Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong xu thế tự động hóa và ứng dụng công nghệ vi mạch số vào đời sống, các hệ thống điều khiển thông minh ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc phục vụ nhu cầu thường nhật của con người. Đối với lĩnh vực chăm sóc sức khỏe ban đầu, việc theo dõi các chỉ số thể trạng cơ bản như cân nặng và chiều cao là nhu cầu thiết yếu để đánh giá tình trạng dinh dưỡng và nguy cơ bệnh lý. Tuy nhiên, phương pháp cân đo thủ công truyền thống thường tiêu tốn nhiều thời gian, thao tác rời rạc và dễ dẫn đến sai số do người đo.
Nhằm giải quyết bất cập này, đề tài "Thiết kế và thi công cân điện tử" được thực hiện bởi sinh viên Trần Minh Đức (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh), dưới sự hướng dẫn của ThS. Phan Vân Hoàn. Đề tài tập trung xây dựng một mô hình thiết bị tích hợp tự động, kết hợp đo cân nặng, đo chiều cao, tính toán chỉ số khối cơ thể (BMI) và phát thông báo bằng âm thanh.
Hệ thống hướng đến thực hiện các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định trong văn bản đồ án như sau:
- Nội dung 1: Nghiên cứu tài liệu kỹ thuật về vi điều khiển lõi ARM Cortex-M3 (KIT STM32F103RBT6), module khuếch đại và biến đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) HX711, cảm biến tải trọng (Loadcell), động cơ bước, mạch cầu H L298N và module giải mã âm thanh VS1003.
- Nội dung 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được, lựa chọn giải pháp thiết kế sơ đồ nguyên lý và thi công mô hình kết nối các khối phần cứng với KIT điều khiển trung tâm.
- Nội dung 3: Xây dựng lưu đồ giải thuật, viết chương trình điều khiển toàn diện cho vi điều khiển và thiết kế giao diện hiển thị trên màn hình màu cảm ứng.
- Nội dung 4: Thử nghiệm, căn chỉnh phần cứng và phần mềm nhằm tối ưu hóa hoạt động của mô hình; đánh giá sai số giữa các thông số đo được của thiết bị so với thực tế.
- Nội dung 5: Đánh giá tổng thể kết quả thực hiện và hoàn thiện báo cáo đồ án tốt nghiệp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị đo lường sức khỏe tự động tích hợp cảm biến tải trọng, cơ cấu cơ điện đo chiều cao, màn hình hiển thị cảm ứng và hệ thống phát thanh giọng nói.
- Phạm vi thông số kỹ thuật: Đo trọng lượng cơ thể tối đa 200 kg; đo chiều cao tối đa 2,0 m. Người đo cần đứng đúng vị trí tiếp xúc của công tắc hành trình tại đế cân; thiết bị yêu cầu đặt trên mặt phẳng thăng bằng, tránh các bề mặt nghiêng dốc để đảm bảo độ chính xác của cảm biến.
- Thời gian và không gian thực hiện: Đồ án được triển khai tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, trong thời gian từ ngày 10/09/2018 đến ngày 05/01/2019.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng
Đề tài vận dụng lý thuyết y sinh về chỉ số khối cơ thể (Body Mass Index - BMI) do Adolphe Quetelet đề xuất năm 1832 để đánh giá thể trạng dinh dưỡng. Công thức xác định chỉ số BMI:
$$BMI = \frac{\text{Cân nặng (kg)}}{[\text{Chiều cao (m)}]^2}$$
Hệ thống đối chiếu chỉ số đo được với các tiêu chuẩn phân loại thể trạng quốc tế để đưa ra cảnh báo sức khỏe tương ứng cho người sử dụng:
| Phân loại thể trạng |
Tiêu chuẩn WHO (kg/m²) |
Tiêu chuẩn IDI & WPRO (kg/m²) |
| Cân nặng thấp (Gầy) |
< 18,5 |
< 18,5 |
| Bình thường |
18,5 – 24,9 |
18,5 – 22,9 |
| Thừa cân |
25,0 |
23,0 |
| Tiền béo phì |
25,0 – 29,9 |
23,0 – 24,9 |
| Béo phì độ I |
30,0 – 34,9 |
25,0 – 29,9 |
| Béo phì độ II |
35,0 – 39,9 |
30,0 |
| Béo phì độ III |
40,0 |
40,0 |
Văn bản phân tích các nguy cơ sức khỏe liên quan đến chỉ số thể trạng: người gầy đối mặt với nguy cơ loãng xương, suy giảm hệ miễn dịch, teo cơ; người thừa cân, béo phì đối mặt với nguy cơ hẹp mạch vành, rối loạn lipid máu, tăng huyết áp, đái tháo đường và suy giảm chức năng hô hấp.
Cơ sở phần cứng kỹ thuật
- Vi điều khiển STM32F103RBT6: Vi điều khiển 32-bit dựa trên lõi ARM Cortex-M3 của hãng STMicroelectronics, xung nhịp hoạt động cực đại 72 MHz, tích hợp bộ nhớ Flash 128 Kbytes (thuộc nhóm dung lượng phù hợp của dòng), RAM 20 Kbytes, cùng các khối ngoại vi ADC, DAC, timer, các chuẩn giao tiếp nối tiếp SPI, I2C, UART.
- Cảm biến Loadcell và mạch cầu Wheatstone: Cảm biến chuyển đổi lực tác dụng thành tín hiệu điện thế dựa trên sự biến dạng cơ học của các điện trở strain gauge dán trên thân thanh kim loại chịu tải. Khi chịu lực, sự thay đổi kích thước của strain gauge làm mất cân bằng cầu Wheatstone, tạo ra tín hiệu điện áp vi sai ngõ ra rất nhỏ (từ 1 mV đến 3 mV).
- Module ADC HX711: Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số 24-bit chuyên dụng cho cân điện tử. Module tích hợp mạch khuếch đại điện áp thấp có thể lập trình độ lợi (PGA) ở các mức 32, 64 và 128; tốc độ lấy mẫu đầu ra 10 SPS hoặc 80 SPS. Độ phân giải lý thuyết được tính toán đạt:
$$\text{Độ phân giải ADC} = \frac{5\text{ V}}{2^{24}} \approx 0{,}000298\text{ mV} \approx 0{,}0003\text{ mV}$$
Mức điện áp này nhỏ hơn dải 1–3 mV từ Loadcell, đáp ứng tốt yêu cầu đọc dữ liệu vi sai.
- Động cơ bước và IC điều khiển L298N: Sử dụng động cơ bước 2 pha 6 dây (dòng làm việc 1–1,5 A, điện áp 4–5,5 V), dẫn động hệ cơ khí thanh trượt thông qua dây curoa. Module L298N chứa 2 mạch cầu H, hỗ trợ điện áp công tác lớn, dòng tải 2 A, cho phép điều khiển chiều quay và vận tốc động cơ thông qua điều chế độ rộng xung (PWM).
- Module giải mã âm thanh VS1003: IC giải mã phần cứng các định dạng âm thanh MP3, WMA, WAV, MIDI của hãng VLSI Solution; tích hợp jack tai nghe 3,5 mm, hoạt động ở chế độ thiết bị Slave nhận dữ liệu điều khiển qua giao thức SPI.
- Giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface): Chuẩn giao tiếp đồng bộ, song công tốc độ cao giữa vi điều khiển (Master) và các vi mạch ngoại vi (Slave) qua 4 đường tín hiệu: SCK (xung nhịp), MISO (Master In Slave Out), MOSI (Master Out Slave In) và SS/CS (chọn vi mạch).
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm phần cứng:
- Khảo sát, tính toán phối ghép các mạch chức năng điện tử.
- Thiết kế mạch in (PCB) và lắp ráp linh kiện cơ điện.
- Lập trình nhúng trên môi trường Keil uVision5, xây dựng lưu đồ giải thuật cho từng chức năng.
- Thu thập dữ liệu thực nghiệm thông qua các phép đo kiểm trực tiếp trên người mẫu thử, so sánh số liệu hiển thị trên thiết bị với thước đo và cân đối chứng.
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống được cấu trúc thành 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ với nhau:
- Khối nguồn: Cung cấp điện áp ổn định 5 VDC và 3,3 VDC cho vi điều khiển và các module ngoại vi.
- Khối xử lý trung tâm: KIT vi điều khiển STM32F103RBT6 điều phối toàn bộ quá trình thu thập tín hiệu, xử lý thuật toán và truyền nhận dữ liệu.
- Khối hiển thị: Màn hình màu cảm ứng TFT-LCD 2.8 inch (độ phân giải 280 x 320 điểm ảnh, sử dụng IC điều khiển ili9325 và IC cảm ứng điện trở XPT2046) hiển thị các giao diện đồ họa.
- Khối điều khiển: 3 nút nhấn cơ học (kích thước 12 x 12 x 12 mm, dòng tối đa 50 mA) kết hợp với các điện trở kéo lên 2,2 kΩ để chống ngắn mạch và xung nhiễu:
- Nút NGHE NHẠC nối vào chân GPIO PA0.
- Nút ĐO nối vào chân GPIO PA1.
- Nút BACK (thoát) nối vào chân GPIO PA2.
- Khối cảm biến và chấp hành:
- Cơ cấu cân nặng: 4 cảm biến tải trọng Loadcell 50 kg gắn tại 4 góc chân đế (tạo tổng tải trọng chịu lực 200 kg), đưa tín hiệu về 4 ngõ vào của module HX711 (E+, E-, A+, A-). Tín hiệu số từ HX711 kết nối tới STM32F103 qua 2 chân GPIO: chân dữ liệu DOUT nối vào PC14, chân xung nhịp PD_SCK nối vào PC15.
- Cơ cấu đo chiều cao: Động cơ bước 6 dây (sử dụng 4 dây pha nối vào 2 cầu H của module L298N, 2 dây chung để trống). Các chân điều khiển của L298N kết nối với vi điều khiển gồm: ENA1 nối PA1, ENA2 nối PA2, các chân logic hướng quay IN1, IN2, IN3, IN4 nối lần lượt vào PA8, PA9, PA10, PA11. Module công tắc hành trình gắn trên cơ cấu trượt nối với chân PA4 để nhận biết điểm chạm đỉnh đầu và đảo chiều quay động cơ.
- Khối âm thanh: Module VS1003 và khe cắm thẻ nhớ SD kết nối với vi điều khiển STM32F103 qua các chân tín hiệu:
| STT |
Chân tín hiệu trên VS1003 |
Chân kết nối trên STM32F103RBT6 |
Chức năng |
| 1 |
5V |
5V |
Nguồn cấp dương |
| 2 |
GND |
GND |
Nối đất |
| 3 |
XRST |
NRST |
Tín hiệu khởi động lại (Reset) |
| 4 |
SCLK |
SPI1_SCK |
Xung nhịp đồng bộ SPI |
| 5 |
MISO |
SPI1_MISO |
Dữ liệu từ Slave về Master |
| 6 |
MOSI |
SPI1_MOSI |
Dữ liệu từ Master đến Slave |
| 7 |
DREQ |
PA3 |
Tín hiệu yêu cầu ngắt nhận dữ liệu |
| 8 |
XCS |
PC12 |
Chân chọn chip cho mã lệnh (Command Select) |
| 9 |
XDCS |
PC13 |
Chân chọn chip cho dữ liệu (Data Select) |
Ngõ ra âm thanh được đưa qua loa ngoài mini (loa xí ngầu VSP-CK4) cắm qua jack 3,5 mm.
Quy trình thi công phần cứng và phần mềm
- Gia công cơ khí: Hệ thống chế tạo khung đế dưới chứa 4 loadcell chịu lực cân nặng; khung đứng dẫn hướng chứa cụm động cơ kéo dây curoa, thanh trượt di động gắn công tắc hành trình để đo chiều cao, cùng hộp bảo vệ mạch điều khiển.
- Thi công mạch in: Chế tạo board mạch xử lý trung tâm và board mạch điều khiển mở rộng, thực hiện hàn linh kiện và kiểm tra thông mạch.
- Lập trình điều khiển: Viết mã nguồn trên phần mềm Keil uVision5, chia thành các lưu đồ thuật toán chuyên biệt:
- Lưu đồ chương trình chính: Khởi tạo ngoại vi, kiểm tra trạng thái phím bấm để chuyển đổi giữa các chế độ.
- Lưu đồ đọc cân nặng: Đọc dữ liệu 24-bit từ HX711, xử lý giá trị trung bình để lọc nhiễu.
- Lưu đồ đo chiều cao: Điều khiển động cơ bước quay thuận kéo thanh trượt hạ xuống; khi công tắc hành trình chạm đỉnh đầu người đo (kích hoạt mức logic tại PA4), động cơ dừng, ghi nhận số bước quay để quy đổi ra chiều cao, sau đó đảo chiều động cơ quay nghịch đưa thanh trượt về vị trí gốc.
- Lưu đồ xử lý BMI và giọng nói: Tính toán chỉ số BMI, truy xuất các tệp MP3 tương ứng lưu trên thẻ nhớ SD, gửi dữ liệu sang VS1003 qua chuẩn SPI để phát âm thanh thông báo chỉ số và lời khuyên sức khỏe.
- Lưu đồ phát nhạc: Cho phép người dùng nghe các bài nhạc giải trí cài sẵn khi máy ở trạng thái chờ.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày lý do lựa chọn đề tài, tính cấp thiết của việc tự động hóa quá trình kiểm tra thể trạng trong đời sống hiện đại, mục tiêu nghiên cứu và 5 nội dung nghiên cứu chính. Tác giả xác lập rõ phạm vi giới hạn của thiết bị: tải trọng tối đa 200 kg, chiều cao đo tối đa 2 m, lưu ý về vị trí đứng tiếp xúc của công tắc hành trình và yêu cầu mặt bằng lắp đặt thăng bằng để tránh sai lệch kết quả đo. Bố cục tổng thể của đồ án gồm 6 chương cũng được khái quát tại chương này.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện phục vụ quá trình thiết kế:
- Giới thiệu chỉ số BMI, bảng tiêu chuẩn đánh giá của WHO và IDI & WPRO, cùng các cảnh báo bệnh lý liên quan đến thể trạng gầy hoặc béo phì.
- Khảo sát kiến trúc vi xử lý ARM, đi sâu vào cấu trúc vi điều khiển STM32F103RBT6 lõi Cortex-M3 (không gian địa chỉ, cấu hình các chân BOOT, các mức điện áp cấp).
- Nguyên lý hoạt động của cảm biến Loadcell và mạch cầu Wheatstone trong việc biến đổi lực tác dụng thành biến thiên điện trở.
- Cấu tạo và đặc tính kỹ thuật của module biến đổi ADC 24-bit HX711 (sơ đồ khối, các mức khuếch đại PGA, giản đồ thời gian xung clock PD_SCK và dữ liệu DOUT).
- Phân loại và nguyên lý kích từ của động cơ bước (động cơ biến từ trở, động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực, hai cực và nhiều pha); nguyên lý mạch cầu H của IC L298N.
- Cấu trúc thanh ghi, sơ đồ chân và phương thức giải mã của IC âm thanh VS1003; giao thức truyền thông nối tiếp SPI (nguyên lý truyền nhận song công giữa Master và Slave).
Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế Hệ Thống
Chương 3 tập trung vào công tác tính toán và thiết kế chi tiết:
- Thiết lập sơ đồ khối hệ thống gồm 6 khối chức năng.
- Lựa chọn linh kiện dựa trên tính toán kỹ thuật: phân tích độ phân giải 24-bit của HX711 với mức điện áp vi sai nhỏ $0{,}003\text{ mV} < 1\text{--}3\text{ mV}$ từ Loadcell; lựa chọn 4 cảm biến 50 kg ghép song song; chọn động cơ bước 6 dây dòng 1–1,5 A điều khiển qua L298N; chọn màn hình cảm ứng màu TFT-LCD 2.8 inch IC ili9325.
- Thiết kế mạch nút nhấn điều khiển có điện trở kéo lên 2,2 kΩ để đảm bảo an toàn logic ở mức 5 VDC.
- Xây dựng sơ đồ nguyên lý chi tiết cho từng khối: khối xử lý trung tâm, khối hiển thị LCD, khối nút nhấn điều khiển, khối cảm biến loadcell - HX711, khối động cơ bước - L298N - công tắc hành trình, và khối âm thanh VS1003 - SD Card - loa ngoài.
Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ thiết kế:
- Thiết kế sơ đồ mạch in (PCB) và sơ đồ bố trí linh kiện cho mạch xử lý trung tâm và mạch điều khiển.
- Thi công cơ khí: chế tạo khung dưới chịu tải, khung trên dẫn hướng cơ cấu trượt, và hộp che cụm động cơ.
- Xây dựng các lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống trên phần mềm Keil uVision5 (chương trình chính, chương trình cân nặng, chương trình đo chiều cao, chương trình đọc/phát nhạc MP3, chương trình tính toán và đọc kết quả BMI).
- Thiết kế giao diện đồ họa người dùng trên màn hình cảm ứng: giao diện màn hình chính, màn hình phát nhạc giải trí, màn hình hiển thị kết quả đo.
- Biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng và quy trình thao tác từng bước cho người đo.
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương 5 trình bày sản phẩm thực tế sau khi chế tạo và thử nghiệm:
- Công bố hình ảnh mô hình hoàn thiện: mạch vi điều khiển trung tâm, kết cấu cơ khí đo chiều cao và cân nặng, giao diện hiển thị trên màn hình LCD.
- Tiến hành thực nghiệm đo lường thực tế trên người dùng để kiểm tra độ tin cậy của thuật toán và các cảm biến.
- Đưa ra các nhận xét, đánh giá về độ ổn định của hệ thống phần cứng, tốc độ xử lý dữ liệu và chất lượng âm thanh phát ra từ module VS1003.
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu ban đầu; đồng thời chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện hữu của mô hình thử nghiệm và đề xuất các giải pháp nâng cấp, hoàn thiện thiết bị trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật đạt được
Đề tài đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình cân điện tử tích hợp đo chiều cao tự động với các kết quả cụ thể:
- Chế tạo hoàn chỉnh kết cấu cơ khí và hệ thống mạch điện tử hoạt động đồng bộ, đáp ứng dải đo cân nặng lên đến 200 kg và chiều cao lên đến 2 m.
- Đo lường và hiển thị chính xác các thông số lên màn hình màu TFT-LCD 2.8 inch thông qua giao diện đồ họa trực quan.
- Xây dựng thành công cơ chế phát âm thanh giọng nói thông báo kết quả chiều cao, cân nặng, chỉ số BMI và phát ra lời khuyên sức khỏe tương ứng cho người sử dụng; tích hợp tính năng phát các bản nhạc MP3 lưu trên thẻ nhớ SD khi hệ thống ở chế độ chờ.
- Động cơ bước và thanh trượt cơ khí phối hợp nhịp nhàng với công tắc hành trình, tự động đảo chiều khi tiếp xúc đỉnh đầu người đo.
Kết quả đo kiểm thực nghiệm
Quá trình chạy thử nghiệm thực tế (được ghi nhận tại Bảng 5.1 trong văn bản đồ án) cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, các chức năng đo lường, tính toán và phát âm thanh vận hành theo đúng lưu đồ giải thuật thiết kế:
| Thông số kiểm tra |
Thiết bị đo đối chứng |
Kết quả đo trên hệ thống |
Đánh giá vận hành |
| Cân nặng (kg) |
Cân đối chứng chuẩn |
Hiển thị giá trị số trên LCD |
Phản hồi nhanh, giá trị bám sát cân đối chứng |
| Chiều cao (m) |
Thước đo chuẩn |
Tự động đo qua bước động cơ |
Thanh trượt tiếp xúc êm, dừng đúng đỉnh đầu |
| Chỉ số BMI |
Tính toán lý thuyết ($W/H^2$) |
Tự động tính và hiển thị |
Kết quả khớp với công thức toán học |
| Hệ thống âm thanh |
Tệp âm thanh mẫu |
Phát qua loa xí ngầu VSP-CK4 |
Đọc rõ ràng số đo, phát nhạc ổn định |
Đóng góp của đề tài
- Về mặt kỹ thuật: Đề tài đã tích hợp thành công nhiều module phần cứng có chuẩn giao tiếp khác nhau (ADC 24-bit HX711 chuẩn giao tiếp 2 dây, VS1003 qua chuẩn SPI tốc độ cao, điều khiển động cơ bước qua mạch cầu H L298N, màn hình màu cảm ứng ili9325) trên nền tảng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 (STM32F103).
- Về mặt ứng dụng thực tiễn: Tạo ra một mô hình thiết bị kiểm tra sức khỏe tự động, trực quan hóa kết quả đo và tăng tính tương tác với người dùng thông qua giọng nói hướng dẫn, vượt trội hơn so với các loại cân cơ học hoặc cân điện tử thông thường chỉ hiển thị số đo đơn thuần.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Các hạn chế kỹ thuật
Theo các số liệu và ghi nhận thực tế từ văn bản đồ án:
- Kích thước của công tắc hành trình gắn trên cơ cấu trượt còn nhỏ, yêu cầu người đo phải đứng đúng vị trí tâm tiếp xúc để thanh trượt chạm chính xác vào công tắc, kích hoạt đảo chiều động cơ.
- Kết quả đo cân nặng và chiều cao hiển thị vẫn có sự chênh lệch nhỏ giữa các lần đo khác nhau do phụ thuộc vào tư thế đứng của người đo và rung lắc cơ khí trong quá trình chuyển động của thanh trượt.
- Hệ thống đòi hỏi phải được đặt trên mặt bằng phẳng tuyệt đối; nếu bề mặt tiếp xúc bị nghiêng dốc sẽ làm sai lệch phân bố trọng lực lên 4 cảm biến Loadcell ở chân đế, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo tải trọng.
Hướng phát triển tiếp theo
- Cải tiến cơ cấu cơ khí đo chiều cao, nghiên cứu thay thế công tắc hành trình cơ học bằng các cảm biến tiệm cận hoặc cảm biến quang học để nâng cao độ nhạy, tính an toàn và tiện lợi cho người sử dụng.
- Tối ưu hóa thuật toán đọc tín hiệu từ cảm biến Loadcell và thuật toán nội suy số bước động cơ nhằm giảm thiểu triệt để sai số lặp lại giữa các lần đo.
- Mở rộng tính năng kết nối truyền thông không dây (như Wi-Fi hoặc Bluetooth) để đồng bộ hóa dữ liệu chỉ số BMI và lịch sử theo dõi thể trạng người dùng lên các ứng dụng điện thoại hoặc hệ thống máy chủ y tế.
Giá trị tham khảo
Bản đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Y sinh và Hệ thống Nhúng:
- Tài liệu tham khảo về thiết kế phần cứng: Cung cấp chi tiết sơ đồ nguyên lý kết nối các vi mạch thông dụng như vi điều khiển STM32F103, module ADC 24-bit HX711, driver cầu H L298N và module giải mã âm thanh VS1003.
- Tài liệu tham khảo về thuật toán và phần mềm: Cung cấp các lưu đồ giải thuật rõ ràng về việc lập trình thu thập tín hiệu vi sai, xử lý giao tiếp ngoại vi SPI, điều khiển động cơ bước và kỹ thuật lập trình giao diện đồ họa trên màn hình LCD TFT bằng công cụ Keil uVision5.
- Tài liệu hướng dẫn thi công cơ khí - điện tử: Cung cấp phương pháp tích hợp hệ cơ khí (dây curoa, thanh trượt, khung chịu lực) với hệ điều khiển điện tử, hữu ích cho các đề tài phát triển thiết bị đo lường y tế và tự động hóa sinh hoạt.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ thống sử dụng cảm biến và cơ cấu chấp hành nào để xác định cân nặng và chiều cao của người đo?
Hệ thống sử dụng 4 cảm biến tải trọng Loadcell 50 kg ghép song song tại 4 góc chân đế (cho tổng tải trọng tối đa 200 kg) kết nối qua bộ chuyển đổi ADC 24-bit HX711 để xác định cân nặng. Việc đo chiều cao được thực hiện thông qua một động cơ bước 2 pha 6 dây điều khiển bởi mạch cầu H L298N; động cơ kéo dây curoa di chuyển thanh trượt từ trên xuống, quãng đường đi được tính toán dựa trên số bước quay của động cơ cho tới khi công tắc hành trình chạm đỉnh đầu người đo.
2. Bộ chuyển đổi ADC HX711 có vai trò kỹ thuật gì và kết nối với vi điều khiển STM32F103 qua các chân nào?
Do tín hiệu điện áp vi sai ngõ ra của mạch cầu Wheatstone trên Loadcell rất nhỏ (khoảng 1–3 mV), module HX711 đóng vai trò khuếch đại điện áp thấp (sử dụng mạch khuếch đại PGA có thể lập trình) và chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 24-bit với độ phân giải lý thuyết khoảng $0{,}0003\text{ mV}$. Module HX711 giao tiếp với vi điều khiển STM32F103 qua 2 chân GPIO: chân truyền dữ liệu DOUT nối vào PC14 và chân cấp xung nhịp điều khiển PD_SCK nối vào PC15.
3. Module âm thanh VS1003 giao tiếp với vi điều khiển trung tâm theo chuẩn nào và thực hiện nhiệm vụ gì?
Module VS1003 đóng vai trò là một thiết bị Slave giao tiếp với vi điều khiển STM32F103 qua chuẩn giao tiếp nối tiếp SPI1 (các chân: SCLK nối SPI1_SCK, MISO nối SPI1_MISO, MOSI nối SPI1_MOSI, DREQ nối PA3, XCS nối PC12, XDCS nối PC13, XRST nối NRST). Module thực hiện giải mã phần cứng các tệp âm thanh định dạng MP3 lưu trong thẻ nhớ SD card để phát giọng nói thông báo số đo chiều cao, cân nặng, nhận xét chỉ số BMI, đưa ra lời khuyên sức khỏe và phát nhạc thư giãn ra loa xí ngầu VSP-CK4.
4. Hệ thống phân loại thể trạng người đo dựa trên công thức nào và theo những tiêu chuẩn y tế nào?
Hệ thống tính toán chỉ số khối cơ thể theo công thức: $BMI = \text{Cân nặng (kg)} / [\text{Chiều cao (m)}]^2$. Giá trị tính được sau đó được chương trình tự động đối chiếu với bảng phân loại tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và tiêu chuẩn dành cho người châu Á của Hiệp hội Đái tháo đường Quốc tế & Khu vực Tây Thái Bình Dương (IDI & WPRO) để xác định các mức thể trạng: Cân nặng thấp (gầy), Bình thường, Thừa cân, Tiền béo phì, và Béo phì độ I, II, III.
5. Khối điều khiển bằng phím bấm được thiết kế như thế nào để chống hiện tượng ngắn mạch?
Khối điều khiển gồm 3 nút nhấn cơ học kích thước 12 x 12 x 12 mm nối vào nguồn 5 VDC, cho phép dòng hoạt động tối đa 50 mA. Để đảm bảo an toàn cho các cổng GPIO của vi điều khiển STM32F103 và tránh hiện tượng ngắn mạch khi bấm nút, mạch được thiết kế bổ sung các điện trở kéo lên có trị số $2{,}2\text{ k}\Omega$, kết nối lần lượt vào các chân tín hiệu PA0 (nút Nghe nhạc), PA1 (nút Đo) và PA2 (nút Thoát/Back).
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công cân điện tử" của sinh viên Trần Minh Đức đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thành công một thiết bị đo lường thể trạng tự động hóa dựa trên vi điều khiển ARM Cortex-M3 (STM32F103RBT6). Hệ thống tích hợp hiệu quả giữa kết cấu cơ điện đo chiều cao, cảm biến lực đo cân nặng, màn hình màu cảm ứng 2.8 inch và module giải mã âm thanh thông báo chỉ số BMI bằng giọng nói. Mặc dù vẫn còn một số giới hạn về kích thước công tắc hành trình cơ học và yêu cầu bề mặt lắp đặt phẳng, công trình đã chứng minh tính khả thi cao trong ứng dụng kỹ thuật nhúng vào thiết bị y tế dân dụng và là tài liệu tham khảo kỹ thuật giá trị cho các nghiên cứu cùng chuyên ngành.
