Đặc điểm Giá trị
Điện áp hoạt động 5V
Dịng điện hoạt động 200mA/relay
Tín hiệu kích Mức cao (5V) hoặc mức thấp (0V) chọn bằng Jumper Điện áp ni relay 5V
Tiếp điểm đóng ngắt 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A Kích thước 72x55x19 (mm) (dài x rộng x cao)
25
2.6 Màn hình LCD 2.6.1 LCD 20x4 2.6.1 LCD 20x4
Thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display), được sử dụng rất rộng rãi và phổ biến trong ứng dụng của vi điều khiển. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác: nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ. Có rất nhiều loại LCD với hình dáng và kích thước khác nhau, trong mạch sử dụng một dạng rất phổ biến là loại 20x4.
Hình 2.20 LCD 20x4 Bảng 2.2: Các chân của LCD Bảng 2.2: Các chân của LCD
Thứ tự Tên tín hiệu I/O Chức năng tín hiệu
1 VSS Nguồn GND
2 VDD Nguồn 5V
3 VO Điện áp Điều khiển ánh sáng nền
4 RS INPUT Register Select
5 R/W INPUT Read/Write 6 E INPUT Enable 7 D0 I/O DATA LSB 8 D1 I/O DATA 9 D2 I/O DATA 10 D3 I/O DATA 11 D4 I/O DATA 12 D5 I/O DATA 13 D6 I/O DATA 14 D7 I/O DATA MSB 15 A INPUT 5V 16 K INPUT GND
26
Trong 16 chân LCD được chia làm 3 dạng tín hiệu:
- Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là Vdd nối
với nguồn +5V. Chân thứ 3 dùng để chỉnh contrast thường nối với biến trở.
- Các chân điều khiển: Chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển lựa chọn
thanh ghi. Chân R/W dùng để điều khiển quá trình đọc và ghi. Chân E là chân cho phép dạng xung chốt.
- Các chân dữ liệu D7 – D0: Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao
đổi dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD.
2.6.2 Module I2C LCD
LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếm dụng nhiều chân trên vi điều khiển. Module I2C LCD ra đời và giải quyết vấn để này cho bạn.
Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì module IC2 bạn chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối. Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780 (LCD 16×2, LCD 20×4…) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.
Hình 2.21 Mạch chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD Bảng 2.3 Thông số module I2C Bảng 2.3 Thông số module I2C
Đặc điểm Giá trị
Kích thước 41.5mm(L)X19mm(W)X15.3MM(H)
Điện áp hoạt động 2.5V - 6V
Giao tiếp I2C
Hỗ trợ hoạt động LDC 16x2 và LCD 20x4
Tích hợp jumper để cung cấp hoặc
27
2.7 Module Micro SD card TF SPI
Hình 2.22 Module Micro SD card TF SPI
Module thẻ SD gồm hai thành phần chính:
Hình 2.23 Thành phần cấu tạo chính của Module SD
Điện áp hoạt động của bất kỳ thẻ micro SD tiêu chuẩn là 3.3V, vì vậy chúng ta khơng thể kết nối trực tiếp nó vào các mạch sử dụng nguồn điện 5V. Trên thực tế, bất kỳ điện áp nào vượt quá 3.6V sẽ làm hỏng thẻ micro SD. Đó là lý do module có một IC ổn áp để ổn áp từ 3.3 – 6V xuống 3.3V để thẻ nhớ có thể hoạt động ổn định.
Ngồi ra, ở trên Module cịn có một IC 74LVC125A để chuyển đổi điện áp 3.3V-5V sang 3.3V. Vì vậy nên nguồn điện cấp cho Arduino này có thể từ 3.3V – 5V mà khơng làm hỏng thẻ micro SD.
Có hai cách giao tiếp với thẻ micro SD, đó là giao tiếp SPI và giao tiếp SDIO. Ở giao tiếp SDIO nhanh hơn và được sử dụng trong điện thoại di động, máy ảnh kỹ
28
thuật số, … Nhưng nó phức tạp hơn và yêu cầu các thao tác phức tạp. Vì vậy, để dễ dàng hơn trong việc thao tác và thực hành với thẻ micro SD, mọi module đều dựa trên chuẩn giao tiếp SPI để giao tiếp. Dù tốc độ thấp hơn nhưng vì chi phí rẻ hơn nên bất kỳ vi điều khiển nào cũng dễ dàng sử dụng.
Micro SD card module TF SPI có thể làm ứng dụng của bạn trở nên dễ dàng và đơn giản hơn. Nó dễ dàng giao tiếp như một thiết bị ngoại vi để có thể kết nối đến vi điều khiển. Qua chương trình bạn có thể đọc và viết trực tiếp lên SD Card. Có thể sử dụng cho phát nhạc MP3, các hệ thống vi điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp SPI.
2.8 Cảm biến đo nhiệt độ không chạm MLX90614 2.8.1 Tổng quan về Module 2.8.1 Tổng quan về Module
Hình 2.24 Cảm biến đo nhiệt độ khơng chạm MLX90614
Kể từ khi COVID-19 xuất hiện, máy quét nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc đã xuất hiện ở khắp mọi nơi trên thế giới, từ sân bay đến nhà hàng. Nếu bản thân muốn tò mò, nghiên cứu, cảm biến này sẽ giúp chúng ta trong việc tự chế tạo một thiết bị có khả năng đo nhiệt độ khơng chạm. Trong trường hợp đó, Module cảm biến MLX90614 có thể là lựa chọn rẻ tiền tốt nhất hiện có.
Trung tâm của Module là cảm biến nhiệt độ hồng ngoại khơng tiếp xúc có độ chính xác cao của melexis - MLX90614. Không giống như hầu hết các cảm biến nhiệt độ, cảm biến này đo nhiệt độ mà khơng cần chạm vào. Điều này có thể rất hữu ích để theo dõi nhiệt độ của những thứ chúng ta cần đo mà không cần chạm vào. Chỉ cần hướng cảm biến vào điểm muốn đo và nó sẽ phát hiện nhiệt độ bằng cách hấp thụ các sóng IR phát ra.
29
2.8.2 Chế độ hoạt động
MLX90614 có hai phép đo: nhiệt độ vật thể và nhiệt độ môi trường xung quanh. Nhiệt độ vật thể là phép đo không tiếp xúc được theo dõi từ cảm biến, trong khi nhiệt độ môi trường được đo trên khuôn của cảm biến.
Bởi nó là cảm biến khơng chạm, nên nó có thể đo được phạm vi nhiệt độ rộng hơn so với hầu hết các cảm biến kỹ thuật số: các phép đo nhiệt độ vật thể nằm trong khoảng từ -70 đến 382.2 ºC, trong khi phép đo nhiệt độ môi trường từ -40 tới 125ºC. Cả nhiệt độ mơi trường và nhiệt độ vật thể đều có độ phân giải 0.02ºC với độ chính xác tiêu chuẩn là 0.5ºC so với nhiệt độ phịng.
Hình 2.25 Bộ lọc quang của Module MLX90614
MLX90614 có bộ lọc quang học tích hợp giúp loại bỏ ảnh sáng nhìn thấy bằng mắt thường và ánh sáng cận hồng ngoại làm giảm ảnh hưởng của chúng với các phép đo. Có khả năng chống lại ánh sáng mặt trời để tăng hiệu quả của phép đo.
2.8.3 Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế hồng ngoại
Bất kỳ cơ thể, vật thể nào cũng đều phát ra ánh sáng hồng ngoại (kể cả con người), MLX90614 tận dụng điều này để đo nhiệt độ. Ánh sáng hồng ngoại (khơng thể nhìn thấy bằng mắt người), và tỉ lệ thuận với nhiệt độ của cơ thể, vật thể.
Bên trong MLX90614 là một cặp gồm hai thiết bị: đầu dò nhiệt hồng ngoại và ASSP (Signal-Conditioning application Processor) hay còn gọi là bộ xử lý ứng dụng điều hịa tín hiệu. Hình dưới thể hiện sơ đồ khối bên trong của MLX90614:
30
Hình 2.26 Sơ đồ khối của Module MLX90614
Tia hồng ngoại do cơ thể, vật thể phát ra sẽ vào thấu kính hội tụ trước, sau đó tia hồng ngoại sẽ vào một máy dò hồng ngoại gọi là Thermopile. Cảm biến nhiệt độ điện tử cảm nhận được năng lượng hồng ngoại được phát ra bởi các vật thể trong trường nhìn được (FOV) của nó và tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ với năng lượng đó.
Điện áp tạo ra bởi Thermopile được bộ ADC-17bit của ASSP thu được và xử lý trước khi chuyển đến bộ vi điều khiển.
Tất cả các quá trình trên được thực hiện rất nhanh, chỉ một phần nhỏ trong giây.
2.8.4 Field of view (FOV – vùng nhìn thấy)
Vùng nhìn thấy của nhiệt kế hồng ngoại là một trong những thông số quan trọng nhất.
Nó được xác định bởi góc mà cảm biến có thể nhìn thấy bức xạ nhiệt. Có nghĩa là cảm biến sẽ phát hiện tất cả các đối tượng trong vùng nhìn thấy và trả về nhiệt độ trung bình của tất cả đối tượng trong đó.
31
Để cảm biến đo được chính xác, cần phải hồn tồn lấp đầy vùng nhìn thấy, nếu không cảm biến sẽ phát hiện những đối tượng không được phép đo.
Hình 2.28 Cách để đo nhiệt độ vật thể chính xác
Vùng nhìn thấy cũng xác định mối quan hệ giữa khoảng cách từ một đối tượng và vùng cảm nhận. Nếu cảm biến ở gần đối tượng, vùng cảm biến của nó hẹp, những càng rộng ra khi đối tượng dịch ra xa.
Vùng nhìn thấy của MLX90614 có hình nón và tương đối rộng, lên tới 90º. Điều này có nghĩa cứ di chuyển một vật ra xa 1cm thì vùng nhìn thấy tăng thêm 2cm, Nếu cảm biến cách một vật thể 30cm thì vùng phát hiện sẽ là 60cm.
32
2.8.5 Giao tiếp với với cảm biến MLX90614
MLX90614 hỗ trợ 2 cách giao tiếp: SMBus và PWM. SMBus là giao diện chính để giao tiếp với cảm biến. Sau khi thiết lập được SMBus, ta có thể cấu hình cảm biến để tạo ra được tín hiệu PWM (được điều chế theo độ rộng xung) đại diện cho nhiệt độ đo được.
SMBus 2 dây: Là giao diện chính của cảm biến, về cơ bản SMBus giống như chuẩn giao tiếp I2C. Sử dụng 2 tín hiệu giống nhau SDA và SCL – để truyền dữ liệu và tín hiệu đồng bộ tương ứng. Một thiết bị chính điều khiển tín hiệu đồng bộ, ở đây là Arduino và tín hiệu dữ liệu được điều khiển hai chiều.
Tất cả các cảm biến MLX90614 đều có địa chỉ I2C mặc định là 0x5A. Tuy nhiên nó có thể được thay đổi để có 1 trong 127 địa chỉ I2C để ta có thể thêm được tối đa 127 thiết bị vào cùng 1 lúc để có thể đo được nhiều vị trí hơn.
Dữ liệu của cảm biến MLX90614 cũng có thể được đọc qua giao diện PWM. Hãy lưu ý rằng để sử dụng giao diện PWM thì trước tiên phải được cấu hình qua SMBus. Sau khi được cấu hình, cảm biến sẽ xuất ra tín hiệu PWM 10 bit liên tục trên chân SDA để thể hiện nhiệt độ đo đối tượng do được. Mặc định, tín hiệu PWM thể hiện nhiệt độ từ -20℃ tới 120℃ với độ phân giải là 0.14℃, nhưng điều này có thể được thay đổi qua SMBus
2.9 Cảm biến đo nhịp tim và SPO2 MAX30100 2.9.1 Tổng quan về Module 2.9.1 Tổng quan về Module
Hình 2.30 Module MAX30100
Cảm biến đo nồng độ oxi và nhịp tim MAX30100 là cảm biến sinh trắc học cắm và chạy công suất thấp dựa trên giao tiếp I2C. Được sử dụng dễ dàng và rộng rãi
33
bởi sinh viên, lập trình viên, kỹ sư, nhà sản xuất và nhà phát triển trò chơi & thiết bị di động, những người muốn kết hợp dữ liệu nhịp tim trực tiếp vào các dự án của họ.
Module này bao gồm MAX30100 - một IC cảm biến nhịp tim và đo oxi xung nhịp hiện đại, được tích hợp, từ Analog Devices. Nó được cấu tạo từ hai đèn LED, một bộ tách sóng quang, quang học được tối ưu hóa và xử lý tín hiệu tương tự để phát hiện tín hiệu đo oxi xung (SpO2) và nhịp tim (HR).
Hình 2.31 Cấu tạo cảm biến MAX30100
Ở bên phải, MAX30100 có hai đèn LED - một đèn LED ĐỎ và một đèn LED hồng ngoại. Và bên trái là một bộ tách sóng quang rất nhạy. Nguyên lý hoạt động là chiếu một đèn LED duy nhất tại một thời điểm, phát hiện lượng ánh sáng chiếu trở lại máy dị và dựa trên chữ ký, có thể đo mức oxi trong máu và nhịp tim.
2.9.2 Nguyên tắc hoạt động của Module MAX30100
MAX30100, hoặc bất kỳ cảm biến đo nhịp tim khác đều dùng chung một nguyên lý. Đó là dùng 1 cặp đèn LED cường độ cao (RED và IR, cả hai đều có bước sóng khác nhau) và một bộ cảm biến quang. Bước sóng của các đèn LED này lần lượt là 660nm và 880nm.
34
Hình 2.32 Mơ phỏng q trình đo của cảm biến
MAX30100 hoạt động bằng cách chiếu cả hai đèn vào ngón tay đặt vào và đo lượng ánh sáng phản xạ bằng cảm biến quang. Phương pháp phát hiện xung qua ánh sáng được gọi là Photoplethysmogram.
MAX30100 hoạt động chia làm 2 phần: đo nhịp tim và đo oxi trong máu.
2.9.3 Đo nhịp tim
Hemoglobin oxi (HbO2) trong máu động mạch có đặc điểm là hấp thụ ánh sáng IR. Máu càng đỏ tươi (Hemoglobin càng cao) thì ánh sáng IR càng được hấp thụ nhiều hơn. Khi máu được bơm qua ngón tay theo nhịp tim, lượng ánh sáng phản xạ sẽ thay đổi, tạo ra dạng sóng thay đổi ở đầu ra của bộ tách sóng quang. Khi tiếp tục chiếu ánh sáng và thực hiện các phép đọc của bộ cảm biến quang thì sẽ nhanh chóng bắt đầu nhận được kết quả đo của nhịp tim (HR).
35
2.9.4 Đo oxi trong máu
Đo oxi trong máu dựa trên nguyên tắc: lượng ánh sáng RED và IR được hấp thụ thay đổi phụ thuộc vào lượng oxi trong máu của bạn. Biểu đồ dưới thể hiện phổ hấp thụ của Hemoglobin oxi hóa (HbO2) và Hemoglobin khử oxi (Hb)
Hình 2.34 Mơ phỏng q trình do SPO2
Từ biểu đồ trên, ta thấy máu được khử oxi hấp thụ nhiều ánh sáng RED hơn (660nm), trong khi máu được oxi hấp thụ nhiều ánh sáng IR hơn (880nm). Bằng cách đo tỷ lệ giữa ánh sáng hồng ngoại và ánh sáng RED mà bộ tách sóng quang nhận được, mức oxi (SpO2) trong máu sẽ được tính tốn.
2.9.5 Giao tiếp với cảm biến MAX30100
Cảm biến MAX30100 sử dụng giap tiếp I2C hai dây cơ bản để giao tiếp với vi điều khiển. Nó có 1 địa chỉ hoạt động cố định: 0xAE (cho hoạt động ghi) và 0xAF (cho hoạt động đọc).
Cảm biến hỗ trợ bộ đệm FIFO để lưu trữ các mẫu dữ liệu, FIFO có bộ nhớ 16 mẫu dữ liệu, nghĩa là chúng có thể lưu trữ được 16 mẫu đo nhịp tim và SPO2. Bộ đệm FIFO có thể giảm tải cho vi điều khiển để đọc từng mẫu dữ liệu đo được từ cảm biến, từ đó giúp tiết kiệm năng lượng cho cả hệ thống.
Ngồi ra, cảm biến MAX30100 cịn có thể hỗ trợ được cho ngắt ngoài, cho phép vi điều khiển chủ động thực hiện các tác vụ khác trong khi đang thu thập dữ liệu đo từ cảm biến.
36
2.10 Giới thiệu phần mềm 2.10.1 MIT App Inventor 2.10.1 MIT App Inventor
App Inventor là công cụ lập trình dành cho mọi người, kể cả trẻ em. Được công bố dưới dạng phần mềm tự do (free software), App Inventor trở thành hiện tượng chưa từng có trong lĩnh vực lập trình cho thiết bị di dộng. Ưu điểm của MIT App Inventor là phần mềm hỗ trợ xây dựng những thành phần cơ bản của một ứng dụng Android: Nút bấm, nút lựa chọn, chọn ngày giờ, ảnh, văn bản, thơng báo, trình duyệt web. Sử dụng nhiều tính năng trên điện thoại như chụp ảnh, quay phim, chọn ảnh, bật video. Có thể kết nối danh bạ, bluetooth, email, gọi điện, chia sẻ thông qua các ứng dụng mạng xã hội khác trên thiết bị. Bên cạnh đó cịn có thể lưu trữ tệp txt, tạo cơ sở dữ liệu đơn giản trên điện thoại hoặc trên đám mây thông qua server tự tạo hoặc Firebase.
Tuy nhiên, ngồi những ưu điểm kể trên thì phần mềm cũng có những nhược điểm như ứng dụng được phát triển trên server của MIT mang tính chất giáo dục nên giao diện còn sơ sài, chưa chuyên nghiệp, giới hạn dung lượng của mỗi project chỉ là 5MB. Mặc dù có những nhược điểm như vậy, MIT App Inventor vẫn là một cơng cụ hữu ích giúp cho người mới bắt đầu lập trình trên Android có thể tạo ra được những ứng dụng hoàn thiện hoặc giúp nhà phát triển hồn thành những ý tưởng của mình.
2.10.2 Phần mềm lập trình Arduino IDE
Arduino IDE là phần mềm dùng để lập trình cho Arduino. Mơi trường lập trình