ĐỀ tài THIẾT kế và THI CÔNG cân điện tử

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 I TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – o0o Y SINH Tp HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Minh Đức MSSV: 14141072 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học quy Mã hệ: Khóa: 2014 Lớp: 14141DT3A I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÂN ĐIỆN TỬ II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: Khảo sát loại vi điều khiển ARM, lựa chọn hình cảm ứng TFT LCD, module âm Tìm hiểu thu thập số liệu từ trang mạng sách lập trình vi điều khiển ARM Tìm hiểu tài liệu hướng dẫn sử dụng loadcell, động bước, module giải mã âm Nội dung thực hiện:  NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu KIT STM32F103RBT6, module VS1003, loadcell, động bước,  NỘI DUNG 2: Dựa liệu thu thập được, lựa chọn giải pháp thiết kế thi cơng mơ hình kết nối module với KIT điều khiển  NỘI DUNG 3: Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển, thiết kế giao diện hình cân điện tử II  NỘI DUNG 4: Thử nghiệm điều chỉnh phần mềm phần cứng để mơ hình tối ưu, sử dụng dễ dàng Đánh giá thông số mơ hình so với thơng số thực tế  NỘI DUNG 5: Viết báo cáo thực III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/09/2018 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 III TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ NAM BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 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/ngày Tuần 10/9 – 16/9 Tuần 17/9 – 23/9 Tuần 24/9 – 30/9 Tuần 1/10 – 7/10 Nội dung Xác nhận GVHD Gặp GVHD nhận đề tài Nhận tài liệu hướng dẫn từ GVHD Viết báo cáo Chương Đọc tài liệu kĩ thuật KIT STM32F103 Viết báo cáo Chương Giao tiếp STM32 với TFT-LCD Viết báo cáo Chương Giao tiếp STM32 với TFT-LCD Nghiên cứu loadcell Tuần 8/10 – 14/10 Viết báo cáo Chương Giao tiếp STM32 với loadcell module HX711 Hiển thị cân nặng Tuần 15/10 – 21/10 Tuần 22/10 – 28/10 Viết báo cáo Chương Thiết kế mơ hình đo chiều cao Viết báo cáo Chương Giao tiếp STM32 với động bước Tìm hiểu mudule điều khiển LN298 IV Tuần 29/10 – 4/11 Tuần 5/11 – 11/11 Tuần 10 12/11 – 18/11 Tuần 11 19/11 – 25/11 Viết báo cáo Chương Tính tốn, hiển thị đo chiều cao Viết báo cáo Chương Giao tiếp STM32 với thẻ nhớ SD card Viết báo cáo Chương Giao tiếp với thẻ nhớ phát nhạc MP3 Viết báo cáo Chương Giao tiếp module giải mã âm đọc cân nặng Tuần 12 26/11 – 2/12 Viết báo cáo Chương Giao tiếp module giải mã âm đọc chiều cao Tuần 13,14 Viết báo cáo Chương 5,6 3/12 – 16/12 Hoàn thành mơ hình, tiến hành chạy thử kiểm tra lỗi GV HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CAM ĐOAN V Đề tài tự thực dựa vào số tài liệu trước khơng chép từ tài liệu hay cơng trình có trước Người thực đề tài Trần Minh Đức LỜI CẢM ƠN VI Chúng em xin cảm ơn sâu sắc đến thầy Phan Vân Hồn trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để chúng em hoàn thành đề tài Chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Điện - Điện Tử tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành đề tài Chúng em gửi lời đồng cảm ơn đến bạn lớp 14141DT3A chia sẻ trao đổi kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian thực đề tài Xin cảm ơn đến cha mẹ Xin chân thành cảm ơn! Người thực đề tài Trần Minh Đức TÓM TẮT Ngày với phát triển công nghiệp điện tử, kỹ thuật số hệ thống tự động hoá Với phát triển vi xử lí, vi mạch số ứng dụng vào lĩnh VII vực điều khiển giúp việc xử lý thông tin nhanh trước giúp phục vụ vào nhu cầu sống người Với tiêu chí chăm sóc sức khỏe người sống nay, chọn đề tài để thiết kế mơ hình cân điện tử thực tế giúp nhận biết thể trạng người, đề có biện pháp giúp thể trở nên khỏe mạnh hạn chế bệnh lý thể qua giúp nhận biết tốt nhằm cân thể trạng người Đề tài nghiên cứu thực cải tiến từ trang thiết bị cân đo thực tế có sống Qua giúp áp dụng lập trình vi xử lý vào mơ hình cân đo ngày Sau q trình nghiên cứu chúng tơi thành cơng việc hồn thiện mơ hình cân đo chiều cao cân nặng, mang lại độ xác cao việc đo đạt lời khuyên từ mô hình cho người cân đo VIII MỤC LỤC BÌA NGỒI 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 TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GIỚI HẠN 1.5 BỐ CỤC CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN CÂN SỨC KHỎE VÀ ĐO CHIỀU CAO BMI 2.1.1 Chỉ số BMI gì? 2.1.2 BMI với sức khỏe người 2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.2.1 Tổng quan ARM 2.2.2 Giới thiệu ARM-Cortex-M3 STM32F1 2.2.3 Cảm biến loadcell 11 2.2.4 Giới thiệu module HX711 13 2.2.5 Giới thiệu động bước 17 2.2.6 Giới thiệu modual L298N 21 2.2.7 Module giải mã âm VS1003 23 2.2.8 Chuẩn giao tiếp SPI 25 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN_THIẾT KẾ 28 3.1 GIỚI THIỆU 28 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 28 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối 28 IX 3.2.2 Tính tốn 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 34 f Khối âm 36 g Khối nguồn 39 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống 40 CHƯƠNG 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 kiểm tra 43 4.2.3 Thi cơng mơ 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 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 56 5.1 KẾT QUẢ 56 5.1.1 Kết phần cứng 56 5.1.3 Kết đo thử 60 5.2 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ 63 CHƯƠNG 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 X DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1: Biểu đồ quan hệ chiều cao cân nặng người Hình 2.2: Ảnh minh họa người gầy Hình 2.3: Ảnh minh họa người béo phì Hình 2.4: Kiến trúc vi xử lí ARM Cotex-M7 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 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 module HX711 15 Hình 2.13: Dữ liệu đầu ra, đầu vào thời gian lựa chọn kiểm sốt 17 Hình 2.14: Động bước 18 Hình 2.15: Cấu tạo động bước từ trở 18 Hình 2.16: Cấu tạo động bước đơn cực 19 Hình 2.17: Cấu tạo động bước hai cực 20 Hình 2.18: Cấu tạo động bước nhiều pha 21 Hình 2.19: Sơ đồ chân IC L298 22 Hình 2.20: Module L298N 23 Hình 2.21: Sơ đồ cấu trúc 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 hệ thống 28 Hình 3.2: Mặt kit STM32F103RBT6 30 Hình 3.3: Màn hình LCD 2.8 inch 31 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý 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 khối cảm biến đo cân nặng 34 Hình 3.8: Thứ tự động quay thuận 35 Hình 3.9: Thứ tự động quay nghịch 35 Hình 3.10: Module cơng tắc hành trình 35 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý động bước với L298 KIT STM32 36 Hình 3.12: Module VS1003 37 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý STM32F103 với VS1003 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 mạch xử lý trung tâm 41Error! Bookmark not defined Hình 4.2: Sơ đồ mạch in mạch điều khiển 41 XI Hình 4.3: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch xử lý trung tâm 42 Hình 4.4: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển 42 Hình 4.5: Khung hệ thống 44 Hình 4.6: Khung trượt hệ thống 45 Hình 4.7: Hộp đựng động 45 Hình 4.8: Lưu đồ chương trình 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 hình 54 Hình 4.17: Giao diện hình nghe nhạc 55 Hình 4.18: Giao diện hình đo 55 Hình 5.1: Mạch xử lý trung tâm 56 Hình 5.2: Giao diện hình ảnh cân điện tử 56 Hình 5.3: Mơ hình cân đo cân nặng 57 Hình 5.4: Mơ hình đo chiều cao 57 Hình 5.5: Mơ hình điều khiển 58 Hình 5.6: Mơ hình 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 đo 60 Hình 5.9: Người dùng đứng đo 61 Hình 5.10: Người dùng đo trượt chạm đầu 62 Hình 5.11:Giao diện hiển thị sau đo 63 XII DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: Đánh giá tiêu chuẩn tổ chức y tế giới Bảng 2.2: Các chế độ BOOT STM32F1 10 Bảng 2.3: Mô tả sơ đồ chức chân HX711 16 Bảng 2.4: Quá trình hoạt động liệu đầu vào liệu đầu 17 Bảng 2.5: Mô tả sơ đồ chức chân VS1003 24 Bảng 3.1: Mô tả chân kết nối 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 XIII CHƯƠNG TỔNG QUAN CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày với phát triển công nghiệp điện tử, kỹ thuật số hệ thống tự động hoá Với phát triển vi xử lí, vi mạch số ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển giúp việc xử lý thông tin nhanh trước giúp phục vụ vào nhu cầu sống người Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, việc cân đo chiều cao cân nặng cách thủ công tốn nhiều thời gian độ xác khơng cao Ở ngành điện tử, vi điều khiển thâm nhập vào lĩnh vực cân điện tử ứng dụng điển hình giúp giải vấn đề Vì lý sở lý thuyết học được, đồng thời với giúp đỡ thầy Phan Vân Hồn nên nhóm tiến hành thực đề tài: “ Thiết kế thi công cân điện tử” Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32F103 giao tiếp với hình cảm ứng TFT LCD để hiển thị thông số KIT điều khiển động thông qua module L298N loadcell qua module HX711 Bộ giải mã âm VS1003 giúp phát âm từ thẻ nhớ SD CARD 1.2 MỤC TIÊU Thiết kế thi công hệ thống cân đo chiều cao có chức năng: - Đo cân nặng loadcell kết nối với module HX711 để chuyển tín hiệu điện áp sang tín hiệu số - Đo chiều cao cách tính khoảng cách động bước qua giao tiếp với module L298N - Có nút nhấn điều khiển chế độ: Chế độ phát nhạc lúc rảnh chế độ đọc cân nặng, chiều cao đo - Hệ thống âm đọc chiều cao cân nặng Sau nhận xét kết luận đưa lời khuyên cho người đo BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  NỘI DUNG 1: Tìm hiểu tham khảo tài liệu, giáo trình, nghiên cứu chủ đề, nội dung liên quan đến đề tài  NỘI DUNG 2: Dựa liệu thu thập được, lựa chọn giải pháp thiết kế thi công mơ hình kết nối module với KIT điều khiển  NỘI DUNG 3: Thiết kế lưu đồ giải thuật viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển, thiết kế giao diện hình cân điện tử  NỘI DUNG 4: Thử nghiệm điều chỉnh phần mềm phần cứng để mơ hình tối ưu, sử dụng dễ dàng Đánh giá thông số mơ hình so với thơng số thực tế  NỘI DUNG 5: Đánh giá kết thực 1.4 GIỚI HẠN  Đo trọng lượng tối đa 200 kg đo chiều cao m  Công tắc hành trình nhỏ, người đo cần đứng vào vị trí cơng tắc  Cân nặng chiều cao hiển thị số liệu khác sau lần đo khác  Cần đặt cân vị trí phẳng tránh dốc để đảm bảo việc đo đạt xác 1.5 BỐ CỤC  Chương 1: Tổng Quan Chương trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý chọn đề tài, mục tiêu, nội dung ̣ nghiên cứu, giới hạn thông số bố cục đồ án  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương trình bày lý thuyết có liên quan đến vấn đề mà đề tài dùng để thực thiết kế, thi công cho đề tài  Chương 3: Thiết Kế Tính Tốn Chương giới thiệu tổng quan yêu cầu đề tài thiết kế tính tốn liên quan đến đề tài  Chương 4: Thi cơng hệ thống BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG TỔNG QUAN Chương gồm kết thi cơng phần cứng kết hình ảnh hình hay mơ tín hiệu, kết thống kê  Chương 5: Kết quả, nhận xét đánh giá Chương đưa nhận xét đánh giá sản phẩm mơ hình hồn thành  Chương 6: Kết luận hướng phát triển Chương trình bày ngắn gọn kết thu dựa vào phương pháp, thuật toán kiến nghị ban đầu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN CÂN SỨC KHỎE VÀ ĐO CHIỀU CAO BMI 2.1.1 Chỉ số BMI gì? Với sống ngày đại phát triển, để trì sức khỏe tốt giúp học tập làm việc cách hiệu việc cân thể trạng thể điều cần quan tâm Nhờ giúp người giữ vóc dáng cân đối qua phịng tránh số bệnh tật Vì vậy, người cần phải rèn luyện thể trì chế độ dinh dưỡng cách hợp lý Hình 2.1: Biểu đồ quan hệ chiều cao cân nặng người Chỉ số khối thể thường biết đến với chữ viết tắt BMI theo tên tiếng Anh Body Mass Index - dùng để đánh giá mức độ gầy hay béo người Chỉ số nhà bác học người Bỉ Adolphe Quetelet đưa năm 1832 Thông thường, người ta dựa vào số để xác định tình trạng thể người mức béo phì, thừa cân, bình thường, gầy gầy Chỉ số khối thể người tính cân nặng người (kg) chia cho bình phương chiều cao (đo theo mét) Có thể tính theo cơng thức định nghĩa cho theo bảng tiêu chuẩn BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Công thức tính số BMI: 𝐵𝑀𝐼 = 𝐶â𝑛 𝑛ặ𝑛𝑔 (𝑘𝑔) (𝑘𝑔/𝑚2) (2.1) 𝐶ℎ𝑖ề𝑢 𝑐𝑎𝑜 𝑥 𝑐ℎ𝑖ề𝑢 𝑐𝑎𝑜 (𝑚) Sau tính số BMI, cần so sánh với bảng đánh theo chuẩn tổ chức y tế để nhận biết thể trạng thể Bảng 2.1: Đánh giá tiêu chuẩn tổ chức y tế giới Phân loại WHO BMI (kg/m2) IDI & WPRO BMI (kg/m2)