảo, việc truyền nhận với
COM ảo sẽ giống như truyền nhận dữ liệu trực tiếp với UART. Module HC06 hoạt
14


động ở điện áp từ 3.3 – 5V, dòng điện tiêu thụ 20 – 30mA. Module giao tiếp theo chuẩn

UART, 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, pin
nickel-hydrogen và nhiều mục đích đo điện áp khác. Thường được dùng trong thiết kế
robot để hiển thị thơng số pin và dung lượng cịn 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 kế
robot hoặc điều hướng xe. Động cơ SG90 hoạt động ở điện áp từ 4.8 -7.2V có lực
kéo mạnh từ 9 - 11kg/cm với các khớp và bánh răng được làm hồn tồn bằng kim
loại nên có độ bền cao. Động cơ được tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ bên
trong theo cơ chế phát xung, quay góc nên rất dễ dàng sử dụng, có thể ghép nối các
servo 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 từ
4,5V - 40V, điện áp đầu ra điều chỉnh được trong khoảng từ 1,5V - 37V. Dòng điện áp
đầu ra đạt 3A hiệu suất cao nhờ cơ chế băm xong ở tần số lên tới 150KHz. Trong quá
trình 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 hiệu
khác và có thể dùng trực tiếp làm nguồn cho toàn hệ thống. Hiện tại, acquy được ứng
dụng khá rộng rãi trong hệ thống lưu điện UPS, hệ thống thơng tin liên lạc, hệ thống
đóng ngắt, các thiết bị cầm tay, hệ thống dự phòng dữ liệu máy tính, robot, xe điều
khiển, 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.

15



2.3.8. Máy bơm áp suất mini
Máy bơm tăng áp suất mini 12V với kích thước nhỏ gọn và khơng tiêu tốn quá
nhiều điện năng tiêu thụ rất được ưa chuộng sử dụng. Và là dịng máy cơng suất nhỏ,
dùng nguồn điện 12V, chủ yếu được ứng dụng để đáp ứng các nhu cầu cơ bản như bơm
oxi cho cá, bơm các loại hồ cá nhỏ, xịt khuẩn...Như trong mẫu mô hình robot khử
khuẩn phịng 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 tán
đều trong khơng khí để tạo độ ẩm cho khu vực. Béc phun sương có bán kính phun
trung bình từ 0.5m – 1.5m. Mục đích của việc sử dụng béc phun sương là tạo độ ẩm
cho khu vực cần tưới trong khoảng thời gian dài nên lưu lượng thấp sẽ giúp tiết kiệm
nước 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 tiết
kiệm 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 lớn
thì tốc độ càng chậm và ngược lại). Động cơ sử dụng nguyên liệu chất lượng cao (lõi
dây đồng nguyên chất, lá thép 407, vịng tiếp xúc niken, nam châm từ tính mạnh) cho
sức mạnh và độ bền vượt trội hơn các loại giá rẻ trên thị trường hiện nay (sử dụng lõi
dây nhơm, 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 cho
smartphone với ngơn ngữ kéo thả được ra đời. Sau khi tham khảo đề tài [2], [4] cả hai
đều sử dụng app điều khiển Blynk để điều khiển và giám sát. Về mặt ưu điểm ứng

dụng 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 trên
giao diện dễ dàng. Về nhược điểm thì ứng dụng cịn nhiều giới hạn và hạn chế khi sử

16


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 Mit
Inventor 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 bởi
Google và hiện tại được duy trì bởi Viện Cơng nghệ Massachusetts (MIT). Mit App
Inventor là một nền tảng phát triển trực tuyến chạy bởi trình duyệt trên máy tính cho
phép nhà lập trình tạo ra các ứng dụng phần mềm cho hệ điều hành Android. Sau khi
tạo xong giao diện web ta có thể đưa ứng dụng vào điện thoại bằng cách xuất các file
cài APK hoặc tải phần mềm MIT AI2 để mô phỏng trực tiếp. Nhờ vậy, có thể nhanh
chóng 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. Mơ 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 và
phần mềm. Phần cứng bao gồm các board mạch được thiết kế với các cảm biến, linh
kiện (hiện nay đã có đến hơn 300000 bo mạch khác nhau được thương mại). Còn phần

17


mềm của arduino giúp ta có thể sử dụng các cảm biến, linh kiện ấy của arduino một các
linh hoạt tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Để lập trình cho các board mạch Arduino

chỉ cần download và cài đặt phần mềm soạn thảo code là Arduino IDE.
Arduino IDE được viết bằng ngơn ngữ lập trình Java là ứng dụng đa nền tảng.
Ngơn ngữ code cho các chương trình của arduino là bằng C hoặc C++. Bản thân
arduino ide đã được tích hợp một thư viện phầm mềm thường gọi là "wiring", từ các
chương 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 điều
khiển [6].

18


Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
3.1. Giới thiệu
Trong chương này, nhóm sẽ tiến hành tính tốn và thiết kế mơ hình robot khử
khuẩn với 2 chế độ: chế độ khử khuẩn tự động và chế độ khử khuẩn thủ công, điều
khiển bằng app cài đặt trên điện thoại. Bên cạnh đó, thiết kế các vị trí, mơ hình sao cho
phù hợp. Q trình tính tốn và thiết kế gồm có 2 phần: thiết kế sơ đồ khối hệ thống và
tính tốn thiết kế mạch, phần mềm.
3.2. Tính tốn 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 chọn
phương pháp thiết kế từng khối rồi kết nối chúng lại với nhau thành một hệ thống hoàn
chỉnh điều này giúp tiết kiệm thời gian nghiên cứu và đảm bảo hệ thống có thể đáp ứng
được những yêu cầu đã đề ra. Nhóm đã thiết kế sơ đồ khối của hệ thống bao gồm 5
khối: khối giao tiếp, khối xử lý trung tâm, khối di chuyển, khối khử khuẩn, khối nguồn.
Sơ đồ khối của hệ thống được mơ 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 thơng 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 thơng tin từ
19


ứng dụng điện thoại thông qua giao thức bluetooth, sau đó trao đổi dữ liệu thu được với
khối xử lý trung tâm.
Khối di chuyển nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lí trung tâm để điều khiển
các động cơ phục vụ mục đích di chuyển theo lệnh lập trình sẵn. Khối khử khuẩn nhận
tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm, điều khiển máy bơm hoạt động và điều
khiển servo quay. Khối nguồn có chức năng cấp nguồn cho tồn hệ thống hoạt động.
3.2.2. Tính tốn 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 tồn hệ thống, có chức
năng thu thập, xử lý các tín hiệu, để thiết lập và điều khiển các khối cịn lại. Tồn bộ
hoạt động của hệ thống được thông qua khối xử lý trung tâm này. Để xử lý một khối
lượng tác vụ lớn, đầu tiên phải vừa nhanh vừa mạnh vừa mang kích thước nhỏ gọn
nhất.
Đối với yêu cầu như trên, thị trường có rất nhiều module khác nhau như
Arduino Uno, Adruno esp32, Adruno Mega. Nhóm chọn board Arduino NANO
ATmega 328p làm khối xử lý trung tâm vì có kích thước nhỏ gọn hơn, thơng dụng trên
thị 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.

20



-

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 từ
khối xử lí trung tâm, điều khiển các động cơ di chuyển theo lệnh được cài đặt sẵn kết
hợp với khối phun khử khuẩn để phun khử khuẩn xung quanh. Cơ cấu bánh xe di
chuyển cũng cần có độ chính xác, vì vậy nhóm lựa chọn bộ điều khiển động cơ là
module 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 nên
việc lựa chọn động cơ không cần phải nhanh và nhưng phải đủ mạnh để chịu tải được

toàn bộ trọng lượng của xe. Qua khảo sát thực tế và dựa vào tốc độ phun khử khuẩn để
lựa chọn động cơ phù hợp. Nếu thiết bị có tốc độ q nhanh thì lượng thuốc phun ra sẽ
khơng đều ở các khu vực, còn nếu di chuyển quá chậm thì sẽ dẫn đến tình trạng hao phí
lượng thuốc .Suy ra phương pháp lựa chọn động cơ thông dụng nhất là loại động cơ
giảm 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 chân
của động cơ kết hợp với module L298N. Mô tả kết nối module L298N với khối xử lý
trung tâm.

21


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 , nhỏ
gọn và dễ dàng nhất thì sự ưu tiên lựa chọn sẽ là module HC 06, có ngoại hình giống
như các thế hệ khác nhưng HC 06 lại có giá thành mềm hơn so vớ0i HC 07 và ổn định
hơn 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.

22


-

Các chân TX, RX có vai trị 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 ban
lệnh 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 lại
mơi 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 giản
cũng như giá thành rẻ hơn so với các phương pháp khác. Nhóm thiết kế cơ cấu cánh
tay phun, sử dụng 2 động cơ servo MG996R như hình 3.6 được gắn vào các giá đỡ và
bắt 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 bật
tắt nguồn cho động cơ .

23


Hình 3.7. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bơm.
Mơ 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 thơng qua diode 1N4007 tránh
ngược dịng, nối song song với tụ C để lọc nhiễu.

-

Điện trở 10KΩ kéo xuống GND tránh việc ngắn mạch, ảnh hưởng tới vi điều
khiển.


-

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

Sau khi tính tốn thiết kế, ta kết nối giữa khối phun khử khuẩn và khối điều khiển được
thể hiện trên hình 3.8.

24


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 qua
dòng, bảo vệ động cơ.

-

Chân SV1 điều khiển khớp di chuyển vòi phun lên cao hay xuống thấp theo trục
Y góc từ 50 tới 180 độ.

-

Chân SV2 điều khiển khớp di chuyển vòi phun bên trái hay bên phải theo trục X

góc từ 10 đến 80 độ.

-

Chân VCC_SERVO và cực âm được cung cấp bởi khối nguồn tạo ra từ module
giảm áp.

e. Thiết kế khối nguồn

25


×