ĐỒ án MÔN HỌC đề TÀI MÁY đo THÂN NHIỆT TỰ ĐỘNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ -o0o - ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: MÁY ĐO THÂN NHIỆT TỰ ĐỘNG GVHD: THS VÕ THỊ THU HỒNG SVTH: HUỲNH PHẠM NHẤT TRIỀU MSSV: 1814434 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2021 Lời cảm ơn GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng LỜI CẢM ƠN Em xin cảm ơn chân thành tới thầy cô Khoa Điện- Điện Tử Trường ĐH Bách Khoa- Đại Học Quốc Gia TP.HCM, đặc biệt cô Võ Thị Thu Hồng tận tình hướng dẫn, hỗ trợ em suốt thời gian thực đồ án môn học q trình làm báo cáo đồ án mơn học Trong thời gian thực đồ án môn học, em tư vấn, giải đáp tận tình thắc mắc từ việc chọn đề tài thực đề tài, phát huy kiến thức chuyên môn học trường thầy tận tình giảng dạy để áp dụng vào đề tài Với kiến thức hạn chế nên báo cáo đồ án môn học tránh khỏi thiếu xót mong nhận thơng cảm quý thầy cô Em xin chân thành cảm ơn chúc quý thầy cô thật nhiều sức khỏe! Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 08 năm 2021 Sinh viên ` Huỳnh Phạm Nhất Triều i Đồ án mơn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng TĨM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày hệ thống đo thân nhiệt tự động Áp dụng kiến thức học môn Vi xử lý, Hệ thống ngơn ngữ lập trình C, Truyền số liệu mạng, Thiết kế hệ thống nhúng, Lập trình hệ thống nhúng để triển khai, thực mơ hình hệ thống nhúng phù hợp thiết thực với đời sống, cụ thể tình hình dịch bệnh ii Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng MỤC LỤC GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan .1 1.2 Nhiệm vụ đề tài LÝ THUYẾT THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG .2 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM KẾT QUẢ THỰC HIỆN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận 6.2 Hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC .4 iii Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA Hình 2.1 Minh hoạ kết nối sử dụng giao tiếp I2C YHình 2.2 Khung truyền liệu thiết bị master muốn gửi liệu cho thiết bị slave .3 YHình 2.3 Khung truyền liệu thiết bị master muốn đọc liệu từ thiết bị slave .4 YHình 2.4 Kết nối UART thiết bị YHình 2.5 Truyền liệu UART YHình 2.6 Kết mô YHình 2.7 Kết mô YHình 2.8 Kết mô YHình 2.9 Kết mơ YHình 2.1 Kết mơ YHình 2.1 Kết mơ YHình 2.1 Kết mơ YHình 2.1 Kết mơ YHình 2.1 Kết mơ YHình 2.1 Kết mô YHình 2.1 Kết mô YHình 2.1 Kết mô YHình 2.1 Kết mô YHình 2.1 Kết mơ YHình 2.1 Kết mơ YHình 2.1 Kết mơ YHình 2.1 Kết mơ YHình 2.1 Kết mơ YHình 2.1 Kết mơ iv Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng YHình 2.1 Kết mô YHình 2.1 Kết mô YHình 2.1 Kết mô v Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU Bảng Thông số hệ thống vi Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Thân nhiệt người thơng số quan trọng biểu đạt tình trạng sức khỏe người Trong bối cảnh đại dịch COVID nay, việc đo thân nhiệt đóng vai trị vơ quan trọng việc rà sốt biểu hiện, triệu chứng ban đầu bệnh, giúp người biết tình trạng thể hay cụ thể thân nhiệt thể để đưa biện pháp thích hợp cơng tác phịng chống dịch Ngày khoa học công nghệ ngày phát triển, dòng vi điều khiển AVR , PIC, ARM ngày trở lên thơng dụng phổ biến thiết bị điện tử, di động Nếu mảng PC có Intel, AMD mảng di động, ARM "nổi tiếng" với mức độ tương đương kiến trúc vi xử lí họ sử dụng hầu hết thiết bị di động có mặt thị trường ARM kiến trúc tập lệnh dẫn 32-bit phổ biến giới, vượt qua kiến trúc x86 Intel, tính theo số lượng chip sản xuất Theo ARM Holdings, tính riêng năm 2010, kiến trúc họ có mặt 95% số smartphone, 35% số TV set-top box, 10% số máy tính di động bán Dựa xử lý Arm® Cortex®-M 32-bit Hãng sản xuất chip ST Microelectronic nhanh chóng đưa dòng STM32 STM32 họ vi điều khiển, cung cấp hiệu cao, khả xử lý thời gian thực, khả xử lý tín hiệu số, điện tiêu thụ thấp khả kết nối (Wifi, Bluetooth, LoRa, Ethernet…) hội nhập dễ dàng phát triển Vì vậy, em định sử dụng vi điều khiển STM32, cụ thể họ STM32F103 cho đề tài đồ án môn học lần 1.2 Nhiệm vụ đề tài 1.2.1 Yêu cầu đề tài Đo thân nhiệt người dùng không tiếp xúc, gửi liệu thiết bị kết nối từ xa (điện thoại, máy tính) để người giám sát khơng cần phải tới gần để đo máy đo cầm tay thơng thường Từ tránh việc lây nhiễm khoảng cách gần, giảm thiếu tối đa nguy lây nhiễm bệnh Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng 1.2.2 Kết cần đạt Hệ thống thân nhiệt người dùng hiển thị hình cho người dùng Hệ thống kết nối Bluetooth với thiết bị từ xa (điện thoại, máy tính) gửi liệu thân nhiệt người dùng thiết bị LÝ THUYẾT 2.1 Tìm hiểu giao thức I2C 2.1.1 Định nghĩa giao thức I2C I2C giao thức giao tiếp phát triển Philips Semiconductors để truyền, nhận liệu nhiều Master – xem thiết bị điều khiển trung tâm với nhiều Slave – xem ngoại vi hệ thống thơng qua hai đường truyền tín hiệu Hình 2.1 Minh hoạ kết nối sử dụng giao tiếp I2 Các thiết bị kết nối với bus I2C phân thành hai loại: master slave Trong đó, master sở hữu quyền kiểm soát để thực đưa yêu cầu đến slave, slave thiết bị đáp ứng yêu cầu từ master Như hình minh họa trên, master thông thường vi điều khiển, slave ngoại vi cảm biến nhiệt độ, LCD driver, EEPROM,… Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng Tại thời điểm có thiết bị master trạng thái hoạt động bus I2C master điều khiển bus clock SCL định hoạt động thực bus liệu SDA Tất thiết bị đáp ứng yêu cầu từ thiết bị master slave Để phân biệt nhiều thiết bị slave kết nối với hệ thống bus I2C thiết bị slave có địa vật lý 7-bit cố định Khi thiết bị master muốn truyền nhận liệu từ thiết bị slave, master xác định địa thiết bị slave cụ thể đường SDA sau tiến hành truyền liệu Tất thiết bị slave khác khơng gửi tín hiệu phản hồi về, trừ địa chúng định thiết bị master đường SDA 2.1.2 Phương thức hoạt động  Trường hợp 1: Thiết bị master muốn gửi liệu cho thiết bị slave  Master thực điều kiện bắt đầu (START)  Master gửi địa slave (Device Address) cần nhận liệu Bit cấu hình đọc ghi liệu (R/W) gửi kèm có giá trị thể hoạt động gửi liệu.   Slave phản hồi bit xác nhận (ACK), xác nhận có slave hoạt động hệ thống bus  Master gửi địa ghi slave – địa mà master muốn ghi/bắt đầu ghi liệu  Slave phản hồi bit xác nhận (ACK), xác nhận có địa thi, sẵn sàng nhận liệu  Master gửi liệu (Data) cần ghi vào ghi cho slave, nhiều byte  Master thực kết thúc việc truyền liệu điều kiện kết thúc (STOP) Hình 2.2 Khung truyền liệu thiết bị master muốn gửi liệu cho thiết bị slave Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng LCD 16x2 IR Sensor Microcontroller MLX90614 LED STM32F103C8T6 Sensor Bluetooth Module Serial Power HC - 05 Terminal Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống 3.2.2 Chi tiết khối sơ đồ  Khối Power:  Có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện cho vi điều khiển linh kiện hệ thống Do đó, khối nguồn u cầu phải có cơng suất đủ lớn độ ổn định cao 21 Đồ án môn học  GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng Sử dụng pin AA 1.5V mắc nối tiếp tạo thành 6V để cấp nguồn cho hệ thống  IR Sensor : Có nhiệm vụ gửi tín hiệu ngõ vi điều khiển  Khi khơng có người cảm biến xuất mức cao – 5V ngõ  Khi phát có người tới gần, cảm biến xuất mức thấp – 0V ngõ  MLX90614 Sensor: Khi có người, đo nhiệt độ người sử dụng trả giá trị cho vi điều khiển thông qua giao thức I2C  LCD 16x2 Hiển thị nhiệt độ người sau đo hình Khi nhiệt độ > 37°C cảnh báo nhiệt độ cao hình  LED Gồm LED:  LED xanh dương biểu thị nhiệt độ người dùng mức cho phép (≤ 37°C)  LED đỏ biểu thị nhiệt độ người dừng vượt mức cho phép (> 37°C.)  Module HC – 05 Giúp vi điều khiển kết nối Bluetooth với thiết bị khác Đồng thời, truyền nhận liệu theo giao thức UART thông qua giao tiếp Bluetooth vi điều khiển với thiết bị kết nối 22 Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng Hình 3.2 Kết nối vi điều khiển module Bluetooth HC - 05  Bluetooth Serial Terminal Sử dụng thiết bị kết nối Bluetooth với hệ thống Hiển thị liệu nhiệt độ mà hệ thống gửi giúp người giám sát thuận tiện việc theo dõi  Microcontroller  Khi phát có người (cảm biến IR xuất mức thấp), xuất giá trị nhiệt độ đo từ cảm biến MLX90614 hình LCD Đồng thời, gửi giá trị nhiệt độ thiết bị kết nối Bluetooth với hệ thống  Khi nhiệt độ người dùng mức cho phép, bật LED xanh dương Ngược lại, nhiệt độ người dùng vượt mức cho phép, bật LED đỏ THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 4.1 Lưu đồ giải thuật Start ngắt timerT Timer tràn? Chương trình N 23 Đồ án mơn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng Y N IR Sensor Flag = Output = LOW? Y Flag = Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật chương trình phục vụ ngắt Timer BeginR T Khởi tạo UART, I2C, TStart ngắt Timer Start ngắt Timer Flag = 1? N Y Flag = 2? N Measuring, Stop ngắt timer Y N Hiển thị LCD, flag = Hiển thị LCD Bluetooth Temp>37 LED xanh bật, LED đỏ tắt, flag = 0 Y Hiển thị LCD Bluetooth LED đỏ bật, LED xanh tắt, flag = 24 Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình 4.2 Thực phần mềm 4.2.1 Cấu hình chân sử dụng phần mềm CubeMX Phần mềm CubeMX công cụ ST giúp người lập trình sinh code C thơng qua giao diện tương tác dễ sử dụng Các tính chủ yếu như:  Tự động giải xung đột Pin out  Hỗ trợ tất dịng chip STM32  Cầu hình Clock thơng qua Clock Tree dễ sử dụng  Ước tính lượng tiêu thụ  Hỗ trợ sinh code cho IDE phổ biến Keil C, IAR, GCC  Cấu hình chân  LED1, LED2 sử dụng cho LED  I2C1 sử dụng cho module I2C LCD  I2C2 sử dụng cho cảm biến MLX90614  UART1 sử dụng cho module Bluetooth HC – 05  SENSOR sử dụng cho IR Sensor 25 Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng Hình 4.3 Cấu hình chân cần sử dụng cho hệ thống  Cấu hình Clock cho chip  Sử dụng dao động HIS  Clock = 8MHz  26 Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng   Hình 4.4 Cấu hình Clock cho chip  Cấu hình ngắt Timer2  Cho phép ngắt Timer2  Chọn PreScaler = 8000, Mode đếm lên, chu kỳ đếm 499 đếm từ đến 499 Clock hệ thống = 8MHz, sau qua PreScaler 1000Hz Vậy chu kỳ máy 1ms Do đó, Timer 500ms bị tràn nhảy vào ngắt Hình 4.5 Cấu hình ngắt Timer2  Cấu hình UART Tốc độ baund = 9600, bit liệu, bit parity, bit stop 27 Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng Hình 4.6 Cấu hình UART  Cấu hình chân Input/Output cho IR Sensor LED 28 Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng Hình 4.7 Cấu hình Input/Output  Cấu hình chân cho LED Hình 4.8 Cấu hình chân cho LED  Cấu hình chân cho IR Sensor Hình 4.9 Cấu hình chân IR Sensor 4.2.2 Triển khai thực  Sử dụng phần mềm Keil C để chứa code tạo sau cấu hình chân từ phần mềm CubeMX 29 Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng Hình 4.10 Phần mềm Keil C  Các thư viện dùng cho chương trình: sử dụng thư viện có sẵn github  “i2c-lcd.h”: Được viết dựa thư viện HAL STM32, giúp giao tiếp với LCD thông qua I2C  “mlx90614.h”: Được viết dựa thư viện HAL STM32, giúp giao tiếp với cảm biến MLX90614 thơng qua I2C Hình 4.11 Các thư viện dùng cho chương trình  Giải thích code  Khai báo biến cần sử dụng 30 Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng  Trong hàm main, khởi tạo I2C, UART, Timer bật ngắt timer  Trong hàm while(1), liên tục kiểm tra cờ flag - In hình LCD: + Hàm lcd_clear_display(): Xóa tồn hình LCD + Hàm lcd_goto_XY(a,b): Đưa trỏ đến vị trí hàng a, cột b với a từ đến b từ đến 15 + Hàm lcd_send_string("abcd"): Sẽ in hình vị trí trỏ chuỗi abcd - Gửi liệu thiết bị thông qua Bluetooth HC – 05: + Hàm HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *) Tx_data,50,10000) truyền giá trị lưu biến Tx_data với timeout = 10000ms - Bật/ tắt LED hàm HAL_GPIO_WritePin với + GPIO_PIN_SET mức cao + GPIO_PIN_RESET mức thấp 31 Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng 32 Đồ án môn học  GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng Trong hàm ngắt timer, 500ms kiểm tra giá trị input cảm biến IR hàm HAL_GPIO_ReadPin() Như hệ thống ln phát có người sử dụng KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 Kết thi công 33 Đồ án môn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng 5.2 Kết đo Hình 0.1 Kết mơ Ví dụ Bảng số liệu Bảng Thông số hệ thống Thông số Thông số Thông số Thông số KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Hệ thống đạt yêu cầu đặt ban đầu Tuy nhiên, số hạn chế:  Kết đo từ cảm biến với sai số so với nhiệt độ mơi trường Vì vậy, tính tốn, phải bù trừ để kết gần so với thực tế  Khoảng cách đo phạm vi gần cảm biến đạt độ xác định 6.2 Hướng phát triển Cải tiến cảm biến để đạt độ xác cao hơn, thay việc gởi liệu qua Bluetooth kết nối Wifi Từ đó, giám sát người sử dụng không thiết khoảng cách giới hạn mà đâu Dựa ý tưởng đề tài, áp dụng mở rộng sử dụng nhà máy, quan, bênh viện, trường học để phục vụ công tác chống dịch TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giao thức I2C giao tiếp với cảm biến nhiệt hồng ngoại MLX90614, https://tapit.vn [2] Reference manual STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx, STM32F105xx and STM32F107xx advanced Arm®-based 32-bit MCUs, STMicroelectronics 34 Đồ án mơn học GVHD: Ths Võ Thị Thu Hồng [3] MLX90614 family Datasheet Single and Dual Zone Infra Red Thermometer in TO39, Melexis [4] Interface LCD 16×2 via I2C with STM32, https://controllerstech.com [5] Thư viện MLX90614, https://github.com/dinamitemic/mlx90614 PHỤ LỤC 35 ... tài 1.2.1 Yêu cầu đề tài Đo thân nhiệt người dùng không tiếp xúc, gửi liệu thiết bị kết nối từ xa (điện thoại, máy tính) để người giám sát không cần phải tới gần để đo máy đo cầm tay thơng thường... ngõ  MLX90614 Sensor: Khi có người, đo nhiệt độ người sử dụng trả giá trị cho vi điều khiển thông qua giao thức I2C  LCD 16x2 Hiển thị nhiệt độ người sau đo hình Khi nhiệt độ > 37°C cảnh báo... đầu Tuy nhiên, số hạn chế:  Kết đo từ cảm biến với sai số so với nhiệt độ mơi trường Vì vậy, tính toán, phải bù trừ để kết gần so với thực tế  Khoảng cách đo phạm vi gần cảm biến đạt độ xác