ĐỀ tài THIẾT kế và THI CÔNG cân điện tử

 NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được, lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công mô hình kết nối các module với KIT điều khiển.. VI Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa v

Trang 1

I

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

CÂN ĐIỆN TỬ

GVHD: ThS Phan Vân Hoàn

SVTH: Trần Minh Đức MSSV: 14141072

Tp Hồ Chí Minh -01/2019

Trang 2

II

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP –

Y SINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

o0o

Tp HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÂN ĐIỆN TỬ

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

Khảo sát các loại vi điều khiển ARM, lựa chọn màn hình cảm ứng TFT LCD, module âm thanh

Tìm hiểu và thu thập các số liệu từ các trang mạng và sách về lập trình vi điều khiển ARM

Tìm hiểu các tài liệu hướng dẫn sử dụng loadcell, động cơ bước, module giải mã

âm thanh

2 Nội dung thực hiện:

 NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu về KIT STM32F103RBT6, module VS1003, loadcell, động cơ bước,

 NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được, lựa chọn giải pháp thiết

kế và thi công mô hình kết nối các module với KIT điều khiển

 NỘI DUNG 3: Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển, thiết kế giao diện màn hình cân điện tử

Trang 3

III

 NỘI DUNG 4: Thử nghiệm và điều chỉnh phần mềm cũng như phần cứng để

mô hình được tối ưu, sử dụng dễ dàng Đánh giá các thông số của mô hình so với thông số thực tế

 NỘI DUNG 5: Viết báo cáo thực hiện

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/01/2019

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Phan Vân Hoàn CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 4

IV

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

o0o

Tp HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên 2: Trần Minh Đức Lớp: 14141DT3A MSSV: 14141072 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÂN ĐIỆN TỬ

Tuần 1 10/9 – 16/9

Gặp GVHD nhận đề tài

Nhận tài liệu hướng dẫn từ GVHD

Tuần 2 17/9 – 23/9

Viết báo cáo Chương 1

Đọc tài liệu kĩ thuật KIT STM32F103

Tuần 3 24/9 – 30/9

Giao tiếp STM32 với TFT-LCD

Tuần 4 1/10 – 7/10

Giao tiếp STM32 với TFT-LCD

Nghiên cứu về loadcell

Tuần 5 8/10 – 14/10

Giao tiếp STM32 với loadcell bằng module HX711

Hiển thị được cân nặng

Tuần 6 15/10 – 21/10

Thiết kế mô hình đo chiều cao

Tuần 7 22/10 – 28/10

Giao tiếp STM32 với động cơ bước

Tìm hiểu mudule điều khiển LN298

Trang 5

V

Tuần 8 29/10 – 4/11

Tính toán, hiển thị được đo chiều cao

Tuần 9 5/11 – 11/11

Giao tiếp STM32 với thẻ nhớ SD card

Tuần 10 12/11 – 18/11

Giao tiếp với thẻ nhớ phát được nhạc MP3

Tuần 11 19/11 – 25/11

Giao tiếp module giải mã âm thanh đọc được cân nặng

Tuần 12 26/11 – 2/12

Giao tiếp module giải mã âm thanh đọc được chiều cao

Tuần 13,14 3/12 – 16/12

Viết báo cáo Chương 5,6

Hoàn thành mô hình, tiến hành chạy thử và kiểm tra lỗi

GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)

LỜI CAM ĐOAN

Trang 6

VI

Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Người thực hiện đề tài

Trần Minh Đức

LỜI CẢM ƠN

Trang 7

VII

Chúng em xin cảm ơn sâu sắc đến thầy Phan Vân Hoàn đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để chúng em hoàn thành đề tài

Chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện - Điện Tử

đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài

Chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 14141DT3A đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài Xin cảm ơn đến cha mẹ

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Trần Minh Đức

TÓM TẮT

Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp điện tử, kỹ thuật số các hệ thống dần dần được tự động hoá Với sự phát triển của vi xử lí, vi mạch số được ứng dụng vào lĩnh

Trang 8

VIII

vực điều khiển giúp việc xử lý thông tin nhanh hơn trước đây giúp phục vụ vào nhu cầu cuộc sống của con người Với tiêu chí chăm sóc sức khỏe con người trong cuộc sống hiện nay, chúng tôi chọn đề tài này để thiết kế mô hình cân điện tử thực tế giúp nhận biết được thể trạng con người, đề có những biện pháp giúp cơ thể trở nên khỏe mạnh hơn và hạn chế được các bệnh lý trong cơ thể qua đó giúp nhận biết tốt nhất nhằm cân bằng thể trạng con người

Đề tài này được nghiên cứu thực hiện và cải tiến từ những trang thiết bị cân đo thực tế có trong cuộc sống Qua đó giúp chúng ta áp dụng được lập trình vi xử lý vào

mô hình cân đo hằng ngày

hình cân đo chiều cao và cân nặng, mang lại độ chính xác khá cao trong việc đo đạt và lời khuyên từ mô hình cho người cân đo

Trang 9

IX

MỤC LỤC

BÌA NGOÀI I NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP II LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP IV LỜI CAM ĐOAN V LỜI CẢM ƠN VI TÓM TẮT VII MỤC LỤC IX DANH SÁCH HÌNH XI DANH SÁCH BẢNG XIII

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 1

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 TỔNG QUAN CÂN SỨC KHỎE VÀ ĐO CHIỀU CAO BMI 4

2.1.1 Chỉ số BMI là gì? 4

2.1.2 BMI với sức khỏe con người 5

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 7

2.2.1 Tổng quan về ARM 7

2.2.2 Giới thiệu về ARM-Cortex-M3 STM32F1 9

2.2.3 Cảm biến loadcell 11

2.2.4 Giới thiệu module HX711 13

2.2.5 Giới thiệu động cơ bước 17

2.2.6 Giới thiệu modual L298N 21

2.2.7 Module giải mã âm thanh VS1003 23

2.2.8 Chuẩn giao tiếp SPI 25

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN_THIẾT KẾ 28

3.1 GIỚI THIỆU 28

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 28

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối 28

Trang 10

X

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 29

a Khối xử lý trung tâm 29

b Khối hiển thị 30

c Khối điều khiển 31

d Khối cảm biến 33

e Khối động cơ 34

f Khối âm thanh 36

g Khối nguồn 39

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống 40

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 41

4.1 GIỚI THIỆU 41

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 41

4.2.1 Thi công board mạch 41

4.2.2 Lắp ráp, hàn linh kiện và kiểm tra 43

4.2.3 Thi công mô hình 44

4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 46

4.3.1 Lưu đồ giải thuật 46

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 52

4.4 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 53

4.4.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 53

4.4.2 Quy trình thao tác 54

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 56

5.1 KẾT QUẢ 56

5.1.1 Kết quả phần cứng 56

5.1.3 Kết quả đo thử 60

5.2 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ 63

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65

6.1 KẾT LUẬN 65

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67

Trang 11

XI

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1: Biểu đồ quan hệ giữa chiều cao và cân nặng con người 4

Hình 2.2: Ảnh minh họa người gầy 9

Hình 2.3: Ảnh minh họa người béo phì 6

Hình 2.4: Kiến trúc của vi xử lí ARM Cotex-M7 9

Hình 2.5: Kiến trúc ARM Cortex-M3 10

Hình 2.6: Load cell 50kg 12

Hình 2.7: Load cell 5kg 12

Hình 2.8: Mạch cầu điện trở Wheatstone 12

Hình 2.9: Sự thay dổi điện trở trên loadcell 13

Hình 2.10: Module HX711 13

Hình 2.11: Sơ đồ khối ứng dụng cân nặng 15

Hình 2.12: Sơ đồ chân trong module HX711 15

Hình 2.13: Dữ liệu đầu ra, đầu vào và thời gian lựa chọn và kiểm soát 17

Hình 2.14: Động cơ bước 18

Hình 2.15: Cấu tạo động cơ bước từ trở 18

Hình 2.16: Cấu tạo động cơ bước đơn cực 19

Hình 2.17: Cấu tạo động cơ bước hai cực 20

Hình 2.18: Cấu tạo động cơ bước nhiều pha 21

Hình 2.19: Sơ đồ chân của IC L298 22

Hình 2.20: Module L298N 23

Hình 2.21: Sơ đồ cấu trúc và sơ đồ chân VS1003 24

Hình 2.22: Sơ đồ kết nối chuẩn SPI Master-Slave 26

Hình 2.23: Quá trình truyền nhận SPI 27

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống 28

Hình 3.2: Mặt trên của kit STM32F103RBT6 30

Hình 3.3: Màn hình LCD 2.8 inch 31

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của KIT STM32 với LCD 29

Hình 3.5: Nút nhấn 12x12x12mm 32

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý nút nhấn với KIT STM32 32

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của khối cảm biến đo cân nặng 34

Hình 3.8: Thứ tự động cơ quay thuận 35

Hình 3.9: Thứ tự động cơ quay nghịch 35

Hình 3.10: Module công tắc hành trình 35

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý của động cơ bước với L298 và KIT STM32 36

Hình 3.12: Module VS1003 37

Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý STM32F103 với VS1003 và SD-card 38

Hình 3.14: Loa xí ngầu VSP-CK4 39

Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống 40

Hình 4.1: Sơ đồ mạch in của mạch xử lý trung tâm 41Error! Bookmark not defined Hình 4.2: Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển 41

Trang 12

XII

Hình 4.3: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch xử lý trung tâm 42

Hình 4.4: Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển 42

Hình 4.5: Khung dưới của hệ thống 44

Hình 4.6: Khung trên và bộ trượt của hệ thống 45

Hình 4.7: Hộp đựng động cơ 45

Hình 4.8: Lưu đồ chương trình chính 46

Hình 4.9: Lưu đồ chương trình cân nặng 47

Hình 4.10: Lưu đồ đo chiều cao 48

Hình 4.11: Lưu đồ đọc/phát nhạc 49

Hình 4.12: Lưu đồ chế độ phát nhạc 50

Hình 4.13: Lưu đồ phát nhạc 50

Hình 4.14: Lưu đồ đọc giá trị BMI 51

Hình 4.15: Giao diện phần mềm Keil uVision5 52

Hình 4.16: Giao diện màn hình chính 54

Hình 4.17: Giao diện màn hình nghe nhạc 55

Hình 4.18: Giao diện màn hình đo 55

Hình 5.1: Mạch xử lý trung tâm 56

Hình 5.2: Giao diện hình ảnh của cân điện tử 56

Hình 5.3: Mô hình cân đo cân nặng 57

Hình 5.4: Mô hình đo chiều cao 57

Hình 5.5: Mô hình bộ điều khiển 58

Hình 5.6: Mô hình bộ xử lý trung tâm 58

Hình 5.7: Hệ thống cân điện tử hoàn thiện 59

Hình 5.8: Người dùng chỉnh hệ thống trước khi đo 60

Hình 5.9: Người dùng đứng khi đang đo 61

Hình 5.10: Người dùng đo khi thanh trượt chạm đầu 62

Hình 5.11:Giao diện hiển thị sau khi đo 63

Trang 13

XIII

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: Đánh giá tiêu chuẩn của tổ chức y tế thế giới 5

Bảng 2.2: Các chế độ BOOT của STM32F1 10

Bảng 2.3: Mô tả sơ đồ chức năng các chân của HX711 16

Bảng 2.4: Quá trình hoạt động của dữ liệu đầu vào và dữ liệu đầu ra 17

Bảng 2.5: Mô tả sơ đồ chức năng các chân của VS1003 24

Bảng 3.1: Mô tả chân kết nối của VS1003 với STM32F103RBT6 37

Bảng 4.1: Bảng linh kiện sử dụng 43

Bảng 4.2: Các bước lắp ráp linh kiện 44

Bảng 5.1: Tiến hành đo thử nghiệm 64

Trang 14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp điện tử, kỹ thuật số các hệ thống dần dần được tự động hoá Với sự phát triển của vi xử lí, vi mạch số được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển giúp việc xử lý thông tin nhanh hơn trước đây giúp phục vụ vào nhu cầu cuộc sống của con người

Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, việc cân đo chiều cao và cân nặng bằng cách thủ công tốn khá nhiều thời gian và độ chính xác không cao Ở ngành điện tử, vi điều khiển

đã thâm nhập khá vào lĩnh vực này chính vì thế cân điện tử là một ứng dụng điển hình giúp giải quyết được vấn đề này Vì các lý do trên và trên cơ sở lý thuyết đã học được, đồng thời với sự giúp đỡ của thầy Phan Vân Hoàn nên nhóm tiến hành thực hiện đề tài:

“ Thiết kế và thi công cân điện tử”

Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32F103 giao tiếp với màn hình cảm ứng TFT LCD để hiển thị các thông số KIT điều khiển được động cơ thông qua module L298N

và loadcell qua module HX711 Bộ giải mã âm thanh VS1003 giúp phát được âm thanh

từ thẻ nhớ SD CARD

1.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công được hệ thống cân và đo chiều cao có chức năng:

- Đo được cân nặng bằng loadcell kết nối với module HX711 để chuyển tín hiệu điện áp sang tín hiệu số

- Đo được chiều cao bằng cách tính khoảng cách đi được của động cơ bước qua giao tiếp với module L298N

- Có các nút nhấn điều khiển 2 chế độ: Chế độ phát nhạc lúc rảnh và chế độ đọc cân nặng, chiều cao khi đo

- Hệ thống âm thanh đọc chiều cao và cân nặng Sau đó nhận xét kết luận và đưa

ra lời khuyên cho người đo

Trang 15

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu các chủ

đề, các nội dung liên quan đến đề tài

 NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được, lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công mô hình kết nối các module với KIT điều khiển

 NỘI DUNG 3: Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển, thiết kế giao diện màn hình cân điện tử

 NỘI DUNG 4: Thử nghiệm và điều chỉnh phần mềm cũng như phần cứng để mô hình được tối ưu, sử dụng dễ dàng Đánh giá các thông số của mô hình so với thông số thực tế

 NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện

1.4 GIỚI HẠN

 Đo trọng lượng tối đa được 200 kg và đo chiều cao là 2 m

 Công tắc hành trình nhỏ, người đo cần đứng đúng vào vị trí của công tắc

 Cân nặng và chiều cao hiển thị số liệu khác nhau sau mỗi lần đo khác nhau

 Cần đặt cân ở những vị trí bằng phẳng tránh dốc để đảm bảo việc đo đạt chính xác

1.5 BỐ CỤC

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung ̣ nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng

để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài

 Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài về thiết kế và các tính toán liên quan đến đề tài

 Chương 4: Thi công hệ thống

Trang 16

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

Trang 17

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?

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

Hình 2.1: 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

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

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	831,1 KB