Đồ án Thiết kế và thi công cân điện tử

I BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÂN ĐIỆN TỬ GVHD: ThS. Phan Vân Hoàn SVTH: Trần Minh Đức MSSV: 14141072 Tp. Hồ Chí Minh -01/2019 II TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Minh Đức MSSV: 14141072 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT3A I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÂN ĐIỆN TỬ II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Khảo sát các loại vi điều khiển ARM, lựa chọn màn hình cảm ứng TFT LCD, module âm thanh. Tìm hiểu và thu thập các số liệu từ các trang mạng và sách về lập trình vi điều khiển ARM. Tìm hiểu các tài liệu hướng dẫn sử dụng loadcell, động cơ bước, module giải mã âm thanh. 2. Nội dung thực hiện:  NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu về KIT STM32F103RBT6, module VS1003, loadcell, động cơ bước,.  NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được, lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công mô hình kết nối các module với KIT điều khiển.  NỘI DUNG 3: Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển, thiết kế giao diện màn hình cân điện tử. III  NỘI DUNG 4: Thử nghiệm và điều chỉnh phần mềm cũng như phần cứng để mô hình được tối ưu, sử dụng dễ dàng. Đánh giá các thông số của mô hình so với thông số thực tế.  NỘI DUNG 5: Viết báo cáo thực hiện. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/09/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/01/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Phan Vân Hoàn CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH IV TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 2: Trần Minh Đức Lớp: 14141DT3A MSSV: 14141072 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÂN ĐIỆN TỬ Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 10/9 – 16/9 Gặp GVHD nhận đề tài. Nhận tài liệu hướng dẫn từ GVHD. Tuần 2 17/9 – 23/9 Viết báo cáo Chương 1. Đọc tài liệu kĩ thuật KIT STM32F103. Tuần 3 24/9 – 30/9 Viết báo cáo Chương 1. Giao tiếp STM32 với TFT-LCD. Tuần 4 1/10 – 7/10 Viết báo cáo Chương 2. Giao tiếp STM32 với TFT-LCD. Nghiên cứu về loadcell. Tuần 5 8/10 – 14/10 Viết báo cáo Chương 2. Giao tiếp STM32 với loadcell bằng module HX711. Hiển thị được cân nặng. Tuần 6 15/10 – 21/10 Viết báo cáo Chương 3. Thiết kế mô hình đo chiều cao. Tuần 7 22/10 – 28/10 Viết báo cáo Chương 3. Giao tiếp STM32 với động cơ bước. Tìm hiểu mudule điều khiển LN298. V Tuần 8 29/10 – 4/11 Viết báo cáo Chương 3. Tính toán, hiển thị được đo chiều cao. Tuần 9 5/11 – 11/11 Viết báo cáo Chương 3. Giao tiếp STM32 với thẻ nhớ SD card. Tuần 10 12/11 – 18/11 Viết báo cáo Chương 4. Giao tiếp với thẻ nhớ phát được nhạc MP3. Tuần 11 19/11 – 25/11 Viết báo cáo Chương 4. Giao tiếp module giải mã âm thanh đọc được cân nặng. Tuần 12 26/11 – 2/12 Viết báo cáo Chương 5. Giao tiếp module giải mã âm thanh đọc được chiều cao. Tuần 13,14 3/12 – 16/12 Viết báo cáo Chương 5,6. Hoàn thành mô hình, tiến hành chạy thử và kiểm tra lỗi. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) LỜI CAM ĐOAN VI Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Trần Minh Đức LỜI CẢM ƠN VII Chúng em xin cảm ơn sâu sắc đến thầy Phan Vân Hoàn đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để chúng em hoàn thành đề tài. Chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện - Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 14141DT3A đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Xin cảm ơn đến cha mẹ. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Trần Minh Đức TÓM TẮT Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp điện tử, kỹ thuật số các hệ thống dần dần được tự động hoá. Với sự phát triển của vi xử lí, vi mạch số được ứng dụng vào lĩnh VIII vực điều khiển giúp việc xử lý thông tin nhanh hơn trước đây giúp phục vụ vào nhu cầu cuộc sống của con người. Với tiêu chí chăm sóc sức khỏe con người trong cuộc sống hiện nay, chúng tôi chọn đề tài này để thiết kế mô hình cân điện tử thực tế giúp nhận biết được thể trạng con người, đề có những biện pháp giúp cơ thể trở nên khỏe mạnh hơn và hạn chế được các bệnh lý trong cơ thể qua đó giúp nhận biết tốt nhất nhằm cân bằng thể trạng con người. Đề tài này được nghiên cứu thực hiện và cải tiến từ những trang thiết bị cân đo thực tế có trong cuộc sống. Qua đó giúp chúng ta áp dụng được lập trình vi xử lý vào mô hình cân đo hằng ngày. Sau quá trình nghiên cứu thì chúng tôi đã thành công trong việc hoàn thiện mô hình cân đo chiều cao và cân nặng, mang lại độ chính xác khá cao trong việc đo đạt và lời khuyên từ mô hình cho người cân đo. IX MỤC LỤC BÌA NGOÀI ................................................................................................................ I NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... II LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................. IV LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... V LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... VI TÓM TẮT ............................................................................................................... VII MỤC LỤC ................................................................................................................. IX DANH SÁCH HÌNH ................................................................................................. XI DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................. XIII CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................ 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ. .................................................................................................. 1 1.2 MỤC TIÊU. ....................................................................................................... 1 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. ............................................................................. 2 1.4 GIỚI HẠN. ........................................................................................................ 2 1.5 BỐ CỤC. ........................................................................................................... 2 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 4 2.1 TỔNG QUAN CÂN SỨC KHỎE VÀ ĐO CHIỀU CAO BMI. .......................... 4 2.1.1 Chỉ số BMI là gì? ........................................................................................ 4 2.1.2 BMI với sức khỏe con người. ...................................................................... 5 2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG. ............................................................................. 7 2.2.1 Tổng quan về ARM. .................................................................................... 7 2.2.2 Giới thiệu về ARM-Cortex-M3 STM32F1. ................................................. 9 2.2.3 Cảm biến loadcell. ..................................................................................... 11 2.2.4 Giới thiệu module HX711. ........................................................................ 13 2.2.5 Giới thiệu động cơ bước. ........................................................................... 17 2.2.6 Giới thiệu modual L298N. ......................................................................... 21 2.2.7 Module giải mã âm thanh VS1003. ........................................................... 23 2.2.8 Chuẩn giao tiếp SPI. .................................................................................. 25 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN_THIẾT KẾ .................................................................... 28 3.1 GIỚI THIỆU. ................................................................................................... 28 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG. ..................................................... 28 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối. ................................................................................... 28 X 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch. ....................................................................... 29 a. Khối xử lý trung tâm ............................................................................... 29 b. Khối hiển thị ........................................................................................... 30 c. Khối điều khiển ....................................................................................... 31 d. Khối cảm biến ......................................................................................... 33 e. Khối động cơ ........................................................................................... 34 f. Khối âm thanh ......................................................................................... 36 g. Khối nguồn ............................................................................................. 39 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống. ................................................................. 40 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ...................................................................... 41 4.1 GIỚI THIỆU. ................................................................................................... 41 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG. ................................................................................. 41 4.2.1 Thi công board mạch. ................................................................................ 41 4.2.2 Lắp ráp, hàn linh kiện và kiểm tra. ............................................................ 43 4.2.3 Thi công mô hình. ..................................................................................... 44 4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG. ............................................................................... 46 4.3.1 Lưu đồ giải thuật. ...................................................................................... 46 4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển. ....................................................... 52 4.4 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC. ....................................... 53 4.4.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng. ................................................................ 53 4.4.2 Quy trình thao tác. ..................................................................................... 54 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................................. 56 5.1 KẾT QUẢ. ....................................................................................................... 56 5.1.1 Kết quả phần cứng..................................................................................... 56 5.1.3 Kết quả đo thử. .......................................................................................... 60 5.2 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ......................................................... 63 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................ 65 6.1 KẾT LUẬN. .................................................................................................... 65 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN. .................................................................................. 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 66 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 67 XI DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1: Biểu đồ quan hệ giữa chiều cao và cân nặng con người. ............................... 4 Hình 2.2: Ảnh minh họa người gầy. ............................................................................. 9 Hình 2.3: Ảnh minh họa người béo phì.. ...................................................................... 6 Hình 2.4: Kiến trúc của vi xử lí ARM Cotex-M7. ........................................................ 9 Hình 2.5: Kiến trúc ARM Cortex-M3.. ...................................................................... 10 Hình 2.6: Load cell 50kg. .......................................................................................... 12 Hình 2.7: Load cell 5kg. ............................................................................................ 12 Hình 2.8: Mạch cầu điện trở Wheatstone. .................................................................. 12 Hình 2.9: Sự thay dổi điện trở trên loadcell. ............................................................... 13 Hình 2.10: Module HX711. ....................................................................................... 13 Hình 2.11: Sơ đồ khối ứng dụng cân nặng.. ............................................................... 15 Hình 2.12: Sơ đồ chân trong module HX711. ............................................................ 15 Hình 2.13: Dữ liệu đầu ra, đầu vào và thời gian lựa chọn và kiểm soát.. .................... 17 Hình 2.14: Động cơ bước.. ......................................................................................... 18 Hình 2.15: Cấu tạo động cơ bước từ trở. .................................................................... 18 Hình 2.16: Cấu tạo động cơ bước đơn cực.. ............................................................... 19 Hình 2.17: Cấu tạo động cơ bước hai cực. ................................................................. 20 Hình 2.18: Cấu tạo động cơ bước nhiều pha. ............................................................. 21 Hình 2.19: Sơ đồ chân của IC L298. .......................................................................... 22 Hình 2.20: Module L298N. ........................................................................................ 23 Hình 2.21: Sơ đồ cấu trúc và sơ đồ chân VS1003.. .................................................... 24 Hình 2.22: Sơ đồ kết nối chuẩn SPI Master-Slave. ..................................................... 26 Hình 2.23: Quá trình truyền nhận SPI.. ...................................................................... 27 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống. ............................................................................ 28 Hình 3.2: Mặt trên của kit STM32F103RBT6. ........................................................... 30 Hình 3.3: Màn hình LCD 2.8 inch. ............................................................................. 31 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của KIT STM32 với LCD. ............................................... 29 Hình 3.5: Nút nhấn 12x12x12mm. ............................................................................. 32 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý nút nhấn với KIT STM32. ................................................ 32 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của khối cảm biến đo cân nặng. ....................................... 34 Hình 3.8: Thứ tự động cơ quay thuận. ........................................................................ 35 Hình 3.9: Thứ tự động cơ quay nghịch. ...................................................................... 35 Hình 3.10: Module công tắc hành trình ...................................................................... 35 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý của động cơ bước với L298 và KIT STM32 .. ................ 36 Hình 3.12: Module VS1003.. ..................................................................................... 37 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý STM32F103 với VS1003 và SD-card. .......................... 38 Hình 3.14: Loa xí ngầu VSP-CK4. ............................................................................. 39 Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống. ................................................................ 40 Hình 4.1: Sơ đồ mạch in của mạch xử lý trung tâm. . 41Error! Bookmark not defined. Hình 4.2: Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển. .......................................................... 41 XII Hình 4.3: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch xử lý trung tâm................................................ 42 Hình 4.4: Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển. ................................................ 42 Hình 4.5: Khung dưới của hệ thống. .......................................................................... 44 Hình 4.6: Khung trên và bộ trượt của hệ thống. ......................................................... 45 Hình 4.7: Hộp đựng động cơ. ..................................................................................... 45 Hình 4.8: Lưu đồ chương trình chính. ........................................................................ 46 Hình 4.9: Lưu đồ chương trình cân nặng.. .................................................................. 47 Hình 4.10: Lưu đồ đo chiều cao ................................................................................. 48 Hình 4.11: Lưu đồ đọc/phát nhạc ............................................................................... 49 Hình 4.12: Lưu đồ chế độ phát nhạc. ......................................................................... 50 Hình 4.13: Lưu đồ phát nhạc. ..................................................................................... 50 Hình 4.14: Lưu đồ đọc giá trị BMI............................................................................. 51 Hình 4.15: Giao diện phần mềm Keil uVision5. ......................................................... 52 Hình 4.16: Giao diện màn hình chính......................................................................... 54 Hình 4.17: Giao diện màn hình nghe nhạc ................................................................. 55 Hình 4.18: Giao diện màn hình đo. ............................................................................ 55 Hình 5.1: Mạch xử lý trung tâm. ................................................................................ 56 Hình 5.2: Giao diện hình ảnh của cân điện tử. ............................................................ 56 Hình 5.3: Mô hình cân đo cân nặng ........................................................................... 57 Hình 5.4: Mô hình đo chiều cao. ................................................................................ 57 Hình 5.5: Mô hình bộ điều khiển. .............................................................................. 58 Hình 5.6: Mô hình bộ xử lý trung tâm. ....................................................................... 58 Hình 5.7: Hệ thống cân điện tử hoàn thiện. ................................................................ 59 Hình 5.8: Người dùng chỉnh hệ thống trước khi đo. ................................................... 60 Hình 5.9: Người dùng đứng khi đang đo. ................................................................... 61 Hình 5.10: Người dùng đo khi thanh trượt chạm đầu. ................................................ 62 Hình 5.11:Giao diện hiển thị sau khi đo.