3.2.1 Khối xử lý trung tâm
Vì số lượng các module nhiều, đồng nghĩa với việc có nhiều cổng I/O, nên số lượng các chân ngõ vào của khối xử lý phải đáp ứng đủ hoặc dư. Vì vậy nhóm quyết định chọn board xử lý Arduino Mega 2560 để làm khối xử lý trung tâm vì board có số lượng các ngõ vào ra nhiều và đáp ứng đủ với yêu cầu của đề tài.
Arduino Mega 2560 là board xử lý lớn nhất trong họ Arduino. Gồm các đặc tính đáng chú ý sau:
- Có 3 cách cấp nguồn cho Arduino Mega, đó là dùng cáp USB, sử dụng qua chân cấp nguồn Vin và jack cắm nguồn vào DC.
- Được thiết kế với cầu chì tự phục hồi, mục đích ngăn cổng USB của máy tính sinh nhiệt khi xảy ra hiện tượng quá dòng trên board Arduino do các chân I/O chạm chập. Hầu hết các thiết bị kết nối với Board đều có cơ chế bảo vệ dịng thơng qua cổng USB, tuy nhiên trên board Arduino Mega 2560 có tích hợp sẵn sẽ tạo ra được lớp bảo vệ thứ 2 khi kết nối với máy tính.
41
Hình 3.3 Sơ đồ chân của Arduino Mega 2560
Sơ lược về các chân quan trọng trên board Arduino Mega 2560
- Chân 5V và 3.3V: Chân này để cung cấp điện áp ra chuẩn cho các thiết bị - Chân GND: Có 5 chân nối mass có sẵn trên Board Arduino Mega, giúp dễ
dàng kết nối với dự án có nhiều thiết bị ngoại vi
- Chân Reset: Được sử dụng để thiết lập lại Board mạch về lúc ban đầu, với mức tích cực là mức thấp sẽ reset lại board
- Chân Vin: Là chân điện áp đầu vào cung cấp cho mạch Arduino Mega, điện áp từ 7V đến 15V. Mặt khác điện áp được cấp bởi jack nguồn DC có thể được lấy thơng qua chân này. Tuy nhiên, điện áp đầu ra thông qua chân này đến mạch Arduino sẽ được tự động thiết lập là 5V.
42
- Chân truyền thông nối tiếp (Serial Communication): RXD và TXD là các chân nối tiếp được sử dụng để truyền và nhận dữ liệu nối tiếp, chân Rx đại diện cho việc truyền dữ liệu còn Tx được sử dụng để nhận dữ liệu. Có tất cả 4 kết hợp các chân nối tiếp này được sử dụng trong đó Serial 0 là chân RX(0) và TX(1), Seria l 1là chân TX(18) và RX(19), Serial 2 là chân TX(16) và RX(17), và Serial 3 là chân TX(14) và RX(15).
- Chân Ngắt ngoài (External Interrupts): 6 chân được sử dụng để tạo các ngắt ngồi đó là ngắt 0 (chân 0), ngắt 1 (chân 3), ngắt 2 (chân 21), ngắt 3 (chân 20), ngắt 4 (chân 19), ngắt 5 (chân 18). Các chân này tạo ra các ngắt bằng một số cách tức là cung cấp giá trị LOW, tăng hoặc giảm hoặc thay đổi giá trị cho các chân ngắt.
- Đèn LED: Arduino Mega 2560 tích hợp đèn LED trên board mạch kết nối với chân 13. Giá trị HIGH đèn LED được bật và LOW đèn LED tắt. Giúp người lập trình quan sát trực quan khi test, kiểm tra chương trình trên board Arduino - Chân AREF: Chân tạo điện áp tham chiếu cho đầu vào analogs
- Các chân tương tự (Analogs): Có 16 chân analog được tích hợp trên board Arduino có ký hiệu là A0 đến A15. Điều quan trọng cần lưu ý là tất cả các chân analog này có thể được sử dụng làm chân I / O Digital. Mỗi chân analog đi kèm với độ phân giải 10 bit. Các chân này có thể có điện áp thay đổi tử 0V đến 5V. Tuy nhiên, giá trị trên có thể được thay đổi bằng cách sử dụng hàm ISF và analogReference ().
- Giao tiếp I2C: Hai chân 20 và 21 hỗ trợ giao tiếp I2C trong đó 20 đại diện cho SDA (Dịng dữ liệu nối tiếp chủ yếu được sử dụng để giữ dữ liệu) và 21 đại diện cho SCL (Dòng đồng hồ nối tiếp chủ yếu được sử dụng để cung cấp đồng bộ hóa dữ liệu giữa các thiết bị)
- Truyền thông SPI: Được sử dụng để truyền dữ liệu giữa Arduino và các thiết bị ngoại vi khác. Chân 50 (MISO), Chân51 (MOSI), Chân 52 (SCK), Chân 53 (SS) được sử dụng để liên lạc SPI.
43
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560
Đặc điểm Giá trị
Vi xử lý Atmega2560
Nguồn cấp 7-15VDC
Điện áp hoạt động 5VDC
Dòng max chân 5V 500mA
Dòng max chân 3.3V 50mA
Dòng max chân I/O 40mA
Số chân Digital 54
Số chân Analog 16
Dung lượng bộ nhớ flash 256KB
Xung hoạt động 16Mhz
Dung lượng bộ nhớ SRAM 8 KB Dung lượng bộ nhớ EEPROM 4 KB
3.2.2 Khối hiển thị
Khối hiển thị có chức năng hiển thị các thông số đo đạt được từ khối cảm biến, trạng thái hoạt động của các chức năng có trong hệ thống và hiển thị các thông số cần chỉnh sửa.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều thiết bị linh kiện hiển thị như led đơn, led 7 đoạn, LCD 16x2, OLED, TFT… Với yêu cầu của hệ thống sẽ hiển thị lên các thông số môi trường và trạng thái điều khiển các thiết bị nên chỉ cần 4 dịng với khơng q 20 ký tự và để đơn giản hơn trong việc sử dụng nhóm quyết định sử dụng LCD 20x4 với giá thành khá rẻ.
Để sử dụng các loại LCD có driver là HD44780 (LCD 16x02, LCD 20x04...) cần có ít nhất 6 chân của MCU kết nối với các chân RS, EN, D7, D6, D5 và D4 để có thể giao tiếp với LCD. Nhưng với module chuyển giao tiếp LCD sang I2C các bạn chỉ cần 2 chân (SDA và SCL) của MCU kết nối với 2 chân (SDA và SCL) của module là có thể hiển thị thơng tin lên LCD, ngồi ra có thể điều chỉnh được độ tương phản bởi biến trở gắn trên module chính vì vậy nhóm đã quyết sử dụng Module I2C LCD nhằm mục đích tiết kiệm GPIO kết nối vào Arduino cũng như là hạn chế số lượng dây dẫn trong hệ thống.
44
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị
Kết khối hiển thị với khối điều khiển trung tâm và khối nguồn:
- Chân SCL và SDA của module I2C lần lượt kết nối với chân D21 và D20 của Arduino.
- Chân VDD và VSS của LCD 20x4 lần lượt kết nối với chân 5V và GND của khối nguồn.
Bảng 3.2 Thông số của khối hiển thị
Đặc điểm Giá trị
Điện áp hoạt động 5 VDC Dịng điện tiêu thụ 35.5 mA Kích thước màn hình 9.5 x 4 (cm)
Chuẩn kết nối I2C
45
3.2.3 Khối cảm biến
3.2.3.1 Cảm biến nhiệt độ khơng chạm MLX90614
Có nhiệm vụ đo đạc nhiệt độ cơ thể và gửi thông số đến khối xử lý trung tâm. Sơ đồ chân:
Hình 3.5 Sơ đồ chân của Module MLX90614
VIN là chân nối nguồn dương (+5V)
SCL là chân clock của giao tiếp I2C, nối với chân clock I2C của Arduino. SDA là chân data của giap tiếp I2C, nối với chân data I2C của Arduino.
GND là chân nối nguồn âm (0V)
Kết nối giữa Module MLX90614 với khối điều khiển trung tâm:
- Chân SCL và SDA của Module lần lượt kết nối với chân I2C của Arduino lần lượt là D21 và D20.
- Chân VCC và GND của Module lần lượt kết nối với chân 5V và GND của Arduino.
Bảng 3.3 Các thông số kỹ thuật của Module MLX90614
Đặc điểm Giá trị
Khoảng đo nhiệt độ vật thể -70 ℃ đến 382℃ Khoảng đo nhiệt độ môi trường xung quanh -40 ℃ đến 85℃
Độ chính xác ±0.5 ℃ (ở nhiệt độ phòng)
Độ phân giải ±0.2 ℃
Góc đo nhiệt độ 90º
Điện áp hoạt động 3.3V tới 5V
46
3.2.3.2 Cảm biến đo nhịp tim và SpO2
Có chức năng đo đạc nhịp tim và nồng độ SpO2, sau đó gủi dữ liệu đến khối xử lý trung tâm.
Sơ đồ chân:
Hình 3.6 Sơ đồ chân của Module MAX30100
VIN là chân nối nguồn dương (+5V)
SCL là chân clock của giao tiếp I2C, nối với chân clock I2C của Arduino. SDA là chân data của giap tiếp I2C, nối với chân data I2C của Arduino.
INT INT MAX30100 có thể được lập trình để tạo ngắt cho mỗi xung. Dịng này là dịng hở, vì vậy nó được kéo CAO bởi điện trở tích hợp. Khi một ngắt xảy ra, chân INT sẽ ở mức THẤP và ở mức THẤP cho đến khi ngắt được xóa.
IRD MAX30100 tích hợp trình điều khiển LED để điều khiển xung LED cho các phép đo SpO2 và HR. Sử dụng tùy chọn này nếu bạn muốn tự điều khiển IR LED, nếu khơng, hãy để nó khơng được kết nối.
RD chân tương tự như chân IRD, nhưng được sử dụng để điều khiển đèn LED màu đỏ. Nếu bạn không muốn tự điều khiển đèn LED màu đỏ, hãy để nó ở trạng thái khơng kết nối
47
Kết nối giữa Module MAX 30100 giữa hiển thị với khối điều khiển trung tâm:
- Chân SCL và SDA của module IC2 lần lượt kết nối với 2 chân I2C của Arduino là D21 và D20.
- Chân VCC và GND của Module lần lượt kết nối với chân 5V và GND của Arduino.
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của Module MAX30100
Đặc điểm Giá trị
Điện áp hoạt động 3.3V tới 5.5V
Dịng điện hoạt động 600µA khi đo và 0.7µA khi ở trạng thái chờ
Bước sóng LED đỏ 660nm
Bước sóng LED IR 880nm
Nhiệt độ hoạt động -40ºC tới 85ºC Điện áp hoạt động 3.3V tới 5V Dòng điện hoạt động 2mA
3.2.3.3 Cảm biến vật cản hồng ngoại
Có 2 cảm biến được dùng trong hệ thống, có chức năng lần lượt như sau: - Cảm biến 1 có chức năng kích tín hiệu cho cảm biến đo nhịp tim, SPO2 hoạt
động khi có vật cản lại gần, ở đây là bàn tay. Khi đưa tay lại gần, cảm biến vật cản nhận diện và gửi tín hiệu cho khối xử lý trung tâm, khối xử lý trung tâm đưa tín hiệu tới cảm biến MAX30100 cho phép đo nhịp tim, SPO2.
- Cảm biến 2 có chức năng kích tín hiệu cho cảm biến đo nhiệt độ và phun sương sát khuẩn. Khi đưa tay lại gần cảm biến, nó nhận diện và gửi tín hiệu cho khối xử lý trung tâm, khối xử lý trung tâm đưa tín hiệu cho cảm biến GY- 90614 cho phép đo nhiệt độ và phun sương sát khuẩn.
48
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại
Cảm biến có khả năng nhận biết vật cản ở mơi trường với một cặp LED thu phát hồng ngoại để truyền và nhận dữ liệu hồng ngoại. Tia hồng ngoại phát ra với tần số nhất định, khi có vật cản trên đường truyền của LED phát nó sẽ phản xạ vào LED thu hồng ngoại, khi đó LED báo vật cản trên module sẽ sáng, khi khơng có vật cản, LED sẽ tắt.
Với khả năng phát hiện vật cản trong khoảng 2 ~ 30cm và khoảng cách này có thể điều chỉnh thơng qua chiết áp trên cảm biến cho thích hợp với từng ứng dụng cụ thể như: xe dò line, xe tránh vật cản, làm mạch kích để báo có vật cản ở gần
Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo và chân ngõ ra của cảm biến
Kết nối giữa cảm biến vật cản hồng ngoại với khối điều khiển trung tâm và khối nguồn:
- Chân OUT của cảm biến 1 được kết nối với chân D15 của Arduino. - Chân OUT của cảm biến 2 được kết nối với chân D14 của Arduino
- Chân VCC và GND của cảm biến lần lượt kết nối với chân 5V và GND của khối nguồn.
49
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật cảm biến vật cản hồng ngoại
Đặc điểm Giá trị
IC so sánh LM393
Điện áp hoạt động 3.3V tới 6V (DC)
Dòng điện tiêu thụ 23mA tại 3.3V hoặc 43mA tại 5V
Góc hoạt động 35º
Khoảng cách phát hiện 2 tới 30 cm
Mức Logic gõ ra Mức thấp (0V) khi có vật cản, mức cao (5V) khi khơng có vật cản
Kích thước 3.2 x 1.4 (cm)
3.2.4 Khối nút nhấn
3.2.4.1 Bàn phím ma trận
Có chức năng thay đổi các thơng số đặt của hệ thống, ở đây là nhiệt độ cảnh báo, nhịp tim và nồng độ SpO2. Khi thay đổi thông số này, hệ thống sẽ ghi nhận và tiến hành đo đạc bình thường, khi thơng số q khả năng cho phép, thì sẽ có thay đổi thích hợp ở khối âm thanh
Hình 3.10 Bàn phím ma trận 4x4
Bàn phím ma trận 4x4 làm bằng nhựa cứng, giá thành rẻ, độ hồn thiện ổn, thích hợp trong đời sống con người trong các dự án như: mã PIN để mở khóa, hệ thống Access Control, hệ thống khóa bảo mật hay các dự án cần thay đổi giá trị bằng bàn phím.
50
Bảng 3.6 Thơng số kỹ thuật của bàn phím ma trận 4x4
Đặc điểm Giá trị
Điện áp hoạt động 3V – 5V (DC)
Kích thước bàn phím 65 x 64 x 9 (mm) (dài x rộng x cao)
Trọng lượng 21g
Chất lượng bàn phím Nhựa cứng Nhiệt độ hoạt động 0 ºC - 70ºC
Số phím 16
Số ngõ ra 8
Hình 3.11 Sơ đồ nối dây của bàn phím ma trận 4x4
Kết nối giữa bàn phím ma trận với khối điều khiển trung tâm:
- Chân R1 R2 R3 R4 C1 C2 C3 C4 lần lượt kết nối với chân D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 của Arduino.
3.2.5 Khối động cơ và quang báo 3.2.5.1 Khối quang báo 3.2.5.1 Khối quang báo
Có chức năng thơng báo trạng thái hoạt động của hệ thống cho người dùng, gồm 3 đèn báo có 3 màu: đỏ, vàng, xanh.
Trạng thái hoạt động của mỗi đèn như sau:
- Đèn đỏ: thông báo cho người dùng rằng hệ thống đã sẵn sàng hoạt động, chờ người dùng tới thao tác,
51
- Đèn vàng: cho biết hệ thống đang trong tiến trình hoạt động, khi đèn vàng sáng, hệ thống đang tiến hành đo nhịp tim, SPO2 hay đang chờ để rửa tay sát khuẩn.
- Đèn xanh: cho biết người dùng đã hồn tất q trình đo nhịp tim, SPO2, đo nhiệt độ và rửa tay sát khuẩn. Người dùng có thể tiếp tục duy chuyển vào trong.
Hình 3.12 Đèn báo Bảng 3.7 Giá trị của đèn báo
Đặc điểm Giá trị
Series đèn và thương hiệu PBT - AD16-22D/S22
Điện áp làm việc 12VDC
Dòng điện tiêu thụ 15mA
Chiều dài 50mm
Đường kính 22mm
3.2.5.2 Bơm
Hình 3.13 Bơm
52
Bảng 3.8 Thông số của bơm
Đặc điểm Giá trị
Model 365 bơm màng micro DC
Điện áp làm việc 12VDC
Dịng điện khơng tải 0.23A Lưu lượng tối đa 2-3l/phút
Áp suất tối đa 1-2.5kg
Lực nâng tối đa 1-2.5m
Số giờ làm việc 2-3 năm
Lực hút tối đa 2m
Đường kính đầu vào 8mm Chiều dài động cơ 32mm Đường kính động cơ 28mm
Chiều dài bơm 36mm
Tổng chiều dài 69mm
Đường kính bơm 40mm x 35mm
Trọng lượng 111g
Bơm được hút nước từ một bình chứa, hoặc chai chứa dung dịch sát khuẩn, ở đây nhóm quyết định chọn dung dịch sát khuẩn là cồn 70 độ. Sau đó được bơm qua dây dẫn là ống nhựa mềm trong suốt và được bơm dưới đầu phun sương.
53
Hình 3.15 Ống nhựa mềm
Hình 3.16 Đầu phun sương kết hợp với dây dẫn
3.2.5.3 Sơ đồ khối của khối động cơ và quang báo
54
3.2.6 Khối âm thanh
3.2.6.1 Module Micro SD card TF SPI
Sơ đồ chân:
Hình 3.18 Sơ đồ chân của Module Micro SD card TF SPI
55
Kết nối giữa Module Micro SD card TF SPI với khối điều khiển trung tâm
và khối nguồn:
- Chân VCC và GND của Module lần lượt kết nối với chân 5V và GND của khối nguồn.
- Chân MISO (Master In Slave Out) kết nối với chân D50 của Arduino - Chân MOSI (Master Out Slave In) kết nối với chân D51 của Arduino - Chân SCK (Serial Clock) kết nối với chân D52 của Arduino
- Chân CS (Chip Select) kết nối với chân D53 của Arduino
Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật của Module Micro SD card TF SPI
Đặc điểm Giá trị
Điện áp hoạt động 5V VDC Dòng điện tiêu thụ
Chuẩn giao tiếp SPI
Định dạng thẻ nhớ hỗ trợ FAT 16, FAT 32
Kích thước 18.5 x 17.5 (mm)
3.2.6.2 Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403
Hình 3.20 Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403
Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403 6W Hifi 2.0 (có chỉnh volume) có tích hợp bộ lọc nhiễu cho tín hiệu tốt hơn, để mạch đủ cơng xuất 3W cho mỗi kênh thì nguồn đầu vào cần phải là 5V – 1.2A, có thể kết nối trực tiếp với loa 4Ω / 8Ω.