Luận văn tốt nghiệp về thiết bị đo thông số sức khỏe tự động

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu Luận văn tốt nghiệp thiết bị đo thông số sức khỏe tự động, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải pháp cụ thể cho vấn đề .

• Tác giả: Trần Văn Phú
• Người hướng dẫn: ThS. Lưu Hoàng
• Trường học: Trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Thiết Bị Đo Thông Số Sức Khỏe Tự Động
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
• NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Sản phẩm và khả năng ứng dụng
• 1.5. Bố cục
• 2. CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 2.1. Arduino MEGA 2560
• 2.2. Nguồn tổ ong 5V 20A
• 2.3. Loadcell 50kg
• 2.4. Thiết kế của Loadcell 50kg
• 2.5. Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711
• 2.6. Cảm biến siêu âm HC-SR04
• 2.7. Pulse Sensor
• 2.8. Cảm biến nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614
• 2.9. Led matrix RGB P10 16x32
• 2.10. Phần mềm lập trình
• 3. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ THIẾT BỊ
• 3.1. Giới thiệu và yêu cầu của thiết bị
• 3.2. Sơ đồ khối của thiết bị
• 3.3. Các thành phần của thiết bị
• 3.4. Bộ phận đo chiều cao
• 3.5. Bộ phận đo cân nặng
• 3.6. Bộ phận đo nhịp tim
• 3.7. Bộ phận đo nhiệt độ
• 3.8. Bộ phận hiển thị
• 3.9. Bộ phận nguồn cung cấp
• 3.10. Lắp ráp thiết bị
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Phương hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về thiết bị đo sức khỏe tự động

Thiết bị đo sức khỏe tự động là một sản phẩm công nghệ hiện đại, được thiết kế để theo dõi và cập nhật thông tin sức khỏe của người dùng. Thiết bị y tế này không chỉ giúp người dùng dễ dàng theo dõi các chỉ số sức khỏe mà còn góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống. Việc ứng dụng công nghệ sức khỏe vào đời sống hàng ngày ngày càng trở nên cần thiết, đặc biệt trong bối cảnh dịch bệnh và các vấn đề về môi trường hiện nay. Thiết bị này có khả năng đo lường các thông số như cân nặng, chiều cao, nhịp tim và nhiệt độ cơ thể, từ đó cung cấp thông tin chính xác và kịp thời cho người dùng. Theo dõi sức khỏe thường xuyên giúp người dùng phát hiện sớm các vấn đề sức khỏe và có biện pháp can thiệp kịp thời.

II. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và phát triển một thiết bị tự động có khả năng thu thập và hiển thị thông tin sức khỏe. Nội dung nghiên cứu bao gồm việc tìm hiểu các cảm biến như Loadcell, MLX90614, và HC-SR04, cũng như lập trình cho Arduino MEGA 2560. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp sinh viên áp dụng kiến thức đã học mà còn tạo ra một sản phẩm có giá trị thực tiễn cao. Thiết bị sẽ được lắp đặt tại các phòng khám, nhà thuốc hoặc nơi công cộng, giúp người dân dễ dàng theo dõi sức khỏe của mình. Đề tài cũng sẽ kiểm tra và đánh giá tính ứng dụng của thiết bị trong thực tế.

III. Giới thiệu phần cứng

Phần cứng của thiết bị bao gồm các thành phần chính như Arduino MEGA 2560, cảm biến Loadcell, cảm biến nhiệt hồng ngoại MLX90614, và cảm biến nhịp tim Pulse Sensor. Hệ thống theo dõi sức khỏe này sử dụng mạch chuyển đổi ADC HX711 để đọc dữ liệu từ cảm biến Loadcell, giúp đo lường trọng lượng một cách chính xác. Cảm biến nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614 cho phép đo nhiệt độ cơ thể mà không cần tiếp xúc, rất tiện lợi trong việc theo dõi sức khỏe. Các cảm biến này được kết nối với Arduino MEGA 2560, nơi xử lý và hiển thị dữ liệu trên màn hình Led matrix RGB P10 16x32. Sự kết hợp này tạo ra một thiết bị hoàn chỉnh, có khả năng thu thập và hiển thị thông tin sức khỏe một cách hiệu quả.

IV. Thiết kế và lắp ráp thiết bị

Thiết kế thiết bị bao gồm việc xác định các yêu cầu kỹ thuật và lắp ráp các thành phần phần cứng. Sơ đồ khối của thiết bị cho thấy cách thức hoạt động của từng bộ phận, từ khối điều khiển trung tâm đến các cảm biến và khối hiển thị. Công nghệ đo sức khỏe được áp dụng trong thiết kế này không chỉ đảm bảo tính chính xác mà còn dễ dàng sử dụng. Quá trình lắp ráp bao gồm việc kết nối các cảm biến với Arduino và kiểm tra hoạt động của từng bộ phận. Thiết bị được thiết kế với kích thước hợp lý, dễ dàng lắp đặt tại các địa điểm khác nhau. Việc hoàn thiện thiết bị không chỉ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật mà còn đảm bảo tính thẩm mỹ và tiện lợi cho người sử dụng.

V. Kết luận và phương hướng phát triển

Kết quả nghiên cứu cho thấy thiết bị đo sức khỏe tự động có khả năng hoạt động hiệu quả, cung cấp thông tin sức khỏe chính xác cho người dùng. Phát triển thiết bị y tế trong tương lai có thể mở rộng thêm các chức năng như theo dõi huyết áp, mức đường huyết, và tích hợp với các ứng dụng di động để người dùng có thể theo dõi sức khỏe mọi lúc mọi nơi. Việc ứng dụng công nghệ vào y tế không chỉ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống mà còn góp phần vào việc chăm sóc sức khỏe cộng đồng. Đề tài này mở ra hướng nghiên cứu mới cho sinh viên trong lĩnh vực công nghệ y tế, khuyến khích sự sáng tạo và phát triển các sản phẩm hữu ích cho xã hội.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóng, việc ứng dụng công nghệ điện – điện tử và tự động hóa vào đời sống xã hội ngày càng trở nên thiết yếu. Theo tác giả Trần Văn Phú, theo dõi và cập nhật thông tin sức khỏe là mối quan tâm hàng đầu của đại đa số người dân, đặc biệt trước những biến đổi bất lợi của khí hậu, tình trạng ô nhiễm môi trường, các vấn đề về vệ sinh an toàn thực phẩm và sự xuất hiện của các đợt dịch bệnh. Tuy nhiên, các thiết bị thu thập thông số sức khỏe tự động trên thị trường thời điểm đó chưa đủ tính toàn diện và chưa được phổ biến rộng rãi tại các không gian cộng đồng. Xuất phát từ thực tiễn trên, tác giả đã thực hiện đề tài "Thiết kế thiết bị đo thông số sức khỏe tự động" nhằm chế tạo một hệ thống tích hợp, chi phí hợp lý và có khả năng ứng dụng thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm 4 nhiệm vụ:

1. Nghiên cứu phương thức kết nối và thu thập dữ liệu sức khỏe từ các cảm biến chuyên dụng.
2. Nghiên cứu cấu trúc bảng LED điện tử ma trận và phương thức lập trình hiển thị thông tin trực quan.
3. Vận dụng tổng hợp các kiến thức đã học trong chương trình đào tạo kỹ sư (Vi xử lý, Ngôn ngữ lập trình, Điện tử cơ bản, Kỹ thuật số, Linh kiện điện tử, Cảm biến) kết hợp quá trình tự nghiên cứu (lập trình vi điều khiển Arduino MEGA 2560, lập trình web, kỹ thuật hàn tay, hàn nhúng mạch điện tử).
4. Thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh một thiết bị đo có khả năng thu thập và hiển thị các thông số sức khỏe cơ bản, hướng tới ứng dụng lắp đặt tại các phòng khám, nhà thuốc hoặc địa điểm công cộng.

Nội dung nghiên cứu bao gồm 4 phần việc:

• Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý và công dụng của từng thiết bị, linh kiện điện tử: cảm biến khối lượng Loadcell, cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc MLX90614, cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04, dây kết nối và vi điều khiển Arduino MEGA 2560.
• Tìm hiểu phần mềm và công cụ lập trình cho Arduino MEGA 2560: ngôn ngữ lập trình Arduino (C/C++), phần mềm Arduino IDE và nền tảng lập trình web.
• Đề xuất các phương án nghiên cứu, thiết kế phần cứng và giải thuật điều khiển.
• Chế tạo mô hình thực tế, kiểm tra hoạt động và đánh giá tính khả thi, khả năng ứng dụng của thiết bị.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu phần cứng: Vi điều khiển Arduino MEGA 2560 R3, cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04, cảm biến nhiệt độ hồng ngoại MLX90614, cảm biến nhịp tim Pulse Sensor, cảm biến tải trọng Loadcell 50kg, module biến đổi tín hiệu ADC 24-bit HX711, bảng LED ma trận RGB P10 (16×32) và bộ nguồn xung tổ ong 5V 20A.
• Đối tượng nghiên cứu phần mềm: Ngôn ngữ lập trình C/C++ nhúng trên môi trường Arduino IDE, các thư viện điều khiển hiển thị và giải thuật xử lý tín hiệu.
• Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế mạch tích hợp liên kết các cảm biến đo lường với vi điều khiển trung tâm; xử lý tín hiệu và hiển thị tuần tự các thông số sức khỏe đo được lên bảng LED ma trận RGB P10.
• Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ tháng 11/2020 và hoàn thành vào tháng 01/2021 tại Khoa Công nghệ Kỹ thuật – Nông nghiệp Công nghệ cao, Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý điện tử cơ bản, kỹ thuật truyền số liệu, lý thuyết cảm biến đo lường và kỹ thuật vi xử lý được giảng dạy trong chương trình đào tạo kỹ sư Điều khiển – Tự động hóa. Tác giả tham khảo các giáo trình học thuật trong nước bao gồm: "Giáo trình Điện tử cơ bản" (Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, 2013), "Giáo trình kỹ thuật truyền số liệu" (Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Ngô Lâm, Nguyễn Văn Phúc, Đặng Phước Hải Trang), "Giáo trình cảm biến" (Phan Quang Phô, Nguyễn Đức Chiến, 2000), cùng tài liệu chuyên khảo "Cảm biến và ứng dụng" (Dương Minh Trí, 2001).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả áp dụng là phương pháp thực nghiệm kết hợp thiết kế kỹ thuật, chia thành 3 giai đoạn:

1. Giai đoạn 1: Nghiên cứu lý thuyết thông qua tài liệu chuyên ngành, giáo trình, bài báo khoa học và dữ liệu kỹ thuật trực tuyến; phân tích nguyên lý chuyển đổi tín hiệu vật lý của từng cảm biến (sóng siêu âm, quang học, bức xạ hồng ngoại, biến dạng điện trở cầu Wheatstone).
2. Giai đoạn 2: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm, tính toán cân bằng công suất nguồn nuôi, thiết lập sơ đồ đấu nối chân I/O giữa vi điều khiển Arduino MEGA 2560 với các module ngoại vi và bảng LED hiển thị.
3. Giai đoạn 3: Gia công cơ khí, lắp ráp phần cứng, đấu nối dây dẫn, nạp chương trình điều khiển và tiến hành thử nghiệm, hiệu chuẩn các thông số đo lường trên mô hình vật lý hoàn thiện.

Nguồn dữ liệu kỹ thuật và tài liệu tham khảo trực tuyến được tác giả khai thác trực tiếp từ các trang dữ liệu linh kiện điện tử và cộng đồng lập trình: alldatasheet.com (tra cứu thông số chi tiết của chip vi điều khiển và linh kiện bán dẫn), arduino.cc và arduino.vn (cấu trúc thư viện và nền tảng Arduino), codientu.org, webdien.com và nhà cung cấp linh kiện hshop.vn.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế dạng cột đứng tích hợp nguyên khối, kích thước tổng thể khoảng 300 × 300 × 2000 mm, gồm 4 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

Khối chức năng	Linh kiện / Thiết bị sử dụng	Vai trò kỹ thuật chính	Chuẩn giao tiếp / Tín hiệu
Điều khiển trung tâm	Board Arduino MEGA 2560 R3 (ATmega2560)	Thu nhận tín hiệu từ các cảm biến, tính toán thông số sức khỏe và xuất dữ liệu sang màn hình hiển thị	UART, SPI, I2C, Digital I/O, Analog In
Cảm biến	HC-SR04, MLX90614, Pulse Sensor, 4x Loadcell 50kg + HX711	Đo đạc 4 thông số: chiều cao, thân nhiệt, nhịp tim và cân nặng cơ thể	Sóng siêu âm (Echo/Trig), I2C (SDA/SCL), Analog, Cầu điện trở / 2-wire serial
Hiển thị	Bảng LED ma trận RGB P10 (16×32 pixel)	Hiển thị thông số kết quả đo và ký tự tiếng Việt có dấu	Giao tiếp SPI phần cứng + các chân điều khiển quét A, B, C, OE, ST (LAT)
Nguồn cung cấp	Nguồn tổ ong kim loại 5V – 20A (100W)	Chuyển đổi điện lưới xoay chiều sang điện áp một chiều 5V nuôi toàn bộ mạch và bảng LED	Đầu vào 110–220 VAC gạt switch; đầu ra 5 VDC

Hệ thống sử dụng các linh kiện phần cứng với thông số kỹ thuật chi tiết như sau:

• Vi điều khiển Arduino MEGA 2560 R3: Sử dụng chip ATmega2560 tốc độ 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB (trong đó 8 KB dùng cho Bootloader), SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB. Board tích hợp 54 chân Digital I/O (với 15 chân hỗ trợ băm xung PWM), 16 ngõ vào Analog, 4 cổng UART phần cứng, 1 cổng SPI (chân 50 đến 53), 1 cổng I2C và 6 chân ngắt ngoài. Nguồn hoạt động chuẩn 5VDC qua cổng USB hoặc jack DC ngoài 7–9VDC (tác giả khuyến cáo không cấp 12VDC nhằm tránh quá nhiệt làm hỏng IC ổn áp).
• Bộ phận đo chiều cao: Sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 đặt tại đỉnh cột thiết bị. Cảm biến hoạt động ở điện áp 5V, dòng tiêu thụ dưới 2mA, góc quét tối đa 15 độ, dải đo từ 2 cm đến 450 cm, độ chính xác đạt 3 mm. Cảm biến phát chùm sóng siêu âm tần số 40 kHz; khoảng cách từ cảm biến tới đỉnh đầu đối tượng ($S$) được xác định qua công thức: $$S = \frac{v \times t}{2}$$ Trong đó $v = 340\text{ m/s}$ là vận tốc truyền âm trong không khí, $t$ là thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng phản xạ. Chiều cao đối tượng ($H$) được vi điều khiển tính toán theo biểu thức: $$H = h_{cb} - S$$ Với $h_{cb}$ là chiều cao thực tế của vị trí đặt cảm biến cố định trên khung máy.
• Bộ phận đo cân nặng: Sử dụng bàn cân tích hợp 4 cảm biến Loadcell dạng nửa cầu điện trở, tải trọng 50 kg mỗi chiếc (điện áp hoạt động 5–8V, độ nhạy $1 \pm 1.5%\text{ mV/V}$, trở kháng cách ly $\ge 2000\text{ M}\Omega$, dải nhiệt độ hoạt động $-20 \sim 65^\circ\text{C}$). Tín hiệu chênh lệch điện áp nhỏ từ 4 Loadcell được đưa vào module chuyển đổi ADC 24-bit chuyên dụng HX711 (điện áp hoạt động 2.7–5V, dòng tiêu thụ dưới 1.5 mA, tốc độ lấy mẫu 10–80 SPS, độ phân giải điện áp 40 mV). HX711 số hóa tín hiệu và truyền về Arduino qua giao tiếp nối tiếp 2 dây (Clock và Data).
• Bộ phận đo nhịp tim: Sử dụng cảm biến quang học Pulse Sensor hoạt động ở nguồn 3–5VDC, dòng tiêu thụ dưới 4mA, dây dẫn dài 61 cm (24 inch). Cảm biến ghi nhận sự thay đổi lượng máu dưới da qua tín hiệu quang, xuất ra điện áp Analog liên tục đưa về chân Analog In của vi điều khiển để giải thuật phát hiện đỉnh xung nhịp tim.
• Bộ phận đo nhiệt độ: Sử dụng cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614, kết nối qua giao tiếp I2C với 2 điện trở kéo lên $10\text{ k}\Omega$. Cảm biến có dải đo nhiệt độ môi trường từ $-40^\circ\text{C}$ đến $+125^\circ\text{C}$ và nhiệt độ đối tượng từ $-70^\circ\text{C}$ đến $+380^\circ\text{C}$, độ phân giải phép đo $0.02^\circ\text{C}$, độ chính xác đạt $0.5^\circ\text{C}$ trong dải nhiệt độ cơ thể ($0 \sim 50^\circ\text{C}$).
• Bộ phận hiển thị: Sử dụng 01 module LED ma trận P10 Full Color kích thước $32 \times 16$ pixel (tổng cộng 512 bóng LED RGB, khoảng cách mỗi điểm ảnh là 1 cm). Module được điều khiển quét theo phương thức $1/8$ thông qua 3 chân giải mã địa chỉ hàng A (A0), B (A1), C (A2); chân cho phép hiển thị OE (chân số 32, mức 0 cho phép sáng, mức 1 tắt hoàn toàn); chân chốt dữ liệu ST/LAT (chân số 33); các đường dữ liệu màu 8 hàng trên (R1, G1, B1) và 8 hàng dưới (R2, G2, B2) được đẩy nối tiếp vào thanh ghi dịch qua xung nhịp chân CLK thông qua giao thức SPI.

Môi trường phần mềm và giải thuật:

• Quá trình phát triển phần mềm được thực hiện trên Arduino IDE (phiên bản 1.8.12), yêu cầu cài đặt môi trường máy ảo Java Runtime Environment (JRE) cho hệ điều hành Windows 32-bit hoặc 64-bit và cài đặt driver giao tiếp board nạp (dpinst-amd64 hoặc arduino.exe) với chế độ vô hiệu hóa chữ ký số bắt buộc (Disable driver signature enforcement trên Windows 8).
• Tác giả tự xây dựng thư viện hiển thị tiếng Việt Data.h bao gồm: mảng bảng mã UTF8_table[] chứa 144 mã ký tự UTF-8 tiếng Việt có dấu (À, Á, Ả, Ã, Ạ, Ă, Ằ, Ắ...); mảng font chữ ma trận Sinclair_S[] kích thước $8 \times 8$ điểm ảnh hỗ trợ toàn bộ bảng ký tự chuẩn ASCII và các ký tự đặc biệt.
• Xây dựng thư viện điều khiển ma trận MatrixDisp.h cấu hình bộ đệm hiển thị 3 lớp màu dispBuff[3][dispH][dispWB] và bộ đệm quét scanBuff[]. Thư viện tích hợp các hàm dịch khung hình (ShiftDispLeft), hàm xóa màn hình hiệu ứng dispClrAll(uint8_t type) với 7 chế độ khác nhau (kiểu 0: xóa tức thời; kiểu 1: xóa chậm từ trên xuống; kiểu 2: xóa chậm từ dưới lên; kiểu 3: trôi xuống chậm; kiểu 4: trôi lên chậm; kiểu 5: xóa sang trái chậm; kiểu 6: trôi tách màn hình hai nửa), cùng các hàm định vị con trỏ (dispGotoXY) và nạp hình ảnh/ký tự (dispImage, insertImage).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương này tập trung trình bày bối cảnh thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài trong giai đoạn dịch bệnh và ô nhiễm môi trường gia tăng. Tác giả phân tích lý do cần có một hệ thống đo thông số sức khỏe tự động, tích hợp nhiều cảm biến để sử dụng thuận tiện tại các địa điểm công cộng như trường học, phòng khám bệnh, nhà thuốc. Chương này xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, 4 nội dung thực hiện, đối tượng nghiên cứu (gồm linh kiện phần cứng và phần mềm lập trình C trên Arduino IDE), phạm vi nghiên cứu (thiết kế mạch kết nối và hiển thị LED ma trận), phương pháp tiếp cận qua 3 bước thực nghiệm và quy cách sơ bộ của sản phẩm hoàn thiện với kích thước khoảng $300 \times 300 \times 2000\text{ mm}$.

Chương II: Giới thiệu phần cứng

Chương II mô tả chi tiết thông số kỹ thuật, cấu tạo, nguyên lý vận hành và sơ đồ chân của toàn bộ linh kiện điện tử cấu thành hệ thống. Các linh kiện được phân tích gồm: board vi điều khiển Arduino MEGA 2560 R3 với chip ATmega2560 và chip nạp ATmega16U2; bộ nguồn tổ ong 5V 20A công suất 100W; cảm biến cân nặng Loadcell 50kg và mạch chuyển đổi ADC 24-bit HX711; cảm biến siêu âm HC-SR04 đo khoảng cách bằng sóng phản xạ 40 kHz; cảm biến nhịp tim quang học Pulse Sensor ngõ ra Analog; cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614 giao tiếp I2C. Bên cạnh đó, chương này dành dung lượng lớn phân tích chi tiết module LED ma trận P10 Full Color $16 \times 32$, nguyên lý quét hàng $1/8$, chức năng các chân điều khiển và luồng đi của dữ liệu nhị phân. Phần cuối chương hướng dẫn quy trình cài đặt môi trường phát triển Arduino IDE, cài đặt JRE và xử lý cài đặt driver trên hệ điều hành Windows.

Chương III: Thiết kế thiết bị

Chương III trình bày quá trình hiện thực hóa thiết bị từ sơ đồ khối đến mô hình cơ điện hoàn chỉnh. Tác giả xây dựng sơ đồ khối chi tiết thể hiện mối liên kết giữa Khối điều khiển trung tâm (Arduino MEGA 2560), Khối cảm biến (HC-SR04, MLX90614, Pulse Sensor, 4 Loadcell), Khối hiển thị (LED ma trận P10) và Khối nguồn (nguồn tổ ong 5V 20A). Từng phân hệ đo được phân tích kèm công thức toán học và sơ đồ kết nối dây:

• Phân hệ đo chiều cao sử dụng cảm biến HC-SR04 tính toán theo hiệu số giữa chiều cao gắn cảm biến và khoảng cách đo âm học.
• Phân hệ đo cân nặng ghép nối 4 Loadcell 50kg thành cầu đo và đưa qua mạch khuếch đại HX711 về vi điều khiển.
• Phân hệ đo nhịp tim và phân hệ đo thân nhiệt qua giao tiếp I2C.
• Phân hệ hiển thị xử lý xuất dữ liệu luân phiên 4 thông số: chiều cao, cân nặng, nhiệt độ, nhịp tim lên màn hình LED ma trận. Chương này kết thúc bằng các hình ảnh trực quan chụp lại mặt trước, mặt sau, sơ đồ đấu nối toàn hệ thống và thiết bị thực tế sau khi lắp ráp cơ khí hoàn chỉnh.

Chương IV: Kết luận và phương hướng phát triển

Chương IV tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu, chế tạo sau quá trình triển khai thực tế. Tác giả tự đánh giá mô hình hoàn thiện đạt hiệu quả hoạt động ước tính khoảng 85% so với yêu cầu thiết kế ban đầu. Hệ thống đã thu thập ổn định các thông số sức khỏe và hiển thị trực quan lên bảng LED. Đồng thời, chương này chỉ ra các khó khăn kỹ thuật trong việc đồng bộ thời gian thực giữa việc đọc dữ liệu nhiều cảm biến khác nhau và quá trình quét màn hình ma trận LED mà không làm gián đoạn dòng dữ liệu. Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất các giải pháp nâng cấp, bổ sung cảm biến mới và mở rộng tính năng truyền thông kết nối cho thiết bị trong các giai đoạn phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật, đề tài đã chế tạo thành công một thiết bị đo thông số sức khỏe tự động dạng cột đứng hoạt động độc lập, kích thước thực tế khoảng $300 \times 300 \times 2000\text{ mm}$. Hệ thống vận hành đồng bộ các khối chức năng và đạt các chỉ tiêu cụ thể ghi nhận trong văn bản:

• Đo và hiển thị tuần tự 4 thông số sức khỏe trên bảng LED ma trận RGB P10 gồm: Chiều cao (cm), Cân nặng (kg), Nhiệt độ cơ thể ($^\circ\text{C}$) và Nhịp tim (nhịp/phút).
• Tích hợp thành công giải thuật đo khoảng cách siêu âm với độ phân giải lý thuyết 3 mm, chuyển đổi tín hiệu cân nặng qua ADC 24-bit HX711 và đọc dữ liệu nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc qua giao thức I2C với độ phân giải $0.02^\circ\text{C}$.
• Xây dựng thành công bộ thư viện hiển thị tiếng Việt có dấu (144 ký tự UTF-8) và quản lý bộ đệm quét LED ma trận RGB quét $1/8$ bằng giao tiếp SPI phần cứng trên Arduino MEGA 2560.
• Theo số liệu tự đánh giá của tác giả tại Chương IV, mô hình sau khi lắp ráp và cân chỉnh đã đạt hiệu quả vận hành thực tế ở mức 85%.

Về mặt giải pháp và đóng góp kỹ thuật:

• Tác giả đề xuất giải pháp tích hợp đa cảm biến chi phí thấp (HC-SR04, MLX90614, Pulse Sensor, Loadcell) vào một khung thiết bị duy nhất, cho phép người dùng tự kiểm tra sức khỏe sơ bộ mà không cần sự trợ giúp phức tạp của nhân viên y tế.
• Khác với các mô hình màn hình LCD ký tự nhỏ thông thường, đề tài đã giải quyết bài toán hiển thị trực quan tầm xa bằng việc điều khiển trực tiếp bảng LED ma trận P10 Full Color, tối ưu hóa các hiệu ứng xóa màn hình và hiển thị font chữ tiếng Việt không dấu và có dấu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận bao gồm:

• Thiết bị mới dừng lại ở việc đo lường 4 chỉ số sức khỏe cơ bản ban đầu; mô hình đạt mức hiệu quả vận hành ước tính khoảng 85%, vẫn còn thiếu sót về độ ổn định khi phối hợp đồng thời nhiều cảm biến và cần được tinh chỉnh thêm về mặt lập trình.
• Chưa có tính năng lưu trữ dữ liệu cá nhân hóa dài hạn và chưa có kết nối truyền thông không dây để gửi dữ liệu sức khỏe sang các thiết bị thông minh hoặc máy chủ trung tâm.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Mở rộng thêm các cảm biến thu thập chỉ số y sinh quan trọng khác, cụ thể là cảm biến đo nồng độ bão hòa oxy trong máu (SpO2) và cảm biến đo huyết áp tự động.
• Tăng cường chức năng truyền thông không dây (liên kết với máy tính, điện thoại hoặc hệ thống đám mây) nhằm thực hiện lưu trữ thông tin đo lường hàng ngày của người dùng.
• Phát triển thuật toán phân tích, so sánh số liệu đo lường theo thời gian để đưa ra các dự đoán, cảnh báo về tình trạng sức khỏe và gợi ý lời khuyên chăm sóc sức khỏe hữu ích cho người sử dụng.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo thực nghiệm phù hợp cho:

• Sinh viên các ngành Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Y sinh hoặc Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về hệ thống nhúng và thiết bị đo y tế thông minh.
• Người làm nghiên cứu về giao tiếp phần cứng vi điều khiển: Đồ án cung cấp tài liệu chi tiết về sơ đồ kết nối, thông số vận hành của module ADC 24-bit HX711 với cảm biến Loadcell, cảm biến hồng ngoại MLX90614 qua I2C và cảm biến siêu âm HC-SR04.
• Phần đáng tham khảo nhất trong đồ án là mã nguồn phụ lục về cấu trúc thư viện quét ma trận LED P10 Full Color (MatrixDisp.h) và bảng mã hóa 144 ký tự tiếng Việt UTF-8 kèm font ma trận $8 \times 8$ (Data.h), giúp người đọc nắm bắt phương pháp quét hiển thị trực tiếp thanh ghi dịch qua SPI mà không cần phụ thuộc vào các thư viện đồ họa cồng kềnh.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối hiển thị của thiết bị sử dụng loại màn hình nào và phương pháp quét hiển thị ra sao?
Thiết bị sử dụng 01 module LED ma trận RGB P10 Full Color kích thước $32 \times 16$ pixel (tổng cộng 512 bóng LED RGB). Module này sử dụng phương pháp quét $1/8$ thông qua 3 chân giải mã địa chỉ A, B, C; chân chốt dữ liệu LAT/ST (chân 33), chân cho phép sáng OE (chân 32, mức 0 cho phép sáng) và xung dịch dữ liệu CLK kết nối qua cổng SPI của Arduino MEGA 2560.

2. Chiều cao của đối tượng được đo đạc và tính toán theo công thức nào trong đồ án?
Chiều cao được đo bằng cảm biến siêu âm HC-SR04 phát sóng tần số 40 kHz. Khoảng cách từ cảm biến trên đỉnh máy đến đầu người đo là $S = \frac{v \times t}{2}$ (với $v = 340\text{ m/s}$ và $t$ là thời gian sóng phản xạ). Chiều cao đối tượng $H$ được tính theo công thức: $H = h_{cb} - S$, trong đó $h_{cb}$ là chiều cao cố định của vị trí lắp đặt cảm biến trên khung máy.

3. Khối đo cân nặng sử dụng loại cảm biến gì và xử lý tín hiệu thông qua mạch chuyển đổi nào?
Khối đo cân nặng sử dụng bàn cân tích hợp 4 cảm biến Loadcell loại 50 kg (dạng nửa cầu điện trở). Tín hiệu điện áp vi sai rất nhỏ từ các Loadcell được đưa qua mạch chuyển đổi ADC 24-bit chuyên dụng HX711 để khuếch đại, số hóa và truyền về vi điều khiển thông qua giao tiếp nối tiếp 2 dây (Clock và Data).

4. Cảm biến nhiệt độ MLX90614 đo thân nhiệt theo cơ chế nào và kết nối với vi điều khiển qua giao thức gì?
Cảm biến MLX90614 thực hiện đo nhiệt độ cơ thể không tiếp xúc dựa trên bức xạ tia hồng ngoại phát ra từ đối tượng. Cảm biến giao tiếp với Arduino MEGA 2560 thông qua giao thức I2C với 2 đường tín hiệu có gắn điện trở kéo lên $10\text{ k}\Omega$, cho độ chính xác $0.5^\circ\text{C}$ trong khoảng nhiệt độ $0 \sim 50^\circ\text{C}$ và độ phân giải $0.02^\circ\text{C}$.

5. Mức độ hiệu quả mà tác giả tự đánh giá đối với mô hình hoàn thiện là bao nhiêu?
Trong phần Kết luận tại Chương IV của văn bản, tác giả ghi nhận mô hình thiết bị sau khi chế tạo, lắp ráp và hiệu chỉnh đã đạt hiệu quả vận hành ước tính khoảng 85% so với mục tiêu đề ra ban đầu.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế thiết bị đo thông số sức khỏe tự động" của sinh viên Trần Văn Phú đã hoàn thành việc chế tạo mô hình thiết bị đo cột đứng tích hợp vi điều khiển Arduino MEGA 2560 và các cảm biến chuyên dụng để đo chiều cao, cân nặng, thân nhiệt và nhịp tim. Hệ thống giải quyết trọn vẹn yêu cầu hiển thị trực quan thông số và chữ tiếng Việt có dấu trên bảng ma trận LED P10 Full Color bằng bộ thư viện tự phát triển. Dù còn hạn chế về khả năng lưu trữ dài hạn và chưa tích hợp cảm biến đo SpO2 hay huyết áp, đồ án cung cấp một giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tế cao và tài liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu về hệ thống đo lường y sinh học nhúng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 Luan van • 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 Luan van CHƯƠNG II. Giới thiệu phần cứng 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 Luan van • 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. 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 Luan van 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. 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.S • Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điểm 0: 0.S/10 • Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đầu ra: 0.S/10 15 Luan van • 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. Thiết kế của Loadcell 50kg 16 Luan van 1. Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 Hình 5.