Tài liệu Thiết bị đo thông số sức khỏe tự động đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT- NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT BỊ ĐO THÔNG SỐ SỨC KHỎE TỰ ĐỘNG Trình độ đào tạo : Đại học chính quy Ngành : Công nghệ kỹ thuật Điện - Điện tử Chuyên ngành : Điều khiển - Tự động hóa GVHD : ThS. Lưu Hoàng Sinh viên thực hiện : Trần Văn Phú Lớp: DH17TD MSV: 17030021 Vũng Tàu, tháng 1 năm 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU KHOA CNKT – NN CNC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Đính kèm Quy định về việc tổ chức, quản lý các hình thức tốt nghiệp ĐH, CĐ ban hành kèm theo Quyết định số 585/QĐ-ĐHBRVT ngày 16/7/2013 của Hiệu trưởng Trường Đại học BR-VT) Họ tên sinh viên: Trần Văn Phú MSSV: 17030021 Ngày sinh:23/03/1993 Lớp: DH17TD Email: [email protected] Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa Hệ đào tạo: Đại học chính quy Tên đề tài: Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lưu Hoàng Ngày giao đề tài: 11/2020 Ngày hoàn thành đồ án/ khóa luận tốt nghiệp: 01/2021 Bà Rịa – Vũng Tàu, ngày … tháng … năm 2021 Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) ThS. Lưu Hoàng Trần Văn Phú Trưởng bộ môn Trưởng khoa (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) 2 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN • Thái độ, tác phong và nhận thúc trong quá trình thực hiện ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... • Kiến thức chuyên môn ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... • Hình thức, bố cục trình bày ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... • Nội dung, kết quả ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... • Nhận xét khác ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... Bà Rịa – Vũng Tàu, ngày … tháng … năm 2021 Giảng viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) 3 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN • Thái độ, tác phong và nhận thúc trong quá trình thực hiện ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... • Kiến thức chuyên môn ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... • Hình thức, bố cục trình bày ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... • Nội dung, kết quả ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... • Nhận xét khác ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... Bà Rịa – Vũng Tàu, ngày … tháng … năm 2021 Giảng viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên) 4 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên nhóm em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Lưu Hoàng - Giảng viên bộ môn Điện - Điện Tử, đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, giảng giải cho chúng em trong lựa chọn đề tài cũng như trong quá trình thực hiện đề tài. Trong quá trình thực hiện đồ án cũng đã xảy ra nhiều khó khăn, thiếu sót nhưng được sự hỗ trợ và góp ý của Thầy nên em đã hoàn thành tốt đồ án. Trong suốt thời gian được theo học tại trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu, Tp. Vũng Tàu, em đã nhận được nhiều sự quan tâm và giúp đỡ từ Thầy Cô và bạn bè. Cảm ơn Hiệu Trưởng, cùng các quý thầy cô trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu đã hỗ trợ tận tình về trang thiết bị, phần mềm, cơ sở vật chất tạo điều kiện hoàn thành đồ án. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy Cô, những người đã truyền lại cho em rất nhiều kinh nghiệm và kiến thức quý báu, những sự giúp đỡ ấy đã tiếp thêm động lực cho em vững bước trên con đường mình đã chọn. Và đặc biệt là Thầy, Cô khoa Điện - Điện tử đã truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cũng như tạo những điều kiện tốt nhất để nhóm em hoàn thành đề tài. Xin cảm ơn các bạn cùng khóa, cùng khoa đã động viên, khích lệ, ủng hộ về nhiều mặt góp phần làm nên thành công của đồ án này. Cảm ơn Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu! Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Trần Văn Phú 5 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, khoa học Công nghệ ngày càng đạt được những thành tựu to lớn, kéo theo đó là sự phát triển vượt bậc trong các ngành nghề có ứng dụng khoa học kỹ thuật thì việc ứng dụng khoa học Công nghệ vào mọi mặt đời sống là điều cấp thiết và cần được mở rộng Theo dõi, cập nhật thông tin sức khỏe là vấn đề được quan tâm bởi đại đa số người hiện nay. Nhưng thiết bị thu thập thông số sức khỏe thì chưa đủ toàn diện và được phổ biến. Với khí hậu, tình hình môi trường cũng như các vấn đề về thực phẩm, dịch bệnh trong thời gian gần thì đây là một đề tài mang tính thực tế. Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của ngành điện - điện tử, sau một thời gian học tập, em đã nghiên cứu thực hiện đề tài “Thiết kế thiết bị đo thông số sức khỏe tự động”. 6 MỤC LỤC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................. 2 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ........................................................ 3 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN............................................................ 4 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. 5 LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 6 DANH MỤC HÌNH........................................................................................................ 9 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ................................................................................... 10 1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 10 2. Mục tiêu đề tài .................................................................................................... 10 3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 10 4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu ............................ 10 5. Sản phẩm và khả năng ứng dụng: ...................................................................... 11 6. Bố cục ................................................................................................................. 11 CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 13 1. Giới thiệu phần cứng .......................................................................................... 13 1.1. Arduino MEGA 2560 ........................................................................... 13 1.2. Nguồn 5V-20A ..................................................................................... 14 1.3. Loadcell 50kg ....................................................................................... 15 1.4. Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 .................................... 17 1.5. HCSR04 ................................................................................................ 18 1.6. Pulse Sensor .......................................................................................... 19 1.7. Cảm Biến Nhiệt Hồng Ngoại Không Tiếp Xúc MLX90614 ................ 20 1.8. Led matrix RGB P10 16x32 ................................................................. 22 2. Phần mềm lập trình............................................................................................. 24 7 CHƯƠNG III. THIẾT KẾ THIẾT BỊ........................................................................ 27 1. Giới thiệu và yêu cầu của thiết bị ....................................................................... 27 2. Sơ đồ khối của thiết bị ........................................................................................ 27 3. Các thành phần của thiết bị ................................................................................ 28 3.1. Bộ phận đo chiều cao ............................................................................ 28 3.2. Bộ phận đo cân nặng............................................................................. 29 3.3. Bộ phận đo nhịp tim ............................................................................. 30 3.4. Bộ phận đo nhiệt độ .............................................................................. 31 3.5. Bộ phận hiển thị .................................................................................... 31 3.6. Bộ phận nguồn cung cấp....................................................................... 32 3.7. Lắp ráp thiết bị ...................................................................................... 32 CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................... 34 1. Kết luận .............................................................................................................. 34 2. Phương hướng phát triển .................................................................................... 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 35 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 36 1. Viết thư viện Data.h ........................................................................................... 36 2. Khởi tạo thư viện MatrixDisp.h ......................................................................... 44 3. Code điều khiển chính ........................................................................................ 56 4. Cài dặt các thư viện liên quan ............................................................................ 64 8 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Sơ đồ chân Arduino MEGA 2560 R3 ............................................................. 13 Hình 2. Nguồn tổ ong 5V 20A ..................................................................................... 14 Hình 3. Cảm biến Loadcell 50Kg ................................................................................. 15 Hình 4. Thiết kế của Loadcell 50kg ............................................................................. 16 Hình 5. Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 ............................................... 17 Hình 6. Cảm biến siêu âm HC-SR04............................................................................ 18 Hình 7. Cảm biến nhịp tim Pulse Sensor ...................................................................... 19 Hình 8. Cảm biến nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614 ................................. 20 Hình 9. Led matrix RGB P10 16x32 ............................................................................ 22 Hình 10. Các chân data của Led matrix ....................................................................... 22 Hình 11. Chiều đi của data trong Led matrix ............................................................... 23 Hình 12. Cài đặt Java Runtime Environment ............................................................... 24 Hình 13. Chọn phiên bản Arduino ............................................................................... 25 Hình 14. Giao diện khởi động của Arduino IDE .......................................................... 25 Hình 15. Sơ đồ khối của thiết bị ................................................................................... 27 Hình 16. Bộ phận đo chiều cao ................................................................................... 28 Hình 17. Bộ phận đo trọng lượng ................................................................................. 29 Hình 18. Sơ đồ kết nối các loadcell với HX711 ........................................................... 30 Hình 19. Bộ phận đo nhịp tim ...................................................................................... 30 Hình 20. Bộ phận đo nhiệt độ ....................................................................................... 31 Hình 21. Mặt trước thiết bị ........................................................................................... 31 Hình 22. Mặt sau thiết bị .............................................................................................. 32 Hình 23. Sơ đồ kết nối các bộ phận .............................................................................. 32 Hình 24. Thiết bị lắp ráp hoàn chỉnh ............................................................................ 33 9 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1. Đặt vấn đề Theo dõi, cập nhật thông tin sức khỏe là vấn đề được quan tâm bởi đại đa số người hiện nay. Nhưng thiết bị thu thập thông số sức khỏe thì chưa đủ toàn diện và được phổ biến. Với khí hậu, tình hình môi trường dang ngày càng trở nên xấu đi cũng như các vấn đề về an toàn vệ sinh thực phẩm, dịch bệnh trong thời gian gần mang tới những ảnh hưởng mạnh mẽ tới sức khỏe con người. Vì vậy cần có một thiết bị đơn giản có thể thu thập những thông số sức khỏe cơn bản là điều vô cùng cần thiết. Em đã nghiên cứu thực hiện đề tài “Thiết kế thiết bị đo thông số sức khỏe tự động” đây là đề tài nghiên cứu mang tính thực tế cao. 2. Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu kết nối thu thập thông tin dữ liệu sức khỏe từ các cảm biến. - Nghiên cứu bảng led điện tử và phương thức hiển thị thông tin. - Nghiên cứu dựa trên kiến thức sinh viên đã học . Vd có áp dụng các môn học như : Vi xử lí , ngôn ngữ lập trình ,điện tử, kỹ thuật số , linh kiện điện tử , cảm biến . Ngoài ra tự học thêm ở ngoài những kiến thức như : lập trình arduino MEGA 2560 , lập trình web , hàn nhúng , hàn tay , ... - Xây dựng thiết bị hoàn chỉnh để có hiển thị và thu thập thông số về sức khỏe. Thiết bị có thể lắp đặt ở phòng khám bệnh, nhà thuốc hoặc các nơi công cộng khác. 3. Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu công dụng của từng thiết bị điện, điện tử cụ thể là: Loadcell, MLX90614, HC-SR04, Dây nối và Arduino MEGA 2560. - Tìm hiểu phần mền để lập trình cho Arduino MEGA 2560 : ngôn ngữ auduino , Arduino IDE , lập trình web - Đưa ra các phương án nghiên cứu. - Kiểm tra, đánh giá tính ứng dụng của đề tài. 4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: + Về phần cứng: Loadcell, MLX90614, HC-SR04, Dây nối và Arduino MEGA 2560, Led matrix RGB. 10 + Về phần mền : ngôn ngữ C, Arduino IDE. - Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế mạch liên kết các cảm biến thu thập dữ liệu với Arduino. Hiển thị dữ liệu lên Led matrix. - Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu : Trong quá trình thực hiện, em đã nghiên cứu, tìm hiểu qua sách, báo, các tài liệu trên internet, nghiên cứu cơ sở lý thuyết về kỹ thuật thiết kế mạch . Ứng dụng những kiến thức đã học ở trường cộng thêm học ở mạng như : tập lập trình arduino MEGA 2560 , liên kết input/output , lập trình web , .... Từ cơ sở đó có thể xây dựng được mô hình này qua 3 bước chính . Thiết kế mạch điều khiển, tiến hành lắp ráp mạch, hoàn thiện mô hình. 5. Sản phẩm và khả năng ứng dụng: - Thiết bị kích thước khoảng 300 x 300 x 2000 mm. - Cập nhật, thu thập thông số về sức khỏe. - Ứng dụng lắp đặt ở trong phòng khám bệnh, nhà thuốc. Hiển thị và thu thập thông số về sức khỏe như: cân nặng, chiều cao, nhiệt độ cơ thể, nhịp tim. 6. Bố cục • Chương I: Tổng quan Trình bày, đặt vấn đề dẫn nhập lí do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. • Chương II: Cơ sở lý thuyết Trình bày các lý thuyết liên quan đến vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài. • Chương III: Thiết kế thiết bị Trình bày tổng quan các yêu cầu của để tài về thiết kế. Trình bày kết quả thi công phần cứng và kết quả hình ảnh trên màn hình hay mô phỏng tín hiệu, kết quả thống kê. 11 • Chương IV: Kết luận và phương hướng phát triển Trình bày kết quả đạt được so với mục tiêu đề ra ban đầu, nhận xét và đánh giá kết quả đạt được của đề tài nghiên cứu. Hướng phát triển của đề tài sau này trong quá trình nghiên cứu. • Tài liệu tham khảo • Phụ lục 12 CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Giới thiệu phần cứng 1.1. Arduino MEGA 2560 Hình 1. Sơ đồ chân Arduino MEGA 2560 R3 Mạch Arduino Mega 2560 Atmega là một board vi điều khiển dựa trên ATmega2560. Board này có 54 chân I/O (14 chân PWM ), 16 analog đầu hàng vào, 4 UARTs (phần cứng cổng tuần tự), sử dụng thạch anh 16 MHz, kết nối cổng USB, một Jack cắm điện, chân ICSP, và một nút reset. Board có tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển Thông số kỹ thuật: • Vi điều khiển chính: ATmega2560 • IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2. 13 • Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC (khuyên dùng 7-9VDC để đảm bảo mạch hoạt động tốt. Nếu bạn cắm 12V thì IC ổn áp rất dễ chết và gây hư hỏng mạch). • Số chân Digital: 54 (15 chân PWM) • Số chân Analog: 16 • Giao tiếp UART : 4 bộ UART • Giao tiếp SPI : 1 bộ ( chân 50 -> 53 ) dùng với thư viện SPI của Arduino • Giao tiếp I2C : 1 bộ • Ngắt ngoài : 6 chân • Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB sử dụng cho Bootloader • SRAM: 8 KB • EEPROM: 4 KB • Xung clock: 16 MHz 1.2. Nguồn 5V-20A Hình 2. Nguồn tổ ong 5V 20A Nguồn tổ ong 5V 20A là bộ nguồn được thiết kế để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Nguồn tổ ong 5V 20A có thiết kế gọn nhẹ, vỏ ngoài bằng kim loại 14 với những lỗ rổng giống như hình tổ ong nhằm mục đích nâng cao khả năng tản nhiệt, cũng vì có thiết kế bề ngoài độc đáo này mà người ta thường gọi nó là Nguồn tổ ong. Thông số kỹ thuật: • Điện áp đầu vào: 110 – 220 VAC chỉnh bằng công tắc gạt • Công suất: 100W • Dòng đầu ra tối đa: 20A • Nhiệt độ làm việc: -10 ~ 60 độ C • Kích thước: 198 x 48 x 42mm 1.3. Loadcell 50kg Hình 3. Cảm biến Loadcell 50Kg Cảm biến Loadcell 50Kg sử dụng để đo khối lượng của vật thể tối đa 50Kg, cảm biến bằng kim loại với thiết kế rất dễ lắp đặt, phù hợp với các ứng dụng cân điện tử, cảm biến khối lượng,..., lưu ý để sử dụng với Vi điều khiển cần gắn thêm Mạch chuyển đổi ADC HX711 chuyên dụng dành cho Loadcell. Thông số kỹ thuật: • Tải trọng: 50 kg • Dộ nhạy 1 ±1.5% mv/V • Độ lệch tuyến tính 0.05%F.S • Zero Output -0.3 mv/V • Creep( 1 min) 0.1%F.S • Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điểm 0: 0.3%F.S/10 • Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đầu ra: 0.1%F.S/10 15 • Điện trở: 1000 ± 10 Ω • Trở kháng cách ly: >= 2000 M • Điện áp hoạt động: 5~8V • Nhiệt độ hoạt động: -20~65 0C • Cáp: φ0.8×460 mm Hình 4. Thiết kế của Loadcell 50kg 16 1.4. Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 Hình 5. Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711: module chuyển đổi analog sang digital 24-bit. HX711 được thiết kế để chuyển đối tín hiệu và ứng dụng điều khiển công nghiệp để giao tiếp trực tiếp với một cảm biến cầu. Mạch chuyển đổi ADC HX711 không chỉ có một vài chức năng cơ bản, cũng có tích hợp cao, phản ứng nhanh, khả năng chống nhiễu, và độ tin cậy cao. Đây là mạch đọc giá trị cảm biến loadcell với độ phân giải 24bit và chuyển sang giao tiếp 2 dây ( clock và data ) để gửi dữ liệu cho vi điều khiển / arduino. Thông số kỹ thuật: • Điện áp hoạt động : 2.7 – 5V • Dòng tiêu thụ : < 1.5 mA • Tốc độ lấy mẫu : 10 – 80 SPS ( tùy chỉnh ) • Độ phân giải : 24 bit ADC • Độ phân giải điện áp : 40mV • Kích thước : 38 x 21 x 10 mm 17 1.5. HCSR04 Hình 6. Cảm biến siêu âm HC-SR04 Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Ultrasonic Sensor) được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì RẺ và CHÍNH XÁC. Cảm biến HC-SR04 sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300cm, với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình. Cảm biến siêu âm HC-SR04 sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm. Cảm biến gồm 2 module.1 module phát ra sóng siêu âm và 1 module thu sóng siêu âm phản xạ về. Đầu tiên cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm với tần số 40khz. Nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng. Bằng cách đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật với công thức: Khoảng cách = (thời gian * vận tốc âm thanh (340 m/s) / 2 Thông số kỹ thuật: • Điện áp: 5V DC • Dòng hoạt động: < 2mA • Mức cao: 5V 18 • Mức thấp: 0V • Góc tối đa: 15 độ • Khoảng cách: 2cm – 450cm (4.5m) • Độ chính xác: 3mm 1.6. Pulse Sensor Hình 7. Cảm biến nhịp tim Pulse Sensor Cảm biến nhịp tim Pulse Sensor sử dụng nguyên lý đo nhịp tim bằng ánh sáng với kích thước nhỏ gọn và giao tiếp Analog rất dễ sử dụng, cảm biến nhịp tim phù hợp cho các ứng dụng điện tử y sinh. Thông số kỹ thuật: • Nguồn: 3~5VDC • Dòng tiêu thụ: < 4mA • Ngõ ra: Analog. • Độ dài dây: 61cm ( 24 inch). • Đường kính cảm biến: 1.6 cm ( 0.625 inch). 19 1.7. Cảm biến nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614 Hình 8. Cảm biến nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614 Cảm biến nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614 là loại cảm biến đo nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc dùng chip MXL90614 sử dụng giao tiếp I2C có thể dễ dàng kết nối với bất cứ vi điều khiển nào. Tính năng và lợi ích: • Kích thước nhỏ, chi phí thấp • 10k Kéo điện trở lên cho giao diện I2C với các jumper hàn tùy chọn • Dễ tích hợp • Nhiệt độ hoạt động : • -40 … + 125 ° C cho nhiệt độ cảm biến và • -70 … + 380 ° C đối với nhiệt độ đối tượng. • Độ chính xác cao 0.5 ° C trên nhiệt độ rộng (0 … + 50 ° C ) • Độ phân giải đo lường là 0,02 ° C • Tùy chỉnh đầu ra PWM để liên tục • Chế độ ngủ để giảm tiêu thụ điện năng • Các tùy chọn gói khác nhau cho các ứng dụng và tính linh hoạt của tính linh hoạt 20