Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy đo thân nhiệt và khử khuẩn tự động - HCMUTE

Đồ án HCMUTE thiết kế máy đo thân nhiệt và khử khuẩn tự động. Tổng hợp nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch và lập trình điều khiển chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Phi Hào
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Hiệp
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông
• Đề tài: Thiết kế máy đo thân nhiệt và khử khuẩn tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế máy đo thân nhiệt

Đồ án thiết kế máy đo thân nhiệt và khử khuẩn tự động tại HCMUTE nhằm giải quyết nhu cầu cấp thiết trong giám sát sức khỏe cộng đồng, đặc biệt trong bối cảnh dịch bệnh COVID-19. Máy tích hợp chức năng đo nhiệt độ cơ thể chính xác bằng cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc và hệ thống khử khuẩn bằng tia UV-C. Sản phẩm hướng đến ứng dụng tại cửa khẩu, bệnh viện, trường học và các khu công cộng. Điểm nổi bật là khả năng tự động hóa hoàn toàn, giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp và nguy cơ lây nhiễm chéo. Máy vận hành thông qua vi điều khiển NodeMCU-32S, kết nối không dây Wi-Fi cho phép truyền dữ liệu lên hệ thống quản lý. Thiết kế tuân thủ tiêu chuẩn an toàn điện tử và y tế, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính là phát triển hệ thống đo thân nhiệt chính xác ±0.2°C và khử khuẩn 99.9% vi khuẩn/virus trong vòng 10 giây. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa thuật toán xử lý tín hiệu cảm biến MLX90614, thiết kế mạch in đa lớp với khả năng tản nhiệt hiệu quả, và tích hợp giao thức I2C cho truyền thông giữa các module. Đồ án cũng đánh giá hiệu suất khử khuẩn của đèn UV-C 254nm trên các bề mặt khác nhau. Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trong đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, đáp ứng tiêu chuẩn đào tạo của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

1.2. Cơ sở lý thuyết nền tảng

Nền tảng lý thuyết bao gồm nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại đo nhiệt độ, cơ chế khử khuẩn bằng tia UV-C, và kiến trúc vi điều khiển ESP32. Cảm biến MLX90614 sử dụng công nghệ hồng ngoại thụ động (PIR) để đo nhiệt độ bề mặt trán với độ phân giải 0.02°C. Hệ thống khử khuẩn tích hợp đèn UV-C 254nm, bước sóng tiêu diệt vi khuẩn bằng cách phá hủy DNA/RNA. Vi điều khiển NodeMCU-32S (ESP32) cung cấp khả năng xử lý đa nhiệm, kết nối Wi-Fi/Bluetooth, và điều khiển PWM cho quạt tản nhiệt. Các linh kiện tuân thủ tiêu chuẩn RoHS, đảm bảo an toàn sức khỏe người sử dụng.

II. Phân tích nhu cầu và thách thức trong giám sát thân nhiệt

Nhu cầu giám sát thân nhiệt và khử khuẩn tăng đột biến trong đại dịch COVID-19, đặc biệt tại các điểm đông người. Các phương pháp truyền thống như đo nhiệt độ bằng súng đo nhiệt độ cầm tay hoặc khử khuẩn bằng dung dịch hóa học gặp hạn chế về độ chính xác, tốc độ và nguy cơ nhiễm chéo. Máy đo thân nhiệt thông thường chỉ phát hiện được các trường hợp sốt rõ rệt, bỏ sót các ca nhiễm không triệu chứng. Hệ thống khử khuẩn bằng hóa chất tốn thời gian, gây ô nhiễm môi trường và không hiệu quả với virus. Thách thức lớn nhất là tích hợp hai chức năng trong một thiết bị gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, với chi phí sản xuất thấp. Đồ án hướng đến khắc phục những hạn chế này thông qua thiết kế tự động hóa hoàn toàn.

2.1. Rủi ro từ phương pháp đo thân nhiệt truyền thống

Phương pháp đo thân nhiệt bằng súng đo nhiệt độ cầm tay phụ thuộc vào kỹ năng của người vận hành, dễ xảy ra sai số do góc đo không chuẩn. Nhiệt kế thủy ngân truyền thống gây nguy cơ vỡ vỏ, nhiễm độc thủy ngân. Các thiết bị đo không tiếp xúc thương mại thường có độ chính xác thấp (±0.5°C) do nhiễu tín hiệu môi trường. Đặc biệt, chúng không thể phát hiện các ca nhiễm không triệu chứng (chiếm 30-40% ca bệnh). Việc đo nhiệt độ tại trán không phản ánh chính xác nhiệt độ lõi cơ thể. Những hạn chế này dẫn đến nguy cơ bỏ sót các trường hợp nguy hiểm, gây lây lan dịch bệnh trong cộng đồng.

2.2. Hạn chế của hệ thống khử khuẩn hiện nay

Khử khuẩn bằng dung dịch hóa học (cồn, dung dịch khử khuẩn) tốn thời gian, gây kích ứng da và ô nhiễm môi trường. Hiệu quả khử khuẩn phụ thuộc vào kỹ thuật sử dụng, dễ bỏ sót các vị trí khó tiếp cận. Đèn UV-C thương mại thường có công suất thấp, thời gian khử khuẩn kéo dài (30-60 giây), không phù hợp với lưu lượng người đông. Hệ thống khử khuẩn bằng ozone gây hại cho sức khỏe hô hấp nếu nồng độ vượt ngưỡng an toàn. Ngoài ra, các thiết bị khử khuẩn hiện nay thường hoạt động độc lập, không tích hợp với chức năng đo thân nhiệt, gây bất tiện trong vận hành.

III. Giải pháp thiết kế máy đo thân nhiệt và khử khuẩn

Máy đo thân nhiệt và khử khuẩn tự động sử dụng vi điều khiển NodeMCU-32S làm trung tâm điều khiển, kết nối với cảm biến nhiệt độ MLX90614, cảm biến vật cản hồng ngoại, màn hình LCD 20x4, quạt tản nhiệt 12V, và module khử khuẩn UV-C 254nm. Nguyên lý hoạt động: khi người dùng đứng trước máy, cảm biến hồng ngoại phát hiện sự hiện diện, vi điều khiển kích hoạt cảm biến nhiệt độ đo thân nhiệt. Nếu nhiệt độ vượt ngưỡng 37.5°C, hệ thống cảnh báo bằng đèn LED đỏ và còi. Sau đo thân nhiệt, máy tự động kích hoạt đèn UV-C trong 10 giây để khử khuẩn. Dữ liệu đo được truyền lên đám mây thông qua Wi-Fi, hỗ trợ quản lý từ xa. Thiết kế mạch in đa lớp tối ưu hóa không gian, sử dụng giao thức I2C cho truyền thông giữa các module.

3.1. Lựa chọn linh kiện và mạch điện tử

Linh kiện chính bao gồm NodeMCU-32S (ESP32) làm vi điều khiển, cảm biến nhiệt độ MLX90614 (độ chính xác ±0.2°C), cảm biến vật cản hồng ngoại TCRT5000 (phát hiện vật cách 2-15cm), màn hình LCD 20x4 I2C (hiển thị nhiệt độ, trạng thái hoạt động), quạt tản nhiệt 12V (làm mát module UV-C), module UV-C 254nm (công suất 5W, góc chiếu 60°), và nguồn 12V/2A. Mạch in sử dụng công nghệ SMD, thiết kế đa lớp với lớp mặt trên cho cảm biến, lớp mặt dưới cho vi điều khiển. Giao thức I2C kết nối cảm biến nhiệt độ và màn hình, giảm thiểu chân GPIO sử dụng. Mạch điều khiển PWM cho quạt tản nhiệt, đảm bảo hoạt động ổn định trong thời gian dài.

3.2. Thuật toán xử lý và giao diện điều khiển

Thuật toán chính bao gồm: (1) Phát hiện vật cản bằng cảm biến hồng ngoại, (2) Đo thân nhiệt bằng MLX90614 trong vòng 2 giây, (3) So sánh nhiệt độ với ngưỡng 37.5°C, (4) Kích hoạt khử khuẩn UV-C nếu nhiệt độ bình thường, (5) Truyền dữ liệu lên đám mây qua Wi-Fi. Giao diện điều khiển hiển thị trên màn hình LCD gồm nhiệt độ đo được, trạng thái hoạt động (đang đo, đang khử khuẩn, cảnh báo), và cường độ tín hiệu Wi-Fi. Hệ thống hỗ trợ cài đặt ngưỡng nhiệt độ thông qua giao diện web, cho phép tùy chỉnh theo yêu cầu của từng ứng dụng. Dữ liệu được lưu trữ trên Firebase, hỗ trợ truy xuất từ xa và phân tích thống kê.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của đồ án

Đồ án thành công chế tạo máy đo thân nhiệt và khử khuẩn tự động đạt độ chính xác ±0.2°C, thời gian khử khuẩn 10 giây, hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ 0-50°C. Máy đã vượt qua các bài test về độ bền, an toàn điện và hiệu suất khử khuẩn (99.9% đối với E. coli và virus cúm). Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trong phòng thí nghiệm, cửa khẩu quốc tế, và bệnh viện đa khoa. Máy giảm thiểu nguy cơ lây nhiễm chéo, nâng cao hiệu quả giám sát sức khỏe cộng đồng. Chi phí sản xuất ước tính 690.000 VNĐ, thấp hơn 40% so với sản phẩm thương mại tương đương. Đồ án đóng góp vào đào tạo sinh viên ngành Điện tử - Truyền thông tại HCMUTE, nâng cao năng lực nghiên cứu ứng dụng.

4.1. Đánh giá hiệu suất và ưu điểm nổi bật

Hiệu suất đo thân nhiệt đạt ±0.2°C, vượt trội so với tiêu chuẩn thương mại (±0.5°C). Thời gian khử khuẩn 10 giây đảm bảo lưu lượng người đông (trên 300 người/giờ). Máy hoạt động liên tục 24/7 với công suất tiêu thụ 15W, thấp hơn 30% so với các thiết bị thương mại. Ưu điểm nổi bật gồm tự động hóa hoàn toàn, tích hợp hai chức năng trong một thiết bị, kết nối không dây, và chi phí thấp. Máy đã được thử nghiệm tại phòng thí nghiệm HCMUTE, đạt hiệu suất khử khuẩn 99.9% đối với vi khuẩn E. coli và virus cúm trong điều kiện phòng thí nghiệm.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng trong tương lai

Hướng phát triển bao gồm tích hợp camera nhiệt để đo nhiệt độ toàn thân, bổ sung module nhận diện khuôn mặt bằng AI, và nâng cấp hệ thống khử khuẩn bằng plasma lạnh. Ứng dụng tiềm năng gồm giám sát tại sân bay, nhà ga, trường học, và khu công nghiệp. Máy có thể mở rộng thành hệ thống quản lý sức khỏe thông minh, tích hợp với các cơ sở dữ liệu y tế quốc gia. Đồ án cũng hướng đến thương mại hóa sản phẩm, hợp tác với doanh nghiệp trong lĩnh vực thiết bị y tế. Tại HCMUTE, kết quả nghiên cứu sẽ được đưa vào giảng dạy, nâng cao chất lượng đào tạo ngành Điện tử - Truyền thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề, nhiệm vụ đề tài, yêu cầu và kết quả đạt được của nội dung nghiên cứu, giới hạn thông số và bố cục của đồ án. ▪ Chương 2: Cơ sở lý thuyết + Trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thiết kế và thi công cho đề tài. ▪ Chương 3: Thiết kế + Yêu cầu của đề tài và tính toán, thiết kế các thông số như: sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch. ▪ Chương 4: Thi công + Trình bày quá trình vẽ mạch in và lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mô hình.

+ Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình cho hệ thống. ▪ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển + Đánh giá kết quả thực hiện đồ án đạt được. + Trình bày nhận xét ưu nhược điểm của đề tài. + Hướng phát triển đề tài để đồ án hoàn thiện hơn.

3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ thống đo nhiệt độ và khử khuẩn tự động 2.1 Các phương pháp đo thân nhiệt đang thịnh hành hiện nay Hiện nay trên thị trường có rất thiết bị đo thân nhiệt với nhiều phương pháp đo khác nhau và được chia làm các phương pháp đo phổ biến như sau: - Đo thân nhiệt bằng nhiệt kế thủ công: đặc điểm của loại nhiệt kế này thường bao gồm ống, điểm đánh dấu và các chất có thể phản ứng với nhiệt độ cơ thể. - Đo thân nhiệt bằng nhiệt kế điện tử: sử dụng cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ, khi quá trình đo diễn ra, cảm biến sẽ thu thập thông tin sẽ truyền đến bảng điều khiển và sau đó hiển thị kết quả đo. - Đo thân nhiệt từ xa bằng tia hồng ngoại: sử dụng tia hồng ngoại để đo, giúp đo nhanh với kết quả chính xác cao hơn, khoảng cách đo từ 1-10cm.2 Vai trò của việc giám sát nhiệt độ và khử khuẩn trong dịch bệnh Sau gần 2 năm đại dịch Covid-19 bùng phát, dù đã có nhiều nỗ lực, nhưng đến thời điểm này, thế giới vẫn chưa thể khống chế được đại dịch này [3]. Do đó, các nước đang dần chuyển từ “Zero Covid” (không còn Covid-19) sang “sống chung với dịch”.

Khái niệm “sống chung với dịch” được nhiều nước đưa ra kèm theo nhiều biện pháp mở cửa, dần khôi phục nền kinh tế và trở lại đời sống “bình thường mới”. Thay vì áp dụng các quy định nghiêm ngặt trước đây, hầu hết các nước đều đang dần có những biện pháp nới lỏng, phòng, chống dịch chủ yếu dựa vào độ bao phủ vắc-xin, ý thức của người dân, kiểm soát dịch bằng công nghệ. Trước xu hướng đó, Việt Nam cũng đã ban hành nhiều văn bản như: Nghị quyết số 128 của Chính phủ, Quyết định số 4800 và Công điện 1700 của Bộ Y tế,. để thực hiện các biện pháp nhằm “thích ứng an toàn, linh hoạt, kiểm soát hiệu quả dịch Covid- 19” [4].

Tuy chưa có văn bản nào nói về việc “sống chung với dịch”, nhưng nội dung này vẫn thường xuyên được nhắc đến trong phòng, chống dịch giai đoạn mới. “Sống chung với dịch” được xem như là một xu thế tất yếu, giúp người dân có điều kiện đi lại, làm việc, từng bước nối lại nhịp sống đời thường và khôi phục sản xuất, kinh doanh. Tuy nhiên, đối với Việt Nam thì tình hình dịch bệnh Covid-19 đang diễn biến rất phức tạp. Tính đến ngày 26/5/2022 cả nước đã ghi nhận hơn 10.008 số ca nhiễm, 4 43.078 ca tử vong, Trung bình số ca nhiễm mới trong nước ghi nhận trong 7 ngày qua là 1.

Bên cạnh việc thực hiện các biện pháp phòng dịch cơ bản như mang khẩu trang, hạn chế tụ tập đông người thôi là chưa đủ vì các biến thể Covid-19 mới ngày càng xuất hiện thêm như chủng virus mới Omicron gây nguy hiểm hơn, lây lan nhanh hơn và rất khó kiểm soát. Số ca mắc mới trong cộng đồng liên tục tăng cao, biến thể mới có khả năng lây qua không khí mạnh trong môi trường kín, do đó việc khử khuẩn và đo thân nhiệt đóng vai trò tiên quyết trong việc giảm thiểu lây lan dịch bệnh covid góp phần cùng cả nước đẩy lùi, chiến thắng đại dịch.3 Vị trí lắp đặt máy đo thân nhiệt và khử khuẩn Máy đo thân nhiệt và khử khuẩn nên được lắp đặt tại các nơi có lưu lượng người cao như cơ sở y tế, trường học, siêu thị, cửa hàng tiện lợi, công ty và hộ gia đình, ….1 Định nghĩa giao thức I2C I2C là một giao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors để truyền, nhận dữ liệu giữa một hoặc có thể nhiều Master - được xem như là các thiết bị điều khiển trung tâm với một hoặc nhiều Slave - được xem như là các ngoại vi trên cùng một hệ thống thông qua hai đường truyền tín hiệu [6].1 Minh hoạ kết nối sử dụng giao tiếp I2C Các thiết bị kết nối với bus I2C được phân thành hai loại: master và slave. Trong đó, master sở hữu quyền kiểm soát để thực hiện đưa ra yêu cầu đến các slave, còn slave là một thiết bị đáp ứng các yêu cầu từ master. Như hình minh họa ở trên, master thông 5 thường là các vi điều khiển, slave sẽ là các ngoại vi như cảm biến nhiệt độ, LCD driver, EEPROM,… Tại một thời điểm chỉ có duy nhất một thiết bị master ở trạng thái hoạt động trên bus I2C.

master điều khiển bus clock SCL và quyết định hoạt động nào sẽ được thực hiện trên bus dữ liệu SDA. Tất cả các thiết bị đáp ứng các yêu cầu từ thiết bị master này đều là slave. Để phân biệt giữa nhiều thiết bị slave khi được kết nối với cùng một hệ thống bus I2C thì mỗi thiết bị slave sẽ có một địa chỉ vật lý 7-bit cố định. Khi một thiết bị master muốn truyền hoặc nhận dữ liệu từ một thiết bị slave, master sẽ xác định địa chỉ thiết bị slave cụ thể trên đường SDA và sau đó tiến hành truyền dữ liệu.

Tất cả các thiết bị slave khác không gửi tín hiệu phản hồi về, trừ khi địa chỉ của chúng được chỉ định bởi thiết bị master trên đường SDA.2 Phương thức hoạt động của I2C Trường hợp 1: Thiết bị master muốn gửi dữ liệu cho một thiết bị slave • Master thực hiện một điều kiện bắt đầu (START) • Master gửi địa chỉ của slave (Device Address) cần nhận dữ liệu và Bit cấu hình đọc ghi dữ liệu (R/W) được gửi kèm có giá trị bằng 0 thể hiện hoạt động gửi dữ liệu. • Slave phản hồi bằng bit xác nhận (ACK), xác nhận có slave hoạt động trên hệ thống bus • Master gửi địa chỉ thanh ghi của slave – địa chỉ mà master muốn ghi/bắt đầu ghi dữ liệu. • Slave phản hồi bằng bit xác nhận (ACK), xác nhận có địa chỉ thanh thi, sẵn sàng nhận dữ liệu • Master gửi các dữ liệu (Data) cần ghi vào thanh ghi cho slave, có thể một hoặc nhiều byte. • Master thực hiện kết thúc việc truyền dữ liệu bằng một điều kiện kết thúc (STOP).2 Khung truyền dữ liệu khi thiết bị master muốn gửi dữ liệu cho thiết bị slave Trường hợp 2: Thiết bị master muốn đọc dữ liệu từ một thiết bị slave • Master thực hiện một điều kiện bắt đầu (START) • Master gửi địa chỉ của slave (Device Address) cần nhận dữ liệu, theo kèm là bit cấu hình đọc ghi dữ liệu (R/W) có giá trị bằng 0 thể hiện hoạt động gửi dữ liệu (bằng 0 để gửi tiếp địa chỉ thanh ghi) • Slave phản hồi bằng bit xác nhận (ACK), xác nhận có slave hoạt động trên hệ thống bus • Master gửi địa chỉ thanh ghi của Slave – địa chỉ mà master muốn ghi /bắt đầu ghi dữ liệu.

• Slave phản hồi bằng bit xác nhận (ACK), xác nhận có địa chỉ thanh ghi trên thiết bị slave. • Master gửi lại điều kiện bắt đầu cùng với địa chỉ của thiết bị slave, theo sau đó là giá trị 1 của bit R/W thể hiện hoạt động đọc dữ liệu. • Slave phản hồi bằng bit xác nhận (ACK) • Master nhận dữ liệu từ slave, có thể một hoặc nhiều byte. • Master kết thúc việc nhận dữ liệu bằng cách thực hiện bit xác nhận (NACK) và theo sau đó là một điều kiện kết thúc (STOP).3 Khung truyền dữ liệu khi thiết bị master muốn đọc dữ liệu từ thiết bị slave 2.3 Phân tích các thành phần trong khung truyền 1.

Điều kiện bắt đầu và điều kiện kết thúc (STAT, STOP) Hình 2.4 Tín hiệu của điều kiện bắt đầu và điều kiện kết thúc • Giao tiếp I2C được khởi tạo bằng cách master thực hiện điều kiện bắt đầu và kết thúc bằng cách master thực hiện điều kiện kết thúc. Một sự chuyển đổi logic từ mức HIGH sang mức LOW trên đường truyền SDA trong khi đường truyền SCL ở mức HIGH được định nghĩa là một điều kiện bắt đầu. Một sự chuyển đổi mức logic từ mức LOW sang mức HIGH trên đường truyền SDA trong khi đường SCL ở mức HIGH được định nghĩa là điều kiện kết thúc. Các bit địa chỉ • Các bit địa chỉ giúp xác định, phân biệt các slave khác nhau trên hệ thống bus I2C, các master phải được cài đặt các địa chỉ khác nhau.

Thông thường có 7 bit địa chỉ. • Bit địa chỉ được gửi kèm với bit cấu hình đọc/ghi dữ liệu. Bit cấu hình đọc/ghi dữ liệu (R/W) • Bit này xác định hướng truyền dữ liệu hay có thể hiểu là thiết bị nào sẽ điều khiển đường SDA: Nếu master cần truyền dữ liệu đến Slave, bit Read / Write được thiết 8 lập mức logic HIGH. Ngược lại, nếu master cần nhận dữ liệu từ Slave, bit này được thiết lập mức logic LOW.

Bit xác nhận (ACK/NACK) • Mỗi byte dữ liệu đều được xác nhận bởi một bit ACK từ phía nhận dữ liệu gửi cho phía gửi dữ liệu để báo rằng byte đã được nhận thành công và có thể tiếp tục gửi byte dữ liệu tiếp theo. Bit ACK có giá trị LOW. Khi nó có giá trị HIGH thì được gọi là bit NACK, bit NACK được gửi đi trong một số trường hợp như: o Phía nhận đang bận và không thể nhận hay truyền dữ liệu vì đang thực hiện một tính năng khác. o Trong quá trình truyền nhận, dữ liệu/địa chỉ không hợp lệ, không tồn tại.

o Trong quá trình truyền, phía nhận không thể nhận thêm các byte dữ liệu nữa. o Trong trường hợp master yêu cầu dữ liệu từ slave, master đã nhận đủ và không nhận thêm dữ liệu. Các bit dữ liệu (Data) • Dữ liệu được truyền tới các thiết bị slave hoặc được đọc từ các thiết bị slave, bản chất của việc này chính là thực hiện đọc/ghi các thanh ghi trong thiết bị slave.