Thiết kế và thi công KIT lập trình vi điều khiển ARM kết hợp cảm biến y sinh

MỤC LỤC
TRANG BÌA..................................................................................................................... i
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................................i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................v
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................vi
MỤC LỤC .................................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..............................................................................................xi
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... xiii
DANH MỤC VIẾT TẮT..............................................................................................xiv
TÓM TẮT......................................................................................................................xv
Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................ 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.......................................................................................................1
1.2. MỤC TIÊU............................................................................................................2
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................2
1.4. GIỚI HẠN .............................................................................................................3
1.5. BỐ CỤC ................................................................................................................3
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................................4
2.1. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARM .........................................................4
2.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của ARM ....................................................4
2.1.2. Cấu trúc cơ bản của ARM ..............................................................................5
2.1.3. Các dòng và các phiên bản của ARM............................................................. 7
2.1.4. Các hãng sản xuất dòng chip ARM ................................................................ 8
2.2. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG ..........................................................................8
2.2.1. Cảm biến nhiệt LM35 .....................................................................................9
2.2.2. Cảm biến khoảng cách HC-SR04 .................................................................10
2.2.3. Cảm biến nồng độ cồn MQ-3 .......................................................................12
2.2.4. Cảm biến nhịp tim và SpO2 MAX30100 .....................................................14
2.2.5. Cảm biến nhịp tim Pulse Sensor ...................................................................15
2.2.6. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 ........................................................................16
2.2.7. IC dịch 74HC595 .......................................................................................... 18

2.2.8. IC thời gian thực DS3231 .............................................................................20
vii


2.2.9. Động cơ DC ..................................................................................................21
2.2.10. Màn hình TFT LCD ....................................................................................22
2.2.11. Chuẩn giao tiếp I2C ....................................................................................23
2.2.12. Chuẩn giao tiếp SPI ....................................................................................24
2.2.13. Bộ xử lý trung tâm STM32F4VET6 ........................................................... 25
2.3. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN ..............33
2.4. PHẦN MỀM HỆ ĐIỀU HÀNH THỜI GIAN THỰC RTOS ............................. 34
Chương 3. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG ....................................................35
3.1. GIỚI THIỆU .......................................................................................................35
3.2. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................35
3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ........................................................................35
3.2.2. Chức năng từng khối.....................................................................................35
3.3. THI CƠNG HỆ THỐNG ....................................................................................42
3.3.1. Thi cơng board mạch ....................................................................................42
3.3.2. Lắp ráp thi cơng mơ hình ..............................................................................45
Chương 4. THIẾT KẾ CÁC BÀI THỰC HÀNH .........................................................47
4.1. PHẦN MỀM LẬP TRÌNH STM32CUBEIDE ...................................................47
4.1.1. Giới thiệu ......................................................................................................47
4.1.2. Hướng dẫn sử dụng phần mềm .....................................................................47
4.1.3. Cấu trúc chương trình main.c .......................................................................52
4.2. HÌNH XUNG CLOCK CHO VI ĐIỀU KHIỂN .................................................59
4.3. ĐIỀU KHIỂN LED ĐƠN ...................................................................................62
4.3.1. Sơ đồ phần cứng ........................................................................................... 62
4.3.2. Cấu hình chân cho vi điều khiển...................................................................62
4.3.3. Các hàm sử dụng........................................................................................... 63
4.3.4. Bài tập mẫu ...................................................................................................64

4.3.5. Các bài tập ứng dụng ....................................................................................68
4.4. GIAO TIẾP NÚT NHẤN ĐƠN VÀ LED ĐƠN ................................................68
4.4.1. Sơ đồ phần cứng ........................................................................................... 68
4.4.2. Cấu hình chân cho vi điều khiển...................................................................69
4.4.3. Bài tập mẫu ...................................................................................................71
4.4.4. Các bài tập ứng dụng ....................................................................................77
4.5. GIAO TIẾP MA TRẬN PHÍM VÀ LED ĐƠN ..................................................78
viii


4.5.1. Sơ đồ phần cứng ........................................................................................... 78
4.5.2. Cấu hình chân cho vi điều khiển...................................................................78
4.5.3. Các hàm sử dụng........................................................................................... 79
4.5.4. Bài tập mẫu ...................................................................................................81
4.5.5. Các bài tập ứng dụng ....................................................................................83
4.6. MODULE LED 7 ĐOẠN ...................................................................................83
4.6.1. Sơ đồ phần cứng ........................................................................................... 83
4.6.2. Các hàm sử dụng........................................................................................... 85
4.6.3. Bài tập mẫu ...................................................................................................87
4.7. ĐIỀU KHIỂN MODULE LCD TFT ..................................................................90
4.7.1. Sơ đồ phần cứng ........................................................................................... 90
4.7.2. Các hàm sử dụng........................................................................................... 90
4.7.3. Bài tập mẫu ...................................................................................................94
4.7.4. Các bài tập ứng dụng ....................................................................................97
4.8. GIAO TIẾP LM35 VÀ TFT LCD ......................................................................97
4.8.1. Sơ đồ phần cứng ........................................................................................... 97
4.8.2. Bài tập mẫu ...................................................................................................97
4.8.3. Các bài tập ứng dụng ..................................................................................100
4.9. CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCH HCR-04 ..........................................................101
4.9.1. Sơ đồ phần cứng .........................................................................................101

4.9.2. Bài tập mẫu .................................................................................................101
4.10. CẢM BIẾN NHỊP TIM PULSE SENSOR .....................................................103
4.10.1. Sơ đồ phần cứng .......................................................................................103
4.10.2. Bài tập mẫu ...............................................................................................104
Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ......................................................106
5.1. KẾT QUẢ .........................................................................................................106
5.2. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ...........................................................................107
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................108
6.1. KẾT LUẬN .......................................................................................................108
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................................108
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................109

ix


x


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Chip vi điều khiển ARM...................................................................................5
Hình 2.2: Cấu trúc lõi ARM Cortex M0 ..........................................................................7
Hình 2.3: Các hãng sản xuất bộ vi xử lý dựa trên thiết kế của ARM .............................. 8
Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ LM35 .................................................................................9
Hình 2.5: Cảm biến siêu âm HCSR04 ...........................................................................11
Hình 2.6: Biểu đồ các giai đoạn từ kích hoạt chân Trig đến thu sóng phản xạ ............12
Hình 2.7: Cảm biến nờng độ cờn MQ-3 ........................................................................13
Hình 2.8: Cảm biến nhịp tim và nờng độ oxy bão hòa trong máu MAX30100 .............14
Hình 2.9: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 .........................................................................17
Hình 2.10: Vỏ bên ngồi của IC 74HC595 ...................................................................18
Hình 2.11: Sơ đờ chân IC 74HC595 .............................................................................19

Hình 2.12: Cấu trúc các thanh ghi bên trong IC dịch 74HC595 ..................................19
Hình 2.13: Sơ đờ chân IC DS3231 ................................................................................20
Hình 2.14: Động cơ DC 5V ........................................................................................... 22
Hình 2.15: Màn hình TFT LCD .....................................................................................22
Hình 2.16: Chuẩn giao tiếp I2C ....................................................................................24
Hình 2.17: Ch̉n giao tiếp SPI ....................................................................................25
Hình 2.18: Sơ đờ cấu trúc các khối của STM32F407 ...................................................27
Hình 2.19: Giao diện phần mềm....................................................................................33
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống .......................................................................................35
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ........................................................................36
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối LED đơn .....................................................................37
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối ma trận phím .............................................................. 38
Hình 3.5: Sơ đồ ngun lý khối nhiệt độ LM35............................................................ 38
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến nhịp tim.......................................................39
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến siêu âm ........................................................40
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến nhịp tim và SpO2 ........................................40
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối nồng độ cồn ................................................................ 41
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối LCD TFT .................................................................42
Hình 3.11: Sơ đồ bố trí linh kiện của KIT .....................................................................43
Hình 3.12: Sơ đồ mạch in PCB mặt trên .......................................................................43
Hình 3.13: Sơ đồ mạch in PCB mặt dưới ......................................................................44
Hình 3.14: Mạch sau khi thi cơng .................................................................................45
Hình 4.1: Biểu tượng phần mềm STM32CubeIDE .......................................................47
Hình 4.2: Giao diện khi khởi động phần mềm .............................................................. 48
Hình 4.3: Chọn họ vi điều khiển ...................................................................................48
Hình 4.4: Gõ tên của Project .........................................................................................49
Hình 4.5: Giao diện file.ioc cấu hình chân cho vi điều khiển ......................................50
Hình 4.6: Cửa sổ Question sinh code ............................................................................50
Hình 4.7: Cửa sổ soạn thảo chương trình của STM32CubeIDE ...................................51
Hình 4.8: Cửa sổ hiển thị khi biên dịch xong ................................................................ 51

Hình 4.9: Cửa sổ cấu hình Debugger ............................................................................52
Hình 4.10: Cửa sổ hiển thị nạp code thành cơng ........................................................... 52
Hình 4.11: Cấu hình chân dao động thạch anh ngoài cho vi điều khiển .......................59
Hình 4.12: Cấu hình Clock cho vi điều khiển ............................................................... 60
xi


Hình 4.13: Chương trình cấu hình Clock cho hệ thống ................................................61
Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý giao tiếp vi điều khiển với module 8 led đơn...................62
Hình 4.15: Cấu hình port cho 8 led đơn trong CubeMX ...............................................63
Hình 4.16: Phần code được sinh ra từ CubeMX ........................................................... 63
Hình 4.17: Lưu đồ điều khiển 8 led chớp tắt .................................................................65
Hình 4.18: Lưu đồ điều khiển 8 led sáng tắt dần........................................................... 67
Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý giao tiếp vi điều khiển với 4 nút nhấn đơn.......................68
Hình 4.20: Cấu hình port cho 4 nút nhấn đơn ............................................................... 69
Hình 4.21: Code cấu hình cho 4 nút nhấn đơn .............................................................. 70
Hình 4.22: Lưu đồ điều khiển 8 led bằng nút nhấn ON và OFF ...................................72
Hình 4.23: Lưu đồ điều khiển 8 led sáng tắt bằng nút ON OFF và INV ......................73
Hình 4.24: Lưu đồ điều khiển 8 led sáng tắt bằng nút ON OFF và INV – chống dội ..75
Hình 4.25: Sơ đồ nguyên lý giao tiếp vi điều khiển với ma trận phím 4x4 ..................78
Hình 4.26: Cấu hình port cho ma trận phím ..................................................................78
Hình 4.27: Code cấu hình cho ma trận phím .................................................................79
Hình 4.28: Sơ đồ nguyên lý giao tiếp vi điều khiển với module led 7 đoạn .................84
Hình 4.29: Lưu đồ điều khiển 8 led sáng từ 0 đến 7 trên module 8 led 7 đoạn ............89
Hình 4.30: Sơ đồ nguyên lý giao tiếp giữa TFT LCD và vi điều khiển ........................90
Hình 4.31: Sơ đồ nguyên lý giao tiếp giữa vi điều khiển và cảm biến LM35 ..............97
Hình 4.32: Lưu đồ chuyển đổi ADC 1 để đọc nhiệt độ từ cảm biến LM35 ..................99
Hình 4.33: Sơ đồ nguyên lý cảm biến siêu âm ............................................................101
Hình 4.34: Sơ đồ nguyên lý cảm biến nhịp tim ...........................................................103

xii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Sơ đồ bộ nhớ .................................................................................................28
Bảng 2.2: Địa chỉ giới hạn của các ngoại vi ..................................................................28
Bảng 2.3: Tập lệnh thao tác với thanh ghi .....................................................................30
Bảng 3.1: Danh sách các linh kiện ................................................................................44
Bảng 4.1: Bảng dữ liệu điều khiển quét lần lượt các transistor.....................................85

xiii


DANH MỤC VIẾT TẮT
SPI

Serial Peripheral Interface

MOSI

Master Out Slave In

MISO

Master In Slave Out

SS

Slave Select

VDK

Vi điều khiển

I2C

Inter-Integrated Circuit

SDA

Serial Data

SCK

Serial Clock

xiv


TÓM TẮT
Ứng dụng của cảm biến y sinh vào ngành chăm sóc sức khỏe và đời sống hàng
ngày là một điều thiết yếu. Đồng thời, để giúp các sinh viên theo ngành Kỹ Thuật Y
Sinh có cách tiếp cận một cách trực quan hơn đối với các loại cảm biến, nhóm chúng
em quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi cơng kit lập trình vi điều khiển arm kết
hợp cảm biến y sinh”. Hoạt động dựa trên các kết nối vào ra giữa vi điều khiển và các
cảm biến với ngơn ngữ lập trình C nhằm thu thập các dữ liệu từ cảm biến thông qua vi
điều khiển gửi dữ liệu đến các thiết bị đầu ra. Mục tiêu của đề tài là thi cơng một mơ
hình kit thực hành có đầy đủ các cảm biến, vi điều khiển, các module hiển thị, động cơ
trên một board mạch PCB. Thông qua kit thực hành này người sử dụng có thể tạo các
bài thực hành, chạy thử nghiệm trên kit và ứng dụng vào các sản phẩm hoàn chỉnh khác.

Kết quả của đồ án, nhóm đã thi cơng hoàn chỉnh mơ hình kit sản phẩm gồm 10 module
giao tiếp với vi điều khiển STM32F4VET6 và hệ thống các bài thực hành dành cho
người mới bắt đầu làm quen với kit.

xv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, lập trình với vi xử lý là một kỹ năng cần có của một kỹ sư điện. Sau khi
học xong lý thuyết với mục đích tiếp cận thực tế lập trình điều khiển và ứng dụng của
vi điều khiển từ cơ bản đến nâng cao. Giúp ôn lại các kiến thức đã học, rèn luyện kỹ
năng lập trình, kỹ năng gỡ rối, kiểm tra, giám sát, phân tích, suy luận, đánh giá.
Hiện nay có rất nhiều bộ kit giúp hỗ trợ sinh viên lập trình như “Kit thực hành vi
điều khiển PIC” của Ths. Nguyễn Đình Phú. Trong đó sử dụng vi điều khiển PIC
18F4550 để điều khiển 7 Module khác nhau. Các bài lập trình được thiết kế từ cơ bản
đến nâng cao. Kết hợp phần cứng với phần mềm để phát huy tối đa kỹ năng lập trình
[1].
Trên thị trường có rất nhiều loại kit lập trình, trong đó phổ biến nhất là các kit
Arduino. Arduino một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao
gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit,
hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp
USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở
rộng khác nhau. Với cộng đồng lớn, người lập trình có thể tiếp cận dễ dàng, giải đáp các
thắc mắc, thư viện rộng mở từ đó phát triển đề tài của các nhân cũng như nâng cao kỹ
năng lập trình [2].
Những cơng nghệ trước kia sử dụng trong cơng nghiệp dần dần được ứng dụng
trong y tế, và trong tương lai, những chiếc cảm biến và hệ thống cảm biến dựa trên hệ

thống cơ điện vi mô được thiết kế và chứng nhận, những cơng nghệ khác sẽ thích nghi
với những ứng dụng trong y học. Sự giao thoa giữa công nghệ thông tin và công nghệ
sinh học trong ngành y ngày càng mở rộng và vai trò của cản biến ngày càng tăng, bộ
nhận tín hiệu, bộ tác động, máy mini sẽ ngày càng phổ biến. Một vài thế hệ cảm biến
mới trong y học chỉ ra vai trị mới mà những thiết bị này sẽ có mặt trong mọi vấn đề của
chăm sóc sức khỏe [3].
Nhận thấy tầm quan trọng trên nên việc khảo sát, tìm hiểu vi điều khiển ở nhiều
cấp độ khác nhau từ đơn giản đến phức tạp là hết sức cần thiết. Vì thế đã có rất nhiều đề
tài, đồ án tốt nghiệp, bộ thí nghiệm liên quan đến vi điều khiển để phục vụ việc học tập,
thực hành, nghiên cứu đối với sinh viên ví dụ như: Nguyễn Tâm Phúc, năm 2016, đề tài
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
“Thiết kế kit thực hành vi điều khiển ARM – Cortex M0”, kit thực hành sử dụng chíp
NUC140 của Nuvoton có đầy đủ các tính năng và giao tiếp ngoại vi phong phú, dễ dàng
sử dụng và phát triển các ứng dụng [4]. Đề tài “Thiết kế thi cơng bộ thí nghiệm vi xử lý
giao tiếp kit Intel Galileo” của Phạm Quang Minh, Hồ Văn Trọng, năm 2018, đã xây
dựng lên được bộ thí nghiệm vi xử lý hoàn chỉnh với những chức năng cơ bản như: bàn
phím, led đơn, led 7 đoạn, LCD... hoặc những ứng dụng cao hơn: giao tiếp máy tính,
điều khiển động cơ [5]. Và những đề tài khác liên quan đến lập trình vi điều khiển như
“Thiết kế bộ thí nghiệm PIC 18F2455/2550/5555/4550” [6], “Ứng dụng kit Raspberry
nhận dạng mặt người” [7]. Những kit thí nghiệm trên đã giúp ích rất nhiều đối với sinh
viên nghiên cứu, giúp sinh viên có trải nghiệp thực tế hơn về lập trình vi điều khiển.
Qua tóm tắt trên, chúng em quyết định làm đề tài “Thiết kế và thi cơng Kit lập
trình vi điều khiển ARM kết hợp cảm biến y sinh”. Kit sẽ được sử dụng vi điều khiển
trung tâm là ARM STM32F4, cùng các khối chức năng và các cảm biến khác nhau để
hỗ trợ cho người lập trình nói chung và sinh viên nói riêng có cơng cụ để áp dụng những

kiến thức đã được học và tìm hiểu.
1.2. MỤC TIÊU
Thiết kế và thi cơng Kit lập trình vi điều khiển ARM kết hợp cảm biến y sinh là
kit sử dụng vi điều khiển trung tâm là ARM STM32F4 cùng với khối chức năng: khối
led đơn, khối led 7 đoạn quét, khối LCD, khối ma trận phím, khối nút nhấn, khối thời
gian thực, khối điều khiển tốc độ động cơ, cảm biến SPO2, cảm biến nhịp tim, cảm biến
áp lực.
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nhóm em tập trung giải quyết và hoàn thành các nội dung như sau:
- Nội dung 1: Tìm hiểu về ngơn ngữ lập trình C, phần mềm lập trình
STM32CubeIDE.
-

Nội dung 2: Tìm hiểu về vi điều khiển, cảm biến y sinh.

-

Nội dung 3: Thiết lập sơ đồ nguyên lý giữa các cảm biến và vi điều khiển.

-

Nội dung 4: Xây dựng lưu đồ và viết code cho từng khối.

-

Nội dung 5: Thi cơng kit lập trình.

-

Nội dung 6: Thiết kế và xây dựng các bài thực hành.

-

Nội dung 7: Chạy thử nghiệm, kiểm tra và tinh chỉnh.

-

Nội dung 8: Viết báo cáo.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
-

Nội dung 9: Bảo vệ luận văn.

1.4. GIỚI HẠN
− Sử dụng ARM STM32F4 làm vi điều khiển chính, sử dụng các họ IC giao tiếp,
hiển thị, giải mã, mở rộng port để thiết kế các module ngoại vi kết nối với mạch điều
khiển.
− Số module dự kiến điều khiển: 10 module.
1.5. BỐ CỤC
− Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung
nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
− Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Giới thiệu các cơ sở lý thuyết gồm lý thuyết về xử lý ảnh, các linh kiện và thiết bị

sử dụng để thiết kế hệ thống và trình bày các chuẩn truyền, giao thức.
− Chương 3: Tính toán, thiết kế và thi công
Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, đưa ra sơ đồ nguyên lí của các khối trong hệ
thống và thực hiện việc tính tốn thiết kế. Trình bày q trình thi cơng mạch điện, mơ
hình hệ thống hoàn chỉnh.
− Chương 4: Thiết kế các thực hành
Chương này trình bày về cách sử dụng phần mềm, cách cấu hình các chân vi điều
khiển, thiết kế lưu đồ, đưa ra giải thuật và viết chương trình cho các bài tập mẫu và đưa
ra các bài tập thực hành.
− Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Trình bày kết quả nhận được, viết hướng dẫn sử dụng và nêu ra nhận xét, đánh giá.
− Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Trình bày kết luận và nêu ra hướng phát triển đề tài.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARM
ARM là một loại vi điều khiển 32 bit và 64 bit kiểu RISC, ARM lúc đầu được đặt
tên theo công ty Acorn (ban đầu ARM có nghĩa là Acorn RISC Machine, trong đó RISC
là một cách thiết kế vi xử lý) sau này do có thêm nhiều cơng ty cùng phát triển và một
số lý do khác, người ta thống nhất gọi ARM là Advance RISC Machine. ARM
được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng [8].
Ngày nay, hơn 75% CPU 32 bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARM trở thành
cấu trúc 32 bít được sản xuất nhiều nhất thế giới. Bộ xử lý CPU của ARM hiện diện

trong 95% smartphone, 90% ổ đĩa cứng, 40% truyền hình kĩ thuật số và set top box,
15% trong vi điều khiển, 20% trong máy tính di động và có mặt trên rất nhiều lĩnh vực,
từ TV cho đến các hệ thống tự động hóa và máy móc cơng nghiệp [9].
2.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của ARM
Kiến trúc ARM được phát triển lần đầu tiên vào thập niên 1980 để dùng cho máy
tính để bàn, đến hiện nay nó là kiến trúc được sử dụng phổ biến nhất thế giới, vượt qua
cả kiến trúc x86 của Intel, tính theo số lượng chíp được sản xuất. Do có đặc điểm tiết
kiệm năng lượng nên các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di
động, mà với các sản phẩm này việc tiêu tán công xuất thấp là một mục tiêu thiết kế
quan trọng hàng đầu.
Việc thiết kế ARM được bắt đầu từ năm 1983 trong một dự án phát triển của cơng
ty máy tính Acorn, ngày 26/4/1985 mẫu sản phẩm ARM đầu tiên sản xuất tại công ty kĩ
thuật VLSI, SanJose, bang Califonia được chuyển tới trung tâm máy tính Acorn ở
Cambridge, Anh Quốc.
Nửa thập niên sau đó, ARM được phát triển rất nhanh chóng để làm nhân máy tính
để bàn của Acorn, nền tảng cho các máy tính hỗ trợ giáo dục ở Anh. Trong thập niên
1990, dưới sự phát triển của Acorn Limited, ARM đã thành một thương hiệu đứng đầu
thế giới về các ứng dụng sản phẩm nhúng địi hỏi tính năng cao, sử dụng năng lượng ít
và giá thành thấp. Hình 2.1 mơ tả hình dáng bên ngoài của vi điều khiển ARM.
Chính nhờ sự nổi trội về thị phần đã thúc đẩy ARM liên tục được phát triển và cho
ra nhiều phiên bản mới. Những thành công quan trọng trong việc phát triển
ARM ở thập niên sau này:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
– Giới thiệu ý tưởng về định dạng các chỉ lệnh được nén lại (thumb) cho phép tiết
kiệm năng lượng và giá thành ở những hệ thống nhỏ.

– Giới thiệu họ điều khiển ARM9, ARM10 và “Strong ARM”.
– Phát triển môi trường làm việc ảo của ARM trên PC.
– Các ứng dụng cho hệ thống nhúng dựa trên nhân xử lý ARM ngày càng trở nên
rộng rãi.

Hình 2.1: Chip vi điều khiển ARM
2.1.2. Cấu trúc cơ bản của ARM
Cấu trúc ARM bao gồm các đặc tính của RISC nổi bật như: Cấu trúc nạp/lưu trữ,
khơng cho phép truy xuất bộ nhớ không thẳng hàng, tập lệnh trực giao, file thanh ghi
lớn gồm 16x32-bit, chiều dài mã máy cố định là 32 bit để dễ giải mã và thực hiện
pipeline, để đạt được điều này phải chấp nhận giảm mật độ mã máy [3].
❖ Cấu trúc ARM có một số tính chất như sau:
− Hầu hết tất cả các lệnh đều cho phép thực thi có điều kiện, điều này làm giảm
việc phải viết các tiêu đề rẽ nhánh cũng như bù cho việc khơng có một bộ dự
đoán rẽ nhánh.
− Trong các lệnh số học, để chỉ ra điều kiện thực hiện, người lập trình chỉ cần
sửa mã điều kiện.
− Có một thanh ghi dịch 32-bit, có thể sử dụng với chức năng tính tốn với hầu
hết các lệnh số học và việc tính tốn địa chỉ.
− Có các kiểu định địa chỉ theo chỉ số rất mạnh.
− Có hệ thống con thực hiện ngắt hai mức ưu tiên đơn giản nhưng rất nhanh, kèm
theo cho phép chuyển từng nhóm thanh ghi.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
− Kích thước miếng bán dẫn nhỏ hơn, bộ xử lý đơn giản đòi hỏi ít transistor hơn,

do đó kích thước cần dùng nhỏ lại dành vùng diện tích trống để tăng các chức
năng như bộ nhớ cache, chức năng quản lý bộ nhớ,…
− Thời gian phát triển một sản phẩm ngắn hơn (do kĩ thuật đơn giản)
− Cấu hình mạnh hơn: Khi ta đặt ra các chỉ lệnh phức tạp tuy nó gần gũi với ngơn
ngữ cấp cao, nhưng như thế vơ tình cũng làm các chỉ lệnh khác phức tạp lên và
để thực thi một chỉ lệnh như vậy cần tốn nhiều chu kì xung nhịp. Trong khi đó
nếu dùng RISC chỉ mất một chu kì xung nhịp cho mỗi lệnh, khi ta phân nhỏ
vấn đề phức tạp thành các vấn đề đơn giản thì cách giải quyết sẽ tốt hơn.
− Tốc độ tính tốn cao nhờ vào việc giải mã lệnh đơn giản, nhờ có nhiều thanh
ghi (ít thâm nhập bộ nhớ), và nhờ thực hiện kỹ thuật ống dẫn liên tục và có hiệu
quả (các lệnh đều có thời gian thực hiện giống nhau và có cùng dạng).
− Thời gian cần thiết để thiết kế bộ điều khiển là ít. Điều này góp phần làm giảm
chi phí thiết kế.
− Bộ điều khiển trở nên đơn giản và gọn làm cho ít rủi ro mắc phải sai sót mà ta
thường gặp trong bộ điều khiển.
− Có một số ít lệnh (thơng thường dưới 100 lệnh).
− Có một số ít các kiểu định vị (thơng thường hai kiểu: định vị tức thì và định vị
gián tiếp thơng qua một thanh ghi).
− Có một số ít dạng lệnh (một hoặc hai).
− Các lệnh đều có cùng chiều dài.
− Chỉ có các lệnh ghi hoặc đọc ô nhớ mới thâm nhập vào bộ nhớ.
− Dùng bộ tạo tín hiệu điều khiển bằng mạch điện để tránh chu kỳ giải mã các vi
lệnh làm cho thời gian thực hiện lệnh kéo dài.
− Ngoài ra các bộ xử lý RISC đầu tiên thực hiện tất cả các lệnh trong một chu kỳ
máy.
❖ Lõi vi điều khiển ARM gồm các thành phần sau:
– Lõi xử lý ARM là một khối chức năng được kết nối bởi các bus dữ liệu, các
mũi tên thể hiện cho dòng chảy của dữ liệu, các đường thể hiện cho bus dữ liệu,
các ô biểu diễn trong hình là một khối hoạt động hoặc một vùng lưu trữ. Cấu
hình này cho thấy các dòng dữ liệu và các thành phần tạo nên một bộ xử lý

ARM.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
– Tập lệnh ARM nằm trong hai nguồn thanh ghi Rn và Rm, kết quả được trả về
thanh ghi đích Rd. Nguồn tốn hạng được đọc từ thanh ghi đang sử dụng trên
bus nội bộ A và B tương ứng.
– Khối số học và logic (ALU: Arithmetic Logic) hay bộ nhân (MAC: Multiply –
Accumulate Unit) lấy các giá trị từ thanh ghi Rn và Rm từ bus A, B và tính
tốn ra kết quả.
– Mơ hình thanh ghi theo kiến trúc Registry file giao tiếp với bộ nhớ thông qua
các lệnh load – store và ALU để tính tốn địa chỉ được lưu trong các thanh ghi.
– Incrementer: bộ gia tăng cho thanh ghi địa chỉ.

Hình 2.2: Cấu trúc lõi ARM Cortex M0
2.1.3. Các dịng và các phiên bản của ARM
Để đáp ứng yêu cầu khắt khe và đa dạng của các hệ thống nhúng, bộ xử lý ARM
Cortex được chia thành 3 dòng, được biểu hiện bằng các ký tự sau tên Cortex như dịng:
A (Application), R (Real - time), M (Microcontroller).
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
ARM Cortex là một phiên bản khác với các phiên bản ARM thường hay được ký
hiệu bởi ARMXX. ARM Cortex khơng có tốc độ hoạt động hay hệ thống ngoại vi nhất

định, tùy thuộc vào nhà sản xuất phần cứng sẽ thiết kế hệ thống ngoại vi khác nhau, tuy
nhiên tất cả đều dùng chung nhân ARM Cortex và việc lập trình và truy cập phần cứng
phải tuân theo chuẩn CMSIS. Từ năm 1994 đến năm 2015 các bộ lõi CortexA phát
triển từ A0 đến A18, CortexR phát triển từ R0 đến R7, CortexM phát triển từ
M0 đến M7 [10].
2.1.4. Các hãng sản xuất dòng chip ARM
Không giống như các tập đoàn sản xuất vi xử lý khác như AMD, Intel,
Motorola hay Hitachi, hãng ARM chỉ thiết kế và bán các bản thiết kế của họ và không
sản xuất các vi mạch CPU hoàn chỉnh. Do vậy, có khoảng vài chục hãng sản xuất các
bộ xử lý dựa trên thiết kế của ARM. Sau khi cấp phép cho hơn 175 đối tác ARM được
hưởng lợi từ các công cụ của bên thứ ba. Sử dụng một bộ xử lý tiêu chuẩn trong một
thiết kế cho phép các đối tác ARM tạo ra các thiết bị với một cơ sở nhất quán cho phép
họ tập trung vào việc tạo ra và phát tiển các thiết bị cao cấp hơn.

Hình 2.3: Các hãng sản xuất bộ vi xử lý dựa trên thiết kế của ARM
2.2. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG
Thiết bị đầu vào: phím nhấn, cảm biến nhiệt độ LM35, cảm biến nhiệt độ
DS18B20, cảm biến khoảng cách HCR04, cảm biến nồng độ cồn MQ-3, cảm biến nhịp
tim Pulse Sensor, cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30100.
Thiết bị đầu ra: led, led 7 đoạn, TFT LCD, mạch điều khiển động cơ DC L298,
motor DC, transistor relay, IC dịch 74HC595.
Thiết bị điều khiển trung tâm: vi điều khiển ARM.
Các chuẩn truyền dữ liệu: SPI, I2C.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Thiết bị thời gian thực IC đồng hồ thời gian thực DS3231.
2.2.1. Cảm biến nhiệt LM35
LM35 là một loại cảm biến nhiệt độ rất phổ biến và được ứng dụng rất nhiều trong
thực tế hiện nay. Nó được dùng nhiều trong các mạch điện tử cũng như trong các nghiên
cứu. LM35 là một cảm biến nhiệt độ tương tự, nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu
điện thế ngõ ra của LM35.
Đơn vị nhiệt độ: °C.
Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C.
LM35 khơng cần phải căn chỉnh nhiệt độ khi sử dụng. Độ chính xác thực tế: 1/4°C
ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài (khoảng -55°C tới 150°C). LM35 có hiệu năng cao,
cơng suất tiêu thụ là 60μA, thay đổi nhiệt độ nhanh và chính xác. Cảm biến LM35 hoạt
động bằng cách cho ra một giá trị hiệu điện thế nhất định tại chân Vout (chân ở giữa)
ứng với mỗi mức nhiệt độ. Như vậy, bằng cách đưa vào chân bên trái của cảm biến
LM35 hiệu điện thế 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở chân giữa bằng các chân
được gắn tương ứng trên vi điều khiển sẽ thu được nhiệt độ hiện tại. Cảm biến LM35 là
bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính
với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Hình dạng thực tế của LM35 được mơ tả ở hình 2.4.

Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ LM35
❖ Đặc điểm chính của cảm biến LM35:
−

Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V.

−

Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/°C.

−

Độ chính xác cao ở 25°C là 0.5°C.

−

Tín hiệu đầu ra dạng analog
❖ Sơ đồ chân và chức năng:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
− VCC: Điện áp cung cấp cho LM35.
− GND: Kết nối GND
− OUTPUT: Trả về kết quả analog
❖ Tính toán nhiệt độ đầu ra của LM35:
Việc đo nhiệt độ sự dụng LM35 thông thường được sử dụng bằng cách đưa tín
hiệu từ LM35 qua bộ giải mã ADC đến vi điều khiển để xử lý tín hiệu.
Như vậy ta có:
u=t.k

(2.1)

Trong đó
u: điện áp đầu ra.
t: nhiệt độ môi trường đo.
k: hệ số nhiệt độ của LM35 10mV/°C.
Giả sử điện áp Vcc cấp cho LM35 là 5V, bộ giải mã ADC sử dụng 10bit, thì điện
áp trên 1 bước thay đổi của LM35 sẽ là 5V/10^2 =5V/1024. Giá trị ADC đo được thì

điện áp đầu vào của LM35 là:
𝐴𝐷𝐶 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑒 =

𝐴𝐷𝐶 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑒 =

𝐴𝐷𝐶 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑒 =

u
𝐴𝐷𝐶 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛

t.k
5𝑉/1024

0.01V∗t∗1024
5𝑉

𝐴𝐷𝐶 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑒 = 2.048 ∗ 𝑡

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

Vậy nhiệt độ ta đo được t = ADC value /2.048.
2.2.2. Cảm biến khoảng cách HC-SR04
Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04 được sử dụng để nhận biết khoảng cách từ
vật thể đến cảm biến nhờ sóng siêu âm, cảm biến có thời gian phản hồi nhanh, độ chính

xác cao, phù hợp cho các ứng dụng phát hiện vật cản, đo khoảng cách bằng sóng siêu
âm. Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04 sử dụng cặp chân Echo/ Trigger để phát và

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
nhận tín hiệu. Hình 2.5 là hình dạng thực tế và các chân kết nối của cảm biến đo khoảng
cách HC-SR04.

Hình 2.5: Cảm biến siêu âm HCSR04
❖ Thông số kỹ thuật:
− Điện áp hoạt động: 5VDC.
− Dịng tiêu thụ: 10~40mA.
− Tín hiệu giao tiếp: TTL.
− Chân tín hiệu: Echo, Trigger.
− Góc qt:<15 độ.
− Tần số phát sóng: 40Khz .
− Khoảng cách đo được: 2~450cm (khoảng cách xa nhất đạt được ở điều khiện lý
tưởng với không gian trống và bề mặt vật thể bằng phẳng, trong điều kiện bình
thường cảm biến cho kết quả chính xác nhất ở khoảng cách <100cm).
− Sai số: 0.3cm (khoảng cách càng gần, bề mặt vật thể càng phẳng sai số càng nhỏ).
− Kích thước: 43mm x 20mm x 17mm.
❖ Sơ đồ chân và chức năng:
− VCC: Hoạt động điện áp 5V .
− GND: Kết nối GND .
− TRIG: Cấp xung đầu vào cho module.
− ECHO: Nhận tín hiệu phản xạ về.

❖ Nguyên lý đo khoảng cách của HC-SR04:
− Ta sẽ dùng vi điều khiển phát 1 xung rất ngắn (10 microSeconds) vào chân Trig.
− Sau đó, mạch cảm biến sẽ phát ra 1 chuỗi 8 xung có tần số 40kHz.
− Tiếp theo, 1 xung HIGH ở chân Echo sẽ được cảm biến tạo ra đến khi cảm biến
nhận lại được sóng phản xạ thì chân Echo sẽ trở về mức 0.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
− Dùng Timer đo khoảng thời gian chân Echo tồn tại mức điện áp HIGH.
− Hình 2.6 mơ tả 3 giai đoạn hoạt động của cảm biến HC-SR04: kích hoạt chân Trig,
phát sóng siêu âm với 8 xung tần số 40kHz và khoảng thời gian chân Echo tích
cực mức HIGH.

Hình 2.6: Biểu đờ các giai đoạn từ kích hoạt chân Trig đến thu sóng phản xạ
❖ Cách tính khoảng cách:
Ta có:
𝐾ℎ𝑜𝑎̉𝑛𝑔 𝑐𝑎́ 𝑐ℎ = 𝑉ậ𝑛 𝑡ố𝑐 ∗ 𝑇ℎờ 𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛

(2.6)

Khoảng cách ở đây là quãng đường mà 8 xung siêu âm đi được và vận tốc của sóng
siêu âm hay âm thanh trong khơng khí là 340m/s. Khi đã đo được thời gian từ quãng
thời gian xung siêu âm( dùng Timer đo thời gian của xung HIGH chân Echo), áp dụng
cơng thức (2.6) ta tính được quãng đường sóng siêu âm đi và chia 2 để được khoảng
cách từ cảm biến đến vật:

𝐾ℎ𝑜𝑎̉𝑛𝑔 𝑐𝑎́𝑐ℎ =

340∗Thờ i gian Timer đo được
2

(m)

(2.7)

2.2.3. Cảm biến nồng độ cồn MQ-3
Cảm biến thích hợp cho việc phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở. Phát hiện khí
phát ra từ Etanol, Alcohol. Độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh. Cảm biến cung cấp
một đầu ra tương tự dựa trên nồng độ cồn. Hình dạng thực tế của MQ-3 và các chân kết
nối được mơ rả ở hình 2.7.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.7: Cảm biến nờng độ cờn MQ-3
❖ Thơng số kỹ thuật:
− Kích thước: 32 x 22 x 27 mm.
− Chip chính: LM393, MQ-3 cảm biến khí.
− Điện áp cung cấp: DC 5V.
− Có 2 dạng tín hiệu đầu ra dạng Analog và TTL.
− Tín hiệu đầu ra TTL có giá trị thấp. (đầu ra tín hiệu mức thấp có thể được kết nối
trực tiếp với vi điều khiển).
− Đầu ra tương tự 0 ~ 5V, nồng độ cồn càng cao điện áp càng cao.

− Độ nhạy cao và chọn lọc tốt với hơi ethanol.
− Bền và ổn định đáng tin cậy.
− Nhạy và phục hồi nhanh.
❖ Sơ đồ chân và chức năng:
− VCC: Hoạt động điện áp 5V.
− GND: Kết nối GND.
− DOUT: đầu ra digital (0 và 1) .
− AOUT: đầu ra analog.
❖ Nguyên lý đo nồng độ cồn:
MQ3 là một cảm biến bán dẫn giá rẻ có thể phát hiện hơi cồn ở nồng độ từ 0.05mg/L
đến 10mg/L. Vật liệu cảm nhận đó là SnO2, có tính dẫn điện thấp hơn khơng khí sạch.
Độ dẫn điện tăng khi nồng độ hơi cồn tăng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

13


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.4. Cảm biến nhịp tim và SpO2 MAX30100
Module tích hợp Cảm biến MAX30100 của hãng Maxim, có khả năng đo được
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim. Đó là một cảm biến quang học, nó phát ra hai bước
sóng ánh sáng từ hai đèn LED - một LED đỏ và một LED hồng ngoại - sau đó đo sự hấp
thụ của xung huyết (pulsing blood) bằng cách thu tín hiệu thơng qua một bộ cảm biến
ánh sáng (photodetector). Sự kết hợp màu LED đặc biệt này được tối ưu hóa để đọc dữ
liệu ở đầu ngón tay.
Cảm biến nhịp tim và Oxy trong máu MAX30100 được ứng dụng nhiều trong lĩnh
vực y sinh, cảm biến sử dụng phương pháp đo quang phổ biến hiện nay, với thiết kế và
chất liệu mắt đo từ chính hãng Maxim cho độ chính xác và độ bền cao, độ nhiễu thấp.
Hình 2.8 mơ tả hình dạng thực tế và các chân kết nối của MAX30100.

Hình 2.8: Cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy bão hòa trong máu MAX30100
❖ Thông số kỹ thuật:
− Điện áp hoạt động: 1.8 - 5.5 VDC (khuyên dùng 5V).
− Giao tiếp I2C.
− Kích thước: 19 x 14 x 3 (mm).
− Khối lượng: 5g.
❖ Sơ đồ chân và chức năng:
− Vin: Điện áp cung cấp 1.8V – 5.5V.
− GND: Kết nối GND ..
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

14


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
− SCL: chân clock của giao tiếp I2C .
− SDA chân truyền dữ liệu data của giao tiếp I2C.
− INT: Ngắt MAX30100.
− IDR: Cathode của LED hồng ngoại. Thả nổi trong mạch.
− RD: Cathode của LED đỏ. Thả nổi trong mạch.
❖ Nguyên lý đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim:
Thiết bị có hai đèn LED, một phát ra ánh sáng đỏ, một đèn hồng ngoại khác phát ra.
Đối với nhịp tim, chỉ cần dùng đèn hồng ngoại. Cả ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại
đều được sử dụng để đo nồng độ oxy trong máu. Khi tim bơm máu, có sự gia tăng thể
tích máu nên lượng máu bị oxy hóa cũng tăng. Khi tim thư giãn, thể tích máu được oxy
hóa cũng giảm. Bằng cách biết thời gian giữa tăng và giảm oxy máu, nhịp tim được xác
định.
Trong thực tế, máu oxy hóa hấp thụ nhiều ánh sáng hồng ngoại hơn và cho ánh sáng
đỏ qua nhiều hơn trong khi máu khử oxy hấp thụ ánh sáng đỏ và cho ánh sáng hồng
ngoại đi qua nhiều hơn hơn. Đây là chức năng chính của MAX30100: nó đọc mức độ

hấp thụ cho cả hai nguồn sáng và được lưu trữ trong bộ đệm có thể đọc qua I2C.
2.2.5. Cảm biến nhịp tim Pulse Sensor
Cảm biến nhịp tim dạng quang Pulse Sensor sử dụng nguyên lý đo nhịp tim bằng
ánh sáng với kích thước nhỏ gọn và giao tiếp Analog rất dễ sử dụng, phù hợp cho các
ứng dụng điện tử y sinh.
Nhịp đập của tim là thông số rất quan trọng xây dựng 1 bài tập thể dục thật sự khoa
học. Trước đây, cảm biến nhịp tim chỉ thường xuất hiện trên các thiết bị đắt tiền như :
máy chạy bộ, máy đo trong bệnh viện, smartphone,..v.v.v….

Hình 2.9: Cảm biến Pulse Sensor
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

15


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
❖ Thông số kỹ thuật:
− Nguồn : 3 – 5V
− Dòng tiêu thụ : < 4mA
− Ngõ ra : Analog.
− Đường kính cảm biến : 1.6 cm ( 0.625 inch).
❖ Sơ đồ chân và chức năng:
− VCC: Điện áp cung cấp.
− Ground: Kết nối với đất.
− Signal: Chân tín hiệu Analog kết nối với bộ ADC.
❖ Nguyên lý làm việc của Pulse Sensor:
Ban đầu LED và cảm biến đều đặt song song với nhau. Khi ta đặt ngón tay lên phía
trên cảm biến, ánh sáng từ LED đến tay ta phản chiếu trở lại. APDS9008 phát hiện sự
thay đổi của ánh sáng này. Do mỗi lần tim đập lưu lượng máu qua mạch máu thay đổi
(tăng đột ngột) làm ánh sáng cảm biến nhận được thay đổi. Mỗi khi phát hiện được sự

thay đổi, chân 4 (Output) của cảm biến được kéo lên VCC, kích mở Opamp đưa một
xung vuông ra chân Output của cảm biến. Đếm số xung vuông này trong 1 khoảng thời
gian ta sẽ thu được nhịp tim cần đo.
2.2.6. Cảm biến nhiệt độ DS18B20
Cảm biến nhiệt độ dây 1m DS18B20 1-Wire Digital Temperature Probe là cảm
biến DS18B20 được thiết kế ở dạng dây chống nước với vò thép bảo vệ chắc chắn dài
1m, được sử dụng để đo nhiệt độ môi trường với chuẩn giao tiếp 1-Wire (1 chân Data
duy nhất) rất dễ kết nối và lập trình, cảm biến có chất lượng tốt, độ bền cao. Hình 2.9
mơ tả hình dạng thực tế và các chân kết nối của cảm biến DS18B20.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

16