4.1 Giới thiệu hệ thống
Ở đề tài này Arduino Mega 2560 là trung tâm thu thập và xử lý giá trị nhận đƣợc từ cảm biến bao gồm: Cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30100, cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614. Đồng thời Arduino Mega cũng thực hiện việc gửi tín hiệu đã đƣợc xử lý lên màn hình hiển thị Oled và App Inventor trên điện thoại Android. Có một nút nguồn để cấp nguồn cho hệ thống, 1 nút nhấn để chọn chế độ đo nhịp tim và Sp02 và 1 công tắc để bật tắt khi đo nhiệt độ. Khi nhấn nút đo led xanh sẽ sáng để thơng báo đang trong q trình đo. Buzzer sẽ thực hiện việc cảnh báo khi một trong các thơng số vƣợt ngƣỡng bình thƣờng. Bên cạnh đó cịn sử dụng thêm đầu phát lazer để xác định vị trí khi đo nhiệt độ. Thiết bị sử dụng đơn giản thông qua việc bật tắt các nút nhấn và công tắc, kết quả hiển thị trên màn hình Oled và App điện thoại. Ở chƣơng này, sẽ tập trung tính tốn thiết kế các khối cho hệ thống, dựa vào yêu cầu của đề tài từ đó tính tốn và lựa chọn các linh kiện và thiết bị phù hợp.
4.2 Tính tốn và thiết kế hệ thống 4.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 4.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống có chức năng sau thu nhận và xử lý dữ liệu từ cảm biến. Hiển thị dữ liệu lên Oled. App Inventor sẽ lấy dữ liệu và hiển thị trên điện thoại Android. Cảnh báo thông qua buzzer khi thơng số vƣợt ngƣỡng bình thƣờng. Từ những chức năng trên ta có sơ đồ khối của đề tài đƣợc trình bày nhƣ hình 3.1 dƣới đây. Sơ đồ khối sẽ giúp mọi ngƣời có cái nhìn tổng quan hơn về đề tài cũng nhƣ thành phần, cấu tạo của hệ thống. Từ sơ đồ khối ta có thể thấy rõ các chiều phát ra và nhận vào tín hiệu, nguồn của các khối trong hệ thống. Nhờ sơ đồ ta có thể hình dung quá trình tác động qua lại điều khiển, trao đổi tín hiệu giữa các khối, linh kiện, mạch điện.
39
Hình 4. 1 Sơ đồ khối của hệ thống
- Khối nguồn: Cấp nguồn 9 V cho khối xử lý trung tâm là board Arduino Mega 2560 hoạt động.
- Khối xử lý trung tâm: Board Arduino Mega 2560 sẽ cấp nguồn cho các khối còn lại. Thực hiện việc xử lý tín hiệu thu nhận đƣợc từ các cảm biến. Nhận tín hiệu chế độ đo, sau đó hiển thị giá trị của cảm biến lên Oled và App điện thoại.
- Khối cảm biến: Cảm biến đo nhiệt độ MXL90614, cảm biến đo nhịp tim và Spo2 MAX3010 và gửi cho khối xử lý trung tâm.
- Khối chọn chế độ và thơng báo: Có nút nhấn dùng để chọn chế độ đo nhịp tim và Spo2, công tắt dùng để đo nhiệt độ. Led xanh để thơng báo đang trong q trình đo. - Khối hiển thị trên Oled: Hiển thị giá trị nhiệt độ, nhịp tim và Spo2 lên màn hình Oled.
- Khối hiển thị trên điện thoại: Hiển thị giá trị các thông số lên App Inventor trên điện thoại Android thông qua module bluetooth.
- Khối cảnh báo: Buzzer sẽ phát ra tiếng bíp khi một trong các giá trị đo nằm ngồi ngƣỡng bình thƣờng.
4.2.2 Tính tốn và thiết kế các khối a. Khối nguồn
40
Để đáp ứng yêu cầu của thiết bị là sử dụng ở mọi địa điểm, gọn nhẹ, dễ di chuyển, linh hoạt trong nhu cầu sử dụng địi hỏi thiết bị phải có nguồn điện cung cấp đầy đủ và không phụ thuộc vào nguồn điện lƣới. Từ những yêu cầu này, Pin Cell 18650 4200mAh 3.7 V thỏa mãn những điều kiện của thiết bị. Pin có tuổi thọ cao và thời gian chờ kéo dài với mức hao hụt năng lƣợng trong khoảng thời gian này rất nhỏ. Bên cạnh đó pin cũng có kích thƣớc nhỏ gọn phù hợp với những thiết bị đòi hỏi sự linh hoạt trong di chuyển. Vì vậy, nhóm quyết định sử dụng 2 Pin Cell 18650 4200mAh 3.7V làm bộ nguồn cho thiết bị
- Sử dụng 2 Pin Cell 18650 4200mAh 3.7V mắc nối tiếp.
Nguồn đƣợc cấp vào Arduino Mega thông qua jack cắm điện. Arduino Mega 2560 nhận nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7 – 12 VDC. Khi mắc 2 Pin Cell 18650 4200mAh nối tiếp ta có điện áp là 7.4 V. Điện áp này thỏa mãn yêu cầu khi cấp nguồn cho Arduino Mega.
- Tính tốn cơng suất tiêu thụ:
Để thiết kế một khối nguồn hợp lý, đủ cơng suất, điện áp, dịng điện cho tồn mạch hoạt động hiệu quả. Trƣớc tiên ta phải xem xét các linh kiện trong mạch hoạt động với điện áp bao nhiêu, dòng bao nhiêu, từ đó ra có thể tính đƣợc tổng dịng cho mạch. Để tính đƣợc tổng dịng ta phải tìm hiểu dịng sử dụng của từng linh kiện thành phần sau đó ta sẽ cộng hết chúng lại sẽ ra đƣợc dòng điện đủ để cung cấp cho mạch.
41
Bảng 4. 1 Công suất tiêu thụ của mạch điện
Stt Thiết bị , mạch điện Điện áp hoạt động Dòng tiêu thụ 1 Arduino Mega 2560 5V DC 0.5 mA 2 Cảm biến Max30100 5V DC 1.2 mA 3 Oled LCD 5V DC 8 mA 4 MLX90614 5V DC 22.5mA 5 Bluetooth 5V DC 8 mA 6 Đầu Laser 5V DC 40 mA 7 Led đục màu xanh lá 5V DC 20 mA 8 Buzzer 5V DC 25 mA
Ta có cơng thức tính cơng suất là:
P = U * I (W) Trong đó:
42
P là cơng suất (W) U là điện áp (V)
I là cƣờng độ dòng điện (A)
Dựa vào bảng 4.1 ở trên ta thấy các thiết bị trong mạch đều hoạt động với điện áp vào là 5 V và có dịng tiêu thụ khác nhau. Ta dùng cơng thức 3.1 để tính tổng cơng suất tiêu thụ của hệ thống:
P Tiêu thụ = 5 * (0.5 + 1.2 + 8 + 22.5 + 8 +40 + 20 + 25) = 2.63 W
Chọn bộ nguồn gồm 2 Pin Cell 18650 4200mAh 3.7 V. Nối tiếp 2 pin ta có điện áp là 7.4 V và dòng điện là 4.2 A. Dựa vào cơng thức 3.1 ta tính đƣợc cơng suất tối đa pin cấp đƣợc là:
P Pin = 7.4 * 4.2 = 31.08 W
Ta thấy công suất tối đa pin cấp đƣợc là 31.08 W lớn hơn so với cơng suất tiêu thụ tồn mạch là 2.63 W nên ta có thể sử dụng 2 Pin Cell 18650 4200mAh 3.7 V làm bộ nguồn cho mạch.
b. Khối xử lý trung tâm
Thiết bị đƣợc thiết kế với nhiều module hoạt động, nguồn cấp cho các module đều là 5V, giá trị của tín hiệu cần xử lý đƣợc lấy từ hai cảm biến khác nhau. Giao tiếp I2C sử dụng hai chân SCL và SDA để truyền dữ liệu cho nhiều module. Từ những yêu cầu trên, nhóm quyết định sử dụng Arduino Mega 2560 (hình 4.2) làm bộ xử lý trung tâm. Arduino Mega 2560 có số chân giao tiếp nhiều đảm bảo giao tiếp cùng lúc với nhiều Module (54 chân digital IO và 16 chân analog IO). Thiết bị địi hỏi phải xử lý 3 thơng số là nhịp tim, Sp02 và nhiệt độ. Vì vậy, Arduino Mega 2560 với bộ nhớ flash gấp 4 lần so với những phiên bản cũ của UNO R3 cùng với việc trang bị 3 timer và 6 cổng interrupt khiến arduino Mega 2560 hoàn toàn có thể giải quyết đƣợc nhiều bài
43
toán, cần điều khiển nhiều loại động cơ và xử lý song song nhiều luồng dữ liệu số cũng nhƣ tƣơng tự. Giúp cho nhà phát triển khả năng viết những chƣơng trình phức tạp hơn và điều khiển các thiết bị lớn hơn nhƣ máy in 3D, điều khiển robot. Arduino Mega 2560 phiên bản hiện đang đƣợc sử dụng rộng rãi và ứng dụng nhiều hơn.
Hình 4. 2 Board Arduino Mega 2560
Thông số kỹ thuật:
- Vi điều khiển chính: ATmega2560
- Nguồn ni mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC
- Số chân Digital I/O: 54 (trong đó 15 chân có khả năng xuất xung PWM) - Số chân Analog Input: 16
- Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20mA - Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50mA
- Flash Memory: 256 KB trong đó 8 KB sử dụng cho bootloader. - Kích thƣớc: 101.52 x 53.3 mm.
44
Hình 4. 3 Module tích hợp cảm biến MAX30100
Dựa vào yêu cầu của đề tài, cảm biến đƣợc nhóm sử dụng là cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu Max30100, cảm biến nhiệt độ hồng ngoại MLX90614. Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30100 đƣợc nhóm chọn sử dụng vì tính phổ biến, dễ sử dụng và lập trình. Nó đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y sinh dung vào yêu cầu của đề tài, cảm biến đƣợc nhóm sử dụng là cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu Max30100, cảm biến nhiệt độ hồng ngoại MLX90614. Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30100 đƣợc nhóm chọn sử dụng vì tính phổ biến, dễ sử dụng và lập trình. Nó đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y sinh dùng. để đo nhịp tim và nồng độ oxi trong máu. Cảm biến sử dụng phƣơng pháp đo hấp thụ quang học với thiết kế và chất liệu mắt đo đƣợc sản xuất chính hãng từ Maxim cho độ chính xác, độ bền cao và độ nhiễu thấp. Ngồi ra, cảm biến sử dụng giao tiếp I2C rất dễ giao tiếp với Arduino. Sơ đồ chân mô tả ở hình 4.3.
Thơng số kỹ thuật
- Điện áp sử dụng: 1.8~5.5VDC.
- Nhỏ gọn, siêu tiết kiệm năng lƣợng, thích hợp cho các thiết bị đo nhỏ gọn, Wearable Devices.
- Giao tiếp: I2C, mức tín hiệu TTL.
Cảm biến tính nồng độ Oxy trong máu dựa trên cơ sở phép đo quang phổ kế (sắc ký) và phép đo xung động kế (xung động ký). Phép đo sắc ký hoạt động dựa trên cơ sở độ hấp thụ ánh sáng của Hemoglobin (Hb) và Oxyhemoglobin (HbO2) khác nhau đối
45
với 2 bƣớc sóng khác nhau của ánh sáng đỏ (660nm) và ánh sáng hồng ngoại (880nm). Phép đo xung động ký hoạt động dựa trên cơ sở độ hấp thu ánh sáng truyền qua mơ thay đổi có tính chu kỳ do sự thay đổi thể tích máu giữa kỳ tâm thu và tâm trƣơng.
Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614 (hình 4.4). Với
những ƣu điểm là kích thƣớc nhỏ gọn, chi phí rẻ, khi đo không cần tiếp xúc trực tiếp, điện năng tiêu thụ thấp. Hoàn toàn phù hợp với yêu cầu của thiết bị. Vì vậy, nhóm quyết định sử dụng cảm biến MLX90614 để đo nhiệt độ.
Hình 4. 4 Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614
Thông Số Kỹ Thuật:
- Điện áp hoạt động: 3.3 - 5V - Chip: MXL90614
- Giao tiếp: I2C
- Độ chính xác: 0.5 °C
- Phạm vi đo: -20 °C đến 120 °C - Kích thƣớc: 11.5x16.5mm
d. Khối chọn chế độ đo và thông báo
Sau khi nhấn nút bật nguồn, để đo ngƣời dùng cần nhấn nút chọn chế độ đo. Chế độ đo nhịp tim và Sp02 đƣợc chọn bằng cách thực hiện nhấn nút nhấn tự giữ màu xanh. Nút nhấn nhận tác động từ ngƣời dùng giúp ngƣời dùng thao tác với giao diện chƣơng
46
trình. Nút nhấn đƣợc nối thêm vào điện trở 10k để hạn dòng vào vi diều khiển. Mạch điện nút nhấn đƣợc thể hiện nhƣ hình 4.5 bên dƣới:
Hình 4. 5 Mạch điện khối nút nhấn
Khi chƣa nhấn nút, chân button sẽ đƣợc nối với GND qua một điện trở 10 kΩ, do đó lệnh đọc chân nút nhấn sẽ trả về giá trị 0 (LOW). Khi bạn nhấn nút, chân button sẽ đƣợc nối trực tiếp với 5V và nối với GND thông qua 1 điện trở 10kΩ, lệnh đọc chân nút nhấn sẽ trả về giá trị 1 (HIGH). Nút nhấn tự giữ 12mm màu xanh nhấn xuống đóng mạch kín, thả tay ra vẫn ở trạng thái đóng mạch. Nhấn lần nữa nút trở về trạng thái hở mạch. Nút bền, độ nhạy, độ nảy tốt, có sẵn đai ốc siết chặt.
Với chế độ đo nhiệt độ, nhóm sử dụng cơng tắc ON / OFF. Công tắc này với cách sử dụng đơn giản, độ bền cơ học cao, giá thành rẻ, đặt biệt là kích thƣớc nhỏ gọn dễ dàng gắn lên tay đo nhiệt độ của thiết bị. Vì vậy, với những ƣu điểm trên nhóm quyết định sử dụng cơng tắc on – off để chọn chế độ đo cho nhiệt độ. Bên cạnh đó, nhóm sử dụng led đục xanh lá để thơng báo đang trong q trình đo. Led kích thƣớc nhỏ, độ sáng cao, giá thành rẻ phù hợp với yêu cầu của thiết bị. Để led hoạt động tốt, sáng đẹp, ổn định và có độ bền cao ta cần thiết kế tính tốn việc chọn giá trị điện trở hạn dịng cho led vì dịng điện nguồn cấp vào chân led lớn hơn so với dịng điện định mức của led. Vì vậy, Việc này giúp led khơng bị cháy trong q trình hoạt động.
Ta có cơng thức tính điện trở hạn dịng cho led: R= U/I(Ω)
47
Trong đó:
R là điện trở (Ω) U là điện áp (V)
I là cƣờng độ dòng điện (A)
Với nguồn cấp +5V, dựa vào thơng số kỹ thuật thì để led sáng đẹp và bền thì dịng điện của led là 20 mA, và điện áp của led là 3.2 V. Dựa vào cơng thức trên ta tính đƣợc điện trở hạn dịng cho led.
R=(5-3.2)/20=0.09 (KΩ) =90 (Ω)
Giá trị điện trở có bán trên thị trƣờng gần nhất với tính tốn là 100Ω, vậy ta chọn điện trở có giá trị là 100 Ω làm điện trở hạn dịng cho led. Để kiểm tra led có hoạt động ổn định hay khơng ta có thể chạy thử chƣơng trình mẫu của phần mềm IDE Arduino.
e. Khối hiến thị trên Oled
Dữ liệu sẽ đƣợc vi điều khiển xử lý và hiển thị trên Oled thông qua giao tiếp I2C. Với yêu cầu của thiết bị là hiển thị các thơng số một cách rõ ràng dễ hiểu, nhóm quyết định sử dụng màn hình Oled 1.3 Inch làm màn hình hiển thị. Màn hình Oled 1.3 inch giao tiếp I2C cho khả năng hiển thị đẹp, rõ nét vào ban ngày và khả năng tiết kiệm năng lƣợng tối đa với mức chi phí phù hợp, màn hình oled 1.3 inch sử dụng giao tiếp I2C cho chất lƣợng đƣờng truyền ổn định
Thông số kỹ thuật:
Điện áp sử dụng: 2.2~5.5 VDC.
Góc hiển thị: lớn hơn 160 độ.
Số điểm hiển thị: 128×64 điểm.
48
f. Khối hiển thị trên điện thoại
Với những yêu cầu của thiết bị nhóm quyết định xây dựng App trên điện thoại thông qua ứng dụng Mit App Inventor. Đây là ứng dụng lập trình đơn giản bằng cách kéo thả các thẻ lệnh, hỗ trợ đầy đủ các thẻ lệnh về cảm biến và kết nối, lƣu trữ. Ứng dụng đƣợc thiết kế với ba giao diện màn hình, khi mở ứng dụng sẽ là màn hình chính giới thiệu về thiết bị và 2 nút nhấn để chọn mở xem chế độ đo. Hai màn hình còn lại để hiển thị giá trị nhịp tim, Spo2 và nhiệt độ. App cịn có chức năng lƣu lại kết quả đo đƣợc kèm theo thời gian đề ngƣời dùng dễ dàng chia sẻ thông tin trong việc hỗ trợ tƣ vấn.
Dữ liệu đƣợc gửi lên App thông qua Bluetooth HC – 05 (hình 4.6). Mạch thu phát Bluetooth HC-05 đƣợc thiết kế nhỏ gọn chân tín hiệu giao tiếp cơ bản, mạch đƣợc thiết kế để có thể cấp nguồn và giao tiếp qua 3.3VDC hoặc 5VDC, thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau. Phạm vi hoạt động bán kính 10m. Đặc biệt, cách sử dụng để gửi dữ liệu từ module đơn giản. Tốc độ truyền dữ liệu ổn định.
Hình 4. 6 Module Bluetooth HC- 05
Thông số kỹ thuật HC-05:
- Mô-đun Bluetooth nối tiếp cho Arduino và các bộ vi điều khiển khác - Điện áp hoạt động: 4V đến 5V (Thơng thƣờng + 5V)
49
- Phạm vi: <10m
Tính tốn mắc cầu phân áp cho bluetooth
Hình 4. 7 Mạch cầu phân áp giúp hạn dòng vào chân RX
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