TỔNG QUAN
Ngày nay, sự phát triển của công nghiệp điện tử và kỹ thuật số đã dẫn đến việc tự động hóa các hệ thống Vi xử lý và vi mạch số được ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển, giúp xử lý thông tin nhanh chóng hơn, đáp ứng tốt hơn nhu cầu cuộc sống của con người.
Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, việc đo chiều cao và cân nặng bằng phương pháp thủ công không chỉ tốn thời gian mà còn thiếu độ chính xác Việc ứng dụng vi điều khiển trong ngành điện tử đã mang lại giải pháp hiệu quả, với cân điện tử là một ví dụ tiêu biểu Dựa trên lý thuyết đã học và sự hỗ trợ từ thầy Phan Vân Hoàn, nhóm quyết định thực hiện đề tài này.
“Thiết kế và thi công cân điện tử”.
Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32F103 để giao tiếp với màn hình cảm ứng TFT LCD nhằm hiển thị các thông số KIT điều khiển điều khiển động cơ thông qua module L298N và cảm biến tải (loadcell) qua module HX711 Bộ giải mã âm thanh VS1003 cho phép phát âm thanh từ thẻ nhớ SD CARD.
Thiết kế và thi công được hệ thống cân và đo chiều cao có chức năng:
Đo cân nặng sử dụng loadcell kết nối với module HX711 để chuyển đổi tín hiệu điện áp thành tín hiệu số Để đo chiều cao, tính toán khoảng cách di chuyển của động cơ bước thông 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.
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.
Thử nghiệm và điều chỉnh phần mềm cùng phần cứng là cần thiết để tối ưu hóa mô hình, đảm bảo tính dễ sử dụng Đồng thời, việc đánh giá các thông số của mô hình so với thông số thực tế giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác của sản phẩm.
NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện.
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 có thể thay đổi sau mỗi lần đo, vì vậy việc đặt cân ở vị trí bằng phẳng và tránh dốc là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong kết quả đo.
Chương này giới thiệu lý do lựa chọn đề tài, xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đồng thời nêu rõ các giới hạn thông số và cấu trúc của 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
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.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN CÂN SỨC KHỎE VÀ ĐO CHIỀU CAO BMI
2.1.1 Chỉ số BMI là gì?
Trong bối cảnh cuộc sống hiện đại, việc duy trì sức khỏe tốt là rất quan trọng để học tập và làm việc hiệu quả Cân bằng thể trạng cơ thể không chỉ giúp giữ vóc dáng cân đối mà còn phòng tránh nhiều bệnh tật Do đó, mỗi người cần chú trọng rèn luyện thể chất và duy trì chế độ dinh dưỡng hợp lý.
Hình 2.1: Biểu đồ quan hệ giữa chiều cao và cân nặng con người
Chỉ số khối cơ thể (BMI) là công cụ đánh giá mức độ gầy hay béo của một người, được phát triển bởi nhà bác học người Bỉ Adolphe Quetelet vào năm 1832 Chỉ số này giúp xác định tình trạng cơ thể, phân loại người vào các nhóm như béo phì, thừa cân, bình thường, gầy hoặc quá gầy.
Chỉ số khối cơ thể (BMI) được tính bằng cách chia cân nặng (kg) cho bình phương chiều cao (m) Bạn có thể tính chỉ số này theo công thức hoặc tham khảo các bảng tiêu chuẩn có sẵn.
Công thức tính chỉ số BMI:
퐶â푛 푛ặ푛푔 (푘 푔)
퐶 푖ℎ ề푢 푐푎표 푥 푐ℎ
푖ề푢 푐푎표 (푚)
(2.1) 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.
Bảng 2.1: Đánh giá tiêu chuẩn của tổ chức y tế thế giới
Cân nặng thấp (gầy) Bình thường
WHO BMI (kg/m2) IDI & WPRO BMI (kg/m2)
Béo phì loại I Béo phì loại II
2.1.2 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 da khô thường xảy ra do thiếu hụt dưỡng chất, dẫn đến tình trạng tóc xơ xác và rụng nhiều, trong khi da mất lớp mỡ dưới da, gây ra nếp nhăn.
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.
Chỉ số BMI trên 30 làm tăng nguy cơ mắc các bệnh mạch máu não, tiểu đường và huyết áp cao Điều này xảy ra do cơ thể giảm khả năng điều hòa mức đường huyết thông qua việc sản xuất insulin.
Giảm chức năng hô hấp, khó thở dễ khiến mắc bệnh ngưng thở khi ngủ, khiến não thiếu oxy, tạo hội chứng Pickwick.
Bệnh lý đường tiêu hóa như sỏi mật, ung thư đường mật, và các vấn đề về gan, ruột có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe Ngoài ra, lượng mỡ dư thừa trong cơ thể có thể gây rối loạn buồng trứng, dẫn đến tình trạng tắt kinh hoặc rối loạn kinh nguyệt, làm giảm khả năng sinh sản.
Hình 2.3: Ảnh minh họa người béo phì.
GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.2.1 Tổng quan về ARM (Trích dẫn Wikipedia).
Cấu trúc ARM, viết tắt của Acorn RISC Machine, là vi xử lý 32 bit theo kiểu RISC, thuộc kiến trúc Harvard với tập lệnh rút gọn Nó được sử dụng phổ biến trong thiết kế nhúng nhờ vào khả năng tiết kiệm năng lượng vượt trội Các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong sản phẩm điện tử di động, nơi việc giảm thiểu tiêu tán công suất là một mục tiêu thiết kế quan trọng.
Thiết kế ARM bắt đầu vào năm 1983 trong một dự án của công ty máy tính Acorn, với nhóm thiết kế hoàn thành mẫu ARM1 vào năm đó.
Năm 1985, nhóm phát triển đã hoàn thành sản phẩm ARM2, một vi xử lý với thiết kế đơn giản gồm 30.000 transistor ARM2 sở hữu tuyến dữ liệu 32 bit và không gian địa chỉ 26 bit, cho phép quản lý lên đến 64 Mbyte địa chỉ cùng 16 thanh ghi 32 bit Tiếp theo, ARM3 ra đời với 4KB cache và cải thiện đáng kể về chức năng.
Lõi ARM đã giữ nguyên kích thước qua nhiều thế hệ, với ARM2 có 30.000 transistor và ARM6 chỉ tăng lên 35.000 transistor Nhà sản xuất lõi ARM thiết kế để người dùng có thể kết hợp lõi ARM với các bộ phận tùy chọn, tạo ra một CPU hoàn chỉnh Điều này cho phép sản xuất trên các nhà máy bán dẫn cũ, đồng thời vẫn cung cấp sản phẩm đa dạng tính năng với giá thành thấp.
Thế hệ vi xử lý thành công nhất có lẽ là ARM7TDMI, với hàng trăm triệu lõi được sử dụng trong điện thoại di động, hệ thống game cầm tay và Sega Dreamcast Mặc dù ARM chủ yếu tập trung vào việc bán lõi IP, nhưng cũng có một số giấy phép cho phép phát triển 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.
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 cuối cùng trong tên của một dòng ARM phản ánh hiệu suất tương đối của dòng đó, với dòng ARM mang số 0 có hiệu suất thấp nhất.
Tập đoàn ST Microelectronics đã ra mắt dòng vi điều khiển STM32, sử dụng lõi ARM Cortex-M3 thế hệ mới do ARM thiết kế Lõi ARM Cortex-M3 là phiên bản cải tiến của lõi ARMv7-M 32bit, từng mang lại thành công lớn cho ARM Dòng STM32 thiết lập tiêu chuẩn mới về hiệu suất, chi phí, và khả năng đáp ứng các ứng dụng tiêu thụ năng lượng thấp cùng tính điều khiển thời gian thực nghiêm ngặt.
Chip ARM Cortex-M7 là một vi điều khiển 32-bit cao cấp nhất trong series Cortex-
The ARM Cortex-M7 features double the digital signal processing (DSP) capabilities compared to the Cortex-M4, allowing for simultaneous processing of tasks.
Hai tập lệnh giúp chip M7 hoạt động với tần số cao hơn, mang lại hiệu suất vượt trội cho dòng chip MCU 32-bit Chip M7 tăng tốc độ xử lý dữ liệu từ cảm biến thành thông tin số, gấp đôi hiệu năng tính toán và DSP, đồng thời giảm tiêu thụ điện năng nhờ công nghệ sản xuất 28nm Chip này hỗ trợ các thiết bị nhúng với khả năng điều khiển giọng nói và giao diện rich OS, đồng thời được ứng dụng trong smartphone và ô tô để điều khiển các chức năng màn hình cảm ứng và âm thanh phức tạp.
Hình 2.4: Kiến trúc của vi xử lí ARM Cotex-M7
2.2 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.
Kiến trúc ARM Cortex-M3 trong họ ARM STM32F1 có các địa chỉ ngoại vi bắt đầu từ 0x40000000 đến 0x500003FF, sử dụng các bus AHB, APB1 và APB2 để trao đổi dữ liệu Vùng nhớ SRAM có địa chỉ nền là 0x20000000 và cho phép truy xuất dữ liệu theo dạng byte.
0 half word, word Vùng nhớ FLASH của STM32F103RBT6 bắt đầu từ 0x08000000 đến x0807FFFF.
Dòng STM32F1 có 3 chế độ BOOT được chọn bởi 2 chân BOOT0 và BOOT1
Bảng 2.2: Các chế độ BOOT của STM32F1
Trạng thái chân boot Chế độ boot Giải thích
Bộ nhớ Flash chính Chọn boot từ bộ nhớ Flash chính
Bộ nhớ hệ thống SRAM
Chọn boot từ bộ nhớ hệ thốngChọn boot từ bộ nhớ SRAM
Nguồn cung cấp cho ARM (VDD) yêu cầu nằm trong khoảng từ 2 đến 3.6V, với mức thường được cấp là 3.3V Để cung cấp nguồn 1.8V cho lõi điều khiển, SRAM và các thiết bị ngoại vi số, ARM sử dụng một bộ điều chỉnh điện áp bên trong.
STM32F103RBT6 là vi điều khiển của STmicroelectronics, sử dụng lõi ARM Cortex-M3 với khả năng lưu trữ 512Kb Flash và 64Kbytes SRAM Vi điều khiển này hoạt động ở tần số tối đa 72Mhz và hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp như CAN, I2C, SPI, UART/USART, USB và FSMC Nó sử dụng 4 nguồn dao động, bao gồm thạch anh ngoại từ 4 đến 16Mhz, bộ dao động RC nội tần số 8Mhz, bộ dao động RC hiệu chuẩn nội 40kHz và bộ dao động 32kHz cho RTC.
Bài viết đề cập đến các chế độ tiết kiệm năng lượng như Sleep, Stop và Standby Hệ thống được trang bị 2 kênh chuyển đổi DAC 12 bit và 16 kênh ADC 12 bit, cùng với 12 kênh DMA hỗ trợ nhiều ngoại vi Ngoài ra, nó còn hỗ trợ 2 chuẩn gỡ lỗi SWD và JTAG Trong số 8 TIMER, TIMER1 và TIMER8 là các TIMER nâng cao, trong khi TIMER6 và TIMER7 là TIMER cơ bản, các TIMER còn lại đảm nhiệm chức năng thông thường.
Dòng ARM Cortex là một bộ xử lý thế hệ mới với kiến trúc chuẩn phục vụ nhu cầu công nghệ đa dạng Khác với các chip ARM khác, Cortex cung cấp một lõi xử lý hoàn thiện với chuẩn CPU và kiến trúc hệ thống chung Dòng Cortex bao gồm ba phân nhánh chính: dòng A cho ứng dụng cao cấp, dòng R cho ứng dụng thời gian thực, và dòng M cho ứng dụng vi điều khiển và chi phí thấp STM32, được thiết kế dựa trên dòng Cortex-M3, tối ưu hóa hiệu suất hệ thống với mức tiêu thụ năng lượng thấp Cortex-M3 được xây dựng trên kiến trúc mới, giúp giảm chi phí sản xuất, cạnh tranh hiệu quả với các vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống.
Loadcell là một thiết bị cảm biến quan trọng, chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện Thiết bị này thường được sử dụng để đo các lực lớn, tĩnh hoặc biến thiên chậm Tùy thuộc vào thiết kế, một số loại loadcell còn có khả năng đo lực tác động mạnh.
Hình 2.6: Load cell 50kg Hình 2.7: Load cell 5kg
TÍNH TOÁN_THIẾT KẾ
Thiết kế sơ đồ khối
Với những yêu cầu của hệ thống, thiết kế sơ đồ khối tổng quát cho hệ thống như sau:
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống
Trong sơ đồ bao gồm các khối:
Khối nguồn: Cung cấp nguồn hoạt động cho các phần cứng và module điều khiển trong hệ thống.
Khối hiển thị: Màn hình hiển thị giao diện cân đo.
Khối âm thanh: Nhận lệnh và dữ liệu từ khối điều khiển phát tín hiệu âm thanh ra loa.
Khối động cơ: Nhận lệnh và dữ liệu từ khối điều khiển làm cho động cơ hoạt động.
Khối điều khiển nhận lệnh từ người dùng để điều chỉnh hoạt động của hệ thống, trong khi khối xử lý trung tâm quản lý các quá trình giao tiếp và truyền nhận thông tin giữa các module Khối xử lý trung tâm tiếp nhận tín hiệu từ khối điều khiển, chuyển tiếp đến các khối khác để thu thập dữ liệu từ các module, hiển thị hình ảnh và phát tín hiệu âm thanh.
Tính toán và thiết kế mạch
a Khối xử lý trung tâm.
Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ xử lý dữ liệu từ khối điều khiển và xuất dữ liệu ra màn hình hiển thị Để đáp ứng yêu cầu này, cần một KIT vi điều khiển tốc độ cao với các chuẩn giao tiếp truyền thông để kết nối với các module ngoại vi, bao gồm màn hình TFT-LCD hoặc kết nối với LCD rời Sau quá trình tìm hiểu và hướng dẫn từ GVHD, nhóm quyết định chọn vi điều khiển STM32, cụ thể là KIT STM32F103RBT6 với các thông số kỹ thuật cơ bản phù hợp.
CPU: STM32F103RBT6, ARM Cortex-M3, xung nhịp hoạt động tối đa là 72 MHz với tốc độ: 128K bytes và bộ nhớ Ram: 20K bytes. Đèn LED 4 X (một đèn LED nguồn).
Màn hình TFT-LCD 2.8-inch 240x320.
4 phím chức năng. Điện áp nguồn 5VDC.
Tất cả cổng GPIO Dẫn ra, dễ dàng cho ứng dụng hệ thống.
Hình 3.2: Mặt trên của kit STM32F103RBT6 b Khối hiển thị.
Khối hiển thị là thiết bị quan trọng giúp người dùng quan sát thông tin về chiều cao và cân nặng một cách rõ ràng Có nhiều lựa chọn cho khối hiển thị như LCD và LED ma trận, nhưng nhóm đã quyết định chọn LCD 2.8 inch do giá thành rẻ, tiết kiệm năng lượng và dễ dàng điều khiển, sử dụng.
Màn hình LCD TFT cảm ứng màu 2.8 inch sử dụng IC điều khiển ili9325 và IC điều khiển cảm ứng điện trở XPT2046, rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu màn hình cảm ứng, giúp nâng cao tính linh động trong giao diện và thiết kế điều khiển.
IC điều khiển cảm ứng XPT2046.
Khe cắm SD Card chuẩn.
Hỗ trợ định dạng 16bit RGB565. Điện áp: 3.3V. Điện áp chịu đựng cho từng chân I/O không quá 3.3v.
Hình 3.3: Màn hình LCD 2.8 inch
Sơ đồ nguyên lý của KIT STM32 và TFT-LCD:
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của KIT STM32 với TFT-LCD c Khối điều khiển.
Khối điều khiển: Khối này gồm có các nút nhấn được nối với KIT để điều khiển các chế hoạt động khác nhau Khối này gồm 3 nút nhấn:
Nút NGHE NHẠC: Khi ở chế độ rảnh hoặc nhấn nút này cho phép hệ thống ngừng đo và phát các bài nhạc MP3 được lập trình sẵn.
Nút ĐO: Khi nhấn nút mạch chuyển sang chế độ đo và bắt đầu hoạt động đo chiều cao và cân nặng hiển thị trên TFT-LCD.
Nút BACK: Nút này cho phép thoát khỏi chế độ đo và nge nhạc.
Nhóm đã quyết định chọn nút nhấn kích thước 12x12x12mm vì kích thước lớn giúp người dùng dễ dàng nhấn mà không bị đau tay Nút nhấn này không chỉ tiện lợi mà còn có giá thành hợp lý, mang lại sự thoải mái trong quá trình sử dụng.
Các nút nhấn sử dụng nguồn cấp 5V để kết nối với các chân của kit ARM và hoạt động với dòng tối đa 50mA Để tránh tình trạng ngắn mạch khi nhấn nút ảnh hưởng đến vi điều khiển, cần sử dụng điện trở kéo lên Nhóm đã chọn điện trở kéo lên 2,2KΩ cho mạch này.
Dưới dây là sơ đồ nguyên lý của nút nhấn với STM32F103:
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý nút nhấn với KIT STM32
Các nút nhấn sẽ được kết nối với các chân tín hiệu của KIT để điều khiển toàn bộ hệ thống Cụ thể, nút phát nhạc, nút đo và nút thoát lần lượt được kết nối với các chân PA0, PA1 và PA2 Hai đầu của nút nhấn được đặt giữa điện áp 5V, đảm bảo hoạt động ổn định cho khối cảm biến.
Đề tài này nghiên cứu việc sử dụng cảm biến chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để đo khối lượng Khi tác động vào loadcell, giá trị điện trở thay đổi dẫn đến sự biến đổi của điện áp đầu ra Để phục vụ mục đích cân khối lượng người, nhóm đã chọn 4 cảm biến trọng lượng 50kg được kết nối ở 4 góc của cân, nhằm đảm bảo độ chính xác cao trong việc đo lường.
Đầu ra của loadcell có điện áp rất nhỏ, chỉ khoảng 1-3mV, do đó cần sử dụng các bộ ADC có độ phân giải cao để đọc được mức điện áp này Bộ ADC có độ phân giải 24 bit đáp ứng được yêu cầu này, với công thức tính độ phân giải analog là 0,003mV, nhỏ hơn 1-3mV.
Để đọc giá trị loadcell, nên sử dụng bộ chuyển đổi 24 bit, trong đó module HX711 là lựa chọn phù hợp với dòng làm việc dưới 1,5mA và độ phân giải 24 bit Sau khi kết nối 4 loadcell, ngõ ra cần được kết nối vào HX711, sau đó liên kết với KIT STM32 để thu thập tín hiệu.
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý giữa loadcell và modual HX711 với KIT STM32:
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của khối cảm biến đo cân nặng
Các ngõ ra của 4 loadcell được kết nối với 4 chân của HX711, bao gồm E+(VCC), E-(GND), A-(ngõ vào analog) và A+(ngõ vào analog) Bốn chân còn lại của HX711 được kết nối với KIT STM32, bao gồm 2 chân nguồn 3.3V và GND, cùng với 2 chân DT (ngõ ra dữ liệu) và SCK (xung clock) nối với 2 chân GPIO của KIT là PC14 và PC15, tạo thành khối động cơ.
Hiện nay, thị trường cung cấp đa dạng động cơ bước với các loại như 2 pha, 3 pha và 5 pha, cùng với nhiều đầu ra dây như 4, 6, 8, 5 hoặc 10 dây Để thực hiện việc đo chiều cao, cần tính toán số bước của động cơ và quãng đường mà động cơ quay được, từ đó xác định chiều cao của người được đo.
Nhóm đã chọn động cơ bước 6 dây để kéo dây curoa theo chiều từ trên xuống và ngược lại Loại động cơ 2 pha này dễ sử dụng, giá thành rẻ và tương thích với nhiều loại driver khác nhau Với dòng hoạt động nhỏ từ 1-1,5A và điện áp 4-5.5V, động cơ này rất phù hợp với đề tài, do đó nhóm quyết định lựa chọn nó.
Nguyên lý hoạt động của động cơ dựa vào việc điều khiển các cuộn dây qua các chân điều khiển bằng cách thay đổi giá trị cuộn dây, tạo ra lực từ trường để làm quay nam châm Tốc độ và hướng quay của rôto có thể được điều chỉnh theo cách thức như hình dưới đây.
Để điều khiển động cơ quay thuận và nghịch, cần sử dụng một driver phù hợp Module L298N là lựa chọn lý tưởng, hỗ trợ tải dòng điện lên đến 2A, cho phép đảo chiều động cơ và điều chỉnh tốc độ bằng PWM Việc chọn driver dễ sử dụng sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Để kết nối động cơ với driver L298 cho KIT, cần sử dụng một công tắc hành trình để đảo chiều động cơ trong quá trình đo Nên chọn module công tắc hành trình có kích thước nhỏ gọn, hoạt động với điện áp từ 3V đến 12V và dòng hoạt động thấp, đáp ứng yêu cầu của đề tài với đầu ra gồm 2 chân nguồn VCC, GND và chân tín hiệu thấp, cao.
Hình 3.10: Module công tắc hành trình
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý của động cơ bước với L298 với KIT STM32:
KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ
Hình 5.1: Mạch xử lý trung tâm
Mạch xử lý trung tâm với KIT STM32 kết nối các module nhằm điều khiển hoạt động của chúng, đồng thời cung cấp nguồn nuôi cho các khối khác.
Hình 5.2: Giao diện hình ảnh của cân điện tử
Toàn bộ thông tin đo đều được hiển thị trên TFT-LCD để giúp người đo dễ dàng quan sát kết quả đo.
Mô hình cân đo cân nặng được thiết kế để người dùng đứng lên giữa cân nhằm thực hiện việc đo trọng lượng Mô hình này sử dụng 4 loadcell kết nối với module HX711 để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo.
Hình 5.4: Mô hình đo chiều cao
Mô hình trục đo chiều cao được trang bị công tắc hành trình, cho phép người dùng dễ dàng đo chiều cao của mình Khi động cơ quay, thanh trượt sẽ chạm vào đầu đo và sau đó trở về vị trí ban đầu, đảm bảo sự chính xác trong việc đo lường.
Hình 5.5: Mô hình bộ điều khiển
Bộ điều khiển được trang bị màn hình TFT-LCD, giúp người dùng dễ dàng quan sát kết quả đo từ gần Ngoài ra, nó còn có các nút nhấn để điều khiển chế độ đo và phát nhạc.
Hình 5.6: Mô hình bộ xử lý trung tâm
Mặt sau mô hình với bộ xử lý trung tâm được nối giữa KIT STM32 với các module giúp cho toàn bộ hệ thống hoạt động.
Hình 5.7: Hệ thống cân điện tử hoàn thiện
Toàn bộ hệ thống được kết nối hoàn chỉnh giữa các khối, cho phép chúng hoạt động đồng thời Các khối này được điều khiển thông qua bộ xử lý trung tâm, đảm bảo việc truyền nhận dữ liệu hiệu quả.
Trước khi tiến hành đo, người dùng cần điều chỉnh hệ thống bằng cách đứng vào vị trí trên mô hình cân và chọn chế độ điều khiển Nếu chế độ nghe nhạc được chọn, hệ thống âm thanh sẽ phát các bài hát đã được cài đặt sẵn Ngược lại, khi chọn chế độ đo, hệ thống sẽ chuyển sang giao diện màn hình đo và bắt đầu quá trình đo.
Hình 5.9: Người dùng đứng khi đang đo
Khi người dùng đứng vào vị trí, hệ thống sẽ thông báo để người đo đứng thẳng trước khi tiến hành đo Sau đó, thanh trượt sẽ được di chuyển từ trên xuống cho đến khi chạm vào đầu người dùng, và hệ thống sẽ bắt đầu đọc giá trị cân nặng của người đo.
Hình 5.10: Người dùng đo khi thanh trượt chạm đầu
Khi thanh trượt chạm vào vị trí cuối, đỉnh đầu người đo sẽ kích hoạt công tắc hành trình, khiến động cơ đảo chiều và kéo thanh trượt trở về vị trí ban đầu Kết quả sẽ được hiển thị trên màn hình TFT-LCD, trong khi hệ thống âm thanh tiếp tục đọc các thông số, đánh giá và cung cấp lời khuyên cho người đo.
Hình 5.11:Giao diện hiển thị sau khi đo
Sau khi người dùng hoàn tất quá trình đo, các thông số về chiều cao và cân nặng sẽ được hiển thị trên màn hình TFT-LCD, kèm theo kết luận đánh giá tình trạng cơ thể từ hệ thống.
ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ
Hệ thống cân điện tử đã cho thấy sự ổn định và độ chính xác cao sau 5 lần đo, với khả năng đo và hiển thị thông số một cách trực quan, kèm theo hiệu ứng âm thanh hấp dẫn Dưới đây là bảng thống kê kết quả từ 5 lần đo thử của nhóm.
Bảng 5.1: Tiến hành đo thử nghiệm.
Số lần đo Chiều cao
Mặc dù việc cân đo đã được thực hiện, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế do sự xử lý chậm của công tắc hành trình và độ ổn định chưa tối ưu của loadcell, dẫn đến một số lỗi nhỏ trong các lần thử nghiệm.
Việc sử dụng cảm ứng trên màn hình còn hạn chế nên phải thay vào đó bằng nút nhấn để điều khiển.