Đề tài Thiết kế và thi công hộp thuốc thông minh cho người bệnh

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỘP THUỐC THÔNG MINH CHO NGƯỜI BỆNH GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải SVTH: Lê Hồ Quang – 12141179 Nguyễn Quốc Khương - 12141117 Tp. Hồ Chí Minh - 01/2018 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỘP THUỐC THÔNG MINH CHO NGƯỜI BỆNH GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải SVTH: Lê Hồ Quang – 12141179 Nguyễn Quốc Khương - 12141117 Tp. Hồ Chí Minh - 01/2018 TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Hồ Quang MSSV: 12141119 Nguyễn Quốc Khương MSSV: 12141117 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 510302 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: D Khóa: 2012 Lớp: 12141DT I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỘP THUỐC THÔNG MINH CHO NGƯỜI BỆNH II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Kit Arduino Mega, NodeMCU và ngôn ngữ lập trình - Tài liệu về Arduino Mega, NodeMCU, Firebase - Thư viện về LCD, step motor 2. Nội dung thực hiện: - Thiết kế mô hình của hộp thuốc: vỏ hộp, ống chứa thuốc, nắp đậy hộp, chân đế hộp. - Lập trình cho mạch Arduino. - Kết nối mạch điều khiển động cơ, mạch sim800a, màn hình LCD, nút nhấn, loa vào mạch Arduino. - Đặt khối mạch điều khiển vào mô hình hộp thuốc. - Thiết kế giao diện và lập trình trang web theo dõi, điều khiển hộp thuốc từ xa. - Chạy thử nghiệm hộp thuốc tự động. - Cân chỉnh hệ thống. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/10/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/01/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Thanh Hải CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Lê Hồ Quang...................................................................................... Lớp: 12141DT2B .......................................................... MSSV: 12141179 ...................... Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Quốc Khương ....................................................................... Lớp: 12141DT1A .......................................................... MSSV: 12141117 ...................... Tên đề tài: Thiết kế và thi công hộp thuốc thông minh cho người bệnh .......................... ........................................................................................................................................... Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (25/9-1/10) _Báo cáo GVHD. _Tìm đề tài. Tuần 2 (2/10-8/10) _Báo cáo GVHD. _Tìm hiểu hoạt động Arduino Mega, NodeMCU. Tuần 3 (9/10-15/10) _Báo cáo GVHD. _Tổng hợp các linh kiện cần dùng cho đề tài. Tuần 4 (16/10-22/10) _Báo cáo GVHD. _Tìm hiểu và thiết kế cơ cấu xoay, mô hình của đề tài. Tuần 5 (23/10-29/10) _Báo cáo GVHD. _Lập trình, tìm hiểu cách hoạt động của từng linh kiện. Tuần 6 (30/10-5/11) _Báo cáo GVHD. _Lập trình code hoạt động cho tất cả linh kiện. Tuần 7 (6/11-12/11) _Báo cáo GVHD. _Tìm hiểu FireBase, lập trình web. Tuần 8 (13/11-19/11) _Báo cáo GVHD. _Thi công mô hình bằng bìa cứng và nhựa. Tuần 9 (20/11-26/11) _Báo cáo GVHD. _Thi công mô hình bằng nhựa. Tuần 10 (27/11-3/12) _Báo cáo GVHD. _Thi công mô hình bằng nhựa. Tuần 11 (4/12-10/12) _Báo cáo GVHD. _Thi công mô hình bằng nhựa. Tuần 12 (11/12-17/12) _Báo cáo GVHD. _Kết nối các linh kiện vào mô hình và chạy thử, hiệu chỉnh. ii Tuần 13 (18/12-24/12) _Báo cáo GVHD. _Viết luận văn. Tuần 14 (25/12-31/12) _Báo cáo GVHD. _Chỉnh sửa, in đồ án. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Nếu có bất kỳ sự gian lận nào chúng tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình. Người thực hiện đề tài Lê Hồ Quang – 12141179 Nguyễn Quốc Khương - 12141117 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy, cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tận tình dạy bảo cũng như giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập ở trường nói chung và thầy, cô khoa Điện-Điện Tử nói riêng. Các thầy cô khoa Điện-Điện Tử đã truyền đạt những kiến thức, cũng như kinh nghiệm của mình khơi dậy niềm đam mê tìm tòi sang tạo trong trong mỗi chúng em và từ những nền tảng căn bản, đam mê nhỏ nhoi ấy giúp chúng em nổ lực hoàn thành đồ án cuối cùng, đồ án tốt nghiệp do chính mình tạo ra, nó cũng như bước đệm cho sự phát triển sau này của chúng em. Đặc biệt, chúng em chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Thanh Hải đã tận tình giúp đỡ trong quá trình chọn đề tài và hỗ trợ trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Trong quá trình thực hiện cũng xảy ra nhiều khúc mắc, thiếu sót nhưng được sự đôn đốc và góp ý của thầy chúng em đã gặt hái được nhiều kiến thức và kinh nghiệm. Một lần nữa chân thành cảm ơn thầy. Nhóm chân thành cảm ơn sâu sắc đến các bạn lớp 12141DT đã chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu cho nhóm thực hiện tốt đề tài. Cuối cùng, chúng con xin chân thành cảm ơn sự động viên và hỗ trợ của gia đình và cha mẹ trong suốt quá trình học tập. Chúng con xin gửi cảm ơn trân trọng đến các bậc sinh thành đã nuôi dưỡng, hỗ trợ chúng con từ kinh phí cũng như tinh thần giúp chúng con hoàn thành tốt đề tài. Nhóm em xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Lê Hồ Quang – 12141179 Nguyễn Quốc Khương - 12141117 ii MỤC LỤC Trang bìa ........................................................................................................................ i Nhiệm vụ đồ án ............................................................................................................. ii Lịch trình ..................................................................................................................... iii Phiếu đánh giá .............................................................................................................. iv Cam đoan ..................................................................................................................... v Lời cảm ơn ................................................................................................................... vi Mục lục ....................................................................................................................... vii Liệt kê hình vẽ ............................................................................................................. ix Liệt kê bảng vẽ ............................................................................................................. xi Tóm tắt ....................................................................................................................... xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................ 1 1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu ............................................................................................................. 2 1.3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 2 1.4. Giới hạn .............................................................................................................. 2 1.5. Bố cục ................................................................................................................ 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 4 2.1. Giới thiệu phần cứng ......................................................................................... 4 2.1.1. Thiết bị đầu vào .............................................................................................. 4 2.1.2. Thiết bị đầu ra ................................................................................................. 6 2.1.3. Arduino Mega 2560 ...................................................................................... 15 2.1.4. NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module) .............................................................. 17 2.1.5. Mạch SIM800A ............................................................................................ 18 2.2. Các chuẩn truyền dữ liệu ................................................................................. 21 2.2.1 Giao tiếp I2C ................................................................................................. 21 2.1.2 Giao tiếp UART ............................................................................................ 24 2.1.3 Chuẩn giao tiếp Wifi ..................................................................................... 25 2.3. Firebase Hosting .............................................................................................. 30 2.4. Firebase Database ............................................................................................ 31 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. ................................................ 33 3.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 33 3.2. Tính toán và thiết kế hệ thống .......................................................................... 33 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ......................................................................... 33 3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch ............................................................................ 35 3.2.3. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch .................................................................... 37 3.2.4. Tính toán và thiết kế mô hình ....................................................................... 38 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ....................................................... 41 4.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 41 4.2. Đóng gói và thi công mô hình ......................................................................... 41 4.2.1. Đóng gói bộ điều khiển ................................................................................. 41 4.2.2. Thi công mô hình .......................................................................................... 43 4.3. Lập trình hệ thống ............................................................................................ 60 4.3.1. Lưu đồ giải thuật ........................................................................................... 60 4.3.2. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển .......................................................... 74 4.3.3. Phần mềm lập trình web ............................................................................... 97 4.4. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ..................................................................... 107 4.4.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng .................................................................. 107 4.4.2. Quy trình thao tác ....................................................................................... 109 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ............................... 110 5.1. Kết quả đạt được ............................................................................................ 110 5.1.1. Kết quả lý thuyết đạt được .......................................................................... 110 5.1.2. Kết quả chạy hệ thống ................................................................................ 111 5.2. Đánh giá, nhận xét ......................................................................................... 117 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ......................... 118 6.1. Kết luận. ......................................................................................................... 118 6.2. Hướng phát triển ............................................................................................ 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Hai gói cấu tạo chip DS1307 ............................................................................ 4 Hình 2.2: Mạch ứng dụng đơn giản của DS1307 .............................................................. 5 Hình 2.3: Tổ chức các thanh ghi của DS1307 .................................................................. 5 Hình 2.4: Mạch điều khiển động cơ bước ULN2003 và động cơ bước 28BYJ-4 ............ 6 Hình 2.5: Động cơ bước 28BYJ-4 .................................................................................... 7 Hình 2.6: Mạch điều khiển động cơ bước ULN2003 ....................................................... 8 Hình 2.7 Nối dây động cơ vào mạch điều khiển ............................................................... 9 Hình 2.8: Sơ đồ chân của LCD ....................................................................................... 10 Hình 2.9: Module giao tiếp I2C ...................................................................................... 14 Hình 2.10: LCD và module giao tiếp I2C ....................................................................... 14 Hình 2.11: Thành phần Arduino Mega 2560 .................................................................. 16 Hình 2.12: Module ESP8266 ESP-12 ............................................................................. 17 Hình 2.13: NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module) ............................................................... 18 Hình 2.14: Module SIM800A ......................................................................................... 18 Hình 2.15: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi .................................................................... 21 Hình 2.16: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) và chế độ nhanh (Fast mode) ...................................................................................................................... 21 Hình 2.17: Sơ đồ truyền dữ liệu ...................................................................................... 22 Hình 2.18: Giản đồ thời gian có các điều kiện START và STOP .................................. 23 Hình 2.19: Truyền dữ liệu bằng UART .............................................................................. 24 Hình 2.20: Chuẩn giao tiếp Wifi ..................................................................................... 25 Hình 2.21: Nguyên tắc hoạt động của mạng Wifi ........................................................... 26 Hình 2.22: Lộ trình phát triển của các chuẩn Wifi .......................................................... 27 Hình 2.23: Wifi chuẩn 802.11g ....................................................................................... 28 Hình 2.24: Wifi chuẩn 802.11n ....................................................................................... 28 Hình 2.25: Wifi chuẩn 802.11ac ..................................................................................... 29 Hình 2.26: Firebase Database ......................................................................................... 31 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống hộp thuốc thông minh .................................................... 33 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ...................................................................... 37 Hình 3.3: Hộp nhựa chứa thuốc sau khi hoàn thiện ........................................................ 38 Hình 4.1: Vị trí đặt bộ điều khiển ................................................................................... 41 ii Hình 4.2: Cửa có khóa để kết nối dây nạp code phía sau hộp thuốc, bên phải là lỗ cho dây nguồn ........................................................................................................................ 42 Hình 4.3: Cửa khi mở ra, bên trong là 2 đầu nạp code của bộ điều khiển ...................... 42 Hình 4.4: Thiết kế tầng đáy hộp thuốc ............................................................................ 43 Hình 4.5: Thiết kế phần giao tiếp .................................................................................... 44 Hình 4.6: Hộp nhôm nhìn ngang ..................................................................................... 44 Hình 4.7: Module Sim800a được gắn vào thành bên trái của hộp nhôm........................ 45 Hình 4.8: Module điều khiển động cơ bước được gắn lên mặt tròn để tối ưu không gian45 Hình 4.9: Thiết kế tầng giữa ........................................................................................... 47 Hình 4.10: Tấm tĩnh thứ 1 được bắt dính vào thành hộp thuốc ...................................... 47 Hình 4.11: Trục kéo dài từ cốt của động cơ tầng giữa để bắt vào tấm xoay 1 ............... 48 Hình 4.12: Mặt cắt ngang trục kéo dài khi đã bắt vào tấm xoay thứ 1 ........................... 48 Hình 4.13: Tấm xoay thứ 1 ............................................................................................. 49 Hình 4.14: Ba vị trí tán rive ở mặt trên đã được mài nhẵn ............................................. 50 Hình 4.15: Các lỗ tán rive mặt dưới và miếng sắt đối trọng ........................................... 51 Hình 4.16: Cơ cấu xoay thứ nhất, bên cạnh ống là dây nối động cơ tầng thượng được gắn jack cái............................................................................................................................. 51 Hình 4.17: Giá đỡ rớt thuốc được bắt vào thành ống, bên trên là ống lấy thuốc uống ... 52 Hình 4.18: Cửa hộc thuốc không uống khi mở ra ........................................................... 52 Hình 4.19: Ống lấy thuốc uống và động cơ tầng giữa .................................................... 53 Hình 4.20: Thiết kế tầng thượng ..................................................................................... 54 Hình 4.21: Các lỗ bắt ốc giữa tầng thượng với đai và dây động cơ ................................ 55 Hình 4.22: Các ống chứa thuốc và nắp đậy bên trong .................................................... 56 Hình 4.23: Bên trong tầng thượng khi tháo nắp đậy ....................................................... 57 Hình 4.24: Phần đáy của tấm tĩnh thứ 2 .......................................................................... 57 Hình 4.25: Tấm xoay thứ 2 ............................................................................................. 58 Hình 4.26: Hộp thuốc sau khi gắn vào hoàn thiện .......................................................... 59 Hình 4.27: Cài đặt JRE .................................................................................................... 75 Hình 4.28: Giao diện tải Arduino IDE ............................................................................ 75 Hình 4.29: Ủng hộ nhà phát triển Arduino IDE .............................................................. 76 Hình 4.30: Giao diện chính của Arduino IDE ................................................................ 77 Hình 4.31: Cài đặt Driver cho Arduino 1 ...........................................