Hướng Dẫn Chi Tiết Thiết Kế Và Thi Công Cân Điện Tử Cho Đồ Án Tốt Nghiệp

Đồ án tốt nghiệp thiết kế và thi công cân điện tử hướng dẫn chi tiết quy trình từ lý thuyết đến thực hành, ứng dụng công nghệ hiện đại trong đo lường chính xác.

• Tác giả: Trần Minh Đức
• Người hướng dẫn: ThS. Phan Vân Hoàn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Cân Điện Tử
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. TỔNG QUAN CÂN SỨC KHỎE VÀ ĐO CHIỀU CAO BMI
• 2.1.1. Chỉ số BMI là gì?
• 2.1.2. BMI với sức khỏe con người
• 2.2. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 2.2.1. Tổng quan về ARM
• 2.2.2. Giới thiệu về ARM-Cortex-M3 STM32F1
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. Thiết kế sơ đồ khối
• 3.2. Tính toán và thiết kế mạch
• 3.2.1. Khối xử lý trung tâm
• 3.2.2. Khối hiển thị
• 3.2.3. Khối điều khiển
• 3.2.4. Khối cảm biến
• 3.2.5. Khối âm thanh
• 3.3. Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống
• 3.4. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 3.4.1. Thi công board mạch
• 3.4.2. Lắp ráp, hàn linh kiện và kiểm tra
• 3.4.3. Thi công mô hình
• 3.5. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 3.5.1. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển
• 3.6. TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
• 3.6.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng
• 3.6.2. Quy trình thao tác
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế cân điện tử

Phần này tập trung vào thiết kế cân điện tử, bao gồm các bước nghiên cứu và lựa chọn linh kiện phù hợp. Sinh viên đã sử dụng vi điều khiển STM32F103RBT6 để điều khiển hệ thống, kết hợp với màn hình cảm ứng TFT LCD và module HX711 để xử lý tín hiệu từ loadcell. Quá trình thiết kế bao gồm việc lập trình vi điều khiển và thiết kế giao diện người dùng. Nguyên lý cân điện tử được áp dụng để đảm bảo độ chính xác trong đo lường.

1.1. Lựa chọn linh kiện

Sinh viên đã nghiên cứu và lựa chọn các linh kiện như loadcell, module HX711, và động cơ bước để thiết kế hệ thống. Loadcell được sử dụng để đo trọng lượng, trong khi module HX711 chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số. Động cơ bước được điều khiển thông qua module L298N để đo chiều cao. Các linh kiện này được kết nối với vi điều khiển STM32F103RBT6 để tạo thành hệ thống hoàn chỉnh.

1.2. Thiết kế mạch điện tử

Quá trình thiết kế mạch điện tử bao gồm việc kết nối các module với vi điều khiển STM32F103RBT6. Sơ đồ khối hệ thống được thiết kế để đảm bảo tính đồng bộ và hiệu quả. Mạch điện tử cân được tính toán để đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình đo lường. Các yếu tố như nhiễu tín hiệu và độ chính xác của loadcell cũng được xem xét kỹ lưỡng.

II. Thi công cân điện tử

Phần này mô tả quá trình thi công cân điện tử, bao gồm lắp ráp và kiểm tra hệ thống. Sinh viên đã lắp ráp các linh kiện như loadcell, module HX711, và động cơ bước vào mô hình. Hệ thống được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo hoạt động chính xác. Lắp đặt cân điện tử được thực hiện theo các bước chi tiết, từ việc hàn linh kiện đến kiểm tra tín hiệu đầu ra.

2.1. Lắp ráp hệ thống

Quá trình lắp ráp hệ thống bao gồm việc hàn các linh kiện lên board mạch và kết nối chúng với vi điều khiển STM32F103RBT6. Loadcell được lắp đặt để đo trọng lượng, trong khi động cơ bước được sử dụng để đo chiều cao. Các module như HX711 và L298N được kết nối để xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ. Hệ thống được kiểm tra từng bước để đảm bảo tính chính xác.

2.2. Kiểm tra và hiệu chỉnh

Sau khi lắp ráp, hệ thống được kiểm tra cân điện tử để đảm bảo hoạt động chính xác. Các thông số như trọng lượng và chiều cao được đo và so sánh với giá trị thực tế. Phần mềm cân điện tử được hiệu chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất. Các lỗi phát sinh trong quá trình kiểm tra được ghi nhận và khắc phục kịp thời.

III. Ứng dụng và đánh giá

Phần này đánh giá hiệu quả và ứng dụng cân điện tử trong thực tế. Hệ thống được thiết kế để đo trọng lượng và chiều cao với độ chính xác cao. Cân điện tử công nghiệp có thể được áp dụng trong các lĩnh vực như y tế, sản xuất và đời sống hàng ngày. Sinh viên đã thử nghiệm hệ thống và đưa ra các nhận xét về ưu điểm và hạn chế của mô hình.

3.1. Thử nghiệm thực tế

Hệ thống được thử nghiệm trong các điều kiện thực tế để đánh giá độ chính xác và ổn định. Cảm biến cân điện tử và module HX711 được kiểm tra để đảm bảo tín hiệu đầu ra chính xác. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống có thể đo trọng lượng lên đến 200 kg và chiều cao lên đến 2 m với độ chính xác cao.

3.2. Đánh giá kết quả

Sau quá trình thử nghiệm, sinh viên đã đưa ra các nhận xét về hiệu suất của hệ thống. Cân điện tử kỹ thuật số có độ chính xác cao và dễ sử dụng. Tuy nhiên, hệ thống cần được cải tiến để giảm thiểu sai số trong quá trình đo. Các đề xuất cải tiến bao gồm tối ưu hóa phần mềm và nâng cấp phần cứng để tăng độ chính xác.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong đời sống hiện đại, việc theo dõi và cân bằng thể trạng cơ thể đóng vai trò quan trọng trong việc chăm sóc sức khỏe, kiểm soát vóc dáng và phòng ngừa các bệnh lý nguy hiểm. Phương pháp cân đo chiều cao và trọng lượng truyền thống bằng các thiết bị cơ học hoặc thủ công thường tiêu tốn thời gian thao tác, đòi hỏi sự can thiệp trực tiếp của nhân viên y tế và dễ phát sinh sai số trong quá trình đọc kết quả. Đồng thời, sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý, công nghệ vi mạch số và kỹ thuật điều khiển tự động đã mở ra khả năng hiện đại hóa các thiết bị y tế và chăm sóc sức khỏe cá nhân thông qua việc tự động hóa quá trình thu thập, xử lý và thông báo dữ liệu.

Đề tài "Thiết kế và thi công cân điện tử" được thực hiện bởi sinh viên Trần Minh Đức dưới sự hướng dẫn của ThS. Phan Vân Hoàn tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (thực hiện từ ngày 10/09/2018 đến ngày 05/01/2019). Mục tiêu trọng tâm của đồ án là chế tạo hoàn chỉnh một mô hình cân điện tử đa chức năng: đo cân nặng bằng cảm biến lực, đo chiều cao tự động bằng cơ cấu động cơ bước, tính toán chỉ số khối cơ thể (BMI), hiển thị trực quan thông số trên màn hình cảm ứng TFT-LCD và phát giọng nói thông báo kết quả kèm lời khuyên sức khỏe thông qua bộ giải mã âm thanh chuyên dụng.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được phân định qua 5 nội dung thực hiện:

1. Nghiên cứu tài liệu kỹ thuật về vi điều khiển ARM (KIT STM32F103RBT6), module giải mã âm thanh VS1003, cảm biến trọng lượng loadcell, động cơ bước và mạch cầu điều khiển L298N.
2. Lựa chọn giải pháp kỹ thuật, tính toán thiết kế phần cứng và thi công mô hình kết nối các khối module ngoại vi với khối xử lý trung tâm.
3. Xây dựng lưu đồ giải thuật, viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển trên phần mềm Keil uVision5 và thiết kế giao diện đồ họa hiển thị trên màn hình TFT-LCD.
4. Thử nghiệm thực tế, hiệu chỉnh phần cứng và phần mềm nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống, đánh giá sai số giữa thông số đo được và thực tế.
5. Tổng kết dữ liệu thực nghiệm và hoàn thành báo cáo đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống đo lường thể trạng cơ thể người (cân nặng và chiều cao). Phạm vi hoạt động của thiết bị được giới hạn cụ thể: tải trọng đo tối đa đạt 200 kg, phạm vi đo chiều cao tối đa đạt 2 m; thiết bị đòi hỏi vị trí đặt trên bề mặt bằng phẳng để triệt tiêu sai lệch cơ học và người đo phải đứng đúng vị trí công tắc hành trình định vị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết về y sinh học thể trạng, lý thuyết cảm biến đo lường, vi xử lý và kỹ thuật truyền thông số:

1. Chỉ số khối cơ thể (BMI): Chỉ số BMI (Body Mass Index) do nhà bác học Adolphe Quetelet đề xuất năm 1832, được tính toán dựa trên tỷ lệ giữa cân nặng và bình phương chiều cao:

$$\text{BMI} = \frac{\text{Cân nặng (kg)}}{[\text{Chiều cao (m)}]^2}$$

Văn bản sử dụng hai thang đo chuẩn để đối chiếu và đánh giá thể trạng gồm thang phân loại của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và thang đo dành cho người khu vực châu Á (IDI & WPRO):

Phân loại thể trạng	Chỉ số BMI theo WHO ($\text{kg/m}^2$)	Chỉ số BMI theo IDI & WPRO ($\text{kg/m}^2$)
Cân nặng thấp (Gầy)	< 18,5	< 18,5
Bình thường	18,5 – 24,9	18,5 – 22,9
Thừa cân	25	23
Tiền béo phì	25 – 29,9	23 – 24,9
Béo phì loại I	30 – 34,9	25 – 29,9
Béo phì loại II	35 – 39,9	30
Béo phì loại III	40	40

Tác giả phân tích các hệ quả y khoa liên quan: người thiếu cân có nguy cơ hạ huyết áp, loãng xương, suy giảm miễn dịch và teo cơ; trong khi người thừa cân, béo phì đối mặt với nguy cơ bệnh mạch vành, rối loạn lipid máu, đột quỵ não, đái tháo đường, tăng huyết áp, ngưng thở khi ngủ và các biến chứng tiêu hóa, sinh sản.

2. Cấu trúc vi điều khiển ARM Cortex-M3: Nghiên cứu kiến trúc vi xử lý 32-bit RISC của dòng vi điều khiển STM32F1 do STMicroelectronics phát triển, sử dụng tập lệnh Thumb-2, các đường bus kết nối AHB, APB1, APB2, cấu trúc không gian bộ nhớ SRAM (địa chỉ nền 0x20000000), Flash (0x08000000 đến 0x0807FFFF) và cấu hình 3 chế độ nạp/khởi động qua các chân BOOT0, BOOT1.

3. Cảm biến lực và mạch biến đổi ADC: Nguyên lý cảm biến trọng lượng Loadcell dựa trên biến dạng cơ học của thanh kim loại chịu tải (Load) làm thay đổi điện trở của các lá điện trở đo biến dạng (Strain gauge) dán trên bề mặt, từ đó làm mất cân bằng mạch cầu Wheatstone và phát ra tín hiệu điện áp vi sai nhỏ trong khoảng 1–3 mV. Tín hiệu này được đưa qua module biến đổi tương tự - số (ADC) chuyên dụng HX711 với độ phân giải 24-bit, tích hợp bộ khuếch đại điện áp lập trình được (PGA) với các mức hệ số khuếch đại 32, 64, 128 và truyền thông qua giao thức 2 dây (SCK, DT).

4. Động cơ bước và mạch công suất cầu H L298N: Nghiên cứu nguyên lý biến đổi chuỗi xung điện thành chuyển động góc rời rạc của các loại động cơ bước (biến từ trở, đơn cực, hai cực, nhiều pha). Hệ thống sử dụng động cơ bước kết hợp module công suất L298N chứa hai mạch cầu H độc lập chịu dòng tải định mức 2A để điều khiển đảo chiều quay và vị trí dịch chuyển của cơ cấu trượt đo chiều cao.

5. Giải mã âm thanh và truyền thông SPI: Module âm thanh VS1003 của hãng VLSI Solution hỗ trợ giải mã phần cứng các định dạng tập tin âm thanh MP3, WMA, WAV, MIDI. Giao thức truyền nhận dữ liệu và lệnh điều khiển giữa vi điều khiển (Master) và module VS1003/thẻ nhớ SD (Slave) tuân theo chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ 4 dây SPI (Serial Peripheral Interface) ở chế độ truyền song công (Full-duplex, truyền bit MSB trước) qua các đường tín hiệu SCK, MISO, MOSI và SS/CS.

Phương pháp nghiên cứu thực tế là sự kết hợp giữa thiết kế kỹ thuật phần cứng (schematic, PCB, gia công khung cơ khí), lập trình nhúng phần mềm điều khiển trên Keil uVision5 và phương pháp thực nghiệm đo kiểm đối chứng các thông số vật lý trên mô hình thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống cân điện tử hoàn chỉnh được tổ chức thành 6 khối chức năng chính:

(3 Nút nhấn)              (STM32F103RBT6)              (4 Loadcell + HX711)
                 [Khối Hiển Thị]   [Khối Động Cơ Đo Chiều Cao]
                 (TFT-LCD 2.8")    (L298N + Động cơ bước + Công tắc hành trình)
                  [Khối Âm Thanh]
                  (VS1003 + Loa VSP-CK4 + Thẻ nhớ SD)

Chi tiết triển khai kỹ thuật của từng khối:

1. Khối xử lý trung tâm: Sử dụng KIT vi điều khiển STM32F103RBT6 (lõi ARM Cortex-M3, tần số xung nhịp tối đa 72 MHz, 128 Kbytes Flash, 20 Kbytes SRAM, hỗ trợ giao diện lập trình, cổng cắm thẻ SD và các header GPIO).
2. Khối hiển thị: Màn hình cảm ứng TFT-LCD 2.8 inch (độ phân giải 280 x 320 RGB, 262K màu, chuẩn màu 16-bit RGB565, IC điều khiển hiển thị ILI9325, IC cảm ứng điện trở XPT2046, kích thước module 76 x 54 x 14 mm).
3. Khối cảm biến cân nặng: Tổ hợp 4 cảm biến lực loadcell 50 kg gắn tại 4 góc chân đế của bàn cân để nâng dải đo chịu tải lên tối đa 200 kg. Bốn đầu dây tín hiệu của các loadcell được đấu nối vào module HX711 tại các ngõ vào vi sai analog (INA+, INA-) và nguồn kích thích (E+, E-). Module HX711 thực hiện lấy mẫu với độ phân giải lý thuyết $\frac{50,\text{mV}}{2^{24}} \approx 0{,}003,\mu\text{V}$, truyền dữ liệu số về vi điều khiển qua hai chân GPIO: chân dữ liệu DT nối PC14 và xung nhịp SCK nối PC15.
4. Khối đo chiều cao: Sử dụng động cơ bước 2 pha 6 dây (dòng làm việc 1–1,5A, điện áp định mức 4–5,5V) dẫn động dây curoa kéo bộ trượt chuyển động tịnh tiến từ đỉnh khung xuống dưới. Động cơ được kéo qua module driver L298N. Các tín hiệu điều khiển chiều quay và cấp xung IN1, IN2, IN3, IN4 của L298N lần lượt nối vào PA8, PA9, PA10, PA11 của STM32F103; hai chân cho phép ENA1, ENA2 nối vào PA1, PA2. Một module công tắc hành trình (điện áp 3,3V–12V) được bố trí tại thanh trượt; khi thanh trượt chạm đỉnh đầu người đo, công tắc kích hoạt ngõ ra mức logic gửi về chân PA4 của STM32, kích hoạt quá trình dừng và đảo chiều động cơ quay ngược về vị trí gốc.
5. Khối điều khiển nút nhấn: Bố trí 3 nút bấm kích thước 12x12x12 mm với điện trở kéo lên 2,2 k$\Omega$ chống ngắn mạch: nút "NGHE NHẠC" nối chân PA0 (kích hoạt phát nhạc MP3 giải trí), nút "ĐO" nối chân PA1 (bắt đầu chu trình đo cân nặng và chiều cao), nút "BACK" nối chân PA2 (thoát chế độ hiện tại).
6. Khối âm thanh: Module giải mã VS1003 kết nối thẻ nhớ SD Card và phát âm thanh ra loa xí ngầu VSP-CK4 qua jack cắm audio 3,5 mm. Sơ đồ đấu nối chân giữa VS1003 và KIT STM32F103RBT6 được thiết lập như sau:

Tên chân module VS1003	Chân kết nối trên KIT STM32F103RBT6	Chức năng kỹ thuật
VCC	5V	Nguồn cấp dương 5VDC
GND	GND	Nối đất hệ thống
XRST	NRST	Tín hiệu Reset phần cứng module
SCLK	SPI1_SCK	Xung clock đồng bộ giao tiếp SPI1
MISO	SPI1_MISO	Dữ liệu từ Slave (VS1003) về Master (STM32)
MOSI	SPI1_MOSI	Lệnh/dữ liệu từ Master truyền sang Slave
DREQ	PA3	Tín hiệu yêu cầu dữ liệu (Data Request)
XCS	PC12	Chân chọn chip điều khiển lệnh (Chip Select Control)
XDCS	PC13	Chân chọn chip dữ liệu âm thanh (Data Chip Select)

Quy trình phần mềm được xây dựng trên Keil uVision5 bao gồm: lưu đồ chương trình chính khởi tạo các ngoại vi SPI, LCD, GPIO, ngắt; lưu đồ đọc trọng lượng từ HX711; lưu đồ đếm bước động cơ để tính chiều cao; lưu đồ giải mã và phát file âm thanh giọng nói tương ứng với kết quả và chỉ số BMI từ thẻ nhớ SD.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu lý do lựa chọn đề tài, đặt vấn đề về sự cần thiết của hệ thống tự động hóa đo lường thể trạng trong chăm sóc sức khỏe. Tác giả xác định mục tiêu chế tạo hệ thống cân điện tử đo cân nặng, chiều cao, tính chỉ số BMI, phát âm thanh và hiển thị trên màn hình TFT-LCD. Chương này cũng phân chia 5 nội dung nghiên cứu kỹ thuật, vạch rõ các giới hạn thông số kỹ thuật (tải trọng tối đa 200 kg, chiều cao tối đa 2 m, yêu cầu mặt sàn phẳng và định vị chuẩn công tắc hành trình) và phác thảo cấu trúc 6 chương của toàn văn đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày toàn diện các cơ sở khoa học và kỹ thuật phục vụ việc thiết kế hệ thống. Về y học, chương làm rõ định nghĩa chỉ số BMI, công thức tính toán và bảng phân loại mức độ thể trạng theo WHO và IDI & WPRO cùng các rủi ro bệnh lý liên quan đến thừa cân và thiếu cân. Về phần cứng, chương cung cấp kiến trúc vi xử lý ARM Cortex-M3 (họ STM32F1, sơ đồ bus, bản đồ bộ nhớ, các chế độ BOOT), nguyên lý hoạt động của cảm biến Loadcell và mạch cầu điện trở Wheatstone, cấu tạo và chế độ hoạt động của chip ADC 24-bit HX711 (bảng chức năng chân, thời gian trễ $T_1$–$T_4$), phân loại các dòng động cơ bước (biến từ trở, đơn cực, 2 cực, nhiều pha) kèm bảng trạng thái kích xung, sơ đồ chân và cấu trúc cầu H của IC công suất L298N, thông số kỹ thuật và sơ đồ chân của chip giải mã âm thanh VS1003, cùng nguyên lý truyền thông nối tiếp đồng bộ 4 dây của chuẩn SPI.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung phân tích lựa chọn linh kiện và thiết kế sơ đồ nguyên lý chi tiết cho từng khối chức năng. Tác giả thuyết minh sơ đồ khối hệ thống gồm 6 khối; đưa ra các tính toán lựa chọn KIT STM32F103RBT6 (tần số 72 MHz, 128KB Flash), màn hình TFT-LCD 2.8 inch (IC ILI9325, XPT2046), giải pháp ghép 4 cảm biến loadcell 50 kg tạo dải đo 200 kg kết nối module HX711 với độ phân giải lý thuyết 0,003 mV, động cơ bước 6 dây 2 pha điều khiển qua driver L298N kết hợp công tắc hành trình PA4, 3 nút bấm cơ khí điều khiển nối PA0, PA1, PA2 qua điện trở kéo lên 2,2 k$\Omega$, và module âm thanh VS1003 giao tiếp qua bus SPI1. Chương kết thúc bằng bản vẽ sơ đồ nguyên lý tích hợp toàn hệ thống.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo thực tế phần cứng và xây dựng phần mềm. Phần cứng bao gồm thiết kế sơ đồ mạch in (PCB), bố trí linh kiện, thi công mạch xử lý trung tâm, mạch điều khiển, gia công khung cơ khí dưới (chân đế bàn cân chịu lực chứa 4 loadcell), khung cơ khí trên (trục dẫn hướng đo chiều cao), bộ trượt mang công tắc hành trình và hộp chứa động cơ bước. Phần mềm bao gồm xây dựng các lưu đồ giải thuật (chương trình chính, chương trình cân nặng, chương trình đếm bước đo chiều cao, lưu đồ đọc/phát âm thanh MP3, lưu đồ phân tích BMI) trên môi trường Keil uVision5, thiết kế giao diện đồ họa trên màn hình LCD (màn hình chính, màn hình nghe nhạc, màn hình hiển thị kết quả đo) và biên soạn tài liệu hướng dẫn quy trình thao tác cho người sử dụng.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố các sản phẩm thực tế đã hoàn thành: mô hình phần cứng hoàn chỉnh của cân điện tử, board mạch vi điều khiển trung tâm, cơ cấu cơ khí đo chiều cao và giao diện hiển thị hình ảnh trên màn hình TFT-LCD. Chương trình bày dữ liệu đo thử nghiệm thực tế đối chứng với người dùng trong các trạng thái: căn chỉnh trước khi đo, đứng trên bàn cân khi đo, cơ cấu trượt chạm đầu và màn hình hiển thị kết quả cuối cùng kèm lời khuyên phát ra loa. Trên cơ sở đó, tác giả đưa ra các đánh giá, nhận xét cụ thể về độ chính xác và tính ổn định của hệ thống.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu đề ra ban đầu; khẳng định việc thiết kế và chế tạo thành công mô hình cân đo điện tử tích hợp đầy đủ các chức năng đo lường, tính toán thể trạng và tương tác âm thanh. Đồng thời, chương chỉ rõ các định hướng nghiên cứu và cải tiến kỹ thuật tiếp theo nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau quá trình thi công và thử nghiệm:

• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Hoàn thiện kết cấu cơ khí gồm khung đế chịu tải tích hợp 4 cảm biến loadcell 50 kg (cho phép đo trọng lượng cơ thể người lên đến 200 kg) và khung trượt thẳng đứng điều khiển bằng động cơ bước dẫn động dây curoa (đo chiều cao tối đa 2 m).
• Mạch điện tử và tích hợp hệ thống: Chế tạo thành công mạch vi điều khiển trung tâm STM32F103RBT6 kết nối đồng bộ với màn hình màu cảm ứng TFT-LCD 2.8 inch (ILI9325), module chuyển đổi ADC 24-bit HX711, module công suất L298N, module công tắc hành trình và module giải mã âm thanh VS1003 nối thẻ nhớ SD.
• Tính năng điều khiển và giao diện: Thiết lập 2 chế độ vận hành linh hoạt qua các phím bấm chức năng: chế độ đo thể trạng tự động (đo chiều cao, cân nặng, tính chỉ số BMI, hiển thị giao diện kết quả) và chế độ phát nhạc giải trí MP3 từ thẻ nhớ khi ở trạng thái rảnh.
• Tương tác giọng nói: Hệ thống phát ra âm thanh thông báo chính xác giá trị chiều cao, cân nặng, phân loại thể trạng (gầy, bình thường, thừa cân, béo phì) theo chuẩn y tế và đưa ra lời khuyên dinh dưỡng/luyện tập phù hợp cho người đo.

Đóng góp của đề tài là ứng dụng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 vào một thiết bị y sinh học thực tế, tích hợp xử lý tín hiệu analog từ cảm biến lực với cơ cấu điều khiển chuyển động số chính xác của động cơ bước, đồng thời kết hợp giao tiếp đa phương tiện (màn hình màu TFT-LCD và âm thanh MP3) trên cùng một hệ thống nhúng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các thông số và nội dung được tác giả trình bày trong văn bản, hệ thống còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

• Kích thước công tắc hành trình định vị điểm chạm đầu còn nhỏ, yêu cầu người đo phải đứng đúng vị trí tâm tiếp xúc để hệ thống kích hoạt đảo chiều động cơ chính xác.
• Kết quả đo chiều cao và cân nặng có thể xuất hiện độ lệch nhỏ giữa các lần đo nếu người dùng thay đổi tư thế đứng hoặc mặt sàn đặt cân không đảm bảo độ phẳng tuyệt đối.
• Giới hạn vật lý của cơ cấu cơ khí và cảm biến được chốt ở mức tải trọng 200 kg và chiều cao 2 m.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Cải tiến cơ cấu cơ khí của thanh trượt đo chiều cao nhằm tăng độ mượt mà và giảm rung lắc khi động cơ vận hành.
• Tối ưu hóa kích thước và vị trí của cảm biến định vị điểm chạm đầu, nâng cao độ nhạy tiếp xúc.
• Nâng cấp thuật toán lọc nhiễu tín hiệu ADC từ HX711 để tăng cường hơn nữa độ ổn định của kết quả đo trọng lượng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử, Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Y sinh, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về hệ thống nhúng.
• Các kỹ sư và người nghiên cứu cần tài liệu hướng dẫn chi tiết về việc kết nối và lập trình giao tiếp vi điều khiển họ STM32F1 với các module ngoại vi thực tế:
  • Giao tiếp cảm biến lực qua module ADC 24-bit HX711.
  • Điều khiển động cơ bước 2 pha đảo chiều qua driver L298N.
  • Giao tiếp bus SPI tốc độ cao với module giải mã âm thanh VS1003 và thẻ nhớ SD.
  • Điều khiển hiển thị và cảm ứng trên màn hình màu TFT-LCD chuẩn ILI9325.
  • Ứng dụng công thức tính toán chỉ số BMI và phân loại y tế trong thiết bị chăm sóc sức khỏe.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng vi điều khiển trung tâm nào và thông số kỹ thuật cơ bản ra sao? Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32F103RBT6 thuộc dòng ARM Cortex-M3 32-bit của hãng STMicroelectronics, xung nhịp hoạt động tối đa 72 MHz, dung lượng bộ nhớ Flash 128 Kbytes, bộ nhớ RAM 20 Kbytes, hoạt động với nguồn cấp 5VDC và hỗ trợ các cổng giao tiếp ngoại vi như SPI, I2C, USART, ADC.

2. Khối đo cân nặng được thiết kế như thế nào để đạt dải đo 200 kg? Tác giả ghép nối 4 cảm biến tải trọng Loadcell loại 50 kg thành một hệ mạch cầu điện trở Wheatstone đặt tại 4 góc của bàn cân. Tín hiệu điện áp vi sai ngõ ra (khoảng 1–3 mV) được đưa vào module biến đổi ADC 24-bit chuyên dụng HX711 để khuếch đại (PGA) và chuyển đổi sang dữ liệu số trước khi truyền về hai chân PC14, PC15 của vi điều khiển STM32.

3. Cơ chế đo chiều cao và nhận biết điểm dừng chạm đầu hoạt động như thế nào? Chiều cao được xác định bằng cách đếm số bước quay của động cơ bước 2 pha 6 dây khi kéo bộ trượt tịnh tiến theo trục đứng thông qua dây curoa (điều khiển bởi driver L298N nối các chân PA8–PA11 của STM32). Khi thanh trượt chạm vào đỉnh đầu của người đứng đo, một module công tắc hành trình được tác động, gửi tín hiệu mức logic về chân PA4 của STM32 để dừng hành trình trượt xuống, tính toán khoảng cách và đảo chiều động cơ quay ngược về vị trí ban đầu.

4. Module âm thanh VS1003 đóng vai trò gì và kết nối với STM32 qua chuẩn giao tiếp nào? Module VS1003 đóng vai trò giải mã các tập tin âm thanh định dạng MP3 lưu trong thẻ nhớ SD để phát giọng nói thông báo số đo cân nặng, chiều cao, chỉ số BMI và phát nhạc giải trí ra loa ngoài VSP-CK4. Module giao tiếp với STM32 theo chuẩn SPI1 (sử dụng các chân SPI1_SCK, SPI1_MISO, SPI1_MOSI) kết hợp các chân điều khiển DREQ (PA3), XCS (PC12), XDCS (PC13) và XRST (NRST).

5. Chỉ số thể trạng được phân loại dựa trên những tiêu chuẩn nào? Chỉ số khối cơ thể BMI được tính tự động theo công thức $\text{BMI} = \frac{\text{Cân nặng (kg)}}{[\text{Chiều cao (m)}]^2}$ và đối chiếu với hai bảng tiêu chuẩn y tế: bảng tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và bảng tiêu chuẩn dành cho người châu Á (IDI & WPRO) để phân định các mức: cân nặng thấp (gầy, < 18,5), bình thường (18,5–22,9 theo IDI & WPRO), thừa cân ($\ge 23$), tiền béo phì (23–24,9), béo phì độ I (25–29,9), béo phì độ II ($\ge 30$) và béo phì độ III ($\ge 40$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công cân điện tử" của tác giả Trần Minh Đức đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu và yêu cầu kỹ thuật đề ra ban đầu. Tác giả đã thiết kế, chế tạo và tích hợp thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh kết hợp vi điều khiển STM32F103RBT6 với các khối cảm biến lực Loadcell/HX711, động cơ bước đo chiều cao, màn hình màu cảm ứng TFT-LCD 2.8 inch và module giải mã âm thanh VS1003. Thiết bị vận hành ổn định trong phạm vi tải trọng tối đa 200 kg và chiều cao 2 m, tự động tính toán chỉ số BMI theo chuẩn y tế, hiển thị trực quan và phát giọng nói đưa ra lời khuyên thể trạng cho người sử dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương này có thể gồm kết quả thi công phần cứng và những kết quả hình ảnh trên màn hình hay mô phỏng tín hiệu, kết quả thống kê.  Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá. Chương này đưa ra nhận xét và đánh giá sản phẩm mô hình đã hoàn thành.

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Chương này trình bày ngắn gọn những kết quả đã thu được dựa vào những phương pháp, thuật toán đã kiến nghị ban đầu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.1 TỔNG QUAN CÂN SỨC KHỎE VÀ ĐO CHIỀU CAO BMI.1 Chỉ số BMI là gì? Với cuộc sống ngày càng hiện đại và phát triển, để duy trì một sức khỏe tốt giúp chúng ta học tập và làm việc một cách hiệu quả thì việc cân bằng thể trạng cơ thể là điều cần được quan tâm.

Nhờ đó giúp con người giữ được một vóc dáng cân đối qua đó có thể phòng tránh được một số bệnh tật. Vì vậy, mỗi người cần phải rèn luyện cơ thể và duy trì chế độ dinh dưỡng một cách hợp lý.1: Biểu đồ quan hệ giữa chiều cao và cân nặng con người. Chỉ số khối cơ thể thường được biết đến với chữ viết tắt BMI theo tên tiếng Anh Body Mass Index - được dùng để đánh giá mức độ gầy hay béo của một người. Chỉ số này do nhà bác học người Bỉ là Adolphe Quetelet đưa ra năm 1832.

Thông thường, người ta dựa vào chỉ số này để xác định tình trạng cơ thể của một người nào đó ở mức béo phì, thừa cân, bình thường, gầy hoặc quá gầy. Chỉ số khối cơ thể của một người tính bằng cân nặng của người đó (kg) chia cho bình phương chiều cao (đo theo mét). Có thể tính theo công thức định nghĩa hoặc cho theo những bảng tiêu chuẩn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Công thức tính chỉ số BMI: 𝐶â𝑛 𝑛ặ𝑛𝑔 (𝑘𝑔) 𝐵𝑀𝐼 = (𝑘𝑔/𝑚2) (2.1) 𝐶ℎ𝑖ề𝑢 𝑐𝑎𝑜 𝑥 𝑐ℎ𝑖ề𝑢 𝑐𝑎𝑜 (𝑚) Sau khi tính được chỉ số BMI, chỉ cần so sánh với bảng đánh theo chuẩn của tổ chức y tế để nhận biết được thể trạng cơ thể.1: Đánh giá tiêu chuẩn của tổ chức y tế thế giới. Phân loại WHO BMI (kg/m2) IDI & WPRO BMI (kg/m2) Cân nặng thấp (gầy) <18,5 <18,5 Bình thường 18,5-24,9 18,5-22,9 Thừa cân 25 23 Tiền béo phì 25-29,9 23-24,9 Béo phì loại I 30-34,9 25-29,9 Béo phì loại II 35-39,9 30 Béo phì loại III 40 40 2.2 BMI với sức khỏe con người.  Nguy cơ của người gây thiếu cân là: Dễ bị mắc các bệnh như hạ huyết áp, loãng xương. do cơ thể không đủ chất như vitamin và khoáng chất nên xương không chắc khỏe, rất giòn và dễ gãy.

Suy yếu hệ miễn dịch càng làm cho dễ mắc bệnh, đặc biệt là những bệnh nhiễm trùng. Người gầy thường bị mất khối cơ, cơ yếu, lỏng lẻo chứ không săn chắc do cơ thể thiếu đạm từ cơ bắp để tạo năng lượng. Tóc và khô da có hiện tượng khô vì không được cung cấp đủ dưỡng chất, khi đó, tóc còn có hiện tượng xác xơ và rụng nhiều còn da thì thiếu hẳn lớp mỡ dưới da sẽ tạo những nếp nhăn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Ảnh minh họa người gầy.  Những nguy cơ với người béo phì, thừa cân: Khi chỉ số BMI trên 25 thì thuộc người thừa cân (người Việt Nam là trên 23), khi đó sẽ có nguy cơ: Béo phì tức nhiều mỡ dẫn đến hẹp mạch vành nên dễ mắc các chứng bệnh về tim. Dễ bị rối loạn lipid máu do nồng độ triglyceride và LDL –cholesterol trong máu cao, nồng độ HDL – cholesterol trong máu thấp. Nếu chỉ số BMI lớn hơn 30, khả năng mắc các bệnh về mạch máu não rất cao.

Nguy cơ mắc tiểu đường và huyết áp cao lớn vì giảm khả năng điều hòa mức độ đường huyết của cơ thể bằng việc sản sinh insulin. Giảm chức năng hô hấp, khó thở dễ khiến mắc bệnh ngưng thở khi ngủ, khiến não thiếu oxy, tạo hội chứng Pickwick. Các bệnh về đường tiêu hóa như sỏi mật, ung thư đường mật, bệnh về gan, ruột,… Lượng mỡ nhiều làm rối loạn buồng trứng gây tắt kinh hoặc rối loạn kinh nguyệt, khó có con.3: Ảnh minh họa người béo phì. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG.1 Tổng quan về ARM (Trích dẫn Wikipedia).

Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Acorn RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit kiểu RISC (thuộc kiến trúc Hardvard, có tập lệnh rút gọn) được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Do có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động mà với các sản phẩm này việc tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng hàng đầu. Việc thiết kế ARM được bắt đầu từ năm 1983 trong một dự án phát triển của công ty máy tính Acorn. Nhóm thiết kế hoàn thành việc phát triển mẫu gọi là ARM1 vào năm 1985, và vào năm sau, nhóm hoàn thành sản phẩm “thực’’ gọi là ARM2 với thiết kế đơn giản chỉ gồm 30.

ARM2 có tuyến dữ liệu 32 bit, không gian địa chỉ 26 bit tức cho phép quản lý đến 64 Mbyte địa chỉ và 16 thanh ghi 32 bit. Thế hệ sau, ARM3, được tạo ra với 4KB cache và có chức năng được cải thiện tốt hơn nữa. Trải qua nhiều thế hệ nhưng lõi ARM gần như không thay đổi kích thước.000 transistors trong khi ARM6 chỉ tăng lên đến 35. Ý tưởng của nhà sản xuất lõi ARM là sao cho người sử dụng có thể ghép lõi ARM với một số bộ phận tùy chọn nào đó để tạo ra một CPU hoàn chỉnh, một loại CPU mà có thể tạo ra trên những nhà máy sản xuất bán dẫn cũ và vẫn tiếp tục tạo ra được sản phẩm với nhiều tính năng mà giá thành vẫn thấp.

Thế hệ thành công nhất có lẽ là ARM7TDMI với hàng trăm triệu lõi được sử dụng trong các máy điện thoại di động, hệ thống video game cầm tay, và Sega Dreamcast. Trong khi công ty ARM chỉ tập trung vào việc bán lõi IP, cũng có một số giấy phép tạo ra bộ vi điều khiển dựa trên lõi này. Ngày nay ARM được ứng dụng rộng rãi trên mọi lĩnh vực của đời sống: Robot, máy tính, điện thoại, xe hơi, máy giặt… ARM Cortex được chia làm 3 dòng:  Cortex-A: Bộ xử lý dành cho hệ điều hành và các ứng dụng phức tạp. Hỗ trợ tập lệnh ARM, thumb, và thumb-2.

 Cortex-R: Bộ xử lý dành cho hệ thống đòi hỏi khắc khe về đáp ứng thời gian thực. Hỗ trợ tập lệnh ARM, thumb và thumb-2. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Cortex-M: Bộ xử lý dành cho dòng vi điều khiển, được thiết kế để tối ưu về giá thành.

Hỗ trợ tập lệnh Thumb-2. Giá trị số nằm cuối tên của 1 dòng ARM cho biết về mức độ hiệu suất tương đối của dòng đó. Theo đó dòng ARM mang số 0 sẽ có hiệu suất thấp nhất. Tập đoàn ST Microelectronic đã cho ra mắt dòng STM32, vi điều khiển đầu tiên dựa trên nền lõi ARM Cortex-M3 thế hệ mới do hãng ARM thiết kế, lõi ARM Cortex- M3 là sự cải tiến của lõi ARMv7-M 32bit truyền thống, từng mang lại sự thành công vang dội cho công ty ARM.

Dòng STM32 thiết lập các tiêu chuẩn mới về hiệu suất, chi phí, cũng như khả năng đáp ứng các ứng dụng tiêu thụ năng lượng thấp và tính điều khiển thời gian thực khắt khe. Chip ARM Cortex-M7 là một vi điều khiển 32-bit cao cấp nhất trong series Cortex- M của ARM cho đến hiện nay. Theo ARM, Cortex-M7 có DSP (Digital Signal Processing: Xử lý tín hiệu số) cao gấp đôi so với Cortex-M4 do đó có thể xử lý cùng lúc 2 tập lệnh, giúp cho M7 có thể hoạt động ở mức xung nhịp cao hơn. Đây là dòng chip MCU 32-bit giúp tăng tốc thông dịch dữ liệu từ các cảm biến thành thông tin số.

Nó tăng gấp đôi hiệu năng tính toán và DSP trong khi giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng nhờ vào công nghệ sản xuất 28nm. Chip M7 hỗ trợ các thiết bị nhúng điều khiển giọng nói hoặc giao diện rich OS và còn được sử dụng trong các smartphone hoặc trên xe hơi để điều khiển các chức năng màn hình chạm và âm thanh phức tạp hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4: Kiến trúc của vi xử lí ARM Cotex-M7.2 Giới thiệu về ARM-Cortex-M3 STM32F1.

Dòng ARM STM32F1 được chia ra làm 5 nhóm nhỏ, mỗi nhóm sẽ có số dung lượng bộ nhớ Flash, SRAM và số lượng ngoại vi khác nhau:  Low-density: Gồm các vi điều khiển STM32F101xx, STM32F102xx và STM32F103xx có bộ nhớ Flash từ 16 đến 32 Kbytes.  Medium-density: Gồm các vi điều khiển STM32F101xx, STM32F102xx và STM32F103xx có bộ nhớ Flash từ 64 đến 128 Kbytes.  High-density: Gồm các vi điều khiển STM32F101xx và STM32F103xx có bộ nhớ Flash từ 256 đến 512 Kbytes.  XL-density: Gồm các vi điều khiển STM32F101xx và STM32F103xx có bộ nhớ Flash từ 768 đến 1MKbytes.

 Connective line: Gồm các vi điều khiển STM32F105xx và STM32F107xx. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.5: Kiến trúc ARM Cortex-M3. Địa chỉ ngoại vi trong họ ARM STM32F1 bắt đầu từ 0x40000000 kết thúc ở 0x500003FF sử dụng các bus AHB, APB1, APB2 để trao đổi dữ liệu như hình trên.

Vùng nhớ SRAM có địa chỉ nền là 0x20000000 và có thể truy xuất theo dạng byte, half word, word. Vùng nhớ FLASH của STM32F103RBT6 bắt đầu từ 0x08000000 đến 0x0807FFFF. Dòng STM32F1 có 3 chế độ BOOT được chọn bởi 2 chân BOOT0 và BOOT1 theo bảng 1.2: Các chế độ BOOT của STM32F1. Trạng thái chân boot Chế độ boot Giải thích BOOT1 BOOT0 x 0 Bộ nhớ Flash chính Chọn boot từ bộ nhớ Flash chính 0 1 Bộ nhớ hệ thống Chọn boot từ bộ nhớ hệ thống 1 1 SRAM Chọn boot từ bộ nhớ SRAM BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nguồn cung cấp cho ARM (VDD) phải nằm trong phạm vi từ 2 đến 3.6V (thường cấp 3. Một bộ điều chỉnh điện áp bên trong được sử dụng để cung cấp nguồn 1.8V cho lõi điều khiển, SRAM và ngoại vi số.