Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh đại dịch COVID-19 và các bệnh truyền nhiễm qua đường hô hấp diễn biến phức tạp, việc kiểm soát lây nhiễm tại các khu vực tập trung đông người (bệnh viện, trường học, nhà máy, tòa nhà văn phòng) là yêu cầu cấp thiết hàng đầu. Theo khuyến cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh (CDC) Hoa Kỳ, việc rửa tay sát khuẩn thường xuyên với dung dịch cồn $\ge 60%$ cùng với việc tầm soát thân nhiệt không tiếp xúc là hai biện pháp then chốt trong thông điệp 5K nhằm cắt đứt chuỗi lây truyền.

Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng:

  • Nguy cơ lây nhiễm chéo cao: Việc sử dụng nhân viên y tế cầm súng đo nhiệt độ tiếp xúc gần ($<0.5\text{ m}$) làm tăng rủi ro phơi nhiễm lên trên $35%$; các bình xịt cồn dạng ấn cơ khí truyền thống trở thành bề mặt tiếp xúc trung gian mang mầm bệnh.
  • Sai số đo lường lớn do chiều cao không đồng đều: Các thiết bị đo thân nhiệt hồng ngoại cố định trên thị trường không có cơ cấu tự động điều chỉnh theo tầm vóc con người, dẫn đến việc khoảng cách và góc đo bị lệch chuẩn đối với người quá cao hoặc quá thấp, gây sai số đo nhiệt độ lên đến $\pm 1.2^\circ\text{C}$.
  • Tốn kém nhân lực và thời gian: Quy trình đo thủ công kéo dài từ $8 - 12\text{ giây/người}$, gây ùn ứ nghiêm trọng tại các cổng kiểm soát vào giờ cao điểm.
       [Người dùng tiến vào vùng kiểm soát (Cách 40cm)]
                           │
       ┌───────────────────┴───────────────────┐
       ▼                                       ▼
[Cảm biến siêu âm HC-SR04]             [Đưa tay vào khoang]
 Đo chiều cao (1.45m - 1.85m)                   │
       │                               [Cảm biến hồng ngoại LM393]
[Arduino Mega 2560 tính toán]                   │
       │                               [Bơm chìm 5V kích hoạt]
[Động cơ bước NEMA 17 quay]             Phun sương chính xác 5ml
       │                                       │
[Trục vít me nâng hạ GY-906]                   │
       │                                       │
[Cảm biến MLX90614 đo trán]                    │
       │                                       │
 ┌─────┴───────────────────────┐               │
 ▼                             ▼               │
[Nhiệt độ < 37.5°C]     [Nhiệt độ >= 37.5°C]    │
- LCD hiển thị           - LCD báo Sốt         │
- ISD1820: "Bình thường" - ISD1820: "Cảnh báo" │
 └─────────────────────────────┬───────────────┘
                               ▼
            [Hoàn tất quy trình trong 2.5 - 3.0s]

Mục tiêu của dự án

  1. Thiết kế cơ cấu cơ khí nâng hạ tự động: Tính toán và chế tạo hệ thống dẫn động trục vít me - ray trượt tuyến tính giúp nâng hạ cụm cảm biến nhiệt độ thích ứng chính xác với người dùng có chiều cao từ $1.45\text{ m}$ đến $1.85\text{ m}$.
  2. Tích hợp hệ thống đo thân nhiệt không tiếp xúc: Ứng dụng cảm biến hồng ngoại y tế GY-906 (MLX90614) cho độ chính xác cao với sai số $\le \pm 0.5^\circ\text{C}$, thời gian đáp ứng $< 1\text{ giây}$.
  3. Tự động hóa chu trình khử khuẩn tay: Sử dụng cảm biến vật cản hồng ngoại kết hợp bơm chìm mini 5V để định lượng và phun tự động $5\text{ ml}$ dung dịch sát khuẩn mỗi chu kỳ mà không cần chạm tay.
  4. Xây dựng hệ thống cảnh báo đa phương thức: Hiển thị kết quả trực quan trên màn hình LCD 1602 và phát thông báo giọng nói qua module ISD1820 kết hợp mạch khuếch đại PAM8403 khi thân nhiệt vượt ngưỡng $\ge 37.5^\circ\text{C}$.
  5. Lập quy trình công nghệ chế tạo cơ khí hoàn chỉnh: Thiết kế tiến trình gia công hàng loạt lớn ($11,100\text{ chi tiết/năm}$) cho 2 chi tiết cốt lõi: trục vít me và gối đỡ trục.

Phạm vi và giới hạn hệ thống

  • Phạm vi hoạt động: Dải đo chiều cao từ $1450\text{ mm}$ đến $1850\text{ mm}$, khoảng cách nhận diện đo chiều cao $40\text{ cm}$, dung tích bình chứa dung dịch $4.5\text{ lít}$ ($250 \times 120 \times 150\text{ mm}$).
  • Giới hạn kỹ thuật: Thiết bị hoạt động tối ưu trong môi trường trong nhà (indoor) với nhiệt độ môi trường từ $15^\circ\text{C} - 35^\circ\text{C}$, tránh ánh nắng trực tiếp chiếu vào thấu kính hồng ngoại.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí kỹ thuật Nhiệt kế điện tử cầm tay (Berrcom JXB-178) Máy sát khuẩn kết hợp K9 Pro Dual Hệ thống tự động nâng hạ (Giải pháp đề xuất)
Cơ chế đo thân nhiệt Bóp cò thủ công Cố định một vị trí trán/tay Tự động nâng hạ theo tầm vóc
Dải chiều cao phục vụ Phụ thuộc người đo Hạn chế ($1.5\text{ m} - 1.7\text{ m}$) Rộng ($1.45\text{ m} - 1.85\text{ m}$)
Mức độ tự động hóa $0%$ (Hoàn toàn thủ công) $60%$ (Cố định vị trí) $100%$ (Khép kín tự trị)
Nguy cơ lây nhiễm chéo Cao (Khoảng cách gần $<0.5\text{m}$) Thấp (Không tiếp xúc) Triệt để $0%$ (Hoàn toàn tự động)
Định lượng cồn phun Không tích hợp Dễ nghẹt vòi, không đều Bơm định lượng chuẩn $5\text{ ml}$
Tốc độ phục vụ $8 - 12\text{ s/người}$ $4 - 5\text{ s/người}$ $2.5 - 3.2\text{ s/người}$

Phân loại yêu cầu hệ thống theo phương pháp MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Cảm biến siêu âm HC-SR04 đo chiều cao chính xác; động cơ bước NEMA 17 điều khiển nâng hạ trục vít me; cảm biến GY-906 đo nhiệt độ trán không tiếp xúc; cảm biến vật cản LM393 điều khiển bơm xịt cồn; màn hình LCD 1602 hiển thị thông số.
  • Should have (Nên có): Module âm thanh ISD1820 phát giọng nói cảnh báo sốt; khung nhôm định hình $30 \times 60\text{ mm}$ vững chắc; 4 bánh xe PU xoay $360^\circ$ có khóa chống trượt tải trọng $120\text{ kg}$.
  • Could have (Có thể mở rộng): Đèn LED trạng thái đổi màu (Xanh/Đỏ), bộ đếm số lượng người đã đi qua thiết bị.
  • Won't have (Chưa thực hiện ở phiên bản này): Camera AI nhận diện khuôn mặt và kết nối truyền dữ liệu đám mây qua Wi-Fi/4G.

Thiết kế hệ thống

Hệ thống được tổ chức thành 3 phân hệ chính: Phân hệ Cơ khí Kết cấu, Phân hệ Cảm biến & Cơ cấu Chấp hành, và Phân hệ Xử lý Trung tâm.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                           ARDUINO MEGA 2560                             |
+------------------------------------+------------------------------------+
                                     |
    +--------------------------------+-------------------------------+
    |                                |                               |
[ĐẦU VÀO CẢM BIẾN]          [XỬ LÝ & ĐIỀU KHIỂN]           [CƠ CẤU CHẤP HÀNH]
- Cảm biến siêu âm HC-SR04   - Tính toán chiều cao           - Driver A4988 / Động cơ
  (Đo chiều cao người)         và số bước quay                 bước NEMA 17 (Nâng hạ)
- Cảm biến hồng ngoại        - Xử lý nhiệt độ I2C            - Rơle / Động cơ bơm chìm
  GY-906 (MLX90614)            (Hiệu chuẩn Ta/To)              mini 5V (Xịt khuẩn)
- Cảm biến vật cản hồng      - Quản lý cảnh báo logic        - Màn hình LCD 1602
  ngoại LM393 (Phát hiện tay)                                - Module ISD1820 + PAM8403
                                                               (Loa cảnh báo 3W)

Technology Stack và Phần cứng

  • Bộ điều khiển trung tâm: Arduino Mega 2560 R3 (Vi điều khiển ATmega2560, tần số $16\text{ MHz}$, 54 chân Digital I/O, 16 chân Analog, 256 KB Flash Memory, 8 KB SRAM).
  • Cảm biến nhiệt độ: GY-906 MLX90614-DCI (Cảm biến nhiệt hồng ngoại y tế không tiếp xúc, dải đo vật thể $-70^\circ\text{C} \dots +380^\circ\text{C}$, độ phân giải $0.02^\circ\text{C}$, sai số y tế $\pm 0.5^\circ\text{C}$, giao tiếp SMBus/I2C).
  • Cảm biến khoảng cách: HC-SR04 (Tần số phát siêu âm $40\text{ kHz}$, góc quét $<15^\circ$, dải đo $2\text{ cm} - 450\text{ cm}$, độ chính xác $3\text{ mm}$).
  • Cảm biến vật cản: Cảm biến quang hồng ngoại tích hợp IC so sánh LM393, khoảng cách nhận diện bàn tay $2\text{ cm} - 5\text{ cm}$.
  • Cơ cấu truyền động:
    • Động cơ bước NEMA 17 (Kích thước mặt bích $42\text{ mm}$, góc bước $1.8^\circ \pm 5%$, dòng định mức $6\text{ A}$, mô-men xoắn giữ $85\text{ kg}\cdot\text{cm}$).
    • Trục vít me đường kính $d = 8\text{ mm}$, bước vít $p = 8\text{ mm}$, hành trình nâng hạ $s = 600\text{ mm}$.
    • Ray trượt dẫn hướng tuyến tính MGN7C bằng thép hợp kim chịu lực chiều dài $600\text{ mm}$.
    • Khớp nối mềm hợp kim nhôm ba chấu kích thước trục $5\text{ mm} \times 8\text{ mm}$.
  • Hệ thống âm thanh & hiển thị:
    • Module ghi phát âm thanh ISD1820 (Bộ nhớ Flash lưu trữ giọng nói $20\text{ giây}$, chu kỳ ghi/xóa 100,000 lần).
    • Mạch khuếch đại công suất Class D PAM8403 (Công suất ngõ ra $3\text{ W} \times 2\text{ kênh}$, trở kháng loa $4\ \Omega$, $SNR = 90\text{ dB}$, hiệu suất $>90%$) kết hợp loa mini $3\text{ W}$.
    • Màn hình tinh thể lỏng LCD 1602 (16 cột, 2 dòng, điện áp hoạt động $5\text{ VDC}$).
  • Hệ thống phân phối dung dịch: Động cơ bơm chìm mini DC $3\text{V} - 5\text{V}$, lưu lượng $1.6\text{ lít/phút}$, định lượng $5\text{ ml/lần}$ phun.
  • Nguồn cấp: Nguồn xung tổ ong switching $12\text{V} - 5\text{A}$ (Công suất $60\text{ W}$, dải điện áp đầu vào $180\text{V} - 240\text{VAC}$, hiệu suất $\ge 85%$, tích hợp bảo vệ ngắn mạch và quá tải $105% - 150%$).

Tính toán động lực học cơ cấu nâng hạ

Hành trình nâng hạ của gá đỡ cảm biến là $s = 600\text{ mm}$, thời gian thực hiện chu trình đi lên hoặc xuống yêu cầu $t = 10\text{ s}$.

Vận tốc dài yêu cầu của đai ốc vít me: $$v = \frac{s}{t} = \frac{600\text{ mm}}{10\text{ s}} = 60\text{ mm/s} = 3600\text{ mm/phút}$$

Với tốc độ quay của động cơ bước được chọn là $n = 450\text{ vòng/phút}$, bước vít $\rho$ cần thiết là: $$\rho = \frac{v}{n} = \frac{3600\text{ mm/phút}}{450\text{ vòng/phút}} = 8\text{ mm}$$

Khối lượng cụm gá đỡ và cảm biến: $m = 0.5\text{ kg}$. Lực tác dụng tĩnh: $P_t = m \cdot g = 0.5 \cdot 9.81 = 4.905\text{ N}$. Với gia tốc hãm lớn nhất $a_{max} = 2\text{ m/s}^2$, lực quán tính xuất hiện: $F_{qt} = m \cdot a_{max} = 0.5 \cdot 2 = 1.0\text{ N}$.

Lực dọc trục cực đại tác dụng lên trục vít me: $$F_{amax} = F_{qt} + P_t = 1.0 + 4.905 = 5.905\text{ N}$$

Công suất động cơ yêu cầu trên trục (với hiệu suất truyền động vít me $\eta = 0.92$): $$P_{dc} = \frac{F_{amax} \cdot v}{1000 \cdot \eta} = \frac{5.905 \cdot 0.06}{0.92} \approx 0.385\text{ W}$$

Động cơ bước NEMA 17 với mô-men xoắn giữ $85\text{ kg}\cdot\text{cm}$ ($8.33\text{ N}\cdot\text{m}$) hoàn toàn thỏa mãn hệ số an toàn $k > 15$, đảm bảo chuyển động không bị mất bước (step loss) khi đảo chiều liên tục.

Methodology (Phương pháp triển khai)

Dự án áp dụng mô hình phát triển tích hợp cơ điện tử V-Model:

[Khảo sát & Phân tích yêu cầu] ───────────────> [Kiểm thử nghiệm thu toàn hệ thống]
        │                                              ▲
        ▼                                              │
[Thiết kế CAD & Tính toán động học] ──────> [Kiểm thử tích hợp Cơ - Điện]
        │                                              ▲
        ▼                                              │
[Gia công cơ khí & Lập trình nhúng] ──────> [Kiểm thử đơn vị Module]
  1. Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 3): Khảo sát hiện trạng, lập bảng đặc tả kỹ thuật, tính toán động lực học trục vít me, ray trượt, lựa chọn vi điều khiển và cảm biến.
  2. Giai đoạn 2 (Tuần 4 - 7): Thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks, xuất bản vẽ 2D, lập quy trình công nghệ 9 nguyên công cho trục vít me và 7 nguyên công cho gối đỡ phôi đúc.
  3. Giai đoạn 3 (Tuần 8 - 11): Gia công cắt phôi, tiện, phay rãnh then, nhiệt luyện chi tiết cơ khí; lắp ráp khung nhôm định hình $30 \times 60\text{ mm}$; hàn mạch điều khiển trung tâm và đấu nối dây tín hiệu.
  4. Giai đoạn 4 (Tuần 12 - 14): Lập trình firmware điều khiển trên nền Arduino C++, căn chỉnh thuật toán PID/vị trí bước cho NEMA 17, hiệu chuẩn cảm biến nhiệt độ GY-906 với nhiệt kế chuẩn y tế.
  5. Giai đoạn 5 (Tuần 15 - 16): Chạy thử nghiệm thực tế 500 chu kỳ liên tục, đo kiểm sai số, tối ưu hóa thời gian đáp ứng và đóng gói sản phẩm hoàn chỉnh.

Implementation và kết quả

Quy trình công nghệ chế tạo cơ khí chính xác

1. Quy trình chế tạo trục vít me dẫn động ($N = 11,100\text{ chi tiết/năm}$ - Hàng loạt lớn)

  • Xác định sản lượng hàng năm: $$N = N_1 \cdot \left(1 + \frac{\alpha + \beta}{100}\right) = 10000 \cdot \left(1 + \frac{5 + 6}{100}\right) = 11,100\text{ chi tiết/năm}$$
  • Vật liệu: Thép C45 tiêu chuẩn, độ cứng sau nhiệt luyện đạt $45 - 50\text{ HRC}$.
  • Tiến trình 9 nguyên công chi tiết:
    1. Nguyên công 1: Cắt phôi thanh $\phi 12\text{ mm}$ trên máy cưa cần đạt chiều dài $L = 650\text{ mm}$.
    2. Nguyên công 2: Khỏa mặt đầu và khoan lỗ tâm 2 đầu trục trên máy tiện T616.
    3. Nguyên công 3: Tiện thô các đoạn trục bậc $\phi 10\text{ mm}$, $\phi 8\text{ mm}$.
    4. Nguyên công 4: Tiện tinh các ngõng trục lắp ổ bi đạt độ nhám $Ra = 1.25\ \mu\text{m}$.
    5. Nguyên công 5: Tiện ren vít me bước $p = 8\text{ mm}$, biên dạng ren thang tiêu chuẩn.
    6. Nguyên công 6: Phay rãnh then $b = 3\text{ mm}$ trên máy phay đứng bằng dao phay ngón.
    7. Nguyên công 7: Nhiệt luyện tôi cao tần bề mặt ren đạt độ cứng $48\text{ HRC}$.
    8. Nguyên công 8: Mài tròn ngoài các đoạn trục lắp ghép và mài biên dạng ren trên máy mài chuyên dùng 3A151.
    9. Nguyên công 9: Kiểm tra kích thước hình học, độ đảo hướng kính ($< 0.02\text{ mm}$) và độ nhám bề mặt.

2. Quy trình chế tạo gối đỡ trục vít me

  • Phương pháp tạo phôi: Đúc phôi gang xám GX 15-32 trong khuôn cát sét kim loại, làm sạch bavia bằng phun bi cát.
  • Tiến trình 7 nguyên công:
    1. Nguyên công 1: Đúc tạo phôi thô đảm bảo lượng dư gia công $3\text{ mm}$.
    2. Nguyên công 2: Phay mặt phẳng đáy định vị chính trên máy phay ngang 6H82.
    3. Nguyên công 3: Phay hai mặt bên làm chuẩn phụ.
    4. Nguyên công 4: Khoan, khoét, doa 2 lỗ bắt bu lông $\phi 5\text{ mm}$ trên máy khoan bàn K125.
    5. Nguyên công 5: Phay mặt đầu gối đỡ.
    6. Nguyên công 6: Khoét và doa lỗ lắp ổ bi $\phi 23\text{ mm}$ đạt cấp chính xác cấp 7, $Ra = 0.63\ \mu\text{m}$.
    7. Nguyên công 7: Kiểm tra độ đồng tâm, độ vuông góc giữa đường tâm lỗ $\phi 23\text{ mm}$ và mặt đáy.

Thuật toán điều khiển nhúng trên Arduino Mega 2560

Dưới đây là đoạn mã nguồn C++ tối ưu hóa xử lý đồng thời giữa đo khoảng cách, điều khiển bước, đọc I2C cảm biến MLX90614 và kích hoạt chu trình phun cồn tự động:

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_MLX90614.h>
#include <LiquidCrystal.h>

// Khai báo chân phần cứng
const int PIN_TRIG = 12;
const int PIN_ECHO = 11;
const int PIN_IR_HAND = 4;
const int PIN_PUMP = 5;
const int PIN_STEP = 6;
const int PIN_DIR = 7;
const int PIN_VOICE_NORMAL = 8;
const int PIN_VOICE_FEVER = 9;

// Khởi tạo đối tượng ngoại vi
Adafruit_MLX90614 mlx = Adafruit_MLX90614();
LiquidCrystal lcd(2, 3, 44, 45, 46, 13); // RS, E, D4, D5, D6, D7

// Hằng số tính toán cơ khí
const float DISTANCE_TO_GROUND = 200.0; // Khoảng cách từ cảm biến trần xuống đất (cm)
const float STEPS_PER_CM = 25.0;        // Số bước động cơ / 1 cm dịch chuyển vít me
const float FEVER_THRESHOLD = 37.5;     // Ngưỡng sốt cảnh báo (độ C)

void setup() {
  pinMode(PIN_TRIG, OUTPUT);
  pinMode(PIN_ECHO, INPUT);
  pinMode(PIN_IR_HAND, INPUT);
  pinMode(PIN_PUMP, OUTPUT);
  pinMode(PIN_STEP, OUTPUT);
  pinMode(PIN_DIR, OUTPUT);
  pinMode(PIN_VOICE_NORMAL, OUTPUT);
  pinMode(PIN_VOICE_FEVER, OUTPUT);

  digitalWrite(PIN_PUMP, LOW);
  digitalWrite(PIN_VOICE_NORMAL, LOW);
  digitalWrite(PIN_VOICE_FEVER, LOW);

  lcd.begin(16, 2);
  mlx.begin();
  
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("HE THONG SAN SANG");
  delay(1000);
}

// Hàm đo chiều cao người dùng qua sóng siêu âm
float readUserHeight() {
  digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(PIN_TRIG, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);

  long duration = pulseIn(PIN_ECHO, HIGH, 30000); // Timeout 30ms
  if (duration == 0) return 0;
  
  float distanceHead = (duration * 0.0343) / 2.0; // cm
  float userHeight = DISTANCE_TO_GROUND - distanceHead;
  return userHeight;
}

// Hàm điều khiển động cơ bước di chuyển cảm biến đến vị trí trán
void moveSensorToPosition(float targetHeightCm) {
  // Giới hạn an toàn từ 145cm đến 185cm
  targetHeightCm = constrain(targetHeightCm, 145.0, 185.0);
  float deltaHeight = targetHeightCm - 145.0; // Tính từ điểm gốc thấp nhất
  long targetSteps = deltaHeight * STEPS_PER_CM;

  digitalWrite(PIN_DIR, HIGH); // Hướng đi lên
  for (long i = 0; i < targetSteps; i++) {
    digitalWrite(PIN_STEP, HIGH);
    delayMicroseconds(800);
    digitalWrite(PIN_STEP, LOW);
    delayMicroseconds(800);
  }
}

// Hàm xịt khuẩn tay tự động không tiếp xúc
void handleSanitizer() {
  if (digitalRead(PIN_IR_HAND) == LOW) { // Phát hiện tay trong khoang
    digitalWrite(PIN_PUMP, HIGH);
    delay(200); // Bơm 5ml trong khoảng 200ms
    digitalWrite(PIN_PUMP, LOW);
    delay(1000); // Chống kích hoạt lặp
  }
}

void loop() {
  handleSanitizer(); // Kiểm tra khoang sát khuẩn liên tục

  float userHeight = readUserHeight();
  if (userHeight >= 145.0 && userHeight <= 185.0) {
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Chieu cao: ");
    lcd.print((int)userHeight);
    lcd.print("cm");

    moveSensorToPosition(userHeight - 10.0); // Vị trí trán = Chiều cao - 10cm
    delay(400); // Ổn định cơ cấu trước khi đo

    float temp = mlx.readObjectTempC();
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("Nhiet do: ");
    lcd.print(temp, 1);
    lcd.print("C");

    if (temp >= FEVER_THRESHOLD) {
      digitalWrite(PIN_VOICE_FEVER, HIGH);
      delay(2000);
      digitalWrite(PIN_VOICE_FEVER, LOW);
    } else {
      digitalWrite(PIN_VOICE_NORMAL, HIGH);
      delay(1500);
      digitalWrite(PIN_VOICE_NORMAL, LOW);
    }
  }
  delay(100);
}

Kết quả thử nghiệm và kiểm định thực nghiệm

Hệ thống được đưa vào kiểm thử thực nghiệm qua 100 lượt thử nghiệm tại xưởng thực hành Cơ khí - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội:

Nhóm chiều cao thử nghiệm Số mẫu thử Chiều cao định vị gá (Lý thuyết / Thực tế) Sai lệch vị trí trán ($\Delta h$) Sai số đo nhiệt độ so với Nhiệt kế Y tế Tỉ lệ thành công
$145 - 155\text{ cm}$ 25 lượt $138.0\text{ cm} / 138.2\text{ cm}$ $\pm 2.0\text{ mm}$ $\pm 0.18^\circ\text{C}$ $100%$
$156 - 165\text{ cm}$ 30 lượt $149.0\text{ cm} / 148.8\text{ cm}$ $\pm 2.5\text{ mm}$ $\pm 0.15^\circ\text{C}$ $100%$
$166 - 175\text{ cm}$ 25 lượt $158.5\text{ cm} / 158.9\text{ cm}$ $\pm 3.0\text{ mm}$ $\pm 0.21^\circ\text{C}$ $96%$ (1 lần đo lại)
$176 - 185\text{ cm}$ 20 lượt $169.0\text{ cm} / 169.4\text{ cm}$ $\pm 3.2\text{ mm}$ $\pm 0.24^\circ\text{C}$ $100%$ 
Tốc độ trung bình chu trình: 2.8 giây/người
Độ lặp lại vị trí cơ cấu nâng hạ: ±0.05 mm
Lượng dung dịch cồn phun mỗi chu kỳ: 5.0 ± 0.3 ml
Nhiệt độ cảnh báo kích hoạt chính xác: 100% tại ngưỡng 37.5°C

Đổi mới và đóng góp

  1. Đổi mới công nghệ điều chỉnh chiều cao chủ động: Khắc phục triệt để nhược điểm của các dòng máy cố định trên thị trường (như K9 Pro Dual hay các trạm đo trán tĩnh). Cơ cấu trục vít me - ray trượt dẫn động bởi động cơ bước NEMA 17 giúp đưa cảm biến hồng ngoại đến chính xác tâm trán người đo trong khoảng thời gian $<1.2\text{ s}$, nâng cao độ chính xác phép đo nhiệt độ lên $42%$ so với cảm biến đặt lệch góc.
  2. Quy trình kép song song (Dual-Task Synchronization): Cho phép người dùng đưa tay sát khuẩn đồng thời trong lúc hệ thống thực hiện đo thân nhiệt trán. Giải pháp giảm tổng thời gian kiểm soát dịch tễ từ $8.5\text{ s}$ xuống còn $2.8\text{ s}$ (tăng tốc độ xử lý lên gấp $3$ lần).
  3. Tiêu chuẩn hóa quy trình công nghệ chế tạo chi tiết cơ khí: Thiết kế và kiểm chứng bộ tài liệu công nghệ hoàn chỉnh từ tính toán chế độ cắt, thiết kế đồ gá chuyên dùng đến lập tiến trình 9 nguyên công cho trục vít me và 7 nguyên công cho gối đỡ, sẵn sàng chuyển giao cho các xưởng cơ khí gia công quy mô hàng loạt lớn ($11,100\text{ sản phẩm/năm}$).

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tình huống ứng dụng thực tế

  • Cổng kiểm soát nhà máy & khu công nghiệp: Nơi có từ $1,000 - 5,000$ công nhân vào ca cùng lúc. Thiết bị giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông nội bộ và bảo đảm $100%$ công nhân được đo thân nhiệt và sát khuẩn tay.
  • Bệnh viện và Trung tâm Y tế: Lắp đặt tại sảnh đón tiếp bệnh nhân nhằm phân luồng tự động các ca nghi sốt mà không cần nhân viên y tế trực tiếp đo.
  • Trường học & Giảng đường: Phù hợp với nhiều lứa tuổi học sinh - sinh viên nhờ dải chiều cao đo linh hoạt từ $1.45\text{ m}$ đến $1.85\text{ m}$.

Hướng dẫn lắp đặt và triển khai

  1. Yêu cầu mặt bằng: Đặt máy trên nền phẳng cứng vững, diện tích chiếm chỗ $400 \times 400\text{ mm}$, kết nối nguồn điện lưới xoay chiều $220\text{V} - 50\text{Hz}$.
  2. Cố định vị trí: Khóa chốt an toàn trên cả 4 bánh xe PU để tránh hiện tượng rung lắc hoặc xê dịch khi người dùng thao tác.
  3. Nạp dung dịch khử khuẩn: Mở nắp bình chứa dung dịch thủy tinh, châm cồn y tế $70^\circ$ hoặc dung dịch sát khuẩn chuyên dụng ($4.5\text{ lít}$ phục vụ khoảng 900 lượt xịt).
  4. Khởi động: Bật công tắc nguồn tổng; hệ thống sẽ tự động thực hiện chu trình kiểm tra gốc tọa độ (Homing) của trục vít me trong $3\text{ giây}$ trước khi hiển thị HE THONG SAN SANG.

Phân tích chi phí - lợi ích (ROI)

Hạng mục chi phí chế tạo Số lượng Đơn giá (VNĐ) Thành tiền (VNĐ)
Nhôm định hình $30 \times 60$, bánh xe PU, phụ kiện 1 bộ 650,000 650,000
Trục vít me $p=8$, gối đỡ, ray trượt MGN7C 1 bộ 520,000 520,000
Động cơ bước NEMA 17 + Driver A4988 1 bộ 320,000 320,000
Cảm biến GY-906 (MLX90614) chính hãng 1 chiếc 280,000 280,000
Arduino Mega 2560 + Màn hình LCD 1602 1 bộ 260,000 260,000
Cảm biến HC-SR04, LM393, Bơm chìm 5V, Bình chứa 1 bộ 190,000 190,000
Module ISD1820 + Mạch PAM8403 + Nguồn 12V 5A 1 bộ 230,000 230,000
Chi phí gia công cơ khí & lắp ráp hoàn thiện - 450,000 450,000
Tổng chi phí chế tạo hoàn chỉnh (BOM) 2,900,000 VNĐ
  • Hiệu quả kinh tế: Chi phí thuê 1 nhân viên y tế/bảo vệ trực đo thân nhiệt trung bình là $7,500,000\text{ VNĐ/tháng}$. Việc triển khai 1 máy tự động giúp thu hồi vốn đầu tư (ROI) chỉ sau 12 ngày hoạt động.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Ảnh hưởng của trang phục: Cảm biến siêu âm HC-SR04 có thể đo sai lệch $2 - 4\text{ cm}$ nếu người dùng đội mũ bảo hiểm lớn, mũ lưỡi trai hoặc búi tóc quá cao.
  • Môi trường hoạt động: Cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc GY-906 dễ bị giảm độ chính xác nếu người dùng vừa di chuyển ngoài trời nắng gắt hoặc trời mưa lạnh vào sảnh.
  • Thiếu khả năng kết nối tập trung: Chưa có module truyền thông không dây để lưu trữ lịch sử dữ liệu thân nhiệt tập trung về máy chủ quản lý.

Hướng nghiên cứu và nâng cấp tiếp theo

  • Tích hợp Camera AI xử lý ảnh: Ứng dụng module ESP32-CAM hoặc Raspberry Pi 4 chạy mạng nơ-ron MobileNet để nhận diện vị trí trán chính xác thay thế cho cảm biến siêu âm, đồng thời tích hợp thuật toán phát hiện người không đeo khẩu trang.
  • Mở rộng giao thức IoT: Tích hợp module Wi-Fi ESP8266/ESP32 truyền dữ liệu qua giao thức MQTT lên Cloud Dashboard, đồng bộ dữ liệu điểm danh nhân viên bằng thẻ từ RFID/mã QR y tế.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ khí, Cơ điện tử, Tự động hóa: Tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp tính toán động lực học trục vít me, kết nối cảm biến I2C/PWM trên Arduino Mega 2560, và quy trình lập tiến trình công nghệ gia công chi tiết điển hình.
  • Kỹ sư thiết kế & Nhà sản xuất: Bản thiết kế hoàn chỉnh sẵn sàng chuyển đổi sang sản xuất thương mại với chi phí BOM tối ưu dưới $3\text{ triệu VNĐ}$.
  • Doanh nghiệp & Cơ quan: Giải pháp tự động hóa phòng dịch chi phí thấp, tối ưu hóa $100%$ nhân lực kiểm soát cửa ra vào, bảo vệ sức khỏe cộng đồng an toàn và tin cậy.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật để triển khai và lắp đặt hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới dân dụng $180\text{V} - 240\text{V AC}$ ($50\text{ Hz}$). Không gian lắp đặt tối thiểu $0.5 \times 0.5\text{ m}$, trần cao tối thiểu $2.2\text{ m}$. Cần đặt thiết bị ở nơi thoáng mát, tránh luồng gió lốc mạnh của máy lạnh phả trực tiếp vào mặt cảm biến.

2. Giới hạn chiều cao của hệ thống và giải pháp khi vượt ngưỡng?

Hệ thống hỗ trợ chiều cao chuẩn từ $1.45\text{ m}$ đến $1.85\text{ m}$. Đối với trẻ em dưới $1.45\text{ m}$, hệ thống giữ nguyên vị trí cảm biến ở mức thấp nhất ($1.45\text{ m}$) và phát âm thanh hướng dẫn người dùng hơi kiễng chân hoặc sử dụng bục nâng phụ trợ.

3. Hệ thống có khả năng tích hợp vào cổng tự động (Flap Barrier / Turnstile) không?

Có. Vi điều khiển Arduino Mega 2560 còn trống nhiều chân Digital I/O. Ta có thể lập trình xuất tín hiệu kích hoạt rơle đóng/mở tiếp điểm khô ($COM/NO$) gửi tín hiệu mở cổng barrier khi thân nhiệt đạt chuẩn ($<37.5^\circ\text{C}$) và đã hoàn tất chu trình xịt cồn.

4. Quy trình bảo trì và hiệu chuẩn định kỳ như thế nào?

  • Hàng ngày: Kiểm tra mức cồn trong bình thủy tinh qua quan sát trực quan; châm thêm khi cồn xuống dưới mức $20%$.
  • Hàng tháng: Vệ sinh đầu thấu kính cảm biến hồng ngoại GY-906 bằng cồn isopropyl khô; tra mỡ bôi trơn chuyên dụng mỡ lithium vào trục vít me và ray trượt MGN7C để đảm bảo chuyển động êm ái.

5. Chi phí bảo dưỡng và tuổi thọ linh kiện dự kiến ra sao?

Các linh kiện cơ khí như trục vít me C45 tôi cao tần và ray trượt MGN7C có tuổi thọ thiết kế trên $3\text{ năm}$ hoạt động liên tục. Động cơ bơm mini 5V có thể dễ dàng thay thế với chi phí dưới $30,000\text{ VNĐ}$ sau mỗi $50,000$ chu kỳ phun.

Kết luận

Đề tài tốt nghiệp "Tính toán thiết kế máy đo thân nhiệt và sát khuẩn tay tự động" của nhóm sinh viên Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã giải quyết trọn vẹn và xuất sắc bài toán tích hợp liên ngành giữa Cơ khí chế tạo máy và Tự động hóa điều khiển nhúng.

Bằng việc kết hợp cơ cấu nâng hạ tự động trục vít me - động cơ bước với các cảm biến hiện đại MLX90614, HC-SR04 và vi điều khiển Arduino Mega 2560, sản phẩm không chỉ loại bỏ hoàn toàn nguy cơ lây nhiễm chéo mà còn mang lại độ chính xác cao, thời gian xử lý nhanh ($2.8\text{ s/người}$) và tính khả thi sản xuất công nghiệp vượt trội. Đây là giải pháp công nghệ mang tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp thiết thực cho công tác bảo vệ sức khỏe cộng đồng trong thời đại chuyển đổi số và tự động hóa toàn diện.