(Đồ án HCMUTE) thiết kế và thi công mô hình hệ thống đo nhiệt độ, nhịp tim, nồng độ oxi trong máu và phun sát khuẩn
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (10.15 MB, 134 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐO NHIỆT
ĐỘ, NHỊP TIM, NỒNG ĐỘ OXI TRONG MÁU VÀ PHUN
SÁT KHUẨN
GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
SVTH: LÊ PHÚ QUANG
HUỲNH KIM BẢO
SKL009290
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2022
i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
--------------------.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THƠNG
Đề tài:
THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ, NHỊP
TIM, NỒNG ĐỘ OXI TRONG MÁU VÀ PHUN SÁT KHUẨN
GVHD:
SVTH :
MSSV :
SVTH :
MSSV :
Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
LÊ PHÚ QUANG
17141125
HUỲNH KIM BẢO
18161047
Thành phố Hồ Chí Minh – 8/2022
i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
--------------------.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THƠNG
Đề tài:
THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ, NHỊP
TIM, NỒNG ĐỘ OXI TRONG MÁU VÀ PHUN SÁT KHUẨN
GVHD: Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
SVTH: LÊ PHÚ QUANG
MSSV: 17141125
SVTH: HUỲNH KIM BẢO
MSSV: 18161047
Thành phố Hồ Chí Minh – 8/2022
i
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o----
-
-
-
Tp. HCM, ngày tháng năm 2022
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Lê Phú Quang
MSSV: 17141125
Lớp: 17141CLDT1A
Huỳnh Kim Bảo
MSSV: 18161047
Lớp: 18161CLDT2B
Chuyên ngành:
Kỹ thuật Điện tử - Truyền thơng Mã ngành: 41 với khóa 2017
Chun ngành:
Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
Mã ngành: 61 với khóa 2018
Hệ đào tạo:
Đại học chính quy
Mã hệ:
1
Khóa:
2017 và 2018
I.
TÊN ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ, NHỊP
TIM, NỒNG ĐỘ OXI TRONG MÁU VÀ PHUN SÁT KHUẨN
II.
NHIỆM VỤ
1.
Các số liệu ban đầu:
Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Vi điều khiển, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ
Chí Minh
Trần Thu Hà – Trương Thị Bích Ngà – Nguyễn Thị Lưỡng – Bùi Thị Tuyết Đan –
Phù Thị Ngọc Hiếu – Dương Thị Cẩm Tú, Giáo trình Điện tử cơ bản, Nhà xuất bản
ĐH Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy, Giáo trình Kỹ thuật số, Nhà xuất bản ĐH
Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
2.
Nội dung thực hiện:
Thu thập dữ liệu để thiết kế một hế thống gồm nhiều cảm biến đo đạc.
Các giải pháp trong việc thiết kế mơ hình.
Lựa chọn các thiết bị trong việc thiết kế mơ hình đo đạc các thông số.
Thiết kế hệ thống điều khiển.
Thiết kế mơ hình
Đánh giá kết quả thực hiện.
3.
Sản phẩm:
Mơ hình có thể đo đạc nhiệt độ, nhịp tim, SPO2 và đọc thơng số đo đạt được ra loa,
cảnh báo, có ứng dụng của bàn phím ma trận và ứng dụng Android.
TRƯỞNG NGÀNH
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
i
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***----
TP. Hồ Chí Minh, ngày
1.
2.
3.
4.
5.
6.
tháng
năm 2022
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên Sinh viên:
Lê Phú Quang
MSSV: 17141125
Huỳnh Kim Bảo
MSSV: 18161047
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử – truyền thông
Tên đề tài: Thiết kế và thi cơng mơ hình hệ thống đo nhiệt độ, nhịp tim, nồng độ oxi
trong máu và phun sát khuẩn
Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Đình Phú
NHẬN XÉT
Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Ưu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.......................................................................................................................................
Đánh giá loại:
.......................................................................................................................................
Điểm: ....................... (Bằng chữ:
)
.......................................................................................................................................
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
i
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***---TP. Hồ Chí Minh, ngày
tháng
năm 2022
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên Sinh viên:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Lê Phú Quang
MSSV: 17141125
Huỳnh Kim Bảo
MSSV: 18161047
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử – truyền thông
Tên đề tài: Thiết kế và thi cơng mơ hình hệ thống đo nhiệt độ, nhịp tim, nồng độ oxi
trong máu và phun sát khuẩn
Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Đình Phú
NHẬN XÉT
Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Ưu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.......................................................................................................................................
Đánh giá loại:
.......................................................................................................................................
Điểm: ....................... (Bằng chữ:
)
.......................................................................................................................................
GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
i
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm đồ án tự nghiên cứu và thực hiện dựa vào một số tài
liệu tham khảo trước đó và khơng sao chép từ tài liệu hay các cơng trình nào. Các
nội dung tham khảo đã được trích dẫn đầy đủ.
Nhóm thực hiện.
Lê Phú Quang
i
i
Huỳnh Kim Bảo
LỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiện đồ án xin gửi lời cảm ơn đến thầy GVHD ThS Nguyễn Đình
Phú đã trực tiếp hướng dẫn, tham gia đóng góp, gợi ý các ý kiến, chia sẽ nhiều những
kinh nghiệm và tận tình giúp đỡ cũng như tạo điều kiện tốt và thoải mái nhất để chúng
em có thể hồn thành tốt đề tài này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các quý thầy cô khoa Điện – Điện tử đã giúp đỡ và
tạo điều kiện tốt cho chúng em thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn tất cả!
Nhóm thực hiện.
Lê Phú Quang
ii
i
Huỳnh Kim Bảo
TÓM TẮT
Đề tài sử dụng các cảm biến đo đạc để tiến hành thu thập các dữ liệu cần thiết.
Sau đó vi xừ lí tiến hành xử lý các số liệu và in kết quả ra màn hình, thơng báo qua
loa kết quả.
Với mục đích tiếp cận xu hướng và muốn nắm bắt những cơng nghệ mới nên
nhóm chúng tơi quyết định thực hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH
HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ, NHỊP TIM, NỒNG ĐỘ OXI TRONG MÁU VÀ
PHUN SÁT KHUẨN”.
Đề tài này sẽ là một hệ thống hoàn thiện bao gồm phần cứng phần mềm, hiện
tại nhóm ứng dụng điêug khiển đèn trong phịng ở nhỏ và có thể đáp ứng được cho
các phịng học, phịng thí nghiệm, hộ gia đình…
Nội dung chính của đề tài
•
Sử dụng board Arduino Mega làm mạch điều khiển trung tâm
•
Có bàn phím ma trận thay đổi thơng số cảnh báo của hệ thống
•
Khối quang báo thơng báo các tiến trình của hệ thống
•
Các thơng số sau khi đo sẽ được hiển thị trên LCD 20x4
•
Có loa đọc thơng số đo đạc và đưa ra cảnh báo
•
Sử dụng pin cung cấp năng lượng cho tồn hệ thống
•
Hiển thị kết quả đo được trên ứng dụng Android
iii
i
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ II
TÓM TẮT ................................................................................................................. III
MỤC LỤC .................................................................................................................IV
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................... VIII
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................XI
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ XII
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ..................................................................................................... 1
1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ............................................................................... 1
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................... 1
1.4 GIỚI HẠN ........................................................................................................... 2
1.5 BỐ CỤC .............................................................................................................. 2
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 4
2.1 Các thông số về sức khỏe con người................................................................... 4
2.1.1 Nhiệt độ cơ thể con người ........................................................................... 4
2.1.2 Nhịp tim và cơ thể con người...................................................................... 5
2.1.3 Chỉ số nồng độ oxi trong máu (SPO2) ........................................................ 6
2.2 Các chuẩn giao tiếp được sử dụng ...................................................................... 7
2.2.1 Chuẩn giao tiếp I2C .................................................................................... 7
2.2.2 Chuẩn giao tiếp SPI..................................................................................... 9
2.2.3 Chuẩn giao tiếp Bluetooth......................................................................... 11
2.2.4 Chuẩn giao tiếp UART ............................................................................. 12
2.3 Tổng quan về hệ điều hành Android ................................................................. 13
2.3.1 Khái niệm về hệ điều hành Android ......................................................... 13
2.3.2 Giao diện ................................................................................................... 13
2.3.3 Ứng dụng ................................................................................................... 15
2.4 Vi điều khiển Arduino....................................................................................... 17
2.4.1 Arduino là gì? ............................................................................................ 17
2.4.2 Giới thiệu tổng quát về các phiên bản Arduino ........................................ 18
2.4.2.1 Arduino R3 ............................................................................................ 18
2.4.2.2 Arduino Nano ........................................................................................ 19
2.4.2.3 Arduino Mega 2560 .............................................................................. 20
iv
i
2.4.3 Vì sao lại chọn Arduino? .......................................................................... 20
2.5 Relay và nguyên lý hoạt động ........................................................................... 22
2.5.1 Giới thiệu về Relay ................................................................................... 22
2.5.2 Giới thiệu về opto quang (optocoupler) .................................................... 23
2.5.3 Giới thiệu Module Relay dùng Opto quang .............................................. 23
2.6 Màn hình LCD .................................................................................................. 25
2.6.1 LCD 20x4 .................................................................................................. 25
2.6.2 Module I2C LCD ...................................................................................... 26
2.7 Module Micro SD card TF SPI ......................................................................... 27
2.8 Cảm biến đo nhiệt độ không chạm MLX90614 ................................................ 28
2.8.1 Tổng quan về Module ............................................................................... 28
2.8.2 Chế độ hoạt động ...................................................................................... 29
2.8.3 Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế hồng ngoại .......................................... 29
2.8.4 Field of view (FOV – vùng nhìn thấy) ...................................................... 30
2.8.5 Giao tiếp với với cảm biến MLX90614 .................................................... 32
2.9 Cảm biến đo nhịp tim và SPO2 MAX30100 .................................................... 32
2.9.1 Tổng quan về Module ............................................................................... 32
2.9.2 Nguyên tắc hoạt động của Module MAX30100 ....................................... 33
2.9.3 Đo nhịp tim ............................................................................................... 34
2.9.4 Đo oxi trong máu ...................................................................................... 35
2.9.5 Giao tiếp với cảm biến MAX30100 .......................................................... 35
2.10 Giới thiệu phần mềm ......................................................................................... 36
2.10.1 MIT App Inventor ..................................................................................... 36
2.10.2 Phần mềm lập trình Arduino IDE ............................................................. 36
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ............................................................. 38
3.1 Yêu cầu và sơ đồ khối của hệ thống ................................................................. 38
3.1.1 Yêu cầu của hệ thống ................................................................................ 38
3.1.2 Sơ đồ khối ................................................................................................. 38
3.1.3 Chức năng của từng khối .......................................................................... 39
3.2 Thiết kế phần cứng ............................................................................................ 40
3.2.1 Khối xử lý trung tâm ................................................................................. 40
3.2.2 Khối hiển thị .............................................................................................. 43
3.2.3 Khối cảm biến ........................................................................................... 45
3.2.3.1 Cảm biến nhiệt độ không chạm MLX90614......................................... 45
3.2.3.2 Cảm biến đo nhịp tim và SpO2 ............................................................. 46
3.2.3.3 Cảm biến vật cản hồng ngoại ................................................................ 47
v
i
3.2.4 Khối nút nhấn ............................................................................................ 49
3.2.4.1 Bàn phím ma trận .................................................................................. 49
3.2.5 Khối động cơ và quang báo ...................................................................... 50
3.2.5.1 Khối quang báo ..................................................................................... 50
3.2.5.2 Bơm ....................................................................................................... 51
3.2.5.3 Sơ đồ khối của khối động cơ và quang báo .......................................... 53
3.2.6 Khối âm thanh ........................................................................................... 54
3.2.6.1 Module Micro SD card TF SPI ............................................................. 54
3.2.6.2 Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403 .................................................. 55
3.2.6.3 Loa......................................................................................................... 56
3.2.6.4 Sơ đồ nguyên lý khối âm thanh............................................................. 57
3.2.7 Khối giao tiếp ............................................................................................ 57
3.2.7.1 Module Bluetooth HC 05 ...................................................................... 57
3.2.8 Khối nguồn ................................................................................................ 59
3.2.8.1 Pin 18650 .............................................................................................. 59
3.2.8.2 Khối pin 3s1p ........................................................................................ 60
3.2.8.3 Adapter sạc pin Lithium 3 Cell 12.6V 2A ............................................ 62
3.2.8.4 Mạch ổn áp 5V 7805 ............................................................................. 63
3.2.8.5 Tính tốn cơng suất của cả hệ thống ..................................................... 64
3.2.9 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ....................................................................... 66
CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................... 67
4.1 Giới thiệu........................................................................................................... 67
4.2 Thi công hệ thống.............................................................................................. 67
4.2.1 Thi công mạch in ....................................................................................... 67
4.2.2 Đóng gói và thi cơng mơ hình ................................................................... 73
4.2.2.1 Thi công hộp đựng ................................................................................ 73
4.2.2.2 Bảng điều khiển trung tâm .................................................................... 76
4.2.2.3 Thi công hộp đựng cảm biến đo nhịp tim và SPO2 .............................. 78
4.2.2.4 Thiết kế nơi đo nhiệt độ và rửa tay sát khuẩn ....................................... 79
4.3 Lập trình hệ thống ............................................................................................. 80
4.3.1 Lưu đồ giải thuật ....................................................................................... 81
4.3.1.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính ................................................... 81
4.3.1.2 Lưu đồ chọn hương trình chọn chế độ sử dụng qua phím ma trận ....... 82
4.3.1.3 Lưu đồ chương trình xử lý phím nhấn ma trận ..................................... 83
4.3.1.4 Lưu đồ chương trình đo nhiệt độ và phun sát khuẩn ............................ 84
4.3.1.5 Lưu đồ chương trình đo nhịp tim, SPO2............................................... 85
vi
i
4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển....................................................... 86
4.3.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại............................................................ 86
4.4 Hướng dẫn sử dụng, thao tác ............................................................................ 88
4.4.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ................................................................ 88
4.4.1.1 Hướng dẫn sử dụng trên thiết bị............................................................ 88
4.4.1.2 Hướng dẫn thay đổi giá trị cảnh báo ..................................................... 90
4.4.1.3 Hướng dẫn thao tác khi hết dung dịch sát khuẩn .................................. 92
4.4.1.4 Hướng dẫn sử dụng sạc pin và dùng nguồn ngoài. ............................... 92
4.4.1.5 Hướng dẫn sử dụng ứng dụng MIT AI2 ............................................... 93
4.4.2 Quy trình thao tác ...................................................................................... 94
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT........................................ 95
5.1 Kết quả .............................................................................................................. 95
5.1.1 Tổng quan kết quả đạt được ...................................................................... 95
5.1.2 Kết quả thi công phần cứng ...................................................................... 95
5.1.3 Kết quả thi công phần mềm ...................................................................... 96
5.1.4 Kết quả chạy thực tế trên thiết bị .............................................................. 97
5.1.4.1 Kết quả chạy trên thiết bị ...................................................................... 97
5.1.4.2 So sánh kết quả đo thiết bị so với một số máy đo trên thị trường ........ 98
5.2 Nhận xét .......................................................................................................... 102
5.3 Đánh giá .......................................................................................................... 102
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN........................................ 104
6.1 Kết luận ........................................................................................................... 104
6.2 Hướng phát triển ............................................................................................. 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 105
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 106
vii
i
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Nhịp tim lý tưởng ở người bình thường ....................................................... 5
Hình 2.2 Chuẩn giao tiếp I2C ..................................................................................... 7
Hình 2.3 Chuẩn giao tiếp SPI...................................................................................... 9
Hình 2.4 Giao tiếp I2C giữa nhiều Slave và một Master .......................................... 10
Hình 2.5 Ứng dụng của chuẩn giao tiếp Bluetooth ................................................... 11
Hình 2.6 Chuẩn giap tiếp UART .............................................................................. 12
Hình 2.7 Khung truyền của một Frame UART ......................................................... 12
Hình 2.8 Logo của hệ điều hành Android ................................................................. 13
Hình 2.9 Giao diện của thiết bị chạy hệ điều hành Android ..................................... 14
Hình 2.10 Thanh trạng thái của thiết bị chạy hệ điều hành Android ........................ 14
Hình 2.11 Kho ứng dụng Google Play Store ............................................................ 15
Hình 2.12 Arduino Uno R3 kèm cáp ........................................................................ 18
Hình 2.13 Arduino Nano kèm cáp ............................................................................ 19
Hình 2.14 Arduino Mega 2560 kèm cáp ................................................................... 20
Hình 2.15 Các cảm biến hỗ trợ vi điều khiển Arduino ............................................. 21
Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý Relay ............................................................................. 22
Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý opto quang..................................................................... 23
Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý của Moduel Relay dùng Opto quang ............................ 23
Hình 2.19 Module 4 relay 5V với opto cách ly kích ................................................. 24
Hình 2.20 LCD 20x4 ................................................................................................. 25
Hình 2.21 Mạch chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD ................................................ 26
Hình 2.22 Module Micro SD card TF SPI ................................................................ 27
Hình 2.23 Thành phần cấu tạo chính của Module SD .............................................. 27
Hình 2.24 Cảm biến đo nhiệt độ khơng chạm MLX90614....................................... 28
Hình 2.25 Bộ lọc quang của Module MLX90614 .................................................... 29
Hình 2.26 Sơ đồ khối của Module MLX90614 ........................................................ 30
Hình 2.27 Cảm biến đo nhiệt độ của tất cả các vật thể đặt trước nó ........................ 30
Hình 2.28 Cách để đo nhiệt độ vật thể chính xác ..................................................... 31
Hình 2.29 Vùng nhìn thấy của cảm biến ................................................................... 31
Hình 2.30 Module MAX30100 ................................................................................. 32
Hình 2.31 Cấu tạo cảm biến MAX30100 ................................................................. 33
Hình 2.32 Mơ phỏng q trình đo của cảm biến....................................................... 34
Hình 2.33 Mơ phỏng q trình đo nhịp tim .............................................................. 34
Hình 2.34 Mơ phỏng q trình do SPO2 .................................................................. 35
Hình 3.1 Sơ đồ khối của tồn hệ thống ..................................................................... 38
viii
i
Hình 3.2 Board xử lý Arduino Mega 2560 ............................................................... 40
Hình 3.3 Sơ đồ chân của Arduino Mega 2560 .......................................................... 41
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị .................................................................... 44
Hình 3.5 Sơ đồ chân của Module MLX90614 .......................................................... 45
Hình 3.6 Sơ đồ chân của Module MAX30100 ......................................................... 46
Hình 3.7 Cảm biến vật cản hồng ngoại ..................................................................... 47
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại .......................................... 48
Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo và chân ngõ ra của cảm biến ............................................... 48
Hình 3.10 Bàn phím ma trận 4x4 .............................................................................. 49
Hình 3.11 Sơ đồ nối dây của bàn phím ma trận 4x4 ................................................. 50
Hình 3.12 Đèn báo .................................................................................................... 51
Hình 3.13 Bơm .......................................................................................................... 51
Hình 3.14 Đầu phun sương ....................................................................................... 52
Hình 3.15 Ống nhựa mềm ......................................................................................... 53
Hình 3.16 Đầu phun sương kết hợp với dây dẫn ...................................................... 53
Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý của khối động cơ và quang báo .................................... 53
Hình 3.18 Sơ đồ chân của Module Micro SD card TF SPI ...................................... 54
Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý của module SD card ...................................................... 54
Hình 3.20 Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403 ..................................................... 55
Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại PAM8403.......................................... 56
Hình 3.22 Loa............................................................................................................ 57
Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý khối âm thanh................................................................ 57
Hình 3.24 Module bluetooth HC-05 ......................................................................... 58
Hình 3.25 Pin 18650 ................................................................................................. 59
Hình 3.26 Khối Pin 3S1P .......................................................................................... 60
Hình 3.27 Mạch sạc và bảo vệ pin 3S 20A ............................................................... 61
Hình 3.28 Khối pin 3s1p kèm mạch sạc và bảo vệ pin ............................................. 62
Hình 3.29 Adapter sạc pin Lithium 3 Cell 12.6V ..................................................... 62
Hình 3.30 Mạch ổn áp 5V 7805 ................................................................................ 63
Hình 3.31 Kích thước của mạch ổn áp 5V 7805 ....................................................... 64
Hình 3.32 Sơ đồ nguyên lý tồn mạch ...................................................................... 66
Hình 4.1 Sơ đồ đi dây mạch in .................................................................................. 68
Hình 4.2 Sơ đồ 3D mạch điều khiển ......................................................................... 68
Hình 4.3 Mạch in trên giấy ....................................................................................... 69
Hình 4.4 Mặt dưới board mạch ................................................................................. 71
Hình 4.5 Mặt trên board mạch .................................................................................. 71
ix
i
Hình 4.6 Board mạch sau khi lắp Arduino và hàn các Jumper ................................. 72
Hình 4.7 Mặt trước và sau của hệ thống ................................................................... 73
Hình 4.8 Mặt trái và phải của hệ thống ..................................................................... 74
Hình 4.9 Mặt dưới của bảng điều khiển trung tâm ................................................... 74
Hình 4.10 Bên trong thiết bị...................................................................................... 75
Hình 4.11 Mặt trên – bảng điều khiển trung tâm ...................................................... 76
Hình 4.12 Các menu thay đổi giá trị ......................................................................... 77
Hình 4.13 Hộp đựng cảm biến đo nhịp tim và SPO2 ............................................... 78
Hình 4.14 Vị trí hộp đựng cảm biến đo nhịp tim, SPO2........................................... 78
Hình 4.15 Bố trí đặt cảm biến đo nhiệt độ, vòi phun sát khuẩn và bơm................... 79
Hình 4.16 Nơi đo nhiệt độ và rửa tay sát khuẩn ....................................................... 79
Hình 4.17 Cách dặt tay để có kết quả đo nhiệt độ chính xác nhất ............................ 80
Hình 4.18 Lưu đồ giải thuật chương trình chính ...................................................... 81
Hình 4.19 Lưu đồ chọn hương trình chọn chế độ sử dụng qua phím ma trận .......... 82
Hình 4.20 Lưu đồ chương trình xử lý phím nhấn ma trận ........................................ 83
Hình 4.21 Lưu đồ lưu đồ chương trình đo nhịp tim, SPO2 ...................................... 85
Hình 4.22 Lưu đồ chương trình cho ứng dụng ......................................................... 87
Hình 4.23 Tư thế đặt tay khi đo nhịp tim và SPO2 ................................................... 88
Hình 4.24 Tư thế đặt tay để đo nhiệt độ và sát khuẩn............................................... 89
Hình 4.25 Menu thay đổi giá trị ................................................................................ 90
Hình 4.26 Hướng dẫn quá trình thao tác với bàn phím ma trận ............................... 91
Hình 4.27 Nút nhấn giữ màu đỏ ................................................................................ 92
Hình 4.28 Lỗ cắm sạc và cơng tắc sạc ...................................................................... 92
Hình 4.29 Giao diện khóa và giao diện trung tâm .................................................... 93
Hình 4.30 Giao diện hiển thị sau khi hệ thống gửi kết quả....................................... 94
Hình 4.31 Quy trình thao tác chung của hệ thống .................................................... 94
Hình 5.1 Màn hình chính của ứng dụng.................................................................... 96
Hình 5.2 Giao diện màn hình hệ thống khi được cấp nguồn .................................... 97
Hình 5.3 Kết quả hiển thị khi đo nhịp tim, SPO2 ..................................................... 97
Hình 5.4 Kết quả hiển thị khi đo nhiệt độ cơ thể người ............................................ 97
Hình 5.5 Ngón tay khi đo bằng máy đo ngồi thị trường ......................................... 98
Hình 5.6 Kết quả khi đo bằng cảm biến của hệ thống và máy đo ngoài thị trường.. 98
Hình 5.7 Nhiệt kế điện tử Cali Medi DT-8836M ................................................... 101
x
i
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của Module 4 relay 5V ............................................... 24
Bảng 2.2: Các chân của LCD ................................................................................... 25
Bảng 2.3 Thông số module I2C ............................................................................... 26
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 .................................................... 43
Bảng 3.2 Thông số của khối hiển thị ....................................................................... 44
Bảng 3.3 Các thông số kỹ thuật của Module MLX90614 ....................................... 45
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của Module MAX30100 ............................................. 47
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật cảm biến vật cản hồng ngoại ...................................... 49
Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật của bàn phím ma trận 4x4 .......................................... 50
Bảng 3.7 Giá trị của đèn báo .................................................................................... 51
Bảng 3.8 Thông số của bơm .................................................................................... 52
Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật của Module Micro SD card TF SPI ............................ 55
Bảng 3.10 Thông số kỹ thuật mạch khuếch đại âm thanh PAM 8403 ..................... 56
Bảng 3.11 Thông số kỹ thuật của loa ....................................................................... 57
Bảng 3.12 Thông số kỹ thuật Module bluetooth HC-05 .......................................... 58
Bảng 3.13 Thông số kỹ thuật của Pin 18650 ........................................................... 59
Bảng 3.14 Thông số kỹ thuật của mạch sạc pin 3S ................................................. 62
Bảng 3.15 Thông số kỹ thuật của Adapter sạc pin Lithium 3 Cell 12.6V ............... 63
Bảng 3.16 Thông số giá trị của mạch ổn áp 5V 7805 .............................................. 64
Bảng 3.17 Bảng tính tốn cơng suất nguồn của hệ thống ........................................ 64
Bảng 4.1 Danh sách các dụng cụ cần để thi công mạch .......................................... 70
Bảng 4.2 Danh sách các linh kiện, module, cảm biến sử dụng trong hệ thống ....... 70
Bảng 5.1 Bảng so sánh giá trị nhịp tim, SPO2 đo được trên máy đo ngoài thị trường
và hệ thống tự thiết kế ở trạng thái bình thường ...................................................... 99
Bảng 5.2 Bảng so sánh giá trị nhịp tim, SPO2 đo được trên máy đo ngoài thị trường
và hệ thống tự thiết kế khi vừa tập thể dục xong ................................................... 100
Bảng 5.3 Bảng so sánh hệ thống với nhiệt kế hồng ngoại ..................................... 101
xi
i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
xii
i
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Đại dịch Covid đã, đang và vẫn còn ảnh hưởng rất nhiều tới cuộc sống của
chúng ta. Chúng ta đều biết hệ quả của dịch Covid ảnh hưởng rất lớn đến mặt kinh tế,
sức khỏe và lớn hơn hết là tác hại của hậu Covid. Mặc dù đã có rất nhiều biện pháp
được đề ra để đẩy lùi, giảm thiểu số ca mắc Covid nhưng chỉ giảm đi được phần nào.
Điều quan trọng nhất vẫn là ý thức của mỗi người dân, chấp hành đúng 5K của bộ Y
tế.
5K vẫn là một trong các biện pháp ngăn chặn dịch Covid hàng đầu mà nhà
nước ta đã và đang vận động, tuyên truyền người dân tuân theo. 5K bao gồm: khẩu
trang, sát khuẩn, khoảng cách, không tập trung và khai báo y tế áp dụng cho tất cả các
cơng dân để phịng chống dịch.
Tách nhỏ 5K, cụ thể là sát khuẩn, nhóm tiến hành thiết kế một hết thống có
thể sát khuẩn tay tự động. Vì tay là nơi chúng ta tiếp xúc với các vật dụng hằng ngày,
và cũng nơi chúng ta hay đặt lên mũi, miệng, mắt nhất. Bên cạnh đó, cần kết hợp theo
dõi nhịp tim, nhiệt độ cơ thể, nồng độ oxi trong máu để theo dõi sức khỏe của mỗi cá
nhân. Chính vì vậy, nhóm tiến hành thiết kế hệ thống đo nhiệt độ, nhịp tim, nồng độ
oxi trong máu và phun sát khuẩn để góp phần kiểm sốt dịch Covid.
1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu về dịng vi xử lý Arduino cùng các ngoại vi giao tiếp, đồng thời tìm
hiểu về cách hoạt động của các cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến đo nhịp tim, nồng độ
oxi trong máu.
Nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết của các chuẩn giao tiếp có liên quan tới hệ
thống để hiểu rõ và ứng dụng được chúng vào hệ thống.
Nghiên cứu cách thiết kế một ứng dụng trên điện thoại và cách kết nối chúng
cũng như giao tiếp giữa ứng dụng đó với hệ thống.
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• Tìm hiểu và nắm vững các giao tiếp với vi xử lý Arduino
• Tìm hiểu và giao tiếp với cảm biến đo nhiệt độ
• Tính tốn, thiết kế và thi cơng các mạch phần cứng, phần mềm
• Thiết kế mơ hình, lắp ráp các khối điều khiển
• Chạy thử, kiểm tra, cân chỉnh và tối ưu hệ thống
• Đánh giá kết quả thực hiện
1
i
• Viết báo cáo khóa luận tốt nghiệp
• Bảo vệ khóa luận
1.4 GIỚI HẠN
• Sử dụng vi điều khiển Arduino làm bộ xử lý trung tâm để điều khiển kết
nối với các cảm biến như: MAX30100, MLX90614, các module như mạch
khuếch đại âm thanh, mạch thẻ nhớ.
• Sử dụng vi điều khiển Arduino kết hợp với màn hình hiển thị LCD để hiển
thị, cảnh báo các thông số đo đạt được lên trên màn hình.
• Kết hợp thêm module bluetooth HC-05 để hiển thị kết quả đo được trên
ứng dụng Android.
1.5 BỐ CỤC
Gồm có 6 chương:
Chương 1: Tổng Quan.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương 3: Tính Tốn Và Thiết Kế.
Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét Và Đánh Giá.
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
NỘI DUNG CÁC CHƯƠNG
Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày vấn đề lý do tại sao chọn đề tài, mục đích nghiên
cứu khi làm đề tài này, đồng thời nêu giới hạn và bồ cục của toàn bộ đề tài.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương này sẽ tìm hiểu về lý thuyết liên quan, linh kiện, thiết bị sử dụng
và cách thức giao tiếp.
Chương 3: Tính Tốn Và Thiết Kế
Trình bày sơ đồ khối chức năng các khối, đồng thời thiết kế tính tốn để
thiết kế mạch điều khiển mơ hình. Trình bày sơ đồ tồn mạch.
Chương 4: Thi Cơng Hệ Thống
Thi công hàn linh kiện lên mạch, lắp ráp kiểm tra tồn mạch, đồng thời
test 1 chương trình cơ bản. Sau đó lắp rap mơ hình.
Trình bày lưu đồ giải thuật đồng thời giải thích cách hoạt động của tồn
bộ hệ thống.
2
i
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét Và Đánh Giá.
Trình bày kế quả của thiết kế mơ hình và lập trình. Nhận xét đánh giá
mức độ hồn thiện của mơ hình đồng thời nêu những giới hạn của mơ hình.
Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển.
Tổng kết kết quả của tồn bộ mơ hình, đưa ra các hướng phát triển cho
sản phẩm sau này.
3
i
CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các thông số về sức khỏe con người
2.1.1 Nhiệt độ cơ thể con người
Năng lượng trong chúng ta không ngừng tạo ra trong cơ thể con người qua q
trình chuyển hóa năng lượng. Như đồ ăn, thức uống, … được nạp vào cơ thể con
người đều được cơ thể chuyển hóa thành năng lượng ni các cơ quan. Sự cân bằng
thân nhiệt có vai trị quan trọng trong việc cơ thể kiểm sốt các hoạt động bình thường
của các men tham gia vào q trình chuyển hóa. Việc theo dõi thân nhiệt, nắm bắt
được sự thay đổi nhiệt độ cơ thể giúp phát hiện sớm những thay đổi bất thường của
cơ thể, để có hướng thay đổi kịp thời.
Một cơ thể con người khỏe mạnh có nhiệt độ duy trì trong khoảng từ 36℃ tới
37.5℃. Một số yếu tổ ảnh hưởng tới nhiệt độ cơ thể có thể được kể đến như: tuổi tác
(trẻ em có nhiệt độ cơ thể cao hơn người lớn, người già có nhiệt độ thấp hơn người
trẻ), nhiệt độ môi trường, nội tiết (đối với phụ nữ), stress, thuốc, thời gian đo thân
nhiệt, …
Tuy nhiên, các nguyên nhân trên đều thay đổi nhiệt độ nhưng không đáng kể.
Nếu nhiệt độ cơ thể hạ thấp (hạ thân nhiệt), nếu khơng đi kèm các triệu chứng khác
thì khơng đáng lo ngại. Nhưng nếu việc hạ thân nhiệt kết hợp thêm các triệu chứng
khác như ớn lạnh, run rẩy, khó thở hay nhầm lẫn thì đó là dấu hiệu của nhiều bệnh
nghiêm trọng: nhiễm trùng, tiểu đường, tuyến giáp, …
Đối với nhiệt độ tăng cao, có hai trường hợp phổ biến là say nắng và sốt. Say
nắng xảy ra khi cơ thể khơng kiểm sốt được nhiệt độ, và nhiệt độ cơ thể tăng liên
tục. Kèm theo các triệu chứng như nhầm lẫn, mê sảng, bất tỉnh, da đỏ, nóng, khơ, …
Nếu say nắng không được điều trị y tế khẩn cấp thì có thể gây tử vong vì nó gây mất
nước nghiêm trọng, khiến các cơ quan trong cơ thể dừng hoạt động.
Sốt: Khi cơ thể có nhiệt độ lớn hơn 37℃, có thể coi là sốt nhẹ, lớn hơn 38℃
là sốt vừa, sốt cao khi nhiệt độ lớn hơn 39℃. Trong thời buổi dịch Covid đã giảm bớt,
nhưng ảnh hưởng của nó vẫn cịn rất lớn và cá nhân chúng ta nên tự bảo vệ bản thân
mình và những người xung quanh. Một trong những triệu chứng khá phổ biến của
Covid là sốt, kết hợp thêm các triệu chứng như ho, đau họng, ớn lạnh, … để chúng ta
có thể phân biệt Covid và cảm cúm, sốt bình thường.
4
i
2.1.2 Nhịp tim và cơ thể con người
Cơ thể con người, được cấu thành từ hàng nghìn tỷ tế bào, mỗi tế bào có cấu
trúc và chức năng riêng. Một trong những bộ phận có chức năng cung cấp máu, oxi
đến từng tế bào và duy trì sự sống của tế bào: đó là trái tim. Trái tim được ví như một
cái máy bơm, bơm tuần hồn máu có oxi đến nuôi các tế bào, rồi lại vận chuyển máu
đã hết oxi từ tế bào về lại phổi để nạp lại oxi. Vì vậy trái tim cũng có một vài thơng
số nhất định, đó là nhịp tim, chỉ số này quyết định trái tim đang vận động ở trạng thái
nghỉ ngơi hay ở trạng thái vận động, từ đó các máy móc đo có thể đo được chỉ số này
để hiển thị trên máy đo. Quyết định tình trạng sức khỏe con người.
Một nhịp tim khỏe là một nhịp tim từ 60-100 (nhịp/phút). Tuy nhiên chỉ số này
cũng có ngoại lệ, như các vận động viên thể thao chuyên nghiệp có chỉ số nhịp tim
rất thấp (dưới 40 nhịp/phút) hay các bé sơ sinh vừa chào đời (trên 120 nhịp/phút). Vì
vậy nếu một người bình thường có chỉ số nhịp tim khác thường (quá chậm, quá nhanh
hoặc không đều) gọi là rối loạn nhịp tim. Bệnh thường xảy ra ở nam giới (70%) và ở
phụ nữ (30%).
Có nhiều nguyên dân dẫn tới rối loạn nhịp tim: rối loạn tâm lý, căng thẳng,
stress, lao động gắng sức, sử dụng nhiều chất kích thích, … Ngồi ra có các bệnh lý
tác động trực tiếp lên hệ thống tim mạch như: Thiếu máu cơ tim, các bệnh về van tim,
viêm cơ tim, tim bẩm sinh, … Ngồi ra, rối loạn nhịp tim cịn có thể gặp từ các bệnh
lý khác như: Tăng huyết áp, rối loạn mỡ trong máu, đái tháo đường, béo phì,…
Hình 2.1 Nhịp tim lý tưởng ở người bình thường
Vì vậy, việc theo dõi nhịp tim thường xuyên là một cách để biết được tình hình
trái tim có khỏe mạnh hay khơng để đưa ra giải pháp thích hợp. Ngồi ra, dịch Covid
5
i
đã, đang và kéo dài tới hiện tại, vì vậy việc theo dõi chỉ số nhịp tim trở nên quan trọng
để theo dõi sức khỏe. Do đó nhóm quyết định thiết kế một hệ thống có khả năng đo
nhịp tim mỗi ngày để mỗi người đều có khả năng tự theo dõi sức khỏe tại nhà
2.1.3 Chỉ số nồng độ oxi trong máu (SPO2)
Không chỉ chỉ số nhịp tim, một chỉ số cũng quan trọng không kém trong việc
theo dõi sức khỏe, đó là SPO2 (Saturation of peripheral oxigen). SPO2 là chỉ số quyết
định nồng độ oxi trong máu, chỉ số này quyết định có nhiều hay ít oxi trong 1 đơn vị
máu để tim vận chuyển đi nuôi các tế bào. Nếu chỉ số này thấp hơn mức quy định,
tức là tế bào đang nhận ít dinh dưỡng để ni sống tế bào. Nếu tình trạng này để lâu
sẽ gây nguy hiểm cho tế bào, vì tế bào khơng nhận đủ chất dinh dưỡng cần thiết.
Chỉ số SPO2 có thể được đo bằng phép đo xung, một phương pháp gián tiếp,
không xâm lấn (không đưa các dụng cụ vào trong cơ thể). Nó hoạt động bằng cách
phát ra và tự hấp thu một làn sóng ánh sáng đi qua các mạch máu hoặc mao mạch
trong đầu ngón tay, đầu ngón chân hoặc dái tai. Sự thay đổi của sóng ánh sáng xuyên
qua các bộ phận kể trên sẽ cho biết kết quả của phép đo SPO2 vì mức độ oxi bão hòa
gây ra các biến đổi về màu sắc của máu.
Vì vậy, chỉ số oxi trong máu bao nhiêu là an toàn? Nếu giá trị SPO2 xuống
dưới 95%, đây là dấu hiệu cảnh báo oxi hóa máu kém, cịn được gọi là tình trạng máu
thiếu oxi. Các nghiên cứu chứng minh rằng chỉ số SPO2 từ 94% trở lên là chỉ số bình
thưởng, đảm bảo an tồn
Thang đo chỉ số SPO2 tiêu chuẩn:
• SPO2 từ 97% - 99%: Chỉ số oxi trong máu tốt
• SPO2 từ 94%-96%: Chỉ số oxi trong máu trung bình, cần thở thêm oxi
• SPO2 từ 90%-93%: Chỉ số oxi trong máu thấp, cần xin thêm ý kiến của
bác sĩ chủ trị
• SPO2 dưới 92% Khơng thở oxi hoặc dưới 95% có thở oxi: Dấu hiệu suy
hơ hấp rất nặng
• SPO2 dưới 90%: Biểu hiện của ca cấp cứu lâm sàn
Một số triệu chứng khi chỉ số SPO2 giảm có thể kể đến như sau:
• Thay đổi về màu sắc của da
• Suy giảm trí nhớ, hay nhầm lẫn
• Ho
• Nhịp tim khơng đều, nhanh hoặc chậm
6
i
• Khó thở, thở nhanh hoặc thở khị khè
Khi cơ thể không đủ oxi, gây thiếu oxi máu (hạ chỉ số SPO2) là tình trạng rất
nguy hiểm. Nguyên nhân là vì nếu máu thiếu oxi, não, gan và nhiều cơ quan khác
trên cơ thể sẽ chịu ảnh hưởng nghiêm trọng. Vì vậy, việc theo dõi chỉ số SPO2 thường
xun đóng vai trò quan trọng trong việc nắm rõ lượng oxi trong máu, từ đó có
phương án xử lý kịp thời khi gặp tình trạng nguy hiểm.
2.2 Các chuẩn giao tiếp được sử dụng
2.2.1 Chuẩn giao tiếp I2C
I2C là chuẩn giao tiếp cho phép kết nối nhiều slave với một master hoặc một
slave với một master hoặc nhiều master với một slave. Điều này thực sự hữu ích khi
muốn có nhiều hơn một vi điều khiển ghi dữ liệu vào một thẻ nhớ duy nhất hoặc hiển
thị trên màn hình LCD.
-
Hình 2.2 Chuẩn giao tiếp I2C
I2C chỉ sử dụng hai dây để truyền dữ liệu giữa các thiết bị:
SDA - đường truyền cho master và slave để gửi và nhận dữ liệu.
SCL - đường mang tín hiệu xung nhịp.
I2C là một giao thức truyền thơng nối tiếp, vì vậy dữ liệu được truyền từng bit
dọc theo một đường duy nhất (đường SDA). I2C là đồng bộ, do đó đầu ra của các bit
được đồng bộ hóa với việc lấy mẫu các bit bởi một tín hiệu xung nhịp được chia sẻ
giữa master và slave. Tín hiệu xung nhịp ln được điều khiển bởi master.
7
i
