Chân RX của module bluetooth mắc thêm mạch cầu phân áp với trở R4=1K và R3=2K. Chân RX của bluetooth chỉ chịu đƣợc nguồn vào không quá 3.6V nên mắc thêm mạch cầu phân áp để hạn dòng cho chân RX (hình 4.7)
URX = U0*(R3/R4+R3) Trong đó:
URX là điện áp vào chân RX của Bluetooth U0 là điện áp nguồn vào
R3,R4 là 2 điện trở đƣợc mắc them để hạn dòng vào chân RX.
Để điện áp vào không quá 3.6 V nên ta chọn giá trị trở R3 = 2(KΩ) vào điện trở R4 = 1 (KΩ) thay vào công trên ta đƣợc
URX= 5*2/(1+2)=3.33V
Với điều kiện ban đầu là chân RX của Bluetooth chỉ chịu đƣợc nguồn vào khơng q 3.6V nên theo kết quả tính bên trên ta thấy URX= 3.33V thỏa mãn điều kiện vì vậy ta chọn điện trở R3= 2(KΩ) và điện trở R4 = 1(KΩ) làm cầu phân áp cho Bluetooth.
50
Buzzer là một thiết bị tạo ra tiếng cịi hoặc tiếng bíp. Có nhiều loại nhƣng cơ bản nhất là buzzer áp điện, là một miếng phẳng của vật liệu áp điện với hai điện cực. Buzzer này đòi hỏi phải có các bộ dao động (hoặc vi điều khiển) để điều khiển nó. Chúng rẻ và kêu to mà không cần sử dụng nhiều năng lƣợng. Chúng cũng rất mỏng, vì vậy có thể đƣợc sử dụng trong các vật phẳng nhƣ thiệp chúc mừng. Yếu tố áp điện cũng tạo ra một điện áp khi có áp lực. Do đó, buzzer áp điện cũng có thể đƣợc sử dụng nhƣ một cảm biến áp suất hoặc micro. Bộ buzzer phức tạp hơn bao gồm mạch dao động và loa, vì vậy khi cấp điện áp ta sẽ đƣợc một tiếng bíp hoặc tiếng cịi.
Thông số kỹ thuật - Nguồn: 3.5V-5.5V
- Dòng điện tiêu thụ: <25mA
- Tần số cộng hƣởng: 2300Hz ± 500Hz - Biên độ âm thanh: >80dB
- Nhiệt độ hoạt động: -20°C đến +70 °C - Kích thƣớc: Đƣờng kính 12mm, cao 9,7mm
51
4.3 Sơ đồ ngun lí tồn mạch
Hình 4. 8 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Arduino Mega đƣợc cấp nguồn 7V để hoạt động, chân SCL và SDA của Arduino đƣợc nối với chân SCL và SDA của 2 cảm biến và Oled LCD để nhận, xử lý và hiển thị dữ liệu. Chân TX và RX của Arduino đƣợc nối lần lƣợt với chân RX và TX của Module bluetooth HC – 05 thông qua mạch cầu phân áp để gửi dữ liệu lên App. Hai nút nhấn lần lƣợt đƣợc nối với hai chân PWM để gửi tín hiệu chọn chế độ về cho trung tâm xử lý.
4.4 Thiết kế bo mạch
Bảng 4. 2 Danh sách các dụng cu thi công mạch
STT Tên Số lƣợng Chú thích
1 Bảng vẽ PCB 1 mặt 1 Xuất file PDF 1 mạch
52
3 Bàn ủi 1
4 Muối rửa đồng 1 Pha với nƣớc tạo thành
dung dịch.
5 Bộ khoan tay 1
6 Giấy nhám 1 Có thể thay thành bùi nhùi
thép.
7 Que hàn - chì 1
8 Khây rửa mạch 1 Có thể tận dụng thâu
nhựa.
9 Bút lông 1 Vẽ lại đƣờng dây khi bị
đứt.
Hình 4. 9 Sơ đồ mạch in lớp dưới của mạch
Để trực quan hơn trong việc thi coongm sơ đồ bố trí linh kiện đƣợc tạo ra. Trong sơ đồ Hình 4.10 thể hiện bố trí linh kiện của mạch. Nhìn vào hình, dễ dàng thấy đƣợc bên trên là Arduino Mega 2560 các linh kiện đƣợc kết nối với mạch bằng jack cắm và dây bus.
53
Hình 4. 10 Sơ đồ 3D của mạch
Bảng 4. 3 Danh sách các linh kiện, module, cảm biến sử dụng trong hệ thống
STT Tên linh kiện Số lƣợng
1 Arduino Mega 2560 R3 01 2 Màn hình Oled LCD 01 3 Module Bluetooth HC-05 01 4 Cảm biến Max30100 01 5 Cảm biến MLX90614 01 6 Buzzer 01 7 Đầu laser 5v 01 8 Led đục xanh lá 01 9 Nút nhấn tự giữ 01
54 10 Công tắc on - off 01 11 Điện trở 100 Ω 01 12 Điện trở 220 Ω 01 13 Điện trở 4.7 kΩ 02 14 Điện trở 10 kΩ 02 15 Điện trở 1 kΩ 01 16 Điện trở 2 kΩ 01 a.Mạch in
Tạo đƣợc bản mạch in phải qua các bƣớc: In mạch, chuyển mực in lên mạch, rửa mạch, khoang lỗ gắn chân linh kiện. Giấy in mạch là loại giấy bóng trơn và chịu nhiệt. Mực in cũng là loại mực nhiệt để khi muốn chuyển mực qua board đồng sẽ sử dụng nhiệt độ cao. Board đồng là một bản làm bằng vật liệu cách điện và chịu nhiệt. Tuỳ vào nhu cầu sử dụng mà tấm này có 1 hoặc 2 mặt đƣợc phủ toàn bộ đồng. Mạch in trên giấy và board đồng thể hiện ở hình 4.11
Hình 4. 11 Mạch in trên giấy
55
Bƣớc 1: Rửa board đồng sạch sẽ bằng nƣớc rửa mạch sau đó tiến hành ủi mạch in.
Bƣớc 2: Kiểm tra kết nối giữa các linh kiện với nguồn sau đó tiến hành phủ nhựa thông lên để bảo vệ mạch.
Bƣớc 3: Tiến hành khoan mạch gắn các dây bus và hàn mạch.
Bƣớc 4: Sau khi việc hàn mạch đƣợc hoàn tất, tiến hành gắn linh kiện vào mạch và kiểm tra lại mạch.
Bƣớc 5: Cấp nguồn 5V cho Arduino, Led, buzzer, và cảm biến hoạt động. Bƣớc 6: Tiến hành nạp chƣơng trình và kiểm tra hoạt động.
Hình 4. 12 Board mạch lớp dưới
Sau khi in mạch PCB ta tiến hành làm sạch bề mặt miếng đồng bằng giấy nhám rồi bắt đầu ủi mạch lên Board đồng, bao giờ giấy chuyển đen nhƣ trong mạch là đƣợc chú ý phải ủi đều xung quanh nếu khơng sẽ có chỗ khơng ăn mực. Dùng bút dạ tô lại những chỗ bị lỗi khơng có mực. Pha dung dịch ăn mịn FeCl3, pha càng đặc thì ngâm càng nhanh. Sau khi ngâm ăn mịn đồng xong dùng giấy cọ xoong nồi với một chút xà phòng omo để đánh sạch mực, rửa sạch bằng nƣớc và sấy khô. Sau khi khoan lỗ mạch in ta tiến hành lắp ráp linh kiện hàn mạch, nạp code và kiểm tra kết quả.
56
Hình 4. 13 Board mạch lớp trên
4.5 Thiết kế mơ hình 4.5.1. Thiết kế hộp đựng 4.5.1. Thiết kế hộp đựng
Sau khi kiểm tra thấy mạch hoạt động tốt ta tiến hành đóng hộp thành mơ hình. Hệ thống đƣợc thiết kế nhỏ gọn phù hợp với mục đích sử dụng. Phần mạch điện sau khi thi cơng sẽ đƣợc đóng gói. u cầu của thiết bị là sự gọn nhẹ tiện lợi và linh hoạt trong di chuyển. Do đó hệ thống sẽ đƣợc thiết kế sao cho tiện lợi cho mục đích này nhất.
Hộp đựng đƣợc thiết kế nhƣ bản vẽ hình 4.6 bên dƣới. Trên bản vẽ này có mặt trƣớc, mặt sau, mặt bên và mặt trong. Ở mặt trƣớc, mơ hình đƣợc chiếu từ trên xuống, trụ cố định mạch và hộp. Mặt trƣớc đƣợc thiết kế gồm một 2 nút nhấn và một oled. Xung quanh có các nút gài dùng để cố định hộp.
57
Hình 4. 14 Thiết kế hộp đựng (ảnh mơ hình)
Sau khi đƣợc đƣa đi cắt mica. Tiến hành lắp ráp các thành phần lại với nhau. Theo trình tự thiết kế, Pin sẽ đƣợc lắp vào ngăn đã đƣợc thiết kế. Sau đó tiến hành lắp Button, Oled và Led xanh. Các mặt của hộp đƣợc cố định bằng 4 trụ đứng và vít M3 10mm nhƣ hình 4.15
Hình 4. 15 Thi cơng lắp các phần vào hộp đựng
4.5.2. Thi công tay cầm đo nhiệt độ
Với yêu cầu của thiết bị là nhỏ gọn, dễ sử dụng, nhóm thiết kế mơ hình 3D tay cầm đo nhiệt độ. Tay cầm đƣợc thiết kế với 2 lỗ tròn để gắn cảm biến nhiệt độ hồng ngoại và đầu laser 5 V dùng để xác định vị trí đo khi đo từ xa. Bên cạnh đó trên tay
58
cầm cịn gắn cơng tắt on – off để ngƣời dùng thuận tiện bật / tắt khi đo. Thiết kế chi tiết của mơ hình thể hiện ở hình 4.8 bên dƣới
Hình 4. 16 Thiết kế tay cầm
Sau khi đã thiết kế mơ hình 3D trên phần mềm Solidworks, ta tiến hành mua nhựa in 3D để in mơ hình.
Hình 4. 17 Tay cầm đo nhiệt độ khi hồn thành
4.5.3.Thi cơng hộp đựng cảm biến Max30100
Để đo nhịp tim và Spo2 cần đặt đầu ngón tay lên cảm biến. Khi đo, để kết quả đƣợc chính xác và giảm nhiễu ngón tay cần đặt ở tƣ thế thỏa mái, tránh sự rung lắc khi đo. Với những yêu cầu này, nhóm thiết kế hộp đựng cảm biến Max30100. Hộp đựng
59
gồm 2 phần. Phía dƣới đáy hộp là nơi đựng cảm biến, trên bề mặt hộp là khe để đầu ngón tay khi đo. Thiết kế của hộp đựng đƣợc mơ tả cụ thể ở hình 4.18 bên dƣới.
Hình 4. 18 Thiết kế hộp đựng cảm biến Max30100
Hình 4. 19 Hộp đựng cảm biến Max30100 khi hồn thành
4.5.4. Thiết kế mơ hình
Sau khi đã đóng gói bộ điều khiển bằng hộp mica, thi công xong tay cầm đo nhiệt độ và hộp đựng cảm biến Max30100 ta tiến hành lắp ráp các khối lại với nhau để hồn chỉnh mơ hình thiết bị. Từ mơ hình đã thiết kế ta có bảng danh sách các vật liệu cần chuẩn bị để thi cơng mơ hình nhƣ bảng 4.4 bên dƣới.
Bảng 4. 4 Chi tiết các linh kiện, vật liệu để thi cơng mơ hình
STT Tên Số lƣợng Chú thích
1 Trụ đồng 4 M3
60
3 Ốc 14 M3
4 Dây bus 9 2pin, 4 pin, 6pin, 7 pin 5 Nhựa in 3D 1 cuộn
Hình 4. 20 Bên trong mơ hình thiết bị
Bên trong mơ hình là hộp để Pin và Board mạch điều khiển đƣợc kết nối với các linh kiện bằng dây bus. Màn hình Oled, nút nhấn và Led xanh đƣợc gắn nổi trên nắp hộp để ngƣời dùng thao tác với thiết bị.
Thiết bị hoàn thành có màn hình Oled đề hiển thị kết quả đo, 2 nút nhấn đƣợc chú thích rõ ràng để ngƣời dùng dễ sử dụng. Bên phải thiết bị đƣợc gắn hộp đựng cảm biến Max30100, hộp này có khe đặt đầu ngón tay để đo nhịp tim và Spo2. Tay cầm đo nhiệt độ đƣợc gắn với thiết bị bằng dây bus dài 30 cm để ngƣời dùng thuận tiện đặt lên trán khi đo.
4.6 Lập trình hệ thống
Thiết bị có 2 chức năng chính là đo nhịp tim, nồng độ Oxy trong máu và đo nhiệt độ đƣợc lựa chọn thông qua 2 nút nhấn. Khi nhấn nút nguồn, thiết bị sẽ khởi
61
động và hiển thị giao diện màn hình chính trên Oled. Với mỗi nút nhấn chế độ đƣợc chọn sẽ thực hiện đo và hiển thị giá trị từng thông số. Khi thực hiện đo led sẽ sáng thông báo đang thực hiện quá trình đo. Nếu thơng số vƣợt ngƣỡng cho phép sẽ thực hiện cảnh báo bằng cịi buzzer. Đồng thời giá trị các thơng số còn đƣợc hiển thị trên App Inventor thông qua kết nối Bluetooth
4.6.1 Lƣu đồ giải thuật
4.6.1.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính
Hình 4. 21 Lưu đồ giải thuật chương trình
Giải thích lƣu đồ: Q trình bắt đầu với việc khai báo thƣ viện, các biến đƣợc sử dụng và khởi tạo các giao tiếp với vi điều khiển. Thiết bị đƣợc khởi động sẽ hiển thị màn hình giao diện chính, ta sẽ chọn chức năng thơng qua nút nhấn. Ta nhấn nút để thực hiện quá trình đo và đọc kết quả. Khi thả nút nhấn màn hình sẽ trở về giao diện ban đầu.
62
4.6.1.2.Chương trình chọn chế độ sử dụng
Hình 4. 22 Lưu đồ chọn chế độ sử dụng
Giải thích lƣu đồ:
Thiết bị có 3 giao diện màn hình.
- Khi khởi động hoặc không nhấn chọn chế độ nào cả thiết bị sẽ hiển thị giao diện màn hình chính.
- Khi nhấn button 1: Sử dụng chức năng đo nhiệt độ, chƣơng trình con đo nhiệt độ sẽ đƣợc thực hiện đồng thời màn hình hiển thị giao diện đo nhiệt độ
- Khi nhấn button 2: Sử dụng chức năng đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu. Chƣơng trình con sẽ đƣợc thực hiện đồng thời màn hình hiển thị giao diện đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu.
63
Hình 4. 23 Lưu đồ chương trình đo nhịp tim, Spo2
Giải thích lƣu đồ
- Đo nhịp tim, SPO2 bằng cách để cảm biến nhịp tim trên thiết bị áp vào cơ thể (thƣờng sử dụng đầu ngón tay).
- Bắt đầu chƣơng trình led đỏ và led hồng ngoại trên cảm biến sẽ phát ra ánh sáng mang theo các bƣớc sóng xuyên vào ngón tay sẽ kiểm tra xem có nhịp tim và Spo2 ở cảm biến không.
- Nếu có nhịp tim, Spo2 chƣơng trình sẽ tính tốn, sau đủ 5s kết quả sẽ đƣợc hiển thị lên Oled và App Inventor. Kết quả sẽ đƣợc lƣu lại để tiện cho việc theo dõi.
- Chƣơng trình sẽ thực hiện việc so sánh kết quả với ngƣỡng đặt trƣớc và đƣa ra cảnh báo.
64
4.6.1.3 Chương trình đo nhiệt độ
Hình 4. 24 Lưu đồ chương trình đo nhiệt độ
Giải thích lƣu đồ:
- Để đo nhiệt độ đầu cảm biến sẽ thu bức xạ hồng ngoại trên bề mặt cần đo và chuyển nguồn năng lƣợng này thành tín hiệu điện.
- Tín hiệu điện sẽ đƣợc bộ xử lý tính tốn và cho ra giá trị nhiệt độ.
- Chƣơng trình sẽ thực hiện 3 lần đo với khoảng thời gian cách nhau là 10 ms. - Kết quả cuối cùng là trung bình của ba lần đo.
- Chƣơng trình sẽ gửi kết quả lên Oled, App và so sánh kết quả với ngƣỡng đặt trƣớc rồi đƣa ra cảnh báo.
65
4.6.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển
Arduino IDE là chƣơng trình giúp cho việc lập trình các phần cứng mà nó hỗ trợ. IDE là mơi trƣờng phát triển tích hợp chạy trên trên các máy tính cơ bản cá nhân. Môi trƣờng này là một ứng dụng đa nền tảng (cross-platform) đƣợc viết bằng ngôn ngữ java. IDE này sẽ đƣợc sử dụng cho ngôn ngữ lập trình vi xử lý và project writing. Đƣợc thiết kế cho đối tƣợng mới làm quen với phát triển phần mềm.
Viết chƣơng trình cho Arduino Mega 2560 để đọc cảm biến và gửi dữ liệu lên App Inventor thông qua chuẩn truyền UART.
Để sử dụng phần mềm này, đầu tiên vào trang chủ Arduino.cc để tải phần mềm về. Sau đó nhấn vào cài đặt, chọn thƣ mục và tiến hành cài đặt. Arduino IDE một số thành phần nhƣ: Thanh bảng chọn, Thanh công cụ, vùng code editor, vùng thông báo trạng thái. Thanh bảng chọn gồm các chọn lựa nhƣ: File, Edit, Sketch, Tool và Help. Các chức năng hoạt động của phần mềm đều chứa trong các mục của bảng này. Thanh công cụ chứa: Biên dịch, nạp, new, open, save. Đây là các chức năng chính thƣờng xuyên sử dụng của chƣơng trình.
4.6.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại
Để tiến hành điều khiển thông qua ứng dụng trên điện thoại theo yêu cầu sử dụng và dành cho ngƣời không chuyên, phần mềm Mit App Inventor là lựa chọn phù hợp và tiện ích trong vấn đề này. Các giới thiệu về phần mềm có thể tham khảo trong Chƣơng 2 Cơ sở lý thuyết.
Lƣu đồ chƣơng trình App (hình 4.25). Giải thích lƣu đồ:
- Chức năng của App đƣợc thể hiện qua lƣu đồ bên trên.
- Khi mở App sẽ hiển thị giao diện chính gồm tên thiết bị và 2 nút nhấn lựa chọn chế độ đo.
66
- Khi chọn một trong 2 chế độ sẽ hiển thị giao diện của chế độ đó. Để xem đƣợc dữ liệu đo cần nhấn chọn kết nối Bluetooth. Khi đó dữ liệu từ bộ xử lý trung tâm sẽ gửi lên App thông qua bluetooth. Chƣơng trình sẽ kiểm tra có nhấn nút trở về hay khơng, nếu có sẽ quay về màn hình chính. Đồng thời App sẽ lƣu dữ liệu trên file text.
Hình 4. 25 Lưu đồ chương trình cho App
Các bƣớc tạo App:
- Đăng nhập vào trang Web Mit App Inventor. Đăng nhập tài khoản và tạo file làm việc.
- Tạo giao diện cho ứng dụng bằng cách sử dụng hình ảnh và các cơng cụ hỗ trợ. Cài đặt các kết nối cần thiết.
67
động của ứng dụng bằng cách lắp ráp các thẻ lệnh.
- Bƣớc cuối cùng là build chƣơng trình ta sẽ có mã QR và thực hiện cài đặt.